一种水电机组振动信号特征提取方法、装置及电子设备与流程

1.本发明涉及水电机组故障诊断技术领域，具体涉及一种水电机组振动信号特征提取方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.现有技术中，水电机组正在向复杂化、巨型化、集成化和智能化的方向发展，其面临的安全可靠运行问题日益突出。“状态维护”概念的提出与应用，为有效降低机组异常或故障发生风险、提升其稳定运行水平提供了一种可行思路。受水力、机械、电气及其他干扰因素的耦合影响，水电机组振动信号呈现明显的非线性和非平稳性特征，机组故障与振动信号表征的征兆之间存在复杂的映射关系，对此，传统方法已难以满足当前背景下准确分析机组运行状态的需求。
3.传统振动信号特征分析方法往往集中于对信号时域及频域空间的平均特征信息统计，难以适用于非平稳信号的分析问题，缺乏对非平稳信号局部信息进行精准表述的能力。对此，以小波变换、短时傅里叶变换、经验模态分解、winger-ville分布为代表的非平稳信号时频分析方法相继被提出，从而实现了信号的时频域联合特征信息表述。然而小波变换中的小波基选择没有统一标准，而不同的小波基函数会得到不同的分析结果；短时傅里叶变换窗口在分析过程中保持不变，难以应用于多尺度信号的分析问题；经验模态分解存在模态混叠、端点效应等会影响分解效果的缺陷；winger-ville分布对于多分量信号存在交叉项相互干扰的情况。因此，有必要基于水电机组运行特性，研究新的振动信号特征分析理论和方法，提高机组故障诊断和保障机组稳定运行。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种兼具抑制交叉项干扰和良好时频聚集性优点的水电机组振动信号特征提取方法、装置及电子设备。
5.为实现上述目的，基于本发明一方面，提供一种水电机组振动信号特征提取方法，包括：
6.根据预设采样频率采集水电机组的振动信号；通过滑动傅里叶变换获取所述振动信号的第一时频矩阵，通过wigner-ville分布获取所述振动信号的第二时频矩阵；基于所述第一时频矩阵和所述第二时频矩阵获取所述振动信号的联合时频矩阵；根据所述联合时频矩阵生成谱峭度图；基于所述谱峭度图提取振动信号特征以判断所述水电机组的故障类型。
7.在其中一实施例中，所述根据预设的采样频率采集水电机组的振动信号包括：获取振动信号采样频率；根据所述采样频率对水电机组水平方向和垂直方向的振动信号进行采集。
8.在其中一实施例中，所述通过滑动傅里叶变换获取所述振动信号的第一时频矩阵包括：选择预设的窗函数，设置所述窗函数的窗长和滑动步长；基于所述窗函数、窗长以及
滑动步长对所述振动信号进行持续截取，通过快速傅里叶变换算法获取每次截取的振动信号对应的频谱；基于得到的多个所述频谱获取所述第一时频矩阵。
9.在其中一实施例中，所述基于所述第一时频矩阵和所述第二时频矩阵获取所述振动信号的联合时频矩阵包括：
10.根据所述第一时频矩阵和所述第二时频矩阵应用联合模型获取联合时频矩阵，所述联合模型为：
11.swz(t，f)＝||sdftz(t，f)||2·
wvdz(t，f)，
12.其中，||sdftz(t，f)||2表示第一时频矩阵取模的平方，wvdz(t，f)表示第二时频矩阵，swz(t，f)表示联合时频矩阵。
13.在其中一实施例中，所述根据所述联合时频矩阵生成谱峭度图包括：将所述联合时频矩阵划分为预设数量个频带；计算划分的各个所述频带的谱峭度值；将各个频带内的谱峭度值表示在(t，f)平面上，生成谱峭度图，其中，t表示时间，f表示频率。
14.在其中一实施例中，所述计算划分的各个频带内的谱峭度值的公式为：
[0015][0016]
其中，n1表示频带内谱线数，xi表示频带内第i个频谱，μ表示全频带频谱的均值，σ1表示全频带频谱的标准差，k表示谱峭度值。
[0017]
在其中一实施例中，所述基于所述谱峭度图提取振动信号特征以判断所述水电机组的故障类型包括：
[0018]
对长度为n1的谱峭度曲线s(n2)，计算峭度阈值其中，σ2是峭度频谱的标准差，可表示为
[0019]
搜索所述谱峭度曲线s(n2)，获得幅值大于峭度阈值t的极值点及所述极值点对应的位置；
[0020]
计算所述极值点对应的频带带宽和中心频率；
[0021]
所述频带带宽的计算公式为：
[0022]
其中，fs表示振动信号采样频率，k表示频带划分数；
[0023]
所述中心频率计算公式为：
[0024]
其中，j表示幅值大于峭度阈值t的极值点所在频带位置；
[0025]
根据得到的所述频带带宽和中心频率(频谱信息)判断所述水电机组振动信号所
表征的故障类型。
[0026]
基于同一个发明构思，本发明还提供一种水电机组振动信号特征提取装置，包括：
[0027]
振动信号采集模块，用于根据预设的采样频率采集水电机组的振动信号；
[0028]
基础时频矩阵获取模块，用于通过滑动傅里叶变换获取所述振动信号的第一时频矩阵，通过wigner-ville分布获取所述振动信号的第二时频矩阵；
[0029]
联合时频矩阵获取模块，用于基于所述第一时频矩阵和所述第二时频矩阵获取所述振动信号的联合时频矩阵；
[0030]
谱峭度图生成模块，用于根据所述联合时频矩阵生成谱峭度图；
[0031]
信号特征提取模块，用于基于所述谱峭度图提取振动信号特征以判断所述水电机组的故障类型。
[0032]
基于同一个发明构思，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的水电机组振动信号特征提取方法。
[0033]
基于同一个发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行如实现上述任一项所述的水电机组振动信号特征提取方法。
[0034]
本发明提供的水电机组振动信号特征提取方法、装置及电子设备，先通过滑动傅里叶变换的第一时频矩阵和wigner-ville分布的第二时频矩阵生成振动信号的联合时频矩阵，兼具处理多分量信号不存在交叉项和具有较好的时频聚集性的双重优点，然后基于联合时频矩阵生成谱峭度图，然后基于谱峭度图提取振动信号的频带带宽、中心频率等频谱特征信息，采用了谱峭度图作为水电机组振动状态监测的参考特征量，对于表面振动信号频率一致但具体振动表现形式不同的机组故障情况，可以提取到的更加细致的频带带宽、中心频率等频谱特征，更为细致的了解振动信号的具体表现形式，提取到的频谱特征能够更加有效的表征机组故障的冲击成分，从而更加准确的辨别机组的故障原因。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的附图。
[0036]
图1为本发明一种水电机组振动信号特征提取方法一实施例的流程示意图；
[0037]
图2为基于图1所示实施例进行水电机组振动信号仿真得到的信号时域图；
[0038]
图3为图2所示信号时域图的联合时频矩阵图；
[0039]
图4为图3所示联合时频矩阵图的谱峭度图；
[0040]
图5为对图4所示谱峭度图进行峭度阈值计算得到的不同时刻阈值结果图；
[0041]
图6为本发明一种水电机组振动信号特征提取装置一实施例的结构示意图；
[0042]
图7为本发明一实施例中电子设备的示意图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更为清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044]
如图1所示，本发明一实施例提供一种水电机组振动信号特征提取方法，具体包括以下步骤：
[0045]
步骤s10：根据预设采样频率采集水电机组的振动信号。具体包括，获取振动信号采样频率fs，根据振动信号采样频率fs，对水电机组水平方向和垂直方向的振动信号进行采集，
[0046]
步骤s20：通过滑动傅里叶变换获取振动信号的第一时频矩阵，通过wigner-ville分布获取振动信号的第二时频矩阵。
[0047]
具体的，通过滑动傅里叶变换获取振动信号的第一时频矩阵包括：
[0048]
选择预设的窗函数，设置窗函数的窗长n和滑动步长l；基于窗函数、窗长以及滑动步长对振动信号进行持续截取，通过快速傅里叶变换算法获取每次截取的振动信号对应的频谱；基于得到的多个频谱获取第一时频矩阵sdftz(t，f)。
[0049]
滑窗傅里叶变换时频矩阵sdftz(t，f)中时间t可表示为
[0050]
其中，q表示窗函数滑动的次数。
[0051]
在本实施例中，选择的窗函数为h-阶最大旁瓣衰减窗(h≥2)，h-阶最大旁瓣衰减窗的时域离散表达式为：
[0052][0053]
式中，h表示窗函数项数，系数αh满足
[0054]
并且
[0055]
关于窗函数的窗长n和滑动步长l，因为后续需要进行快速傅里叶变换，窗长n需设置为2的正整数次方，当采样频率fs一定时，窗长n越大时，频率分辨率(计算公式为fs/n)会越小，对于转速为rs，设计水头为h米的水轮机，为表征机组故障特征频率，fs/n应小于rs/((h+40)40)；滑动步长为小于窗长的正整数，滑动步长越小，可以更精确地反映振动信号随时间的变化，但计算量会增大，因此，在实际应用中窗函数的窗长n和滑动步长l可根据需要进行选择。
[0056]
具体的，通过wigner-ville分布获取振动信号的第二时频矩阵包括：
[0057]
对于长度为n的振动信号x(n3)，其中n3＝1,2,
…
,n，其wigner-ville分布可表示为
[0058]
[0059]
其中表示的共轭。
[0060]
步骤s30，基于第一时频矩阵和第二时频矩阵获取振动信号的联合时频矩阵。
[0061]
具体的，根据第一时频矩阵sdftz(t，f)和第二时频矩阵wvdz(t，f)应用联合模型获取联合时频矩阵，联合模型为：
[0062]
swz(t，f)＝||sdftz(t，f)||2·
wvdz(t，f)，
[0063]
其中，||sdftz(t，f)||2表示第一时频矩阵取模的平方，wvdz(t，f)表示第二时频矩阵，swz(t，f)表示联合时频矩阵。联合模型为对滑窗傅里叶变换的时频矩阵sdftz(t，f)取模平方，再和wvdz(t，f)做矩阵点乘。
[0064]
步骤s40：根据联合时频矩阵生成谱峭度图。
[0065]
具体的，根据联合时频矩阵生成谱峭度图包括：将联合时频矩阵划分为预设数量个频带，即先设置频带划分数k，然后计算划分的各个频带的谱峭度值，将各个频带内的谱峭度值表示在(t，f)平面上，生成谱峭度图，其中，t表示时间，f表示频率。
[0066]
计算划分的各个频带内的谱峭度值的公式为：
[0067][0068]
其中，n1表示频带内谱线数，xi表示频带内第i个频谱，μ表示全频带频谱的均值，σ1表示全频带频谱的标准差，k表示谱峭度值。
[0069]
基于谱峭度图提取振动信号特征以判断水电机组的故障类型包括：
[0070]
对长度为n1的谱峭度曲线s(n2)，计算峭度阈值其中，σ2是峭度频谱的标准差，可表示为
[0071]
搜索谱峭度曲线s(n2)，获得幅值大于峭度阈值t的极值点及该极值点对应的位置；
[0072]
计算极值点对应的频带带宽和中心频率；
[0073]
频带带宽的计算公式为：
[0074]
其中，fs表示振动信号采样频率，k表示频带划分数；
[0075]
中心频率计算公式为：
[0076]
其中，j表示幅值大于峭度阈值t的极值点所在频带位置；
[0077]
根据得到的频带带宽、中心频率等频谱信息判断水电机组振动信号所表征的故障类型。
[0078]
实际应用中，按照水电机组振动频率的不同，可将引起水电机组振动的故障原因进行分类。例如，额定转速为rs＝125r/min，设计水头h＝100m，活动导叶数量z0＝24，转轮导叶数量z1＝14的水轮机，推力轴瓦数量m＝8的发电机，其转频振动频率fn＝rs/60＝2.1hz；其中，尾水管低频涡带引起的振动频率为30/(h+40)
×fn
＝0.5hz；推力轴瓦不平引起的振动频率为m
×fn
＝16.7hz；转轮叶片开口不均匀引起的振动频率为z1×fn
＝29.2hz；导叶开口不均匀引起的振动频率为z0×fn
＝50hz；发电机极频振动频率为100hz。
[0079]
以振动频率为转频的故障为例，振动频率为转频的故障原因较多，包括有转动部件动静不平衡、主轴密封偏磨、导轴承间隙大、主轴刚度不够、推力头松动、发电机磁拉力不平衡、迷宫环间隙不均匀等，基于这些故障原因的转频频率虽然相同，但基于实际的故障冲击成分不同，各种振动的具体表现形式是不同的，但如果只是关注机组振动信号的频率大小，则难以分辨出导致转频的具体故障原因是哪一个。而本技术中，通过分析机组振动较强烈的部位的监测参数，根据振动信号的联合时频矩阵计算谱峭度图，根据谱峭度图得到频带带宽和中心频率等频谱特征信息，即可对振动信号的具体表现形式有一个判断，从而对转频类型下细分的故障原因加以区分。
[0080]
基于本实施例提供的水电机组振动信号特征提取方法，为模拟水电机组振动信号的非平稳特征，采用下述表达式仿真水电机组振动信号：
[0081][0082]
并对上述信号叠加信噪比为30db的高斯白噪声后，应用采样频率fs为500hz实现振动信号的采样，得到信号长度n为8192的离散信号，信号时域图如图2所示；根据滑动傅里叶变换的第一时频矩阵和wigner-ville分布的第二时频矩阵得到如图3所示的联合时频矩阵；根据联合时频矩阵计算生成的谱峭度图如图4所示；通过峭度阈值计算公式的计算可得到图5，根据图5的阈值结果，搜索谱峭度图，发现当t≤12时，第5个频带有超过阈值的峭度值，该频带内中心频率为2.197hz，当t》12时，第205个频带有超过阈值的峭度值，该频带内中心频率为99.85hz，由此可知，通过联合时频矩阵的谱峭度图可以进一步提取到频带带宽和中心频率等频谱信息，根据得到的频带带宽、中心频率与水电机组故障类型的对应关系，可准确定位水电机组的故障原因。
[0083]
本发明提供的水电机组振动信号特征提取方法，先通过滑动傅里叶变换的第一时频矩阵和wigner-ville分布的第二时频矩阵生成振动信号的联合时频矩阵，兼具处理多分量信号不存在交叉项和具有较好的时频聚集性的双重优点，然后基于联合时频矩阵生成谱峭度图，然后基于谱峭度图提取振动信号的频带带宽、中心频率等频谱特征信息，采用了谱峭度图作为水电机组振动状态监测的参考特征量，对于表面振动信号频率一致但具体振动表现形式不同的机组故障情况，可以提取到的更加细致的频带带宽、中心频率等频谱特征，更为细致的了解振动信号的具体表现形式，提取到的频谱特征能够更加有效的表征机组故障的冲击成分，从而更加准确的辨别机组的故障原因。
[0084]
如图6所示，基于同一发明构思，与上述实施例方法相对应的，本发明一实施例还
提供了一种水电机组振动信号特征提取装置，用于实现前述实施例中相应的方法，包括振动信号采集模块10、基础时频矩阵获取模块20、联合时频矩阵获取模块30、谱峭度图生成模块40和信号特征提取模块50。其中，
[0085]
振动信号采集模块10用于根据预设的采样频率采集水电机组的振动信号；
[0086]
基础时频矩阵获取模块20用于通过滑动傅里叶变换获取振动信号的第一时频矩阵，通过wigner-ville分布获取振动信号的第二时频矩阵；
[0087]
联合时频矩阵获取模块30用于基于第一时频矩阵和第二时频矩阵获取振动信号的联合时频矩阵；
[0088]
谱峭度图生成模块40用于根据联合时频矩阵生成谱峭度图；
[0089]
信号特征提取模块50用于基于谱峭度图提取振动信号特征以判断水电机组的故障类型。
[0090]
上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0091]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本发明一实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例所述的水电机组振动信号特征提取方法。
[0092]
图7示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件示意图，该设备可以包括：处理器100、存储器200、输入/输出接口300、通信接口400和总线500。其中处理器100、存储器200、输入/输出接口300与通信接口400、总线500实现彼此之间在设备内部的通信连接。
[0093]
处理器100可以采用通用的cpu(central processing unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本发明实施例所提供的技术方案。
[0094]
存储器200可以采用rom(read only memory，只读存储器)、ram(random access memory，随机存取存储器)、静态存储设备、动态存储设备等形式实现。存储器200可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本发明实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器200中，并由处理器100来调用执行。
[0095]
输入/输出接口300用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触控屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。
[0096]
通信接口400用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如usb、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、wifi、蓝牙等)实现通信。
[0097]
总线500包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器100、存储器200，输入/输出接口300和通信接口400)之间传输信息。
[0098]
需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器100、存储器200、输入/输出接口300、通信接口400以及总线500，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现
本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。
[0099]
基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本发明一实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行如上述实施例所述的水电机组振动信号特征提取方法。
[0100]
本实施例的计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储；该信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机可读存储介质的例子包括但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算机设备访问的信息。
[0101]
上述实施例的计算机存储介质存储的计算机指令用于使计算机执行如上实施例所述的水电机组振动信号特征提取方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
[0102]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明实施例的，不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0103]
本发明实施例旨在涵盖落入本发明的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。