CN117194917A - 一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法、装置、设备及可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法、装置、设备及可读存储介质，方法步骤为：1)构建无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数；2)对风机叶片待检测避雷线发射参考信号；3)判定待检测避雷线是否有故障；4)对待检测避雷线反射信号进行时频域分析，确定待检测避雷线的故障点。装置包括脉冲发生模块、信号收集模块、故障判断模块、信号分析模块；设备包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的避雷线监测程序；可读存储介质上存储有避雷线监测程序；本发明解决了目前避雷线故障检测方案复杂，无法及时发现避雷线断线等问题。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机避雷线故障检测领域，具体是一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法、装置、设备及可读存储介质。
背景技术
风电机组通常建立在山区或海岸线附近，山区相对高海拔的风机遭受雷击事故的概率较大，风电机组发生短路故障或者遭受雷击事故时，容易形成反击过电压，危害风电机组的正常运行。风机组在遭受雷击后，接地装置将由风机塔筒传递来的雷电流引入到大地中去。与此同时，强大的磁场能量也有可能破坏设备，危及风机组系统运行的稳定和工作人员的人身安全。此外，风电机组的许多暴露部件(如叶片和机舱盖)往往由不能承受雷击的材料或不能传导雷电流的复合材料制成，叶片和机舱是旋转的，不利导流，雷电流可能通过风力发电机组传导至地面。因此，即使做了防雷保护，也可能会使风电机组遭受雷击损坏。
如果风机防雷措施中的桨叶避雷线出现接闪器生锈、避雷线老化、断线等故障，则风机桨叶将会遭受雷击。孤立的风力机在雷暴云电场的影响下产生电场畸变，叶片尖端积聚大量雷暴云的非均匀电荷，同时产生尖端放电现象，地面设备易受雷击。当产生雷击的电流进入叶片的洞内后，雷击的电流沿着叶片壳体内部的通道或者向壳体外部叶片表面进行传导，有时候还会反复的发生通道直径的跳变。当产生雷击的电流较大时，会在壳体内产生雷击电弧，温度高达30000k，高温有时会在产生电弧路径的材料附近产生灼烧的叶片壳体，同时这种高温也可能会在叶片壳体内部直接产生一种高压的冲击波，与螺旋桨相对的冲击波就是螺旋桨叶片外壳的损坏，导致螺旋桨叶片被雷击后外壳出现裂纹或者叶片外壳断裂。风电机组是风场的贵重设备，价格占风电工程投资的60％以上，风电机组特别是叶片和发电机遭受雷击时，除了损失维修期间发电所得之外，还要负担受损部件拆装和更新的巨大费用。因此，良好的风电机组桨叶的避雷线状态，对于保障风电机组的安全、可靠、经济运行至关重要。
综上所述，风力发电机组桨叶避雷线故障检测重要且有重大需求。然而目前的故障检测技术并不能实时对避雷线进行检测并且精确定位到故障点，因此有必要开发一套新的避雷线故障检测方法，对避雷线状态进行实时检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，包括以下步骤：
1)构建无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数，并记录无故障避雷线反射信号传播时间；
2)对N个风机叶片待检测避雷线发射参考信号，并接收待检测避雷线的反射信号，记录待检测避雷线反射信号传播时间；N为正整数；
3)若待检测避雷线反射信号传播时间与无故障避雷线反射信号传播时间相同，则判定待检测避雷线无故障，否则，判定待检测避雷线存在故障，并进入步骤4)；
4)对待检测避雷线反射信号进行时频域分析，并结合无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数，确定待检测避雷线的故障点。
进一步，构建无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数的步骤包括：
1.1)向无故障避雷线发射参考信号，并接收无故障避雷线反射信号；
1.2)对参考信号、反射信号进行时频域分析，得到无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数。
进一步，无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数S(t)如下所示：
式中，α为信号宽度影响因子；β为信号频率带宽影响因子；ω0为中心频率；t0为调频波形的时间中心；t为时间。
进一步，确定待检测避雷线的故障点的步骤包括：
4.1)对待检测避雷线反射信号进行时频域分析，定位阻抗不连续点；
4.2)结合无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数，求取待检测避雷线时频域互相关局部峰值点，定位待检测避雷线故障点。
进一步，所述参考信号为具有高斯包络的线性调频信号。
进一步，所述故障包括断线、线路老化。
一种应用所述方法的避雷线故障检测装置，包括：
脉冲发生模块：用于对N个风机叶片待检测避雷线发射参考信号；
信号收集模块：用于收集N个风机叶片待检测避雷线反射信号；其中N为正整数；
故障判断模块：用于判断N个风机叶片待检测避雷线反射信号的传播时间与无故障避雷线反射信号传播时间是否一致；若不一致，则确定N个风机叶片避雷线出现故障；
信号分析模块：用于对N个反射信号进行时频域分析，并计算传播时间，定位阻抗不连续点，再结合信号时频互相关函数，求取互相关局部峰值点进行故障定位。
进一步，还包括显示模块；
所述显示模块用于显示故障检测结果；当待检测避雷线存在故障时，还显示故障点位置。
一种避雷线监测设备，所述避雷线监测设备包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的避雷线监测程序；
所述避雷线监测程序被所述处理器执行时，实现所述方法的步骤。
一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有避雷线监测程序；
其中所述避雷线监测程序被处理器执行时，实现所述方法的步骤。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明通过向避雷线注入参考信号，并求取入反射信号的时频域互相关归一化函数，然后准确估计反射信号传播时间，再通过频域分析计算，实现对避雷线断点的精确定位，不需要机器人辅助或者风机断电停电等操作，实施方法简单，效率高，解决了目前避雷线故障检测方案复杂，无法及时发现避雷线断线等问题。
进一步的，本发明通过向避雷线注入具有高斯包络的线性调频信号，并求取入反射信号的时频域互相关归一化函数，利用互相关函数的峰值来判断电缆缺陷位置，准确估计反射信号传播时间，再通过频域分析计算，实现对避雷线断点的精确定位。通过本发明，仅向避雷线发射信号然后收集返回信号，即可根据返回信号传播时间等特征对比正常避雷线返回信号特征来确定是否断线，通过频域分析更进一步确定断点位置。
附图说明
图1为避雷线故障检测设备的硬件结构示意图。
图2为避雷线故障检测方法一实施例的流程示意图；
图3为故障避雷线的时频域分析图。
图4为正常避雷线的时频域分析图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图4，一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，包括以下步骤：
1)构建无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数，并记录无故障避雷线反射信号传播时间；
2)对N个风机叶片待检测避雷线发射参考信号，并接收待检测避雷线的反射信号，记录待检测避雷线反射信号传播时间；N为正整数；
3)若待检测避雷线反射信号传播时间与无故障避雷线反射信号传播时间相同，则判定待检测避雷线无故障，否则，判定待检测避雷线存在故障，并进入步骤4)；
4)对待检测避雷线反射信号进行时频域分析，并结合无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数，确定待检测避雷线的故障点。
实施例2：
一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，技术内容同实施例1，进一步的，构建无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数的步骤包括：
1)向无故障避雷线发射参考信号，并接收无故障避雷线反射信号；
2)对参考信号、反射信号进行时频域分析，得到无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数。
实施例3：
一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，技术内容同实施例1-2任一项，进一步的，无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数S(t)如下所示：
式中，α为信号宽度影响因子；β为信号频率带宽影响因子；ω0为中心频率；t0为调频波形的时间中心；t为时间。j为虚数。
实施例4：
一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，技术内容同实施例1-3任一项，进一步的，确定待检测避雷线的故障点的步骤包括：
4.1)对待检测避雷线反射信号进行时频域分析，定位阻抗不连续点；
4.2)结合无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数，求取待检测避雷线时频域互相关局部峰值点，定位待检测避雷线故障点。
实施例5：
一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，技术内容同实施例1-4任一项，进一步的，所述参考信号为具有高斯包络的线性调频信号。
实施例6：
一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，技术内容同实施例1-5任一项，进一步的，所述故障包括断线、线路老化。
实施例7：
一种应用实施例1-6任一项所述方法的避雷线故障检测装置，包括：
脉冲发生模块：用于对N个风机叶片待检测避雷线发射参考信号；
信号收集模块：用于收集N个风机叶片待检测避雷线反射信号；其中N为正整数；
故障判断模块：用于判断N个风机叶片待检测避雷线反射信号的传播时间与无故障避雷线反射信号传播时间是否一致；若不一致，则确定N个风机叶片避雷线出现故障；
信号分析模块：用于对N个反射信号进行时频域分析，并计算传播时间，定位阻抗不连续点，再结合信号时频互相关函数，求取互相关局部峰值点进行故障定位。
实施例8：
一种应用实施例1-6任一项所述方法的避雷线故障检测装置，技术内容同实施例7，进一步的，还包括显示模块；
所述显示模块用于显示故障检测结果；当待检测避雷线存在故障时，还显示故障点位置。
实施例9：
一种避雷线监测设备，所述避雷线监测设备包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的避雷线监测程序；
所述避雷线监测程序被所述处理器执行时，实现实施例1-6任一项所述方法的步骤。
实施例10：
一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有避雷线监测程序；
其中所述避雷线监测程序被处理器执行时，实现实施例1-6任一项所述方法的步骤。
实施例11：
一种基于改进时频域反射法的避雷线故障检测方法，所述避雷线的故障检测方法包括：
对正常避雷线发射一个参考信号，并在发射处收集其反射信号，对反射信号进行时频域分析，求取入反射信号的时频域互相关归一化函数，准确计算反射信号传播时间并记录；
对N个风机叶片避雷线发射参考信号，并回收反射信号，对反射信号进行时频域分析，准确计算反射信号传播时间，其中N为正整数；
若叶片反射信号的传播时间与正常传播时间不一致，则判断N个风机叶片避雷线出现断线或老化等问题；
通过对N个不一致的反射信号进行频域分析计算，定位阻抗不连续点，再引入信号时频互相关函数，求取互相关局部峰值点进行缺陷定位。
若N个传播时间包括一致和不一致的情况，则判断特征为不一致的避雷线出现断线或老化等问题。
通过对N个中不一致的信号进行频域分析计算，定位阻抗不连续点，再引入信号时频互相关函数，求取互相关局部峰值点进行缺陷定位。
一种避雷线故障检测装置，所述避雷线装置包括：
脉冲模块，用于对N个风机叶片避雷线发射参考信号，其中N为正整数；
信号收集模块，用于对N个风机叶片避雷线反射信号进行收集，其中N为正整数；
信号分析模块，用于对N个反射信号进行时频域分析，并计算传播时间，定位阻抗不连续点，再引入信号时频互相关函数，求取互相关局部峰值点进行缺陷定位,其中N为正整数；
确定模块，用于若N个叶片避雷线的传播时间与正常传播时间不一致，则确定N个风机叶片避雷线出现断线或老化等问题，并由计算结果，确定缺陷位置。
一种避雷线监测设备，所述避雷线监测设备包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的避雷线监测程序，其中所述避雷线监测程序被所述处理器执行时，实现如上所述的避雷线监测方法的步骤。
一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有避雷线监测程序，其中所述避雷线监测程序被处理器执行时，实现如上所述的避雷线监测方法的步骤。
实施例12：
一种避雷线故障检测设备，参考图1，图1为本发明实施例方案中涉及的避雷线监测设备的硬件结构示意图。在案例当中，避雷线故障检测设备包括处理器，用户接口和存储装置。其中用通讯电线连接这些装置；用户接口可以使用键盘(Keyboard)、鼠标(mouse)以及显示屏(Display)等。存储装置可以是高速随机存取存储器(random access memory，RAM)等，可以包括比图示更多或者更少的部件，亦或是不同部件布置。
继续参照图1，图1中作为一种计算机存储介质的存储装置中可以包括操作系统、用户接口模块以及避雷线监测程序。其中，处理器可以调用存储器中存储的避雷线监测程序，并执行本发明实施例提供的避雷线监测方法。
一种基于改进时频域反射法的避雷线故障检测方法，参考图2，图2为本发明的流程示意图。如图2所示，避雷线的故障检测方法，包括：
步骤S1，对正常避雷线发射一个参考信号，并在发射处收集其反射信号，对反射信号进行时频域分析，求取入反射信号的时频域互相关归一化函数，准确计算反射信号传播时间并记录；对N个风机叶片避雷线发射参考信号，并回收反射信号，对反射信号进行时频域分析，准确计算反射信号传播时间，其中N为正整数；
本实施案例中，在风力发电机避雷线根部处安置高频信号发射器与信号收集器，当信号发射装置启动后，信号收集器将获取N个风机叶片避雷线反射信号，其中N为正整数；
步骤S2，通过对信号进行时频域分析能得到信号的时变频谱特性，根据变化可分析避雷线断线情况和具体断点；
本实施案例中，避雷线发生老化或者断线等情况，其阻抗特性会发生变化，从故障点处将其分段，前段的反射系数将发生改变，因此反射时间将会发生变化，通过对该反射系数分析处理即可实现对阻抗不连续点进行定位，通过再引入信号时频互相关函数，求取互相关局部峰值点进行缺陷定位，操作简易并具有实时性。
以N为10为例，将10个风机叶片避雷线反射信号反射时间与正常避雷线反射时间进行对比，得到10个比较结果，根据10个比较结果即可确定10个风机叶片内避雷线的断线情况。下续以N为10进行说明。
时频域反射法通过向避雷线注入参考信号，利用采集参考信号在阻抗不连续点的反射信号从而实现对避雷线故障的定位，其表达式如下：
式中：α决定信号的宽度，即信号的持续时间，α越大脉宽越窄；β决定信号的频率带宽，β越大频带越宽；ω0为中心频率，与中心物理频率f0满足ω0＝2πf0的关系；t0为调频波形的时间中心；
将本实施例中10个中的某一个信号数值进行时频域分析，参考图3，与正常避雷线时频域图进行对比，参考图4，即可确定故障发生位置。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建所述无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数，并记录无故障避雷线反射信号传播时间。
2)对N个风机叶片待检测避雷线发射参考信号，并接收待检测避雷线的反射信号，记录待检测避雷线反射信号传播时间；N为正整数；
3)若待检测避雷线反射信号传播时间与无故障避雷线反射信号传播时间相同，则判定待检测避雷线无故障，否则，判定待检测避雷线存在故障，并进入步骤4)；
4)对待检测避雷线反射信号进行时频域分析，并结合无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数，确定待检测避雷线的故障点。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，其特征在于，构建无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数的步骤包括：
1)向无故障避雷线发射参考信号，并接收无故障避雷线反射信号；
2)对参考信号、反射信号进行时频域分析，得到无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数。
3.根据权利要求2所述的一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，其特征在于，无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数S(t)如下所示：
式中，α为信号宽度影响因子；β为信号频率带宽影响因子；ω0为中心频率；t0为调频波形的时间中心；t为时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，其特征在于，确定待检测避雷线的故障点的步骤包括：
1)对待检测避雷线反射信号进行时频域分析，定位阻抗不连续点；
2)结合无故障避雷线入、反射信号的时频域互相关归一化函数，求取待检测避雷线时频域互相关局部峰值点，定位待检测避雷线故障点。
5.根据权利要求1所述的一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，其特征在于，所述参考信号为具有高斯包络的线性调频信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于改进时频域反射法的风机避雷线故障检测方法，其特征在于，所述故障包括断线、线路老化。
7.一种应用实施例1-6任一项所述方法的避雷线故障检测装置，其特征在于，包括：
脉冲发生模块：用于对N个风机叶片待检测避雷线发射参考信号；
信号收集模块：用于收集N个风机叶片待检测避雷线反射信号；其中N为正整数；
故障判断模块：用于判断N个风机叶片待检测避雷线反射信号的传播时间与无故障避雷线反射信号传播时间是否一致；若不一致，则确定N个风机叶片避雷线出现故障；
信号分析模块：用于对N个反射信号进行时频域分析，并计算传播时间，定位阻抗不连续点，再结合信号时频互相关函数，求取互相关局部峰值点进行故障定位。
8.根据权利要求7所述的一种避雷线故障检测装置，其特征在于，还包括显示模块；
所述显示模块用于显示故障检测结果；当待检测避雷线存在故障时，还显示故障点位置。
9.一种避雷线监测设备，其特征在于，包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的避雷线监测程序；
所述避雷线监测程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有避雷线监测程序；
其中所述避雷线监测程序被处理器执行时，实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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