基于最优宽带波束形成的大型电抗器故障检测方法及系统与流程

本发明涉及大型电抗器故障检测领域，尤其涉及一种基于最优宽带波束形成的大型电抗器故障检测方法。

背景技术：

现如今，电力需求不断提升，用电质量问题也受到广泛的关注，电能的稳定供应与国民经济也有着密不可分的关系。大量实践证明，电抗器在出现严重事故之前，往往都有一定的潜伏性故障。电抗器内部的局部放电，局部过热，绕组变形、机械部件松动以及设备绝缘老化等潜伏性故障是随着时间积累引起的。电抗器运行时，由于机身与固件、零件之间或者零件自身之间的相互运动，设备就会发出声音，运行状态发生改变时，其发出的声音也随之改变。同时，电抗器内部的绕组和铁芯承担着电磁交换的重要功能，在高电压和强电磁的环境下可能发生不同的故障，从而运行的声音也会随之改变。

目前对电抗器的保护方法主要通过故障时电压、电流等电气参量进行继电保护，这种方法会降低用电质量以及提高供电公司的经济成本。并且相关潜伏性故障则难以检测，缺乏有效的在线检测方法、技术与装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于最优宽带波束形成的大型电抗器故障检测方法及系统，能够检测到潜伏性故障，提前给相关人员预警来处理设备的状况，不仅提高人们的用电质量而且又能降低经济成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于最优宽带波束形成的大型电抗器故障检测方法，包括：

在电抗器外部设置麦克风阵列；

利用麦克风阵列采用近场宽带波束形成方法对工作中的电抗器进行扫描，将接收信号与最优波束加权系数相结合，计算电抗器的声音强度图像或声音能量图像；所述最优波束加权系数通过求解多目标的约束方程得到；

比较预设正常工作情况下与检测时的声音强度图像或声音能量图像，根据比较结果判断电抗器是否存在故障，并在判定发生故障时，发出预警。

一种基于最优宽带波束形成的大型电抗器故障检测系统，用于实现前述的方法，包括：

麦克风阵列，设置在电抗器外部；

采样处理装置，利用麦克风阵列采用近场宽带波束形成方法对工作中的电抗器进行扫描，并获取麦克风阵列的接收信号；

检测处理装置，用于将接收信号与最优波束加权系数相结合，计算电抗器的声音强度图像或声音能量图像，所述最优波束加权系数通过求解多目标的约束方程得到；以及，将计算得到的电抗器的声音强度图像或声音能量图像，与预先获取的电抗器正常工作情况下的声音强度图像或声音能量图像对应的进行比较，根据比较结果判断电抗器是否存在故障；

非正常状态处理装置，用于在判定发生故障时，发出预警。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过比较电抗器的声音强度或者能量图像与其正常工作时的声音强度或者能量图像，判断电抗器设备是否存在故障需要工作人员维护，进而实现了电抗器设备工作状态的在线检测。通过近场宽带波束形成的声音强度或者能量图像来判断电抗器工作状态，是一种在线检测方案，不仅降低了维护的成本，而且还提高了人们用电的质量，给大型电抗器设备的工作状态检测提供了一种新的方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于最优宽带波束形成的大型电抗器故障检测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的平面麦克风阵列的信号模型示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于最优宽带波束形成的大型电抗器故障检测系统的示意图；

图中各标记对应的部件为：1-麦克风阵列；2-电抗器；3-采样处理装置；4-检测处理装置；5-非正常状态处理装置；6-目标；7-麦克风阵列的支架；8-麦克风阵元；9-参考阵元。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于最优宽带波束形成的大型电抗器故障检测方法，如图1所示，其主要包括：

步骤1、在电抗器外部设置麦克风阵列。

本发明实施例中，所述麦克风阵列与电抗器表面平行，麦克风阵列平面与电抗器表面之间的距离为r，将m×n个麦克风按照x轴方向间隔d1(水平方向)，y轴方向(垂直方向)间隔d2进行放置，最终形成[(m-1)×d1]×[(n-1)×d2]大小的均匀面阵，其中坐标为(0，0)的阵元作为参考阵元。

步骤2、利用麦克风阵列采用近场宽带波束形成方法对工作中的电抗器进行扫描，将接收信号与最优波束加权系数相结合，计算电抗器的声音强度图像或声音能量图像。

本发明实施例中，采用近场宽带波束形成方法对工作中的电抗器进行扫描，从而对扫描平面进行全方位的扫描；首先要建立近场宽带接收信号模型：如图2所示，以麦克风阵列的坐标原点阵元为参考阵元，x轴和y轴作为阵列的基准线；假设有k个信号源分别以二维角度入射到麦克风阵列上，其中θk分别表示第k个信号源入射的方位角和俯仰角，t为入射时刻；假设第m行第n列阵元的坐标为(xm,yn)，则第k个信号入射到该阵元上相对于第m行第n列阵元的距离dmnk表示为：其中，rks＝r/cosθk表示第k个信号源到参考阵元的距离，r表示麦克风阵列平面与电抗器表面之间的距离，rmn表示第m行第n列阵元到参考阵元的距离，m＝1,2,...,m，n＝1,2,...,n；

以时间长度t为一个统计时段，在一个统计时段t内认为声源的位置基本不变。将统计时段t内的麦克风阵列接收信号划分为l个子段，每个子段包含i个时间采样点，相邻子段间的重叠率为γ，0≤γ＜1；

之后，对麦克风阵列接收到的每个子段宽带信号进行i点的离散傅里叶变换得到i个子带的窄带阵列信号，其中i不一定为2的整数次幂，若i为2的整数次幂会用快速算法节约该过程的运算时间。对于第i个子带，第k个信号源的导向矢量表示为

其中，c表示声速大小；i＝1,2,...,i，fi表示第i个子带的频率；

对每个子段的阵列接收信号进行i点的离散傅里叶变换表示为：

xl(fi)＝al(fi)sl(fi)+nl(fi),i＝1,2,...,i，l＝1,2,...,l

其中，表示阵列接收信号的第l个子段经i点离散傅里叶变换得到的第i个子带窄带阵列信号，x的下标数字为麦克风的序号，例如，表示第1个麦克风接收信号的第l个子段经i点离散傅里叶变换得到的第i个子带窄带信号；表示信号源的第l个子段经i点离散傅里叶变换得到的第i个子带窄带信号，s的下标数字为信号源的序号，例如，为第1个信号源的第l个子段经i点离散傅里叶变换得到的第i个子带窄带信号；表示第l个子段阵列接收噪声经i点离散傅里叶变换得到的第i个子带窄带阵列噪声，n的下标数字为麦克风的序号，例如，表示第1个麦克风的第l个子段接收噪声经i点离散傅里叶变换得到的第i个子带窄带阵列噪声；a(fi)＝[a1(fi,r1s),a2(fi,r2s),…,ak(fi,rks)]为阵列第l个子段第i个子带信号的导向矢量矩阵，这是基于认为在一个统计时段t内声源的位置基本不变得出的，a的下标数字为信号源的序号，例如，a1(fi,r1s)为第i个子带，第1个信号源的导向矢量矩阵。

本发明实施例中，最优波束加权系数通过求解多目标的约束方程得到，并以此计算声音强度图像或声音能量图像。

在一个统计时段t内，对于第l个子段的阵列接收信号，在第i个子带的频率fi上，对于近场宽带波束形成而言，在x轴和y轴两个方向上进行从左至右从上至下的幅度加权(或者在方位角俯仰角二位方向上进行从左至右从上至下的幅度加权)；对于在x轴和y轴进行的每一个幅度加权，可以将加权矩阵转化为多目标求解的问题

其中，||||∞表示矩阵或者向量的无穷范数，r0表示期望信号方向到参考阵元的距离，rsl表示波束旁瓣方向到参考阵元的距离的集合，rnl表示波束零陷方向到参考阵元的距离的集合，r1、r2各自为集合rsl、rnl中的任一元素；a(fi,r0),a(fi,r1),a(fi,r2)，表示第i个频带上不同指标对应的导向矢量，ξl(l＝1,2)为附加的约束条件(具体的约束条件可以自行设置)，通过求解上述多目标的约束方程，得到约束条件下最优波束加权系数；上述过程只是给出了一定的附加条件，附加条件越多会给求解的过程带来更多的计算量。

令其中vec表示矩阵或者向量的拉直运算。对于第l个子段的阵列接收信号，在第i个子带的频率fi上，计算声音强度图像的公式为：其中||表示复数的取模，表示的共轭转置；在一个统计时段t内，在(x,y)坐标上的声音强度图像q(x,y)为各子段各子带频率的声音强度之和，其表达式为在一个统计时段t内，阵列扫描电抗器的完整角度区域获得的电抗器声音强度图像为：

在一个统计时段t内，在(x,y)坐标上的声音能量图像为各子段各子带频率的声音强度之和，其表达式为在一个统计时段t内，阵列扫描电抗器的完整角度区域获得的电抗器声音能量图像为：

基于上述原理，通过步进扫描的方位角和俯仰角δθ的方式实时获取电抗器工作时的声音强度图像或者声音能量图像。其中，下标x,y为完整角度区域中麦克风阵列在x轴和y轴获取所有信号的数量大小，x,y的大小和步进选取的和δθ有关，即与完整角度区域有关系。

步骤3、比较预设正常工作情况下与检测时的声音强度图像或声音能量图像，根据比较结果判断电抗器是否存在故障，并在判定发生故障时，发出预警。

根据先验知识，可以预先获取电抗器正常工作情况下统计时段t内的声音强度图像，记为计算得到统计时段t内的电抗器的声音强度图像记为比较完整角度区域二者之差的绝对值：其中||||表示矩阵的范数，若则认为角度区域出现故障，并发出预警(例如，通过灯光、声音等方式对工作人员进行预警)；其中，为预先设置的角度区域的声音强度图像与的差异门限。

或者，根据先验知识，可以预先获取电抗器正常工作情况下统计时段t内的声音能量图像，记为计算得到统计时段t内的电抗器的声音强度图像记为比较完整角度区域二者之差的绝对值：若则认为角度区域出现故障，并发出预警；其中，为预先设置的角度区域的声音能量图像与的差异门限。

本发明另一实施例还提供一种基于最优宽带波束形成的大型电抗器故障检测系统，用于实现前述的方法，如图3所示，其主要包括：

麦克风阵列1包含m×n个阵元8(参考阵元9)，麦克风阵列的支架为7，设置在电抗器2外部，接收电抗器2发出的声音信号6；

采样处理装置3，利用麦克风阵列采用近场宽带波束形成方法对工作中的电抗器进行扫描，并获取麦克风阵列的接收信号；具体来说：利用麦克风阵列1采集电抗器2发出的声音信号6；在一个统计时段t内，通过分子段和离散傅里叶变换，将麦克风阵列1采集电抗器2声音信号6转换为各子段各子带信号；

检测处理装置4，用于将接收信号与最优波束加权系数相结合，计算电抗器的声音强度图像或声音能量图像，所述最优波束加权系数通过求解多目标的约束方程得到；具体来说，对于各子段各子带信号，阵列扫描电抗器的完整角度区域的每一组角度，用预先设计的加权矢量做近场宽带波束形成；在一个统计时段内，计算电抗器2的声音强度图像或声音能量图像；以及将计算得到的电抗器的声音强度图像或声音能量图像，与预先获取的电抗器2正常工作情况下的声音强度图像或声音能量图像对应的进行比较，根据比较结果判断电抗器2是否存在故障；

非正常状态处理装置5，用于在判定发生故障时，发出预警。

该系统的具体技术细节在之前的实施例中已经进行了详细的说明，故不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。