一种基于能量贡献度的有载分接开关机械状态监测方法与流程

1.本发明属于变压器有载分接开关技术领域，尤其涉及一种基于能量贡献度的有载分接开关机械状态监测方法。


背景技术：

2.有载分接开关是有载调压变压器的唯一可动关键部件，可在带负载条件下改变电压变比，实现在不断电情况下对系统电压的调节，实现补偿电压波动、调节功率、提高系统性能及改善电能质量等的重要功能。但是，随着有载分接开关使用年限的增加及调压次数的增多，其故障率也随之增加。据统计，有载分接开关的故障类型主要包括电气故障和机械故障，且机械故障为主要故障类型，约占有载分接开关总故障的90％以上，亦是部分电气故障的主要诱因。现有的获取有载分接开关运行状态信息的方法主要是依据切换次数、电气试验等，与电力设备状态维修和状态评估的科学要求不相适应。
3.有载分接开关主要由选择开关、切换开关、电动机构和快速机构等部分组成，而选择开关、切换开关等关键结构件位于有载分接开关内部，其机械缺陷通常需将有载分接开关吊芯进行确认，无法及时发现其故障隐患。考虑到有载分接开关的档位切换过程中的切换开关的动、静触头等机构部件之间的碰撞或摩擦等均会引起机械振动，这些机械振动信号中包含了丰富的有载分接开关机械状态信息，因此，基于振动分析法的有载分接开关机械状态监测方法引起了国内外研究人员的日益关注。该方法的最大优点是可以通过放置在变压器油箱上的振动传感器来获取分接开关切换过程中的振动信号，只要分接开关切换过程中的机械特性发生变化，都可以从振动信号中得到反映，从而大大提高了分接开关机械状态检测的灵敏度。此外，将振动传感器置于变压器箱壁上的振动检测手段安全便捷，便于实现在线监测，提高变压器有载分接开关的运行可靠性。
4.然而，有载分接开关的机械结构较为复杂，且切换开关中动、静触头等机构部件之间的碰撞或摩擦等产生的机械振动信号呈现强时变和非平稳性特征，如何获取用于有载分接开关机械状态监测的振动信号的评判指标一直是研究难点。因此，需要一种基于能量贡献度的有载分接开关机械状态监测方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于能量贡献度的有载分接开关机械状态监测方法，从而克服了了现有对有载分接开关机械状态监测困难的缺点。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于能量贡献度的有载分接开关机械状态监测方法，包括以下步骤：
7.采集有载分接开关切换过程中的振动信号；
8.对所述振动信号进行傅里叶变换，得到振动信号频谱分布；
9.根据所述振动信号频谱分布构建频域表示的振动窄带信号序列；
10.根据所述振动窄带信号序列设计多层滤波器组，计算振动窄带信号序列经多层滤
波器组输出信号的子带能量序列组；
11.计算所述子带能量序列组的贡献度序列；
12.计算有载分接开关同档位切换时历史振动信号贡献度序列与当前振动信号贡献度序列的相似系数；
13.通过所述相似系数对有载分接开关的机械状态进行判别，从而对有载分接开关的机械状态进行监测。
14.优选地，根据所述振动信号频谱分布构建频域表示的振动窄带信号序列，具体包括：
15.对振动信号频谱分布求导得到序列；
16.计算所述序列中任意相邻两点的乘积；
17.根据所述序列和序列中任意相邻两点的乘积，依次寻找并振动信号频谱分布的所有极大值；
18.依次在振动信号频域分布中移动，并以各个极大值为中心截取窄频带信号，得到频域表示的窄带信号序列。
19.优选地，使用矩形窗函数依次在振动信号频域分布中移动。
20.优选地，计算振动窄带信号序列经多层滤波器组输出信号的子带能量序列组，具体包括：
21.计算任一个窄带信号的品质因数；
22.根据所述窄带信号的品质因数计算多层滤波器组的分解层数；
23.根据所述多层滤波器组的分解层数设计所述窄带信号的多层滤波器组；
24.将所述窄带信号为输入，计算多层滤波器组输出的高通信号序列和低通信号序列；
25.计算所述窄带信号输入时多层滤波器组输出的低通信号的能量子序列；
26.重复上述步骤依次计算所有窄带信号经多层滤波器组输出的低通信号的子带能量序列，最终得到振动窄带信号序列经多层滤波器组输出信号的子带能量序列组。
27.优选地，根据熵权法计算所述子带能量序列组的贡献度序列。
28.优选地，根据熵权法计算所述子带能量序列组的贡献度序列具体包括：
29.依次计算所述子带能量序列组的信息熵；
30.基于所述信息熵计算各个子带能量序列的子带能量的权重；
31.根据所述信息熵和权重计算子带能量序列组的贡献度序列。
32.优选地，计算有载分接开关同档位切换时历史振动信号贡献度序列与当前振动信号贡献度序列的相似系数，具体包括：
33.根据载分接开关同档位切换时历史振动信号贡献度序列与当前振动信号贡献度序列，构建贡献度序列的比值序列；
34.计算所述比值序列的均值和方差，根据所述均值和方差设定置信区间；
35.统计所述计比值序列中的元素落入设定置信区间的个数；
36.根据落入设定置信区间的个数计算相似系数。
37.优选地，通过所述相似系数对有载分接开关的机械状态进行判别，具体包括：当相似度小于0.85时，则判断有载分接开关的机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理；
反之有载分接开关的机械状态未发生变化，无需处理。
38.与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
39.本发明所提供的基于能量贡献度的有载分接开关机械状态监测方法，通过采集有载分接开关切换过程中的振动信号；对振动信号进行傅里叶变换，得到振动信号频谱分布；根据振动信号频谱分布构建频域表示的振动窄带信号序列；根据振动窄带信号序列设计多层滤波器组，计算振动窄带信号序列经多层滤波器组输出信号的子带能量序列组；计算子带能量序列组的贡献度序列；计算有载分接开关同档位切换时历史振动信号贡献度序列与当前振动信号贡献度序列的相似系数；通过相似系数对有载分接开关的机械状态进行判别，从而对有载分接开关的机械状态进行监测。
40.本发明所提及的有载分接开关档位切换过程中的振动信号采用了上述技术方案，使得其可以通过有载分接开关档位切换过程中的振动信号实现其机械状态的准确监测，从而可以对有载分接开关初期故障隐患进行有效识别，进而采取有效运维策略，避免形成重大故障。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1是本发明一种基于能量贡献度的有载分接开关机械状态监测方法结构示意图；
43.图2为本实施例中用来进行有载分接开关机械状态监测的振动信号示意图。
具体实施方式
44.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.如图1所示，本发明所提供的基于能量贡献度的有载分接开关机械状态监测方法，包括以下步骤：
46.s1、采集有载分接开关切换过程中的振动信号x(k)，x(k)x(k)长度为n0，采样频率为fs。
47.s2、对所述振动信号x(k)进行傅里叶变换，得到振动信号频谱分布y(f)，振动信号频谱分布的计算公式为：
[0048][0049]
s3、根据所述振动信号频谱分布构建频域表示的振动窄带信号序列；具体包括：
[0050]
s31、对振动信号频谱分布y(f)求导，得到序列yd(f)；
[0051]
s32、计算所述序列yd(f)中任意相邻两点的乘积p
di
(yf)＝y
di
(f)
×yd(i-1)
(f)，i＝1,2,
…
,n-1；
[0052]
s33、根据所述序列yd(f)和序列中任意相邻两点的乘积py
di
(f)，依次寻找并振动信号频谱分布y(f)的所有极大值；
[0053]
s34、使用矩形窗函数ω(c)依次在振动信号频域分布中移动，并以各个极大值为中心截取窄频带信号，得到频域表示的窄带信号序列[y
z1
,y
z2
,
…
,y
zd
]，此处，d为振动信号频谱分布y(f)的所有极大值个数；
[0054]
矩形窗函数ω(c)可表示为：
[0055][0056]
上式中，w是矩形窗宽度。
[0057]
s4、根据所述振动窄带信号序列设计多层滤波器组，计算振动窄带信号序列经多层滤波器组输出信号的子带能量序列组，其中，第i个窄带信号的子带能量序列的计算过程为：
[0058]
s41、计算第i个窄带信号的品质因数qi，品质因数qi的计算公式为：
[0059]
qi＝f
mi
/bwiꢀꢀꢀ
(3)
[0060]
上式中，f
mi
为振动信号频谱分布y(f)的第i个极大值，bwi为振动信号频谱分布y(f)的3db带宽；
[0061]
s42、根据第i个窄带信号的品质因数qi计算多层滤波器组的分解层数ji，所述的多层滤波器组的分解层数ji的计算公式为：
[0062][0063][0064][0065]
上式中，n
2i
为第i个窄带信号的长度，且有n
2i
＝wi×fs
，αi和βi表示尺度变换系数；
[0066]
s43、根据所述多层滤波器组的分解层数ji设计所述窄带信号的多层滤波器组，其中，第j层滤波器组的高通滤波器h
ij
(k)和低通滤波器l
ij
(k)的计算公式为：
[0067][0068][0069]
[0070][0071][0072][0073]
上式中，round(
·
)为向下取整函数；θ(k)表示多层滤波器的过渡频段函数；pi(j)、si(j)和ti(j)分别表示第j层滤波器的通频段、截止频带和过渡频段；
[0074]
s44、将第i个窄带信号为输入，计算多层滤波器组输出的高通信号序列v
gi
和低通信号序列v
li
，其中，第j层高通输出信号v
gi
(j)和低通输出信号v
li
(j)的计算公式为：
[0075]vgi
(j)＝v
gi
(j-1)
·hg,j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0076]vli
(j)＝v
l
(j-1)
·hl,j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0077]
s45、计算第i个窄带信号输入时多层滤波器组输出的低通信号v
li
的能量子序列，其中，第j层低通信号能量子序列的计算公式为：
[0078][0079]
s46、重复上述步骤s41-s45依次计算所有窄带信号经多层滤波器组输出的低通信号的子带能量序列，最终得到振动窄带信号序列经多层滤波器组输出信号的子带能量序列组d，记为e1,e2,
…
,ed，其长度分别为l1,l2,
…
,ld。
[0080]
s5、根据熵权法计算所述子带能量序列组的贡献度序列具体包括：
[0081]
s51、依次计算所述子带能量序列组的信息熵，其中，第k个子带能量序列的第j个子带能量信息熵s
kj
的计算公式为：
[0082][0083]
上式中，lk为第k个子带能量序列的长度；
[0084]
s52、基于所述信息熵计算各个子带能量序列的子带能量的权重，其中，第k个子带能量序列的第j个子带能量权重w
kj
的计算公式为：
[0085][0086]
s53、根据所述信息熵和权重计算子带能量序列组的贡献度序列，记为g＝{g1,g2,
…
,gd}，第k个子带能量序列的贡献度gk的计算公式为：
[0087]
[0088]
s6、计算有载分接开关同档位切换时历史振动信号贡献度序列g'＝{g
′1,g'2,
…
,g'd}与当前振动信号贡献度序列的相似系数；具体包括：
[0089]
s61、根据载分接开关同档位切换时历史振动信号贡献度序列g'＝{g
′1,g'2,
…
,g'd}与当前振动信号贡献度序列g＝{g1,g2,
…
,gd}，构建贡献度序列的比值序列θ＝{θ1,θ2,
…
,θ
d-1
}，其中，比值序列中第k个值的计算公式为：
[0090][0091]
s62、计算所述比值序列的均值和方差，根据所述均值和方差设定置信区间；
[0092]
s63、统计所述计比值序列中的元素落入95％置信区间的个数ξ，95％置信区间可表示为[μ-1.96σ,μ+1.96σ]；
[0093]
s64、根据落入95％置信区间的个数计算相似系数sim，相似系数sim的计算公式为sim＝ξ/d，其中d为带能量序列组的贡献度序列的总个数。
[0094]
s7、通过所述相似系数对有载分接开关的机械状态进行判别，从而对有载分接开关的机械状态进行监测，具体包括：当相似度小于0.85时，则判断有载分接开关的机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理，避免形成重大故障；反之有载分接开关的机械状态未发生变化，无需处理。
[0095]
以某110kv变压器有载分接开关为测试对象，对其切换过程中的振动信号进行测试，据此说明有载分接开关的机械状态监测方法，以使本领域技术人员更了解本发明，
[0096]
其中，如图2所示，步骤s1中，n0＝9000，fs＝51200khz；根据本发明方法计算得到，有载分接开关同档位切换时振动信号贡献度序列与历史振动信号贡献度序列的相似系数的计算结果为0.92，说明有载分接开关的机械状态正常。
[0097]
以上所揭露的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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。