JP2018036113A - Signal processing device, and abnormality diagnostic device and abnormality diagnostic method of power apparatus - Google Patents

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Satoshi Matsumoto
松本  聡
小西 義則
Yoshinori Konishi
義則 小西
雅道 加藤
Masamichi Kato
雅道 加藤
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Shibaura Institute of Technology
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology that can easily diagnose internal abnormality or a deterioration state of a power apparatus without stopping an operating power apparatus.SOLUTION: A signal processing device according to the present invention is characterized to comprise acquisition means that continuously or intermittently acquires a signal being a function of time, frequency analysis means that computes a complex frequency spectrum of the acquired signal to calculate, time frequency analysis computing means that performs signal processing of the acquired signal from both of the time and frequency at the same time, noise component removal means that removes a noise component which is estimated to be included in the signal being the function of the time acquired, and display means that displays a source signal obtained after removing the noise component.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は電力機器の稼働状態において、内部異常または劣化を診断することができる信号処理装置およびそれを用いた電力機器の異常診断装置および異常診断方法に関する。より詳しくは、電力設備の重要な機器である変圧器の内部異常あるいは劣化状態を稼働中の変圧器を停止することなく容易に診断できる技術に関する。   The present invention relates to a signal processing device capable of diagnosing an internal abnormality or deterioration in an operating state of a power device, and a power device abnormality diagnosis device and abnormality diagnosis method using the signal processing device. More specifically, the present invention relates to a technique that can easily diagnose an internal abnormality or deterioration state of a transformer, which is an important device of electric power equipment, without stopping an operating transformer.

変電・送配電設備や各種プラントなどには極めて多数の電力用変圧器が使われている。これらの電力機器は、経年劣化や種々の原因により損傷を受けると部分放電や異常音が発生する。これらの不具合は、電力機器に用いられている絶縁材料や構造部材の更なる劣化を引き起こし、電力機器の寿命を左右する。このため、電力機器の異常信号の有無を検出することは、電力機器の信頼性維持あるいは設備監視・診断を行う上で大変重要な技術課題である。   A large number of power transformers are used in substations, transmission and distribution facilities, and various plants. When these power devices are damaged due to aging or various causes, partial discharge and abnormal noise are generated. These problems cause further deterioration of insulating materials and structural members used in the power equipment, and affect the life of the power equipment. For this reason, detecting the presence / absence of an abnormal signal of a power device is a very important technical problem in maintaining the reliability of the power device or monitoring / diagnosis of equipment.

設備監視・診断の方法には、部分放電によって発生したパルス電流や高周波電磁界を検出する電気的方法(特許文献1、2参照、非特許文献1、2参照)、電力機器のタンク振動や音波などを検出する機械的方法、部分放電やアーク放電により引き起こされる分解ガスの分析(DGA)、酸化度、フルフラール分析、絶縁材料の重合度や色度変化、粘性などから劣化状態を推定する物理化学的方法がある。
この他にも最近では変圧器巻線の周波数特性を表す伝達関数の変化を検出する周波数解析(FRA)も試みられている。
Equipment monitoring / diagnosis methods include electrical methods for detecting pulse currents and high-frequency electromagnetic fields generated by partial discharge (see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 and 2), tank vibrations and sound waves in power equipment Physics and chemistry to estimate the degradation state from the analysis of the decomposition gas caused by partial discharge and arc discharge (DGA), oxidation degree, furfural analysis, polymerization degree and color change of insulating material, viscosity, etc. There is a special method.
In addition, recently, frequency analysis (FRA) for detecting a change in transfer function representing the frequency characteristics of the transformer winding has also been attempted.

特開2009−216605号公報JP 2009-216605 A 特開2012−042296号公報JP 2012-042296 A

電気学会技術報告1336号「電気的・音響的手法による変圧器の異常診断手法の最新動向」(2015年3月)IEEJ Technical Report No. 1336, “Latest Trends in Transformer Abnormality Diagnosis Methods Using Electrical and Acoustic Methods” (March 2015) 電力用変圧器改修ガイドライン」, 電気協同研究, Vol.65, No.1 (2009)Power Transformer Reform Guidelines ", Electric Cooperative Research, Vol.65, No.1 (2009)

電力機器の代表として変圧器を例に取り、本発明が解決しようとする課題を説明する。
変圧器のタンク振動は、コイルを流れる負荷電流による電磁力、鉄心を構成する電磁鋼板の励磁電流による磁気ひずみや鉄心の接合部の磁気吸引力、漏れ磁束によるタンクに対する磁気吸引力あるいはマクスウェルの応力またはローレンツ力が原因で発生するといわれている。
これらの力はいずれも負荷電流または励磁電流により発生するもので、その多くは電流の2乗に比例する力が発生するが、マクスウェルの応力のようにそうでないものも混在する。
変圧器の内部に何らかの異常が生じた場合、例えば、鉄心の締め付け力の低下、コイルの変形などが生じると変圧器のタンク振動にも変化が生じる。また、部分放電の発生によっても音波が発生しタンク壁面に達する。さらに、変圧器を構成する絶縁油や絶縁物に物理化学的変化が生じた場合も徐々に劣化が進行する。
The problem to be solved by the present invention will be described by taking a transformer as an example of power equipment.
Transformer tank vibration is caused by electromagnetic force due to the load current flowing through the coil, magnetostriction due to the excitation current of the magnetic steel sheet constituting the iron core, magnetic attraction force at the joint of the iron core, magnetic attraction force against the tank due to leakage magnetic flux, or Maxwell stress. Or it is said to be caused by Lorentz force.
All of these forces are generated by a load current or an excitation current, and most of them generate a force proportional to the square of the current, but some of them do not exist like Maxwell's stress.
When any abnormality occurs in the transformer, for example, when the tightening force of the iron core is reduced or the coil is deformed, the tank vibration of the transformer also changes. Also, sound waves are generated by partial discharge and reach the tank wall. Furthermore, even when a physicochemical change occurs in the insulating oil or the insulator constituting the transformer, the deterioration gradually proceeds.

これらの異常または劣化の検出法は、大きくは電気的方法、音響的方法、物理化学的方法に分類される。
電気的信号を検出する方法は感度の点で優れているが、実際に取得される測定信号はSN比が悪いという問題がある。これは部分放電信号が微弱である上に、現象そのものが不規則なばらつきがあり、その取扱いには統計的手法が必要となることが多いこと、さらに変圧器を設置した現地では電源に由来する外来ノイズが重畳する環境下で、部分放電計測が実施されることが多いことが挙げられる。
特に、近年では放送波や通信用電波に加えて、半導体装置を用いた各種電源や製造設備が普及し、これらが雑音の発生源になっている。したがって、これらの装置から発生する雑音信号との識別にも注意が必要である。
また、異常の原因が機械的要因のみで部分放電が発生しない場合には、電気信号から異常を検出できないという本質的な課題が残る。
さらに、物理化学的方法は、分析に時間を要するため時間応答性に難があり、実時間での測定には不向きである。
These abnormality or deterioration detection methods are roughly classified into electrical methods, acoustic methods, and physicochemical methods.
Although the method of detecting an electrical signal is excellent in terms of sensitivity, there is a problem that the actually acquired measurement signal has a poor SN ratio. This is because the partial discharge signal is weak and the phenomenon itself is irregularly distributed, and its handling often requires a statistical method, and it is derived from the power supply in the field where the transformer is installed. It can be mentioned that partial discharge measurement is often performed in an environment where external noise is superimposed.
In particular, in recent years, various power sources and manufacturing facilities using semiconductor devices have become widespread in addition to broadcast waves and communication radio waves, and these have become sources of noise. Therefore, it is necessary to pay attention to the discrimination from noise signals generated from these devices.
Further, when the cause of abnormality is only a mechanical factor and partial discharge does not occur, an essential problem remains that the abnormality cannot be detected from the electrical signal.
Furthermore, since the physicochemical method requires time for analysis, it has difficulty in time response, and is not suitable for measurement in real time.

本発明は以上の事情に鑑みなされたもので、電力機器の内部異常あるいは劣化状態を稼働中の電力機器を停止することなく容易に診断できる技術の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a technique capable of easily diagnosing an internal abnormality or deterioration state of a power device without stopping the operating power device.

(1)本発明の信号処理装置は、時間の関数である信号を連続的または断続的に取得する取得手段と、前記取得した信号の複素周波数スペクトルを演算して算出する周波数解析手段と、前記取得した信号を時間と周波数の両面から同時に信号処理を行う時間周波数解析演算手段と、前記取得した時間を関数とする信号に含まれると推定される雑音成分を除去する雑音成分除去手段と、前記雑音成分を除去した後の復元信号を表示する表示手段を備えたことを特徴とする。 (1) The signal processing apparatus of the present invention includes an acquisition unit that continuously or intermittently acquires a signal that is a function of time, a frequency analysis unit that calculates and calculates a complex frequency spectrum of the acquired signal, Time frequency analysis calculation means for performing signal processing on the acquired signal from both time and frequency simultaneously, noise component removal means for removing a noise component estimated to be included in the signal as a function of the acquired time, and It is characterized by comprising display means for displaying the restored signal after removing the noise component.

(2)本発明の信号処理装置において、前記周波数解析手段において前記複素数周波数スペクトルを演算する手段がフーリエ変換または高速フーリエ変換であり、演算により求めた複素周波数スペクトルの中から雑音成分を指定または推定し、指定または推定した雑音成分を記憶あるいは学習しながら、新たに入力される時間の関数である信号に対する演算を行う演算装置を備えることができる。
(3)本発明の信号処理装置において、前記時間周波数解析演算手段において信号処理を行う手段が複数レベルのフィルターバンクを伴うウェーブレット変換であり、前記記憶あるいは学習により保持された雑音成分相当のスペクトルを除去できるフィルターまたはこれに相当する基底関数を用いて、時間を関数とする信号の中から雑音成分を除去する雑音成分除去手段を備えていることが好ましい。
(2) In the signal processing apparatus of the present invention, the means for calculating the complex frequency spectrum in the frequency analysis means is Fourier transform or fast Fourier transform, and a noise component is designated or estimated from the complex frequency spectrum obtained by the calculation. In addition, it is possible to provide an arithmetic device that performs an operation on a signal that is a function of a newly input time, while storing or learning a designated or estimated noise component.
(3) In the signal processing apparatus of the present invention, the means for performing signal processing in the time-frequency analysis calculation means is a wavelet transform with a plurality of levels of filter banks, and a spectrum corresponding to a noise component retained by the storage or learning is obtained. It is preferable to include a noise component removing unit that removes a noise component from a signal having a function of time by using a filter that can be removed or a basis function corresponding to the filter.

(4)本発明の信号処理装置において、前記複素周波数スペクトルを演算する装置を1台または複数個の混合器を用いて構成することが好ましい。
(5)本発明の信号処理装置において、入力信号に対し遅延トリガを発生させる遅延トリガ回路と、該遅延トリガ回路のトリガパルスで基底関数信号を発生する基底関数発生器を有し、入力信号と前記基底関数発生器の信号を混合器で混合させ、混合器の出力を増幅器で増幅した信号を周波数特性の相異なる複数個のフィルターを介して取り出すことにより時間周波数解析を行い、さらに前記各フィルターの出力を予め制御されたスイッチ回路により選択的に取り出し、前記スイッチ回路から取り出した出力をもとに波形を復元する波形合成回路を有することが好ましい。
(4) In the signal processing device of the present invention, it is preferable that the device for calculating the complex frequency spectrum is configured using one or a plurality of mixers.
(5) The signal processing apparatus of the present invention includes a delay trigger circuit that generates a delay trigger for an input signal, and a basis function generator that generates a basis function signal using a trigger pulse of the delay trigger circuit. The signal of the basis function generator is mixed by a mixer, and the output of the mixer is amplified by an amplifier, and a time frequency analysis is performed by taking out the signal through a plurality of filters having different frequency characteristics. It is preferable to have a waveform synthesizing circuit that selectively extracts the output of the output from the switch circuit controlled in advance and restores the waveform based on the output extracted from the switch circuit.

(6)本発明の信号処理装置において、雑音成分を除去した信号から時間の関数である元信号に含まれる異常信号を検出する異常信号検出手段を備えることが好ましい。
(7)本発明の電力機器の異常診断装置は、先のいずれかに記載の時間の関数である信号として、電力機器が発生させる振動を検出し、この振動に含まれている雑音成分を除去した振動から電力機器の異常を検出する能力を備えたことを特徴とする。
(6) The signal processing apparatus of the present invention preferably includes an abnormal signal detection means for detecting an abnormal signal included in the original signal that is a function of time from the signal from which the noise component has been removed.
(7) The abnormality diagnosis device for a power device according to the present invention detects a vibration generated by the power device as a signal that is a function of time as described above, and removes a noise component included in the vibration. It is characterized by the ability to detect abnormalities in electric power equipment from the vibrations.

(8)本発明の電力機器の異常診断方法は、時間の関数である信号を連続的または断続的に取得し、前記取得した信号の複素周波数スペクトルをフーリエ変換により演算して算出するとともに、前記取得した信号を時間と周波数の両面から同時にウェーブレット変換により信号処理し、前記取得した時間を関数とする信号に含まれると推定される雑音成分を除去し、前記雑音成分を除去した後の信号を得、この信号に応じて電力機器の異常を診断することを特徴とする。
(9)本発明の電力機器の異常診断方法において、前記フーリエ変換により求めた複素周波数スペクトルの中から雑音成分を指定または推定し、指定または推定した雑音成分を記憶あるいは学習しながら、新たに入力される時間の関数である信号に対する演算を行うことが好ましい。
(8) The abnormality diagnosis method for a power device according to the present invention acquires a signal that is a function of time continuously or intermittently, calculates a complex frequency spectrum of the acquired signal by Fourier transform, The acquired signal is subjected to signal processing by wavelet transform simultaneously from both the time and frequency, the noise component estimated to be included in the signal having the acquired time as a function is removed, and the signal after the noise component is removed According to this signal, an abnormality of the power device is diagnosed.
(9) In the power equipment abnormality diagnosis method of the present invention, a noise component is specified or estimated from the complex frequency spectrum obtained by the Fourier transform, and the specified or estimated noise component is newly input while being stored or learned. It is preferable to perform an operation on a signal that is a function of time.

(10)本発明の電力機器の異常診断方法において、前記時間周波数解析演算手段において信号処理を行う手段が複数レベルのフィルターバンクを伴うウェーブレット変換であり、前記記憶あるいは学習により保持された雑音成分相当のスペクトルを除去できるフィルターまたはこれに相当する基底関数を用いて、時間を関数とする信号の中から雑音成分を除去することが好ましい。
(11)本発明の電力機器の異常診断方法において、入力信号に対し遅延トリガを発生させ、該遅延トリガ回路のトリガパルスで基底関数信号を発生させ、入力信号と前記基底関数発生器の信号を混合器で混合させ、混合器の出力信号を周波数特性の相異なる複数個のフィルターを介して取り出すことにより時間周波数解析を行い、さらに前記各フィルターの出力を予め制御されたスイッチ回路により選択的に取り出し、前記スイッチ回路から取り出した出力をもとに波形を復元することが好ましい。
(12)本発明の電力機器の異常診断方法において、取り出した出力信号を監視し異常が生じた場合には警報を発する手段を備えていることが好ましい。
(10) In the abnormality diagnosis method for power equipment according to the present invention, the means for performing signal processing in the time-frequency analysis calculation means is a wavelet transform with a plurality of levels of filter banks, and corresponds to a noise component held by the storage or learning. It is preferable to remove a noise component from a signal that is a function of time by using a filter that can remove the spectrum of or a basis function corresponding thereto.
(11) In the power equipment abnormality diagnosis method of the present invention, a delay trigger is generated for an input signal, a basis function signal is generated by a trigger pulse of the delay trigger circuit, and the input signal and the signal of the basis function generator are Mixing with a mixer, and taking out the output signal of the mixer through a plurality of filters having different frequency characteristics to perform time-frequency analysis, and further selecting the output of each filter selectively with a pre-controlled switch circuit The waveform is preferably restored based on the output taken out from the switch circuit.
(12) In the abnormality diagnosis method for a power device according to the present invention, it is preferable to include means for monitoring the extracted output signal and issuing an alarm when an abnormality occurs.

本発明の信号処理装置によれば、電気的手法(部分放電測定や周波数応答解析:FRA;Frequency Response Analysis)ならびに物理化学的手法に加えて、機械的異常の発生あるいは部分放電の発生の有無を自動的に検出し、その要因を総合的に判別できる診断装置を提供できる。
特に本発明の信号処理装置は、電力機器の運転状態で常時監視を行うことができる大きな利点を有する。
さらに、本発明の信号処理装置によれば、周波数解析手段と時間周波数解析演算手段と雑音成分除去手段を搭載することにより、電源からの誘導雑音あるいはインバータノイズを除去することができ、SN比の向上を図りながら実時間での計測が可能になる。また、本発明によれば、検出感度あるいは分解能も電気的手法に匹敵する結果を得ることが可能となり得る。さらに、本発明の信号処理装置によれば、電源周波数の変動に対しても、この影響を受けにくい信号処理装置を提供できる。
According to the signal processing apparatus of the present invention, in addition to the electrical method (partial discharge measurement and frequency response analysis: FRA) and the physicochemical method, whether or not mechanical abnormality or partial discharge has occurred is detected. It is possible to provide a diagnostic device that can automatically detect and comprehensively determine the cause.
In particular, the signal processing device of the present invention has a great advantage that it can always monitor in the operating state of the power equipment.
Furthermore, according to the signal processing apparatus of the present invention, by incorporating the frequency analysis means, the time frequency analysis calculation means, and the noise component removal means, it is possible to remove the induction noise or inverter noise from the power source, and the SN ratio. Real-time measurement is possible while improving. Further, according to the present invention, it may be possible to obtain a result that is comparable to the electrical method in terms of detection sensitivity or resolution. Furthermore, according to the signal processing device of the present invention, it is possible to provide a signal processing device that is not easily affected by fluctuations in the power supply frequency.

特に、インバータノイズはフーリエ解析による信号処理では取り除けないが、インバータノイズとタンク振動の周波数は周波数領域が離れている。このことを利用してウェーブレット変換を用いた信号処理を行うことにより、インバータノイズを取り除くことができ稼働中の電力機器からの信号のみを取り出すことができる。
これらのことから、電力機器として変圧器に適用し、変圧器のタンクの振動解析において、周波数解析手段にフーリエ変換を用い、時間周波数解析演算手段にウェーブレット変換を用いてこれらを併用することが有用であると考えられ、本発明ではこれらを実現できる信号処理装置を構成できる。
なお、ウェーブレット変換による解析に用いる基底関数については、種々のものが提案されているが、奇関数であれば直流成分の重畳がないため好都合である。
本発明の信号処理装置は、周波数解析手段を周波数スペクトルアナライザとして、また、時間周波数解析演算手段を時間周波数アナライザとして単独に動かすことができることは勿論である。更に、本発明では機械的信号を対象に説明したが、部分放電センサの信号と併用することも可能である。
In particular, the inverter noise cannot be removed by signal processing by Fourier analysis, but the frequency of the inverter noise and the tank vibration is separated from each other. By performing signal processing using wavelet transform using this fact, it is possible to remove inverter noise and to extract only signals from operating power equipment.
For these reasons, it is useful to apply them to transformers as power equipment, and use Fourier transform for frequency analysis means and wavelet transform for time frequency analysis calculation means in transformer tank vibration analysis. In the present invention, a signal processing apparatus that can realize these can be configured.
Various basis functions have been proposed for use in analysis by wavelet transform, but an odd function is advantageous because there is no DC component superposition.
Of course, the signal processing apparatus of the present invention can independently operate the frequency analysis means as a frequency spectrum analyzer and the time-frequency analysis calculation means as a time-frequency analyzer. Furthermore, although the present invention has been described with respect to a mechanical signal, it can also be used in combination with a partial discharge sensor signal.

本発明に係る信号処理装置の基本構成を示す回路図。1 is a circuit diagram showing a basic configuration of a signal processing apparatus according to the present invention. 図1に示す信号処理装置に設けられる周波数ベクトル方式スペクトルアナライザの基本構成を示す回路図。FIG. 2 is a circuit diagram showing a basic configuration of a frequency vector type spectrum analyzer provided in the signal processing apparatus shown in FIG. 同周波数ベクトル方式スペクトルアナライザの位相関係図。The phase relationship figure of the same frequency vector system spectrum analyzer. 図1に示す信号処理装置に設けられるウェーブレットアナライザの基本構成を示す回路図。FIG. 2 is a circuit diagram showing a basic configuration of a wavelet analyzer provided in the signal processing apparatus shown in FIG. 時間周波数解析用遅延トリガパルスのタイミングを示す説明図。Explanatory drawing which shows the timing of the delay trigger pulse for time frequency analysis. マルチレート・フィルタバンクを用いた波形の分割と合成について示す説明図。Explanatory drawing which shows about the division | segmentation and synthesis | combination of a waveform using a multi-rate filter bank. 診断に必要な信号を取得するための装置全体構成図。The whole apparatus block diagram for acquiring the signal required for a diagnosis. 稼働中の変圧器から測定された加速度センサの出力波形(CH1〜CH3)と負荷電流の波形(CH4)を示すグラフ。The graph which shows the output waveform (CH1-CH3) and load current waveform (CH4) of the acceleration sensor measured from the transformer in operation. 高速フーリエ解析(FFT解析)による変圧器タンク振動のフーリエスペクトルの一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the Fourier spectrum of the transformer tank vibration by a fast Fourier analysis (FFT analysis). 電源周波数に対する第30次までの高調波成分のフーリエスペクトルの一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the Fourier spectrum of the harmonic component to the 30th order with respect to a power supply frequency. 商用周波で稼働中の変圧器から得られた第2次高調波スペクトルと位相の測定例を示すもので、(a)は同相成分a、直交成分bならびに絶対値Cを示すグラフ、(b)は位相角θの時系列変化を示すグラフ。A second harmonic spectrum obtained from a transformer operating at a commercial frequency and an example of phase measurement, (a) is a graph showing in-phase component a 2 , quadrature component b 2 and absolute value C 2 , (B) is a graph showing a time-series change of the phase angle θ 2 . 商用周波で稼働中の変圧器から得られた第3次高調波スペクトルの同相成分と直交成分ならびに絶対値の時系列と位相の測定例を示すもので、(a)は同相成分a、直交成分bならびに絶対値Cを示すグラフ、(b)は位相角θの時系列変化を示すグラフ。The in-phase component and the quadrature component of the third harmonic spectrum obtained from a transformer operating at commercial frequency, and a measurement example of the time series and phase of the absolute value are shown. (A) shows the in-phase component a 3 and the quadrature component. component b 3 and a graph showing the absolute value C 3, (b) is a graph showing a time series change of the phase angle theta 3. 商用周波で稼働中の変圧器から得られた第4次高調波スペクトルの同相成分と直交成分ならびに絶対値の時系列変化を示すもので、(a)は同相成分a、直交成分bならびに絶対値Cを示すグラフ、(b)は位相角θの時系列変化を示すグラフ。The in-phase component and the quadrature component of the fourth harmonic spectrum obtained from the transformer operating at the commercial frequency and the time series change of the absolute value are shown. (A) shows the in-phase component a 4 , the quadrature component b 4 and graph showing the absolute value C 4, (b) is a graph showing a time series change of the phase angle theta 4. 基本周波数142Hzに対する同相成分Aと直交成分Bと絶対値Cのスペクトルを示すグラフ。Graph showing the spectral phase component A 1 and the quadrature component B 1 and the absolute value C 1 for the fundamental frequency 142Hz. 基本周波数142Hzに対する第2次高調波スペクトルの同相成分Aと直交成分Bならびに絶対値スペクトルCを示すグラフ。Graph showing the phase components A 2 and the quadrature component B 2 and magnitude spectrum C 2 of the second harmonic spectrum with respect to the fundamental frequency 142Hz. 基本周波数142Hzの第3次高調波スペクトルの同相成分Aと直交成分Bならびに絶対値スペクトルCと位相角θの時系列変化を示すもので、(a)は同相成分Aと直交成分Bならびに絶対値スペクトルCを示すグラフ、(b)は位相角θの時系列変化を示すグラフ。The time-series changes of the in-phase component A 3 and the quadrature component B 3 of the third harmonic spectrum of the fundamental frequency 142 Hz and the absolute value spectrum C 3 and the phase angle θ 3 are shown. (A) is orthogonal to the in-phase component A 3. component B 3 and a graph showing the magnitude spectrum C 3, (b) is a graph showing a time series change of the phase angle theta 3. 商用周波数以外の代表的な基本周波数332Hzの第2次高調波スペクトルの同相成分と直交成分と絶対値の時系列変化を示すもので、(a)は同相成分Aと直交成分Bならびに絶対値スペクトルCを示すグラフ、(b)は絶対値の時系列変化を示すグラフ。Shows a chronological change of the second harmonic magnitude and phase and quadrature components of the spectrum of a typical fundamental frequency 332Hz than commercial frequency, (a) shows the phase component A 2 and the quadrature component B 2 and absolute graph showing the value spectrum C 2, (b) is a graph showing a time series change in the absolute value. ウェーブレット変換による解析に用いる基底関数として適用したガウシアン関数の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the Gaussian function applied as a basis function used for the analysis by wavelet transform. 稼働中の変圧器に対しウェーブレット解析した場合の結果の一例を示すもので、(a)はj=1の場合の波形を示すグラフ、(b)はj=2の場合の波形を示すグラフ、(c)はj=3の場合の波形を示すグラフ、(d)はj=4の場合の波形を示すグラフ、(e)はj=5の場合の波形を示すグラフ、(f)はj=6の場合の波形を示すグラフ、(g)はj=7の場合の波形を示すグラフ、(h)はj=8の場合の波形を示すグラフ。It shows an example of a result when wavelet analysis is performed on a transformer in operation, (a) is a graph showing a waveform when j = 1, (b) is a graph showing a waveform when j = 2, (C) is a graph showing the waveform when j = 3, (d) is a graph showing the waveform when j = 4, (e) is a graph showing the waveform when j = 5, (f) is j (G) is a graph showing a waveform when j = 7, and (h) is a graph showing a waveform when j = 8. レーダチャートによる表示と判定レベルの設定について示す説明図。Explanatory drawing which shows the display by a radar chart, and the setting of a determination level.

<第1実施形態>
以下、本発明に係る信号処理装置について油入変圧器のタンク振動を解析する場合を例にとり、図面に基づき説明する。
図1に本発明に係る信号処理装置Aの基本構成を示す。
後述するセンサで検出された振動解析に必要な入力信号が増幅器1で増幅されたのち、周波数ベクトルアナライザ(周波数解析手段)2と時間周波数アナライザ(時間周波数解析演算手段)3に入力される。周波数ベクトルアナライザ2と時間周波数アナライザ3は制御機器4に接続されている。図1において符号5は演算装置4に接続された表示装置(表示手段)を示している。
この第1実施形態において増幅器1と周波数ベクトルアナライザ2と時間周波数アナライザ3と演算装置4によって信号処理装置Aが構成されている。なお、増幅器1は必須ではなく、信号を出力するセンサ側に増幅器を備えていても良い。
<First Embodiment>
Hereinafter, the case of analyzing the tank vibration of an oil-filled transformer will be described with reference to the drawings for the signal processing device according to the present invention.
FIG. 1 shows a basic configuration of a signal processing apparatus A according to the present invention.
An input signal necessary for vibration analysis detected by a sensor to be described later is amplified by the amplifier 1 and then input to a frequency vector analyzer (frequency analysis means) 2 and a time frequency analyzer (time frequency analysis calculation means) 3. The frequency vector analyzer 2 and the time frequency analyzer 3 are connected to the control device 4. In FIG. 1, reference numeral 5 indicates a display device (display means) connected to the arithmetic device 4.
In the first embodiment, the signal processing device A is configured by the amplifier 1, the frequency vector analyzer 2, the time frequency analyzer 3, and the arithmetic device 4. The amplifier 1 is not essential, and an amplifier may be provided on the sensor side that outputs a signal.

本実施形態の信号処理装置Aにおいては、周波数解析手段(ベクトル方式スペクトルアナライザ;周波数ベクトルアナライザ)2においてフーリエ変換が行われ、時間周波数アナライザ(ウェーブレットアナライザ)3においてウェーブレット変換が行われる。
演算装置4はフーリエ変換により得られたフーリエスペクトルの中から、雑音成分を検出し、この情報を記憶保持するとともに、この情報を時間周波数アナライザ3に転送する機能を有する。時間周波数アナライザ3は、この転送された情報をもとに後述する複数のフィルターを用いて雑音成分を除去する機能を有し、雑音を除去した信号を演算装置4へ出力する。また、演算装置4は前記雑音成分を除去した信号出力を基に信号を取り出した機器の異常信号の有無を判定する機能(異常信号検出手段)を有し、さらに演算装置4はこの異常信号の有無を判定した情報を表示装置5に出力する機能を有している。
In the signal processing apparatus A of the present embodiment, the frequency analysis means (vector type spectrum analyzer; frequency vector analyzer) 2 performs Fourier transform, and the time frequency analyzer (wavelet analyzer) 3 performs wavelet transform.
The arithmetic unit 4 has a function of detecting a noise component from the Fourier spectrum obtained by the Fourier transform, storing and holding this information, and transferring this information to the time-frequency analyzer 3. The time-frequency analyzer 3 has a function of removing noise components using a plurality of filters described later based on the transferred information, and outputs a signal from which noise has been removed to the arithmetic unit 4. Further, the arithmetic device 4 has a function (abnormal signal detection means) for determining the presence or absence of an abnormal signal of a device that has extracted a signal based on the signal output from which the noise component has been removed. It has a function of outputting information for which presence or absence is determined to the display device 5.

演算装置4には演算・信号発生の機能が組み込まれており、時系列データの相互比較をすることにより異常・劣化を診断するアルゴリズムが組み込まれている。
演算装置4は、一例として、CPU(中央演算装置)と記憶部を有するパーソナルコンピュータからなり、上述の機能を実現するためのプログラム(図示略)を記憶部からメモリにロードして実行することができる。記憶部は、磁気ディスク装置やフラッシュメモリ等の不揮発性のメモリやRAMのような揮発性メモリあるいはこれらの組み合わせにより構成されるものを適用できる。演算装置4には周辺機器として図示略のキーボードやマウス等の入力装置が接続されていても良い。
また、演算装置4の記憶部は演算装置4自体に内蔵されるものであっても良いし、データベースサーバー等の他の装置内にあって、演算装置4が通信等によりこれらの記憶部にアクセスして演算等を実行処理する構成でも良い。
なお、演算装置4はパーソナルコンピュータに限らず、上述の機能を奏する能力をメモリーチップや専用素子などに搭載した専用のハードウエアであっても良い。
The arithmetic device 4 incorporates a function for computation and signal generation, and an algorithm for diagnosing abnormality / deterioration by comparing time series data with each other.
As an example, the arithmetic device 4 includes a personal computer having a CPU (Central Processing Unit) and a storage unit, and a program (not shown) for realizing the above functions is loaded from the storage unit to the memory and executed. it can. As the storage unit, a nonvolatile memory such as a magnetic disk device or a flash memory, a volatile memory such as a RAM, or a combination thereof can be applied. An input device such as a keyboard or a mouse (not shown) may be connected to the arithmetic device 4 as a peripheral device.
Further, the storage unit of the arithmetic device 4 may be built in the arithmetic device 4 itself, or in another device such as a database server, and the arithmetic device 4 accesses these storage units by communication or the like. Thus, a configuration for executing processing and the like may be used.
The computing device 4 is not limited to a personal computer, and may be dedicated hardware in which the ability to perform the above functions is mounted on a memory chip or a dedicated element.

以下、前記信号の一例を振動情報として、振動解析に必要なフーリエ変換とウェーブレット変換について説明する。信号の周期をTとすれば、フーリエ級数は以下の(1)式で表される。   Hereinafter, Fourier transform and wavelet transform necessary for vibration analysis will be described using an example of the signal as vibration information. If the period of the signal is T, the Fourier series is expressed by the following equation (1).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

(1)式において各係数a、a、b、cは以下の(2)式〜(6)式で計算される。(6)式のθは位相補償角を示す。 (1) the coefficients a 0, a n, b n , c n in formula is calculated by the following equation (2) to (6) below. In the equation (6), θ n represents a phase compensation angle.

Figure 2018036113
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Figure 2018036113
Figure 2018036113

Figure 2018036113
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Figure 2018036113
Figure 2018036113

Figure 2018036113
Figure 2018036113

また、周波数領域から時間領域への変換である逆フーリエ変換が、以下の(7)式で定義される。   Further, an inverse Fourier transform, which is a transform from the frequency domain to the time domain, is defined by the following equation (7).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

周期関数に対しては以下の(8)式で示される。   The periodic function is expressed by the following equation (8).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

高速フーリエ変換のアルゴリズムは1965年にCooleyとTukeyにより考案され、今日各方面で広く用いられているが、本実施形態においてもこの演算アルゴリズムを有効に用いる。1982年以降フーリエ解析を補う方法として、時間周波数解析であるウェーブレット解析が発達し、各分野に用いられるようになってきたが、本実施形態においてもこの演算アルゴリズムを有効に用いる。
ウェーブレット解析は1980年代初頭にフランスの石油検査技師Morletによって考えられた”Wavelets of constant shape”を使用した解析に始まる。この方法は特定の時間領域を選択的に取り出して周波数解析や不連続信号の抽出を行える利点を有している。信号f(t)に対するウェーブレット変換Wψ(a,b)は(9)式で表される。
The fast Fourier transform algorithm was devised by Cooley and Tukey in 1965 and is widely used in various fields today, but this calculation algorithm is also effectively used in this embodiment. Since 1982, wavelet analysis, which is time-frequency analysis, has been developed as a method for supplementing Fourier analysis and has been used in various fields. This calculation algorithm is also effectively used in this embodiment.
The wavelet analysis begins with an analysis using “Wavelets of constant shape” conceived by French oil technologist Morlet in the early 1980s. This method has an advantage that frequency analysis and extraction of discontinuous signals can be performed by selectively extracting a specific time domain. The wavelet transform Wψ (a, b) for the signal f (t) is expressed by equation (9).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

(9)式においてψは基底関数であり、ここでは以下の(10)式のガウシアン関数を用いて説明する。(10)式において後述する実施形態に示す如く遅延トリガ回路にて周期Tを−bだけずらすので、遅延分としてbの時間をずらしてかけてゆくことを意味する。   In Equation (9), ψ is a basis function, and here, explanation will be made using a Gaussian function of the following Equation (10). In the equation (10), since the period T is shifted by −b by the delay trigger circuit as shown in an embodiment described later, this means that the time b is shifted as a delay amount.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

各式において変数aはスケールパラメータであり、この値を小さくとると短時間の観測となり、周波数については自動的に広がって高周波を観測できる。また、変数bは時間軸上での波形の平行移動を行うシフトパラメータである。
(t−b)/aで規格化して表したガウス関数とその一次微分関数を図18に示す。概略±3で1波形とみなすと図18に示す波形の周期は6aとなる。
以下の説明において、電源の商用周波数に基づく係数はa、b、cのように小文字の英字で示し、商用周波数以外の周期に基づく係数はA、B、Cのように大文字の英字で表す。
In each equation, the variable a is a scale parameter. If this value is reduced, observation takes a short time, and the frequency automatically spreads and high frequency can be observed. A variable b is a shift parameter for performing parallel movement of the waveform on the time axis.
FIG. 18 shows a Gaussian function normalized by (tb) / a and its first derivative function. Assuming that one waveform is approximately ± 3, the period of the waveform shown in FIG. 18 is 6a.
In the following description, the coefficient based on the commercial frequency power supply is a n, b n, shown in lowercase letters as c n, coefficients based on the period other than the commercial frequency A n, B n, as C n Expressed in uppercase alphabetic characters.

先に説明した信号処理装置Aの第1実施形態において、周波数解析手段(ベクトル方式スペクトルアナライザ)2は一例として図2に示す構成を採用できる。このベクトル方式スペクトルアナライザ2で得られたスペクトルから、雑音成分を指定または判定するアルゴリズムが演算装置4に備えられている。
図2に示すベクトル方式スペクトルアナライザ2は信号の入力部から分岐された2つの線路を有し、一方の線路に第1の混合器10とフィルター11が組み込まれ、他方の線路に第2の混合器12とフィルター13が組み込まれている。第1の混合器10に局部発振器14の一方の出力部が接続され、第2の混合器12に遅延回路16を介して局部発振器14の他方の出力部が接続され、局部発振器14の入力部に周波数掃引用発振器15が接続され、この周波数掃引用発振器15に演算装置4から制御信号が供給される。
In the first embodiment of the signal processing apparatus A described above, the frequency analysis means (vector system spectrum analyzer) 2 can adopt the configuration shown in FIG. 2 as an example. An algorithm for designating or determining a noise component from the spectrum obtained by the vector type spectrum analyzer 2 is provided in the arithmetic unit 4.
The vector type spectrum analyzer 2 shown in FIG. 2 has two lines branched from the input part of the signal, the first mixer 10 and the filter 11 are incorporated in one line, and the second mixing is incorporated in the other line. A vessel 12 and a filter 13 are incorporated. One output unit of the local oscillator 14 is connected to the first mixer 10, the other output unit of the local oscillator 14 is connected to the second mixer 12 via the delay circuit 16, and the input unit of the local oscillator 14 is connected. The frequency sweep oscillator 15 is connected to the frequency sweep oscillator 15, and a control signal is supplied to the frequency sweep oscillator 15 from the arithmetic unit 4.

図2において第1の混合器10は信号に含まれる余弦(または正弦)と同相な成分(以下、これを同相成分Iとよぶ。)を検出する。また、第2の混合器12は同相成分以外の成分Q(以下、これを非同相成分Qとよぶ。)を検出するように回路が構成されている。具体的には、周波数掃引用発振器15で指定された周波数を発信する局部発振器14から発信された余弦波cos(2πfLOt)を第1の混合器10に加え、また、角周波数πfLOtに位相補償角θを加えた正弦波sin(2πfLOt+θ)を遅延回路16を介して第2の混合器2に加え、それぞれ信号との掛け算を行う。
図2において同相成分の検出結果をI(fIF)と表記し、非同相成分の検出結果をQ(fIF)と表記している。
もし、位相補償角θ=0であれば、一般的なベクトル方式スペクトルアナライザと同等構成となるが、本実施形態では演算装置4で指定された位相補償角θを遅延回路16に加え、位相補償角θを加味した正弦波を第2の混合器12に加えている点が、図2に示す実施形態の1つの特徴である。
In FIG. 2, the first mixer 10 detects a component in phase with the cosine (or sine) included in the signal (hereinafter referred to as an in-phase component I). The second mixer 12 is configured to detect a component Q other than the in-phase component (hereinafter referred to as a non-in-phase component Q). Specifically, the cosine wave cos (2πf LO t) transmitted from the local oscillator 14 that transmits the frequency specified by the frequency sweeping oscillator 15 is added to the first mixer 10, and the angular frequency πf LO t A sine wave sin (2πf LO t + θ) obtained by adding a phase compensation angle θ to the second mixer 2 is added to the second mixer 2 via the delay circuit 16 and is multiplied by a signal.
In FIG. 2, the detection result of the in-phase component is denoted as I (f IF ), and the detection result of the non-in-phase component is denoted as Q (f IF ).
If the phase compensation angle θ = 0, the configuration is the same as that of a general vector type spectrum analyzer. However, in this embodiment, the phase compensation angle θ designated by the arithmetic unit 4 is added to the delay circuit 16 so as to compensate the phase compensation. One feature of the embodiment shown in FIG. 2 is that a sine wave with the angle θ added is added to the second mixer 12.

この動作原理を図3に示す。
スペクトルの大きさが本来は、以下の(11)式で示される値であったものとする。
This operating principle is shown in FIG.
It is assumed that the spectrum size is originally a value represented by the following expression (11).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

ここで、図3に示すように仮に非同期成分Qが(Q−ΔQ)に減衰した場合を考える。この場合、スペクトルの大きさは、位相補償角θを導入することにより、以下の(12)式のように、周波数スペクトルの大きさを変えずに非直交成分の変化として表すことができる。   Here, let us consider a case where the asynchronous component Q is attenuated to (Q−ΔQ) as shown in FIG. In this case, the magnitude of the spectrum can be expressed as a change in the non-orthogonal component without changing the magnitude of the frequency spectrum as shown in the following equation (12) by introducing the phase compensation angle θ.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

また、ΔQとsinとの間には以下の(13)式または(14)式の関係が成り立つ。   Further, the relationship of the following expression (13) or (14) is established between ΔQ and sin.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

Figure 2018036113
Figure 2018036113

この信号処理は、ある特定の周波数スペクトルに注目し、スペクトルの大きさを規格化して表す場合、スペクトル変化を可視化する場合の有効な手段となる。
また、ベクトル方式スペクトルアナライザ2において、得られたスペクトルから、演算装置4に雑音成分を指定または判定する記憶装置あるいはソフトウェアを備えることにより、雑音成分の除去が可能となる。
This signal processing is an effective means for visualizing a spectrum change when attention is paid to a specific frequency spectrum and the spectrum size is normalized and expressed.
In addition, the vector system spectrum analyzer 2 can remove the noise component from the obtained spectrum by providing the arithmetic device 4 with a storage device or software for designating or determining the noise component.

第1実施形態の信号処理装置Aにおいて、時間周波数アナライザ3は、一例として図4に示すウェーブレットアナライザで構成されている。
この実施形態の時間周波数アナライザ3において、入力部からの線路に増幅器20と第3の混合器21と増幅器22が組み込まれ、増幅器20と第3の混合器21との間の線路に遅延トリガ回路23の入力部が接続され、第3の混合器21に基底関数発生器24の出力部が接続されている。遅延トリガ回路23の入力部と基底関数発生器24の入力部には演算装置4が接続されていて、遅延トリガ回路23と基底関数発生器24には演算装置4から制御信号が供給される。
基底関数発生器24には演算装置4により予め関数やスケールパラメータaを初めとする各パラメータが設定されている。シフトパラメータbは遅延トリガ回路23から基底関数発生器24に与えられる。一例として、図5に示すように電源周期TをN分割した時間幅の整数倍(i倍)の遅延トリガパルスを電源周波数の基準点から順次発生させる。
この関係を以下の(15)式に示す。
In the signal processing apparatus A of the first embodiment, the time-frequency analyzer 3 is constituted by a wavelet analyzer shown in FIG. 4 as an example.
In the time-frequency analyzer 3 of this embodiment, an amplifier 20, a third mixer 21 and an amplifier 22 are incorporated in a line from the input unit, and a delay trigger circuit is provided in a line between the amplifier 20 and the third mixer 21. 23 is connected, and the output unit of the basis function generator 24 is connected to the third mixer 21. The arithmetic device 4 is connected to the input portion of the delay trigger circuit 23 and the input portion of the basis function generator 24, and a control signal is supplied from the arithmetic device 4 to the delay trigger circuit 23 and the basis function generator 24.
In the basis function generator 24, parameters such as a function and a scale parameter a are set in advance by the arithmetic unit 4. The shift parameter b is given from the delay trigger circuit 23 to the basis function generator 24. As an example, as shown in FIG. 5, delay trigger pulses of an integral multiple (i times) of the time width obtained by dividing the power supply cycle T into N are sequentially generated from the reference point of the power supply frequency.
This relationship is shown in the following equation (15).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

ここで発生された遅延トリガパルスは基底関数発生器24に入力され、ウェーブレット変換に必要な基底関数が発生され、第3の混合器21に与えられる。
遅延トリガ回路23はウェーブレット演算における畳み込み積分機能を有し、基底関数発生器24はウェーブレット変換に必要な基底関数を発生させるもので、スケールパラメータaの設定が可能になっている。
The delayed trigger pulse generated here is input to the basis function generator 24, a basis function necessary for wavelet transform is generated, and is supplied to the third mixer 21.
The delay trigger circuit 23 has a convolution integration function in wavelet calculation, and the basis function generator 24 generates a basis function necessary for wavelet transformation, and the scale parameter a can be set.

第3の混合器21の出力は増幅器22で増幅された後、スケールパラメータaと連動した周波数特性の相異なる複数のフィルター25に入力される。また、それぞれのフィルター25は演算装置4により制御されたスイッチ回路26に接続され、それぞれのフィルター25に接続されたこれらスイッチ回路26からの合成出力を出力する波形合成回路27に接続されている。
波形合成回路27は、一例として、図6に示すマルチレート・フィルタバンクを用いて、ウェーブレットアルゴリズムによりノイズを除去した元波形を再現できるようになっている。なお、波形合成回路27で用いる基底関数は、奇関数であることが望ましい。
ここで、基底関数となるマザー・ウェーブレットについて簡単に述べる。これは多重解像度解析(multiresolution approximation, MRA)とよばれる関数空間の階層構造を利用して作られる。数列を{p}とするとき、関数φ(x)が次の(16)式の関係を満たすとき、これをトゥー・スケール関係という。
The output of the third mixer 21 is amplified by the amplifier 22 and then input to a plurality of filters 25 having different frequency characteristics in conjunction with the scale parameter a. Each filter 25 is connected to a switch circuit 26 controlled by the arithmetic unit 4, and is connected to a waveform synthesis circuit 27 that outputs a synthesized output from the switch circuit 26 connected to each filter 25.
As an example, the waveform synthesis circuit 27 can reproduce the original waveform from which noise has been removed by the wavelet algorithm, using the multi-rate filter bank shown in FIG. The basis function used in the waveform synthesis circuit 27 is preferably an odd function.
Here, the mother wavelet as a basis function will be briefly described. It is created using a hierarchical structure of function space called multiresolution approximation (MRA). When the sequence is {p k }, when the function φ (x) satisfies the relationship of the following equation (16), this is called a two-scale relationship.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

また、この関係を満たす関数をスケーリング関数という。スケーリング関数と新たな数列{q}を用いて、次の(17)式の関数を定義する。 A function that satisfies this relationship is called a scaling function. Using the scaling function and the new number sequence {q k }, the function of the following equation (17) is defined.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

これをマザー・ウェーブレットとよび、基底関数の条件を満たしている。
また、(9)式のウェーブレット変換において、時間と周波数の座標(b,1/a)を2つの整数j,kにより以下の(18)式に離散化できる。
This is called the mother wavelet and satisfies the basis function condition.
In the wavelet transform of the equation (9), the time and frequency coordinates (b, 1 / a) can be discretized into the following equation (18) by using two integers j and k.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

ここで、信号x(t)に対するウェーブレット変換Wψx(a,b)をd (j)と表すことにすれば以下の(19)式で表すことができる。 Here, if the wavelet transform Wψx (a, b) for the signal x (t) is expressed as d k (j) , it can be expressed by the following equation (19).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

この場合、逆変換は以下の(20)式で与えられる。   In this case, the inverse transformation is given by the following equation (20).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

さらに、(20)式の右辺にある2重和の一方を以下の(21)式と定義すれば、以下の(22)式が得られる。   Furthermore, if one of the double sums on the right side of the equation (20) is defined as the following equation (21), the following equation (22) is obtained.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

Figure 2018036113
Figure 2018036113

ここで、以下の(23)式で示される関数を導入する。   Here, a function represented by the following equation (23) is introduced.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

この(23)式で、jはレベルとよばれている。この(23)式は、次の(24)式のようにx(t)について、再帰的な形に書き直すことができる。 In this equation (23), j is called a level. This equation (23) can be rewritten in a recursive form for x j (t) as in the following equation (24).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

ここで例えば、以下の(25)式の関係がある。   Here, for example, there is a relationship of the following expression (25).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

(25)式において、x−1はさらに以下の(26)式に分解できる。 In the formula (25), x −1 can be further decomposed into the following formula (26).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

このように、関数x(t)を使ってレベルを1ずつ下げることができ、解像度はその度に半分になることがわかる。
また、関数x(t)は、スケーリング関数φ(t)を用いて以下の(27)式のように線形結合で表すことができる。
Thus, it can be seen that the level can be lowered by 1 using the function x j (t), and the resolution is halved each time.
The function x j (t) can be expressed by a linear combination as shown in the following equation (27) using the scaling function φ (t).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

(27)式において、右辺のスケーリング関数そのものはレベルによらず同一である。また、マザー・ウェーブレットもスケーリング関数から合成される。
ここで、図6に示すマルチレート・フィルタバンクを用いた波形の分割と合成について述べる。
例えば、図6(a)に示す分割側の個々のH(Z)、H(Z)は上記のx(t)と以下の(28)式との関係に対応する。
In equation (27), the scaling function itself on the right side is the same regardless of the level. The mother wavelet is also synthesized from the scaling function.
Here, waveform division and synthesis using the multi-rate filter bank shown in FIG. 6 will be described.
For example, individual H 0 (Z) and H 1 (Z) on the split side shown in FIG. 6A correspond to the relationship between the above x j (t) and the following equation (28).

Figure 2018036113
Figure 2018036113

また、図6に示す(↓2)は、周波数を高周波成分と低周波成分に2分割することを意味する。これは帯域2分割サブバンド分解といわれているものである。また、Ditailは、さらに下位レベルに分解を進めていくことを、またApproximationはほぼ近似値として妥当なものとして分解を停止することを意味する。   Further, (↓ 2) shown in FIG. 6 means that the frequency is divided into a high frequency component and a low frequency component. This is called band-division subband decomposition. Further, “Ditail” means that the decomposition is further advanced to a lower level, and “Approximation” means that the decomposition is stopped as a reasonable approximation.

また、図6(b)に示される合成側の場合F(Z)、F(Z)は波形合成に用いられる関数であり、(↑2)は周波数を合成していくことを意味する。
なお図6(a)に示される分割側は、図4のフィルター25−1〜25−nに相当し、図6(b)の合成側は、図4の波形合成回路27に対応している。
In the case of the synthesis side shown in FIG. 6B, F 0 (Z) and F 1 (Z) are functions used for waveform synthesis, and (↑ 2) means that frequencies are synthesized. .
The division side shown in FIG. 6A corresponds to the filters 25-1 to 25-n in FIG. 4, and the synthesis side in FIG. 6B corresponds to the waveform synthesis circuit 27 in FIG. .

演算装置4には、制御・演算・信号発生のそれぞれの機能が組み込まれており、時系列データの相互比較をすることにより異常・劣化を診断するソフトウェアが組み込まれている。また、位相補償角θならびに雑音除去後の波形表示の経時変化をモニターできるように、モニター用のソフトウェアまたは機能素子が組み込まれるとともに、上述の経時変化を表示装置5に表示することができる機能を有している。
この実施形態において演算装置4と混合器21と遅延トリガ回路23と基底関数発生器24と複数のフィルター25とスイッチ回路26と波形合成器27により雑音成分除去手段28が構成されている。
The arithmetic device 4 incorporates functions of control, computation, and signal generation, and software for diagnosing abnormality / deterioration by comparing time series data with each other. In addition, monitoring software or functional elements are incorporated so that the phase compensation angle θ and the waveform display after noise removal can be monitored over time, and the display device 5 can display the above-described change over time. Have.
In this embodiment, a noise component removing means 28 is constituted by the arithmetic device 4, the mixer 21, the delay trigger circuit 23, the basis function generator 24, the plurality of filters 25, the switch circuit 26 and the waveform synthesizer 27.

一般にノイズは信号に含まれる不要な高周波成分であるが、逆に信号に何らかの突発的な異常成分が含まれている場合には、この高周波成分を検出することにより異常を検出可能となる。
例えば、基底関数としてDaubechies N=8を用いることによりこれを実現できる。また、変位、速度、加速度を演算により求め、これらの中から異常値を見出すことも可能である。この場合にはスプライン関数を用いると都合がよい。
表示方法には、図10を基に後述するフーリエスペクトル表示、図11〜図17を基に後述する複素周波数ベクトルと位相の時系列変化図による表示、以下の(29)式による合成波形、図20に示す1周期を単位としたレーダチャートによる波形の表示と判定レベルの設定などがある。ただし、(29)式においてAnならびにBnは雑音成分については0として扱う。
また、図20に示す1周期を単位としたレーダチャートを常時監視することにより、パターンあるいは信号の大きさなどの急激な変化などから異常の有無の判定が可能である。
In general, noise is an unnecessary high-frequency component included in a signal. Conversely, if a signal includes some sudden abnormal component, the abnormality can be detected by detecting the high-frequency component.
For example, this can be realized by using Daubechies N = 8 as a basis function. It is also possible to obtain displacement, speed, and acceleration by calculation and find out abnormal values from these. In this case, it is convenient to use a spline function.
The display method includes a Fourier spectrum display to be described later based on FIG. 10, a display by a time series change diagram of a complex frequency vector and a phase to be described later based on FIGS. 11 to 17, a synthesized waveform by the following equation (29), and a diagram. There are a waveform display and determination level setting by a radar chart in units of one cycle shown in FIG. However, in Equation (29), An and Bn are treated as 0 for noise components.
In addition, by constantly monitoring the radar chart in units of one cycle shown in FIG. 20, it is possible to determine the presence or absence of an abnormality from a sudden change in the pattern or signal magnitude.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

以下、上述の信号処理装置Aを用い、電力用変圧器の振動を解析信号として取り扱う場合を一例として本発明をより詳細に説明する。
図7は、電力用変圧器の診断に必要な信号を取得するための診断装置構成図である。
電力用変圧器31のタンク壁面に1個または複数個の振動センサ(信号取得手段)32が取り付けられ、振動センサ32の出力部が本実施形態による信号処理装置Aの入力部に接続されている。これらの振動センサ32が検出したタンク壁面の振動や加速度が信号処理装置Aに入力信号として入力される。なお、この例では時間の関数である信号を連続的または断続的に取得する取得手段として振動センサ32を用いたが、振動センサ32に代えて加速度センサを用いることもできる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by taking as an example a case where the above-described signal processing apparatus A is used and the vibration of the power transformer is handled as an analysis signal.
FIG. 7 is a configuration diagram of a diagnostic device for obtaining signals necessary for diagnosis of the power transformer.
One or a plurality of vibration sensors (signal acquisition means) 32 are attached to the tank wall surface of the power transformer 31, and the output part of the vibration sensor 32 is connected to the input part of the signal processing apparatus A according to the present embodiment. . The vibration and acceleration of the tank wall surface detected by these vibration sensors 32 are input to the signal processing apparatus A as input signals. In this example, the vibration sensor 32 is used as acquisition means for acquiring a signal that is a function of time continuously or intermittently. However, instead of the vibration sensor 32, an acceleration sensor may be used.

またタンク壁面の振動は、電力用変圧器の電源と連動した動きをするので、必要に応じて電圧波形33や電流波形34を信号処理装置Aの入力信号として取り込むように構成することが好ましい。この状態においては、定常的なタンクの振動のほかに、タンク内部の異常や劣化に伴い発生する異常信号が含まれる。さらに、測定線や測定器の電源から誘導される雑音が混入している。
変圧器のタンクの内部には鉄心と巻線からなる1次コイルや2次コイルが収容されていて、1次コイルや2次コイルに通電している状態でタンクが基本的に電源周波数に基づいて振動する。
Moreover, since the vibration of the tank wall surface moves in conjunction with the power source of the power transformer, it is preferable that the voltage waveform 33 and the current waveform 34 are taken in as an input signal of the signal processing apparatus A as necessary. In this state, in addition to steady tank vibration, an abnormality signal generated due to abnormality or deterioration inside the tank is included. Furthermore, noise derived from the measurement line or the power source of the measuring instrument is mixed.
The transformer's tank contains a primary coil and a secondary coil consisting of an iron core and windings, and the tank is basically based on the power supply frequency while the primary coil and secondary coil are energized. Vibrate.

測定対象とした変圧器の概要を以下の表1に示す。負荷は最大出力750kW、350kWのポンプ用インバータ駆動モーターであり、1台または複数台のポンプを常時運転している。この例で用いた変圧器は、1975年に稼働開始されて以降、実際に連続運転されている変圧器であり、稼働41年目の変圧器である。この変圧器の概形は高さ約2m、幅800mm、奥行き400mmの直方体形状の鋼板製のタンクを有する変圧器であり、内部に鉄心のヨークと一次巻線と二次巻線からなるコイルを有し、タンク周壁の高さを3等分する位置2箇所に矩形枠型の補強ステーが設けられたタイプの変圧器である。   The outline of the transformers to be measured is shown in Table 1 below. The load is a pump inverter drive motor with a maximum output of 750 kW and 350 kW, and one or a plurality of pumps are always operated. The transformer used in this example is a transformer that has actually been continuously operated since its operation started in 1975, and is a 41st year transformer. The general shape of this transformer is a transformer having a rectangular steel plate tank with a height of about 2 m, a width of 800 mm, and a depth of 400 mm, and a coil consisting of a core yoke, a primary winding and a secondary winding. It is a transformer of the type in which rectangular frame type reinforcing stays are provided at two positions that divide the height of the tank peripheral wall into three equal parts.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

波形測定に用いたデジタルオシロスコープのメモリ長は1Mサンプルであり、サンプリング時間を10μsとした場合、1回の測定において10秒間すなわち60Hz×10秒=600サイクル分の波形データを取得できる。
図8は、変圧器タンクの側面3ヶ所のタンク振動を振動センサ(Keyence社製振動センサGH−313A)で実際に測定した例を示している(CH1〜CH3:図8に数字の1〜3で表記)。また、最下段の波形(CH4:図8に数字の4で表記)は、変流器の信号をクランプCTで測定した信号である。図8において縦軸は振動センサの信号強度、横軸は商用周波1サイクル相当の時間を示す。
先の変圧器において商用周波の電流にインバータノイズが重畳していることがわかり、変圧器のタンク振動は商用周波と比較するとはるかに複雑な振動波形になっていることがわかり、さらに測定個所により波形の大きさや位相が異なっていることがわかる。
これは測定に用いた変圧器が三相機器であり、変圧器のコイルに流れる瞬時電流が相毎に異なり、誘起される電磁力はこれらの力の合成となること、また振動センサは信号レベルが小さく、外来ノイズ、特にインバータノイズの影響を受けやすいことが主な原因と推定される。
The memory length of the digital oscilloscope used for waveform measurement is 1 M sample. When the sampling time is 10 μs, waveform data for 10 seconds, that is, 60 Hz × 10 seconds = 600 cycles can be acquired in one measurement.
FIG. 8 shows an example in which the tank vibrations at the three side surfaces of the transformer tank are actually measured by a vibration sensor (vibration sensor GH-313A manufactured by Keyence) (CH1 to CH3: numbers 1 to 3 in FIG. 8). Notation). The waveform at the bottom (CH4: indicated by the numeral 4 in FIG. 8) is a signal obtained by measuring the signal from the current transformer with the clamp CT. In FIG. 8, the vertical axis indicates the signal intensity of the vibration sensor, and the horizontal axis indicates the time corresponding to one cycle of the commercial frequency.
It can be seen that inverter noise is superimposed on the commercial frequency current in the previous transformer, and that the tank vibration of the transformer has a much more complicated vibration waveform compared to the commercial frequency. It can be seen that the waveform size and phase are different.
This is because the transformer used for the measurement is a three-phase device, the instantaneous current flowing through the coil of the transformer varies from phase to phase, the induced electromagnetic force is a combination of these forces, and the vibration sensor is at the signal level. It is estimated that the main cause is that it is small and susceptible to external noise, particularly inverter noise.

測定に用いた変圧器のタンク振動の周波数成分を確認するため、直方体タンクの長手方向壁面に取り付けた振動センサのフーリエスペクトルを(5)式により解析した例を図9に示す。図9において縦軸はフーリエスペクトル強度、横軸は商用周波数に対する高調波の次数を示す。
図9より電源周波数に由来する信号成分、すなわち60Hzの整数倍の高調波以外に、3kHz前後にピークを有する裾野の広い周波数スペクトルが存在している。この周波数スペクトルはPWMインバータのスイッチング周波数に由来するものと考えられることを本発明者は別途の解析により確認している。
したがって、振動センサの周波数特性をも考慮し、以下の解析ではこれ以下の周波数に限定して議論する。
FIG. 9 shows an example in which the Fourier spectrum of the vibration sensor attached to the longitudinal wall surface of the rectangular parallelepiped tank is analyzed by Equation (5) in order to confirm the frequency component of the tank vibration of the transformer used for the measurement. In FIG. 9, the vertical axis represents the Fourier spectrum intensity, and the horizontal axis represents the order of the harmonics with respect to the commercial frequency.
From FIG. 9, there is a wide frequency spectrum having a peak at around 3 kHz in addition to the signal component derived from the power supply frequency, that is, a harmonic of an integral multiple of 60 Hz. The inventor has confirmed by separate analysis that this frequency spectrum is considered to be derived from the switching frequency of the PWM inverter.
Therefore, the frequency characteristics of the vibration sensor are also taken into consideration, and the following analysis will be limited to frequencies below this.

また、図9のフーリエスペクトルにおいて商用周波の高調次成分ならびにインバータ以外の原因と推定される周波数、例えば、142Hz、217Hz、334Hz、490Hz、693Hz、713Hzのスペクトルが存在していた。
図10は、変圧器の直方体タンクの短手壁面に取り付けた振動センサから得られた600サイクル分の測定データを用いて、商用周波数の第30次高調波(1800Hz)まで、フーリエスペクトルを求めたものである。図10において縦軸はフーリエスペクトル、横軸は商用周波60Hzに対する高調波の次数を示す。
このフーリエスペクトルには若干の直流成分(a)が重畳しているが、本例では周波数240Hzのスペクトル(図10の数字4で示す位置の信号)を最大として、偶数次の信号が支配的であることがわかる。
また、偶数次の高調波に対してもスペクトルの減衰が少ない。これは変圧器のタンク振動が電流の二乗に比例した電磁力により引き起こされていることを意味している。
一方において、図10に示すフーリエスペクトルにおいて、次数が増すにつれて少しずつではあるが奇数次成分(図10の奇数で示す位置のスペクトル)の増加が認められる。これは図9にも示したようにインバータノイズが影響してくることが原因と考えられる。
このような場合、これらの周波数スペクトルをノイズとして取り扱う。
Further, in the Fourier spectrum of FIG. 9, there are spectrums that are estimated to be causes other than the high frequency component of the commercial frequency and the inverter, for example, 142 Hz, 217 Hz, 334 Hz, 490 Hz, 693 Hz, and 713 Hz.
FIG. 10 shows the Fourier spectrum up to the 30th harmonic (1800 Hz) of the commercial frequency, using measurement data for 600 cycles obtained from the vibration sensor attached to the short wall surface of the rectangular parallelepiped tank of the transformer. Is. In FIG. 10, the vertical axis represents the Fourier spectrum, and the horizontal axis represents the order of the harmonic with respect to the commercial frequency of 60 Hz.
Although a slight DC component (a 0 ) is superimposed on this Fourier spectrum, in this example, the spectrum of the frequency 240 Hz (the signal at the position indicated by numeral 4 in FIG. 10) is maximized, and the even-order signal is dominant. It can be seen that it is.
In addition, the spectrum is less attenuated with respect to even-order harmonics. This means that the transformer tank vibration is caused by electromagnetic force proportional to the square of the current.
On the other hand, in the Fourier spectrum shown in FIG. 10, an increase in the odd-order component (spectrum at the position indicated by the odd number in FIG. 10) is observed as the order increases. This is considered due to the influence of inverter noise as shown in FIG.
In such a case, these frequency spectra are handled as noise.

続いてフーリエスペクトルの位相の時系列変化について説明する。
図11は第2次高調波120Hzに対して10秒間、計600サイクルの波形に含まれる周波数スペクトルのcosと同相成分、すなわち、(3)式の値と、sinと同相成分(すなわちcosと直交する成分)、すなわち、(4)式、の値(以下、直交成分とよぶ)を分離し、(5)式で与えられるスペクトルの大きさと共に時系列として表したグラフである。これらの値はそれぞれ2乗して平方根をとると絶対値となる関係にある。図11において縦軸はフーリエスペクトル、横軸は600サイクル分(10秒間)の時間を示す。
図11(a)より、スペクトルの絶対値はほぼ一定であるが、同相成分(cosと同相成分)と直交成分(sinと同相成分)の割合が時系列で変化していることがわかった。また、図11(b)に示すように(6)式で計算される位相補償角θが徐々に変化していることがわかる。これは電源周波数のゆらぎが原因であり、計算では商用周波60Hz固定で計算していることが原因である。
Next, the time series change of the phase of the Fourier spectrum will be described.
FIG. 11 shows the in-phase component of cos and the in-phase component of the frequency spectrum included in the waveform of 600 cycles in total for 10 seconds with respect to the second harmonic of 120 Hz, that is, the value of equation (3) and the in-phase component of sin (that is, orthogonal to cos). Component), that is, a value of the equation (4) (hereinafter referred to as an orthogonal component) is separated and expressed as a time series together with the spectrum size given by the equation (5). These values are in a relationship of being absolute values when squared and square roots are taken. In FIG. 11, the vertical axis represents the Fourier spectrum, and the horizontal axis represents the time for 600 cycles (10 seconds).
FIG. 11A shows that the absolute value of the spectrum is substantially constant, but the ratio of the in-phase component (cos and in-phase component) and the quadrature component (sin and in-phase component) changes in time series. Further, as shown in FIG. 11B, it can be seen that the phase compensation angle θ 2 calculated by the equation (6) gradually changes. This is caused by fluctuations in the power supply frequency, and in the calculation, the calculation is performed with the commercial frequency fixed at 60 Hz.

図12は第3次高調波180Hzに対する同相成分と直交成分を分離し、時系列として現したものである。図12において縦軸はフーリエスペクトル、横軸は600サイクル分(10秒間)の時間を示す。
図12より、スペクトルの絶対値は奇数次の成分と比較すると小さいためばらつきが大きいが、それぞれの波形に対してはほぼ一定であること、また位相が徐々に変化していることがわかった。
図13はスペクトルが最も大きかった第4次高調波240Hzに対する同相成分と直交成分ならびに位相変化を時系列としてあらわしたものである。図13において縦軸はフーリエスペクトル、横軸は600サイクル分(10秒間)の時間を示す。
図13より、スペクトルの絶対値はほぼ一定であるが、位相が徐々に変化していることがわかった。
FIG. 12 shows in-phase components and quadrature components for the third harmonic 180 Hz, which are shown as time series. In FIG. 12, the vertical axis represents the Fourier spectrum, and the horizontal axis represents the time for 600 cycles (10 seconds).
From FIG. 12, it was found that the absolute value of the spectrum is small compared to the odd-order components and thus has a large variation, but is almost constant for each waveform and the phase gradually changes.
FIG. 13 shows the in-phase component, the quadrature component, and the phase change with respect to the fourth harmonic 240 Hz having the largest spectrum as a time series. In FIG. 13, the vertical axis indicates the Fourier spectrum, and the horizontal axis indicates the time for 600 cycles (10 seconds).
FIG. 13 shows that the absolute value of the spectrum is almost constant, but the phase gradually changes.

このように電源周波の高調波成分のフーリエスペクトルの絶対値はほぼ一定であり、位相が時間経過とともに徐々に変化することは、今回初めて知見した事実であり、このことは電源周波数の奇数次ならびに偶数次の高調波に共通の性質であることを確認できた。
また、本明細書では示していないが、本発明者が研究したところ、電源周波の高調波成分のフーリエスペクトルの絶対値がほぼ一定であり、位相が時間経過とともに徐々に変化するという現象は、電源周波に対するすべての高調波で起こっているということを確認することができた。
前記同相成分と直交成分はいずれも複素数となっていて、これらを2乗してルートをとって絶対値を得ると実数の一定値となる。通常、フーリエ変換は図11〜図13の1点のみを解析しているが時系列で見ると同じスペクトルを見ても、変動分を含んでいることが今回の試験で分かった。
In this way, the absolute value of the Fourier spectrum of the harmonic component of the power supply frequency is almost constant, and the fact that the phase gradually changes over time is a fact that has been found for the first time this time. It was confirmed that the properties are common to even-order harmonics.
Although not shown in the present specification, when the present inventor studied, the phenomenon that the absolute value of the Fourier spectrum of the harmonic component of the power supply frequency is almost constant and the phase gradually changes with time, We were able to confirm that it occurred at all harmonics with respect to the power supply frequency.
Both the in-phase component and the quadrature component are complex numbers, and when these are squared and the root is taken to obtain an absolute value, the constant value is a real number. Normally, only one point of FIGS. 11 to 13 is analyzed in the Fourier transform, but it has been found in this test that even if the same spectrum is seen in time series, it includes a variation.

この原因は電源周波数が60Hz丁度ではなく、微小な周波数変動があるため、位相が徐々に変化していくためと考えられる。本例では600サイクル(10秒間)で約1サイクル分の周波数変動が確認されたことになる。
このように、フーリエ変換を用いたフーリエ解析では、フーリエスペクトルの絶対値を得ることができるのみならず、位相変化を通して微小な周波数変動をも検知できることが明らかになった。一方、基本周波数を固定としたフーリエ変換アルゴリズムに基づくフーリエ解析では、このような微小な電源周波数の影響を受けてしまうともいえる。
This is considered to be because the power supply frequency is not exactly 60 Hz and there is a minute frequency fluctuation, so that the phase gradually changes. In this example, the frequency fluctuation for about 1 cycle is confirmed in 600 cycles (10 seconds).
As described above, it has been clarified that the Fourier analysis using the Fourier transform can detect not only the absolute value of the Fourier spectrum but also the minute frequency fluctuation through the phase change. On the other hand, it can be said that the Fourier analysis based on the Fourier transform algorithm with a fixed fundamental frequency is affected by such a small power supply frequency.

このような場合、図2に示したベクトル方式スペクトルアナライザ2では、電源周波数を基準として演算が行われるため、周波数変動の影響を受けることなく周波数スペクトルの演算が行える利点がある。また、周波数スペクトルを分析することにより、電源の誘導を含む外来ノイズを特定することができる。
タンクの振動において、電源周波数由来のもののスペクトルの大きさは変わらないが、何か他の原因、コイルや鉄心か何か、電源以外の何かが原因で加振されたとすると、それによりタンクが振動を受けるが、そのタンク振動はスペクトルが時間の中で減衰する。
そのような減衰する振動と電源由来のものを電気信号の中でアルゴリズムを扱う中で区別し、分離するならばタンク本来の振動を取り出すことが可能となる。
In such a case, the vector type spectrum analyzer 2 shown in FIG. 2 has an advantage that the frequency spectrum can be calculated without being affected by the frequency fluctuation because the calculation is performed based on the power supply frequency. Further, by analyzing the frequency spectrum, it is possible to identify external noise including power supply induction.
In the vibration of the tank, the magnitude of the spectrum derived from the power supply frequency does not change, but if the vibration is caused by something else, such as a coil or iron core, or something other than the power supply, the tank will While receiving vibration, the tank vibration has its spectrum attenuated in time.
If such a damping vibration and a power source are distinguished from each other in handling an algorithm in an electric signal and separated, it is possible to extract the original vibration of the tank.

一方、図9に示されたフーリエスペクトルにおいて、商用周波数の高調次成分以外の周波数、例えば142Hz、217Hz、332Hz、490Hz、693Hz、713Hzにもスペクトルが存在していることを別途別の測定箇所で実施したハンマリング試験で確認できた。ここで行ったハンマリング試験とは、測定に用いた変圧器のタンクの側壁の複数箇所をハンマで叩いて得られた振動を前記振動センサで計測し、得られた振動波形にピーク成分が生じているか否か計測した試験である。   On the other hand, in the Fourier spectrum shown in FIG. 9, the spectrum exists at frequencies other than the higher harmonic components of the commercial frequency, for example, 142 Hz, 217 Hz, 332 Hz, 490 Hz, 693 Hz, and 713 Hz. This was confirmed by the hammering test conducted. The hammering test conducted here is the measurement of vibrations obtained by striking a plurality of locations on the side wall of the transformer tank used for measurement with a hammer, and a peak component is generated in the obtained vibration waveform. It is a test that measures whether or not.

前記の周波数を基本周波数としてフーリエスペクトルの時系列変化を計算した結果を以下に示す。
図14は基本周波数142Hzに対する周波数スペクトルを示し、図15は基本周波数142Hzの2倍周波数に対する周波数スペクトルを示す。図14において縦軸はフーリエスペクトル、横軸は600サイクル分(10秒間)の時間を示す。
どちらの周波数スペクトルともスペクトルの大きさが一定でないことが明白である。
図16は基本周波数142Hz、第3次高調波スペクトルの同相成分、直交成分ならびに絶対値、位相補償角の時系列変化を計算したものである。図16において縦軸はフーリエスペクトル、横軸は600サイクル分(10秒間)の時間を示す。
この場合にもスペクトルの大きさが一定ではないことがわかる。
図17は基本周波数332Hz、第2次高調波スペクトルの同相成分、直交成分ならびに絶対値ならびに位相補償角θの時系列変化を計算したものである。図17において縦軸はフーリエスペクトル、横軸は600サイクル分(10秒間)の時間を示す。
The result of calculating the time-series change of the Fourier spectrum using the above frequency as the fundamental frequency is shown below.
FIG. 14 shows the frequency spectrum for the fundamental frequency 142 Hz, and FIG. 15 shows the frequency spectrum for the double frequency of the fundamental frequency 142 Hz. In FIG. 14, the vertical axis indicates the Fourier spectrum, and the horizontal axis indicates the time for 600 cycles (10 seconds).
It is clear that the magnitude of the spectrum is not constant for either frequency spectrum.
FIG. 16 shows the time-series changes in the in-phase component, quadrature component, absolute value, and phase compensation angle of the fundamental frequency 142 Hz, the third harmonic spectrum. In FIG. 16, the vertical axis represents the Fourier spectrum, and the horizontal axis represents the time for 600 cycles (10 seconds).
Also in this case, it can be seen that the size of the spectrum is not constant.
FIG. 17 shows the time-series changes of the fundamental frequency 332 Hz, the in-phase component, the quadrature component, the absolute value, and the phase compensation angle θ 3 of the second harmonic spectrum. In FIG. 17, the vertical axis represents the Fourier spectrum, and the horizontal axis represents the time for 600 cycles (10 seconds).

この場合にもスペクトルの大きさが一定ではないことがわかる。
これら図14〜図17に示す例から、試験に用いた変圧器において、電源周波数の高調波以外の周波数においては、何らかの加振源による振動の発生と減衰が繰り返されていると考えられることが判明した。
これら解析例の比較から明らかなように、電源周波数の整数倍の高調波成分による周波数スペクトルは、時間経過に対して変動が少ないが、電源周波数の高調波成分ではない周波数による周波数スペクトルは、時間経過に対して発生と減衰による時間変動が認められることが判明した。
Also in this case, it can be seen that the size of the spectrum is not constant.
From the examples shown in FIGS. 14 to 17, in the transformer used in the test, it is considered that the generation and attenuation of vibrations by some excitation source are repeated at frequencies other than the harmonics of the power supply frequency. found.
As is clear from the comparison of these analysis examples, the frequency spectrum due to the harmonic component that is an integral multiple of the power supply frequency has little variation over time, but the frequency spectrum due to the frequency that is not the harmonic component of the power supply frequency is It was found that time variation due to generation and decay was observed over time.

すなわち、本発明による信号処理装置Aを用いることにより、電源由来の振動と何らかの他の原因による機械的振動を判別しながら診断可能であることがわかった。
言い換えれば、電源由来の周波数(周期)と同期している振動であるか否かを、判定基準として採用することにより、ある特定の振動周波数が当該機器の振動と関係するのか、あるいは電源周波数に依存しない振動であるかを区別し、電源周波数に依存しない振動が時間経過により減衰による時間変動が認められれば、異常が起こっていると診断でき、電力機器を診断する根拠にできることが可能であると判った。
That is, it was found that by using the signal processing apparatus A according to the present invention, it is possible to make a diagnosis while discriminating between vibrations derived from the power source and mechanical vibrations caused by some other cause.
In other words, whether or not the vibration is synchronized with the frequency (cycle) derived from the power source is used as a criterion, so that a specific vibration frequency is related to the vibration of the device or the power frequency. It is possible to distinguish whether the vibration is independent or not, and if the vibration that does not depend on the power supply frequency shows time fluctuation due to attenuation over time, it can be diagnosed that an abnormality has occurred and can be used as a basis for diagnosing the power equipment. I found out.

次に、ウェーブレット変換を用いた時間周波数解析について説明する。
ウェーブレット変換では変圧器の振動を解析する場合、時間と周波数の両方を把握することができる。上述のフーリエ級数を用いた解析では周波数しか把握できない。
ウェーブレット変換では色々な周波数のフィルターを用いることができ、周波数毎に余計な成分をフィルターで除去できるので、余計な成分を除去して残った信号を基にする波形を再構築することでノイズを除去したタンク振動のみを取り出すことができる。このタンク振動に異常な振動が含まれていれば、変圧器が異常であるか否か診断ができる。
この実施形態のウェーブレット変換を用いた時間周波数解析においては、基底関数として(10)式のガウシアン関数を用いた。ガウシアン関数の形を図18に例示する。
ここで、スケールパラメータaをオシロスコープのサンプリング時間Tsを目安として、次のように設定した。
Next, time frequency analysis using wavelet transform will be described.
When analyzing the vibration of a transformer, the wavelet transform can grasp both time and frequency. In the analysis using the above Fourier series, only the frequency can be grasped.
Wavelet transform can use filters with various frequencies, and can remove extra components for each frequency, so noise can be eliminated by reconstructing the waveform based on the remaining signal after removing extra components. Only the removed tank vibration can be taken out. If the tank vibration includes abnormal vibration, it can be diagnosed whether or not the transformer is abnormal.
In the time-frequency analysis using the wavelet transform of this embodiment, the Gaussian function of Expression (10) is used as the basis function. The form of the Gaussian function is illustrated in FIG.
Here, the scale parameter a was set as follows using the sampling time Ts of the oscilloscope as a guide.

Figure 2018036113
Figure 2018036113

前述した如くガウシアン関数の周期を6aと見なしたとき、スケールパラメータaに対応する観測対象となる周波数領域の目安を以下の表2に示す。   As described above, when the period of the Gaussian function is assumed to be 6a, the standard of the frequency region to be observed corresponding to the scale parameter a is shown in Table 2 below.

Figure 2018036113
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図19は、図8に示した振動波形に対するウェーブレット解析の結果である。図19において縦軸はそれぞれのレベルにおける信号強度の規格値、横軸は1サイクル相当の時間を示す。
図19のj=1〜8の数値は、表2のレベルjに対応するスケールパラメータaの値である。
スペクトルの大きさを最大値と最小値より規格化して表しているが、図19(a)、(b)、(c)には強いスペクトルをもつ高周波成分が表れている。
これは外来雑音であるインバータノイズが誘導雑音として測定回路に混入していることが原因と推定される。
図19(d)あるいは図19(e)になると高周波成分が消えており、これは加速度センサが捉えたタンク振動に由来する信号と推定される。このようにウェーブレット解析では信号とノイズの周波数の違いを利用してフィルターを構成することができ、これによりインバータノイズを除去できることが示された。よって、ノイズが含まれると判断された図19(a)〜(c)の信号を除去して波形合成回路27により図19(d)〜(h)に示す信号を再合成するならば、ノイズを除去した変圧器の振動のみからなる信号を得ることができる。
FIG. 19 shows the result of wavelet analysis for the vibration waveform shown in FIG. In FIG. 19, the vertical axis indicates the standard value of the signal intensity at each level, and the horizontal axis indicates the time corresponding to one cycle.
The numerical values of j = 1 to 8 in FIG. 19 are values of the scale parameter a corresponding to the level j in Table 2.
The magnitude of the spectrum is expressed by standardizing from the maximum value and the minimum value, and high frequency components having a strong spectrum appear in FIGS. 19 (a), 19 (b), and 19 (c).
This is presumed to be caused by the fact that inverter noise, which is external noise, is mixed in the measurement circuit as inductive noise.
In FIG. 19 (d) or FIG. 19 (e), the high frequency component disappears, and this is presumed to be a signal derived from tank vibration captured by the acceleration sensor. Thus, it has been shown that in wavelet analysis, a filter can be constructed using the difference between the frequency of a signal and noise, and inverter noise can be removed. Therefore, if the signals shown in FIGS. 19A to 19C determined to contain noise are removed and the signals shown in FIGS. It is possible to obtain a signal consisting only of the vibration of the transformer from which the noise is removed.

即ち、ウェーブレット変換を行うと、フィルターバンクに対してスイッチ回路を用いてノイズ成分を除去することができることがわかった。   That is, it has been found that when wavelet transform is performed, noise components can be removed from the filter bank using a switch circuit.

以上述べてきたように、電源周波数に依存しない周波数の存在は、機械系固有の振動の一部とみなすことができ、本発明による信号処理装置Aを用いてこの周波数スペクトルならびに雑音を除去した振動波形を解析することにより、変圧器の異常の有無を判定することが可能となる。即ち、変圧器などの振動を伴う機器の異常の診断ができる。
先の実施形態では図4に示す複数のフィルター25を用いてウェーブレット解析を利用し、スケールパラメータの値に応じて得られた波形のうち、高周波成分のノイズが含まれている波形を取り除くことで変圧器が本来発生させている振動に伴う波形を得ることができる。
このノイズを除いた波形を測定し、劣化などの問題を有していない変圧器で予め測定しておいた波形と比較し、異なる点があれば、測定した変圧器の1次コイルや2次コイルあるいは巻き芯を含むいずれかの部分に劣化や問題を生じているおそれのある変圧器であると判断できる。このため、演算装置4には劣化などの問題を有していない変圧器で予め測定しておいた波形を入力しておき、先のノイズを除いた測定波形と比較し、相違があれば異常信号として検出する機能を具備させておく。
この機能により演算装置4は変圧器の異常信号を検出できる手段として機能する。
As described above, the existence of a frequency that does not depend on the power supply frequency can be regarded as a part of the vibration inherent in the mechanical system, and the frequency spectrum and the vibration from which noise is removed using the signal processing apparatus A according to the present invention. By analyzing the waveform, it is possible to determine whether the transformer is abnormal. That is, it is possible to diagnose an abnormality of a device accompanied by vibration such as a transformer.
In the previous embodiment, wavelet analysis is used by using a plurality of filters 25 shown in FIG. 4, and a waveform including high-frequency component noise is removed from waveforms obtained according to the value of the scale parameter. A waveform associated with the vibration originally generated by the transformer can be obtained.
The waveform excluding this noise is measured and compared with the waveform measured in advance with a transformer that does not have problems such as deterioration. If there is a difference, the measured primary coil or secondary of the transformer It can be determined that this is a transformer that may cause deterioration or problems in any part including the coil or the winding core. For this reason, a waveform measured in advance with a transformer that does not have a problem such as deterioration is input to the arithmetic device 4 and compared with the measured waveform excluding the previous noise. A function of detecting as a signal is provided.
With this function, the arithmetic device 4 functions as a means for detecting an abnormal signal of the transformer.

なお、逆フーリエ変換により、定常的なタンク振動のように周期性を有する信号波形の再現が可能であるが、電源周波数が変動する環境下では、基本周波数を固定する解析の場合、誤差の要因となる。
本発明では、このような影響を図6に示したマルチレート・フィルタバンクを用いたウェーブレット変換を併用することによりなくすことが可能な特徴を有する。
In addition, it is possible to reproduce a signal waveform with periodicity like regular tank vibration by inverse Fourier transform, but in an environment where the power supply frequency fluctuates, in the case of analysis with a fixed fundamental frequency, an error factor It becomes.
The present invention has such a feature that such an influence can be eliminated by using the wavelet transform using the multi-rate filter bank shown in FIG.

A…信号処理装置、1…増幅器、2…周波数ベクトルアナライザ(周波数解析手段)、3…時間周波数アナライザ(時間周波数解析演算手段)、4…演算装置、5…表示装置(表示手段)、10…第1の混合器、11…フィルター、12…第2の混合器、13…フィルター、14…局部発振器、15…周波数掃引用発振器、16…遅延回路、20…増幅器、21…第3の混合器、22…増幅器、23…遅延トリガ回路、24…基底関数発生器、25…フィルター、26…スイッチ回路、27…波形合成回路、28…雑音成分除去手段、31…変圧器、32…振動センサ(信号取得手段)、33…電圧波形、34…電流波形。   A ... signal processing device, 1 ... amplifier, 2 ... frequency vector analyzer (frequency analysis means), 3 ... time frequency analyzer (time frequency analysis calculation means), 4 ... calculation device, 5 ... display device (display means), 10 ... 1st mixer, 11 ... filter, 12 ... 2nd mixer, 13 ... filter, 14 ... local oscillator, 15 ... frequency sweep oscillator, 16 ... delay circuit, 20 ... amplifier, 21 ... 3rd mixer , 22 ... amplifier, 23 ... delay trigger circuit, 24 ... basis function generator, 25 ... filter, 26 ... switch circuit, 27 ... waveform synthesis circuit, 28 ... noise component removing means, 31 ... transformer, 32 ... vibration sensor ( (Signal acquisition means), 33 ... voltage waveform, 34 ... current waveform.

Claims (11)

時間の関数である信号を連続的または断続的に取得する取得手段と、
前記取得した信号の複素周波数スペクトルを演算して算出する周波数解析手段と、
前記取得した信号を時間と周波数の両面から同時に信号処理を行う時間周波数解析演算手段と、
前記取得した時間を関数とする信号に含まれると推定される雑音成分を除去する雑音成分除去手段と、
前記雑音成分を除去した後の復元信号を表示する表示手段を備えたことを特徴とする信号処理装置。
An acquisition means for continuously or intermittently acquiring a signal that is a function of time;
Frequency analysis means for calculating and calculating a complex frequency spectrum of the acquired signal;
A time-frequency analysis calculation means for simultaneously performing signal processing on the acquired signal from both sides of time and frequency;
Noise component removing means for removing a noise component estimated to be included in the signal having the acquired time as a function;
A signal processing apparatus comprising display means for displaying a restored signal after removing the noise component.
前記周波数解析手段において前記複素数周波数スペクトルを演算する手段がフーリエ変換または高速フーリエ変換であり、演算により求めた複素周波数スペクトルの中から雑音成分を指定または推定し、指定または推定した雑音成分を記憶あるいは学習しながら、新たに入力される時間の関数である信号に対する演算を行う演算装置を備えたことを特徴とする請求項1に記載の信号処理装置。   In the frequency analysis means, the means for calculating the complex frequency spectrum is Fourier transform or fast Fourier transform, and a noise component is designated or estimated from the complex frequency spectrum obtained by the calculation, and the designated or estimated noise component is stored or stored. The signal processing apparatus according to claim 1, further comprising an arithmetic unit that performs an operation on a signal that is a function of a newly input time while learning. 前記時間周波数解析演算手段において信号処理を行う手段が複数レベルのフィルターバンクを伴うウェーブレット変換であり、
前記記憶あるいは学習により保持された雑音成分相当のスペクトルを除去できるフィルターまたはこれに相当する基底関数を用いて、時間を関数とする信号の中から雑音成分を除去する雑音成分除去手段を備えていることを特徴とする請求項2に記載の信号処理装置。
The means for performing signal processing in the time frequency analysis calculation means is a wavelet transform with a plurality of levels of filter banks,
There is provided a noise component removing means for removing a noise component from a signal having a function of time by using a filter capable of removing a spectrum corresponding to the noise component held by the storage or learning or a basis function corresponding to the filter. The signal processing apparatus according to claim 2.
前記複素周波数スペクトルを演算する装置を1台または複数個の混合器を用いて構成したことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の信号処理装置。   The signal processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the apparatus for calculating the complex frequency spectrum is configured using one or a plurality of mixers. 入力信号に対し遅延トリガを発生させる遅延トリガ回路と、該遅延トリガ回路のトリガパルスで基底関数信号を発生する基底関数発生器を有し、入力信号と前記基底関数発生器の信号を混合器で混合させ、混合器の出力を増幅器で増幅した信号を周波数特性の相異なる複数個のフィルターを介して取り出すことにより時間周波数解析を行い、さらに前記各フィルターの出力を予め制御されたスイッチ回路により選択的に取り出し、前記スイッチ回路から取り出した出力をもとに波形を復元する波形合成回路を有することを特徴とする請求項1〜請求項4に記載の信号処理装置。   A delay trigger circuit for generating a delay trigger for the input signal, and a basis function generator for generating a basis function signal by a trigger pulse of the delay trigger circuit, and the input signal and the signal of the basis function generator are mixed by a mixer Mix and mix the output of the mixer with an amplifier to extract the signals through multiple filters with different frequency characteristics, and then select the output of each filter with a pre-controlled switch circuit. 5. The signal processing apparatus according to claim 1, further comprising a waveform synthesis circuit that restores a waveform based on an output extracted from the switch circuit and based on an output extracted from the switch circuit. 請求項5に記載の信号処理装置において、雑音成分を除去した信号から時間の関数である元信号に含まれる異常信号を検出する異常信号検出手段を備えたことを特徴とする信号処理装置。   6. The signal processing apparatus according to claim 5, further comprising: an abnormal signal detection unit that detects an abnormal signal included in an original signal that is a function of time from a signal from which a noise component has been removed. 請求項1〜6に記載の時間の関数である信号として、電力機器が発生させる振動を検出し、この振動に含まれている雑音成分を除去した振動から電力機器の異常を検出する能力を備えたことを特徴とする電力機器の異常診断装置。   As a signal that is a function of time according to claims 1 to 6, the apparatus has the ability to detect vibrations generated by the power equipment and detect abnormalities in the power equipment from the vibrations from which noise components included in the vibrations are removed. An apparatus for diagnosing abnormality of electric power equipment, characterized by 時間の関数である信号を連続的または断続的に取得し、前記取得した信号の複素周波数スペクトルをフーリエ変換により演算して算出するとともに、前記取得した信号を時間と周波数の両面から同時にウェーブレット変換により信号処理し、前記取得した時間を関数とする信号に含まれると推定される雑音成分を除去し、前記雑音成分を除去した後の信号を得、この信号に応じて電力機器の異常を診断することを特徴とする電力機器の異常診断方法。   A signal that is a function of time is acquired continuously or intermittently, and the complex frequency spectrum of the acquired signal is calculated and calculated by Fourier transform, and the acquired signal is simultaneously converted from both time and frequency by wavelet transform. Signal processing is performed to remove a noise component estimated to be included in the signal having the acquired time as a function, to obtain a signal after the removal of the noise component, and to diagnose an abnormality of a power device according to this signal A method for diagnosing abnormalities in power equipment. 前記フーリエ変換により求めた複素周波数スペクトルの中から雑音成分を指定または推定し、指定または推定した雑音成分を記憶あるいは学習しながら、新たに入力される時間の関数である信号に対する演算を行うことを特徴とする請求項8に記載の電力機器の異常診断方法。   Designating or estimating a noise component from the complex frequency spectrum obtained by the Fourier transform, and performing computation on a signal that is a function of time newly input while storing or learning the designated or estimated noise component. The power equipment abnormality diagnosis method according to claim 8. 前記時間周波数解析演算手段において信号処理を行う手段が複数レベルのフィルターバンクを伴うウェーブレット変換であり、前記記憶あるいは学習により保持された雑音成分相当のスペクトルを除去できるフィルターまたはこれに相当する基底関数を用いて、時間を関数とする信号の中から雑音成分を除去することを特徴とする請求項8に記載の電力機器の異常診断方法。   The means for performing signal processing in the time-frequency analysis calculation means is a wavelet transform with a plurality of levels of filter banks, and a filter capable of removing a spectrum corresponding to a noise component held by the storage or learning or a basis function corresponding thereto The method according to claim 8, wherein a noise component is removed from a signal having time as a function. 入力信号に対し遅延トリガを発生させ、該遅延トリガ回路のトリガパルスで基底関数信号を発生させ、入力信号と前記基底関数発生器の信号を混合器で混合させ、混合器の出力信号を周波数特性の相異なる複数個のフィルターを介して取り出すことにより時間周波数解析を行い、さらに前記各フィルターの出力を予め制御されたスイッチ回路により選択的に取り出し、前記スイッチ回路から取り出した出力をもとに波形を復元する請求項8〜請求項10のいずれか一項に記載の電力機器の異常診断方法。   Generate a delay trigger for the input signal, generate a basis function signal with the trigger pulse of the delay trigger circuit, mix the input signal and the signal of the basis function generator with a mixer, and output the mixer output signal with frequency characteristics The time frequency analysis is performed by extracting through a plurality of different filters, and the output of each filter is selectively extracted by a switch circuit controlled in advance, and the waveform is based on the output extracted from the switch circuit. The method for diagnosing abnormality of a power device according to any one of claims 8 to 10, wherein the power is restored.
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