CN117825898B - 一种gis分布式振声联合监测方法、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种GIS分布式振声联合监测方法、装置及介质，针对现有测试装置和测试方式识别不佳易误判的问题，采用技术方案如下：一种GIS分布式振声联合监测方法，包括：通过分布式加速度传感器和分布式传声器分别同步采集GIS的振动信号和声信号；根据采集结果同步计算振动幅值和声成像结果；其中，声成像结果通过基于广义互相关与l 1范数逆问题求解的声源定位算法获得；当分布式加速度传感器采集到的振动信号大于等于振动信号阈值时，记录并输出对应时刻的声成像结果，实现缺陷定位。本发明能够实现GIS运行状态监测与耐压试验击穿定位，且能够满足击穿时测量频率范围大、频带宽、信号衰减小、不易受电磁信号干扰。
Description
技术领域
本发明属于电力设备状态监测领域，特别涉及一种GIS分布式振声联合监测方法、装置及介质。
背景技术
气体绝缘金属封闭开关设备(Gas insulated switchgear，简称GIS)作为一种新型高压开关设备，具有结构紧凑、占地面积小、抗干扰能力强等优点，在特高压换流站被普遍采用。特高压换流站被试GIS设备分支母线长、间隔数量多，在GIS现场耐压试验发生击穿时，难以快速、精准的定位放电点。另一方面，在运行期间，由于固有机械特性改变，造成GIS的机械性能和绝缘性能下降，需要对其运行状态进行在线监测。
机械振动信号是最能够有效表征GIS机械故障的物理参量，且GIS固有机械特性改变时，机械缺陷位置会产生异常的振动，发出不同于设备正常运行时的异常声音。另外，耐压试验中发生击穿时产生的声波频带约为10 Hz～104k Hz，其中包含了人耳可听声的频率范围（20 Hz～20k Hz），该部分的声能量相比超声衰减小很多，可通过非接触手段测量。
现有检测方法还具有以下缺点：现有的脉冲电流法通过在GIS上施加脉冲电流并在检测阻抗上检测产生的脉冲电压以识别内部局放，该方法存在测量频率较低、频带较窄等问题；现有的特高频法通过在盆体表面安装耦合传感器捕捉放电信号，相较于脉冲电流法具有高灵敏度、宽频带的优势，但由于特高频信号衰减较快，且易受到环境电磁信号干扰，安装在外部的传感器依然难以精确定位，且对于成本和检测人员的要求较高；现有的声源识别方法，例如传统的波束成形算法难以准确辨识相干声源，在强噪声环境下存在识别效果不佳等难题。
发明内容
针对现有测试装置和测试方式识别不佳易误判的问题，本发明提供一种GIS分布式振声联合监测方法，实现运行状态异常监测和耐压试验击穿定位。
本发明采用技术方案如下：一种GIS分布式振声联合监测方法，包括：
步骤1，通过分布式加速度传感器和分布式传声器分别同步采集GIS的振动信号和声信号；
步骤2，根据采集结果同步计算振动幅值和声成像结果；其中，声成像结果通过基于广义互相关与l 1范数逆问题求解的声源定位算法获得；
步骤3，当分布式加速度传感器采集到的振动信号大于等于振动信号阈值时，记录并输出对应时刻的声成像结果，实现缺陷定位。
本发明采用分布式声学传感器采集击穿后的可听声信号，实时给出GIS异响监测与耐压击穿定位的可视化效果，由于现场噪声复杂，单独的声学传感器难以进行异响捕捉，本发明还通过分布式加速度传感器采集振动信号，保证采集信号的准确度；对于声源目前常见的波束成形方法其基本原理是用按特定方式排布的传感器阵列接收噪声源信号，对接收到的信号进行特殊处理后得到噪声源的相关信息，通过对各阵元的输出进行加权、延迟、求和，使得阵列的输出在某一聚焦方向上最大，从而得到噪声源的声场分布。
进一步地，步骤1中，所述分布式加速度传感器GIS的外表面，所述分布式传声器布置于GIS的外侧。
进一步地，步骤2中，所述基于广义互相关与l 1范数逆问题求解的声源定位算法包括：
步骤2.1，将采集的声信号通过广义互相关波束形成算法进行表示，获得广义互相关表达式；
步骤2.2，将广义互相关表达式对应的结果重构，获得重构向量，并构建重构向量的模拟向量；
步骤2.3，构建基于重构向量和模拟向量的优化模型，通过求解建立的优化模型，获得声成像结果；所述优化模型具有以源强向量为最小化的目标函数，以及基于l 2范数求解重构向量与模拟向量之间的差值作为约束条件，其中以源强向量为最小化的目标函数采用l 1范数进行求解。
进一步地，步骤2.1中，设声源位于虚拟聚焦区域的网格点上，分布式传声器上集成M个麦克风的线性麦克风阵列，将采集的声信号表示为含有广义互相关的表达式b n：
(1)；
式中，i、k的取值范围为1至M，k≠i，即i、k表示两个不同的麦克风；表示麦克风对位置(i,k)接收信号的互功率谱，/>表示角频率，f表示信号频率，表示PHAT加权，/>表示虚数单位；/>表示声音从第n个聚焦网格点到第i个麦克风与声音从第n号聚焦网格点到第k个麦克风之间的时间差。
进一步地，步骤2.2中，将广义互相关表达式对应的结果b n重构为列向量，模拟向量表达式为Gq，其中，q为源强向量，矩阵G为一个只与虚拟聚焦网格点、麦克风阵列位置以及声速相关的传递矩阵，其表达式为：
(2)；
其中，矩阵G的元素g in表示第i个麦克风向量到第n个聚焦网格区域点的传递系数，可由下式计算：
(3)；
式中，表示一个阈值常数；该时间计算宽度阈值常数在本处被设置为2×10-5；表示声音从第i个麦克风到第k个麦克风所需时间；/>表示声音从第n号聚焦网格点到第k个麦克风所需时间。
进一步地，步骤2.3中，建立优化模型表达式为：
(4)；
式中，表示一个和噪声相关的误差项；/>表示代价函数；/>表示使得该方程取得最小值时源强q的值；下标1表示利用l 1范数求解逆问题；/>是一个约束条件；下标2表示利用l 2范数求解。
进一步地，步骤3，振动信号阈值为3g，其中g为重力加速度，取值为9.8m/s2。
一种GIS分布式振声联合监测装置，包括：
采集模块，同步采集GIS的振动信号和声信号；
计算模块，根据采集结果同步计算振动幅值和声成像结果；其中，声成像结果通过基于广义互相关与l 1范数逆问题求解的声源定位算法获得；
故障定位模块，当分布式加速度传感器采集到的振动信号超过振动信号阈值时，记录并输出对应时刻的声成像结果，实现缺陷定位。
一种GIS分布式振声联合监测装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述的GIS振声联合监测方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述的GIS振声联合监测方法。
本发明具有的有益效果：本申请提供一种GIS分布式振声联合监测方法、装置及介质，能够实现运行状态监测与耐压击穿定位，不受环境振动和背景强噪声影响，并且能够满足击穿时测量频率范围大、频带宽、信号衰减小、不易受电磁信号干扰，并在强噪声环境下也能准确识别相干声源等实际使用要求。
附图说明
图1为实施例1的流程图；
图2为声传感器位置分布图；
图3为声源仿真布置图；
图4为频率f= 1500Hz、单个声源时本申请的声源定位算法与常规识别算法的效果对比图；
图5为频率f= 6000Hz、单个声源时本申请的声源定位算法与常规识别算法的效果对比图；
图6为频率f= 1500Hz、两个声源时本申请的声源定位算法与常规识别算法的效果对比图；
图7为频率f= 6000Hz、两个声源时本申请的声源定位算法与常规识别算法的效果对比图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种GIS分布式振声联合监测方法，包括：
步骤1，通过分布式加速度传感器和分布式传声器分别同步采集GIS的振动信号和声信号；所述分布式加速度传感器和分布式传声器设置在GIS的外表面。
步骤2，根据采集结果同步计算振动幅值和声成像结果；其中，声成像结果通过基于广义互相关与l 1范数逆问题求解的声源定位算法获得；具体过程为：
步骤2.1，将采集的声信号通过广义互相关波束形成算法进行表示，获得广义互相关表达式；设声源位于虚拟聚焦区域的网格点上，分布式传声器上集成M个麦克风的线性麦克风阵列，将采集的声信号表示为含有广义互相关的表达式：
第i个麦克风接收到的声压信号为：
(5)；
式中，t表示某一时刻，、/>分别表示第i个麦克风的位置矢量和声源位置矢量，/>表示距离，/>表示信号从声源传播到第i个麦克风所需时间，d si表示声源到第i个麦克风之间的距离，c为声速，/>表示误差；
第n个聚焦点上的波束形成输出信号：
(6)；
式中，表示声音从第n号聚焦网格点到达第i号麦克风所需时间；n=1,2...N，N表示聚焦网格点总数；将公式（2）进行一个频域变换，变为复频域状态，以便进行互功率谱计算：
(1)；
式中，i、k的取值范围为1至M，k≠i，即i、k表示两个不同的麦克风；表示麦克风对位置(i,k)接收信号的互功率谱，/>表示角频率，f表示信号频率，表示PHAT加权，/>表示虚数单位；/>表示声音从第n个聚焦网格点到第i个麦克风与声音从第n号聚焦网格点到第k个麦克风之间的时间差。
步骤2.2，将广义互相关表达式对应的结果重构，构建优化模型，通过CVX工具箱求解建立的优化模型，获得声成像结果；
所述优化模型构建过程如下：将广义互相关表达式对应的结果b n重构为列向量，进而建立优化求解问题模型：
(7)；
式中，表示为与源强向量相关的优化模型符号；q为源强向量；/>表示代价函数，/>表示与向量/>同维度的模拟向量；/>表示为：
(8)；
式中，矩阵G为一个只与虚拟聚焦网格点、麦克风阵列位置以及声速相关的传递矩阵，其表达式为：
(2)；
其中，矩阵G的元素g in表示第i个麦克风向量到第n个聚焦网格区域点的传递系数，可由下式计算：
(3)；
式中，表示一个阈值常数；该时间计算宽度阈值常数在本处被设置为2×10-5；表示声音从第i个麦克风到第k个麦克风所需时间；/>表示声音从第n号聚焦网格点到第k个麦克风所需时间。
将式(8)带入式(7)可得：
(9)；
根据声源辐射特性，声源所辐射的声场一般可由少量的单极子声源表示，满足稀疏特性；获得优化模型表达式为：
(4)；
式中，表示一个和噪声相关的误差项；/>表示代价函数；/>表示使得该方程取得最小值时源强q的值；下标1表示利用l 1范数求解逆问题；/>是一个约束条件；下标2表示利用l 2范数求解。此步骤中，b-Gq是一个矩阵，/>表示求解b-Gq各个元素平方和的平方根，约束条件表示b-Gq各个元素平方和的平方根小于等于/>，/>表示求解b-Gq各个元素的绝对值之和，目标函数为/>表示在约束条件下求解代价函数，当代价函数最小时源强向量q的值。
步骤2.3，采用CVX工具箱求解建立的优化模型，获得声成像结果。
步骤3，当分布式加速度传感器采集到的振动信号超过振动信号阈值时，即分布式加速度传感器采集到的振动信号≥3g时，记录并输出对应时刻的声成像结果，实现缺陷定位，其中g为重力加速度，取值为9.8m/s2。
本发明采用分布式声学传感器采集击穿后的可听声信号，实时给出GIS异响监测与耐压击穿定位的可视化效果，由于现场噪声复杂，单独的声学传感器难以进行异响捕捉，本发明还通过分布式加速度传感器采集振动信号，保证采集信号的准确度；对于声源目前常见的波束成形方法其基本原理是用按特定方式排布的传感器阵列接收噪声源信号，对接收到的信号进行特殊处理后得到噪声源的相关信息，通过对各阵元的输出进行加权、延迟、求和，使得阵列的输出在某一聚焦方向上最大，从而得到噪声源的声场分布。
下面以图2至图7的仿真示例，验证本发明提出的声成像算法的可视化效果。在添加噪声的情况下，首先利用单声源考察常规广义互相关波束形成方法与本发明所提出算法的声源识别性能。
如图2所示的阵列传感器位置分布图，仿真中设置点声源坐标为（0,0,0）。在距离声源平面1m处设置采样阵列面，利用64通道、阵列孔径为0.3m的同心圆型传声器阵列进行声压数据采集。
如图3所示的声源仿真布置图，噪声源扫描面位于声源面上，其长、宽尺寸皆为1m，为便于利用计算机进行数据后处理，将噪声源扫描面离散为26×26个节点，离散间隔为0.04m。
为模拟真实测试环境，测得声压信息均添加信噪比SNR=15dB的高斯白噪声。其中，所提算法采用MATLAB中的CVX工具箱进行求解。
如图4、图5所示为频率f= 1500Hz和6000Hz时，本发明提出的基于范数l1与GCC波束形成算法与常规识别算法的效果对比。其中，图4中的（a）为频率f= 1500Hz、单个声源时常规识别算法的结果图，图4中的（b）为频率f= 1500Hz、单个声源时本申请的声源定位算法的结果图，图5中的（a）为频率f= 6000Hz、单个声源时常规识别算法的结果图，图5中的（b）为频率f= 6000Hz、单个声源时本申请的声源定位算法的结果图。当频率较低时，常规算法难以得到良好的声源识别效果，定位光斑较大，所提算法却具备良好的定位效果；当频率的增大，由于高频声场的信息更为丰富，两种算法的成像效果均得到显著提高，而本发明所提算法的定位精度始终优于常规算法，不仅准确地聚焦了真实声源位置，且定位光斑较小。
为进一步验证本发明所提算法相较常规算法的优势，利用相干声源考察常规广义互相关波束形成算法与本发明所提出算法的声源识别性能。
如图6、图7所示仿真设置两个等能量的相干单极子声源，坐标分别为(0.2,0,0.2)和(-0.2,0,0.2)。其余参数设置与单声源仿真一致。其中，图6中的（a）为频率f= 1500Hz、两个声源时常规识别算法的结果图，图6中的（b）为频率f= 1500Hz、两个声源时本申请的声源定位算法的结果图，图7中的（a）为频率f= 6000Hz、两个声源时常规识别算法的结果图，图7中的（b）为频率f= 6000Hz、两个声源时本申请的声源定位算法的结果图。对比可见，常规算法对于相干声源的定位光斑较模糊，识别性能较差，而本发明提出算法得到的定位光斑更清晰，识别精度更佳，且有效抑制了旁瓣的干扰。
综上，本发明所提算法克服了常规算法难以准确识别相干声源的不足，且声源可视化效果聚焦准确，定位光斑小，相较常规算法具有显著的优势。
实施例2
一种GIS分布式振声联合监测装置，包括：
采集模块，同步采集GIS的振动信号和声信号；
计算模块，根据采集结果同步计算振动幅值和声成像结果；其中，声成像结果通过基于广义互相关与l 1范数逆问题求解的声源定位算法获得；
故障定位模块，当分布式加速度传感器采集到的振动信号超过振动信号阈值时，记录并输出对应时刻的声成像结果，实现缺陷定位。
实施例3
一种GIS分布式振声联合监测装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现实施例1所述的GIS分布式振声联合监测方法。
实施例4
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现实施例1所述的GIS分布式振声联合监测方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求的范围中。
Claims (6)
1.一种GIS分布式振声联合监测方法，其特征在于，包括：
步骤1，通过分布式加速度传感器和分布式传声器分别同步采集GIS的振动信号和声信号；
步骤2，根据采集结果同步计算振动幅值和声成像结果；其中，声成像结果通过基于广义互相关与l 1范数逆问题求解的声源定位算法获得；所述基于广义互相关与l 1范数逆问题求解的声源定位算法包括：
步骤2.1，将采集的声信号通过广义互相关波束形成算法进行表示，获得广义互相关表达式：设声源位于虚拟聚焦区域的网格点上，分布式传声器上集成M个麦克风的线性麦克风阵列，将采集的声信号表示为含有广义互相关的表达式：
(1)；
式中，i、k的取值范围为1至M，k≠i，即i、k表示两个不同的麦克风；表示麦克风对位置(i,k)接收信号的互功率谱，/>表示角频率，f表示信号频率，表示PHAT加权，/>表示虚数单位；n=1,2...N，N表示聚焦网格点总数；表示声音从第n个聚焦网格点到第i个麦克风与声音从第n号聚焦网格点到第k个麦克风之间的时间差；
步骤2.2，将广义互相关表达式对应的结果重构，获得重构向量，并构建重构向量的模拟向量；将广义互相关表达式对应的结果b n重构为列向量，模拟向量表达式为Gq，其中，q为源强向量，矩阵G为一个只与虚拟聚焦网格点、麦克风阵列位置以及声速相关的传递矩阵，其表达式为：
(2)；
其中，矩阵G的元素g in表示第i个麦克风向量到第n个聚焦网格区域点的传递系数，可由下式计算：
(3)；
式中，表示一个阈值常数；/>表示声音从第i个麦克风到第k个麦克风所需时间；表示声音从第n号聚焦网格点到第k个麦克风所需时间；
步骤2.3，构建基于重构向量和模拟向量的优化模型，通过求解建立的优化模型，获得声成像结果；所述优化模型具有以源强向量为最小化的目标函数，以及基于l 2范数求解重构向量与模拟向量之间的差值作为约束条件，其中以源强向量为最小化的目标函数采用l 1范数进行逆问题求解；建立优化模型表达式为：
(4)；
式中，表示一个和噪声相关的误差项；/>表示代价函数；/>表示使得该方程取得最小值时源强q的值；下标1表示利用l 1范数求解逆问题；/>是一个约束条件；下标2表示利用l 2范数求解；
步骤3，当分布式加速度传感器采集到的振动信号大于等于振动信号阈值时，记录并输出对应时刻的声成像结果，实现运行状态异常监测和耐压试验击穿定位。
2.根据权利要求1所述的GIS分布式振声联合监测方法，其特征在于，步骤1中，所述分布式加速度传感器布置在GIS的外表面，所述分布式传声器设置在GIS的外侧。
3.根据权利要求1所述的GIS分布式振声联合监测方法，其特征在于，步骤3中，振动信号阈值为3g，其中g为重力加速度。
4.一种GIS分布式振声联合监测装置，采用如权利要求1所述的GIS分布式振声联合监测方法，其特征在于，包括：
采集模块，同步采集GIS的振动信号和声信号；
计算模块，根据采集结果同步计算振动幅值和声成像结果；声成像结果通过基于广义互相关与l 1范数逆问题求解的声源定位算法获得；
故障定位模块，当分布式加速度传感器采集到的振动信号超过振动信号阈值时，记录并输出对应时刻的声成像结果，实现运行状态异常监测和耐压试验击穿定位。
5.一种GIS分布式振声联合监测装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，其特征在于，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现权利要求1至3任一项所述的GIS分布式振声联合监测方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，用于实现权利要求1至3任一项所述的GIS分布式振声联合监测方法。
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