一种非接触式GIS机械缺陷检测方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明属于电力设备故障检测技术领域，涉及电力行业GIS故障检测，特别涉及一种非接触式GIS机械缺陷检测方法、系统、设备及介质。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS)是电网中重要的电力设备，其运行可靠性直接关系到整个电力系统的安全与稳定。运行中的GIS会出现隔离开关接触不良、紧固部件松动、导杆变形弯曲、安装接触不平衡等机械缺陷，同时产生不同特征的异响振动信号；上述的这些机械缺陷可能会引起绝缘气体泄漏、绝缘部件受损开裂、局部放电及绝缘击穿。综上，开展建立振动信号测量的GIS机械缺陷诊断方法对于GIS设备运行状态监测，以及保障电力系统安全运行具有重大意义。

目前，GIS外壳振动信号主要是通过接触式测量，即利用接触式传感器测量采集设备运行过程中的振动特征信息。进一步解释性的，接触式测量方案会改变被测体原有的振动状态，降低测量可信度；另外，传感器的安装条件要求高，甚至有些场景中无法安装传感器；再有，当测量大面积设备时，接触式测量方式需要大量传感器，其布置难度和测试繁琐程度高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式GIS机械缺陷检测方法、系统、设备及介质，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案，具体是一种基于激光多普勒测振的非接触式GIS机械缺陷检测方案，可实现对GIS外壳振动信号的非接触式测量，无需在设备表面布置振动传感器，且可有效避免现场环境的干扰，提高检测的灵敏度与数据的准确性。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种非接触式GIS机械缺陷检测方法，包括以下步骤：

利用激光多普勒测振仪对变电站运行中GIS进行检测，采集获取GIS的振动信号；

对采集获取的振动信号，先进行去噪处理再进行后处理，获得GIS的振动幅值以及振动幅值所在频率；基于获取的振动幅值、振动幅值所在频率，计算获得GIS基频的振动能量分布；其中，GIS基频为GIS正常运行时的频谱峰值所在频率；

将振动幅值、振动幅值所在频率中频谱峰值所在频率、振动能量分布分别与各自的预设阈值进行比较，以判断GIS是否存在故障并输出设备状态。

本发明的进一步改进在于，所述去噪处理的步骤包括：

采用小波基去噪阈值算法、卡尔曼滤波方法、噪声多普勒信号处理算法和平滑滤波算法中的一种或多种，对采集获取的GIS的振动信号进行去噪处理。

本发明的进一步改进在于，所述后处理的步骤包括：

基于去噪处理后的振动信号，进行激光多普勒信号的解调提取，获得振动时域信号；

基于振动时域信号，通过快速傅里叶变换计算得到振动频域信号的频谱分布及振动幅值，并基于所述频谱分布计算获得GIS基频的振动能量分布。

本发明的进一步改进在于，所述振动能量分布的计算表达式为，

式中，EDF为振动能量分布；f

本发明的进一步改进在于，所述将振动幅值、振动幅值所在频率中频谱峰值所在频率、振动能量分布分别与各自的预设阈值进行比较，以判断GIS是否存在故障并输出设备状态的步骤包括：

将GIS的振动幅值与预设基准进行比较，高于预设基准时GIS故障；其中，潜在缺陷严重程度正比于振动幅值与预设基准的差值；

将振动幅值所在频率中频谱峰值所在频率与预设频率阈值范围进行比较，在所述预设频率阈值范围内时GIS正常；

将振动能量分布与预设振动能量分布阈值比较，小于预设振动能量分布阈值时GIS故障；其中，潜在缺陷严重程度正比于振动能量分布与预设振动能量分布阈值的差值。

本发明的进一步改进在于，

所述预设频率阈值范围为70Hz～150Hz。

本发明的进一步改进在于，

所述预设振动能量分布阈值为0.4。

本发明第二方面，提供一种非接触式GIS机械缺陷检测系统，包括：

振动信号采集单元，用于利用激光多普勒测振仪对变电站运行中GIS进行检测，采集获取GIS的振动信号；

信号处理单元，用于对采集获取的振动信号，先进行去噪处理再进行后处理，获得GIS的振动幅值以及振动幅值所在频率；基于获取的振动幅值、振动幅值所在频率，计算获得GIS基频的振动能量分布；其中，GIS基频为GIS正常运行时的频谱峰值所在频率；

检测判断单元，用于将振动幅值、振动幅值所在频率中频谱峰值所在频率、振动能量分布分别与各自的预设阈值进行比较，以判断GIS是否存在故障并输出设备状态。

本发明第三方面，提供一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如本发明第一方面中任一项所述的非接触式GIS机械缺陷检测方法。

本发明第四方面，提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面中任一项所述的非接触式GIS机械缺陷检测方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的非接触式GIS机械缺陷检测方法，具体是一种基于激光多普勒测振的非接触式GIS机械缺陷检测方法，无需在设备表面布置振动传感器便能够对检测设备任意位置的振动信号，通过非侵入方式获取和分析被测对象的频率和速度等信息，实现对GIS外壳振动信号的非接触式测量；本发明采用非接触式测量得到的振动信号，可以有效避免现场环境的干扰，提高检测的灵敏度与数据的准确性。

附图说明

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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。

图1是本发明实施例提供的一种非接触式GIS机械缺陷检测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中，振动信号的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种非接触式GIS机械缺陷检测系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1和图2，本发明实施例提供的一种非接触式GIS机械缺陷检测方法，包括以下步骤：

步骤S1，利用激光多普勒测振仪对变电站运行中GIS进行检测，采集获取GIS的振动信号；

步骤S2，对步骤S1采集获取的振动信号，先进行去噪处理再进行后处理，获得GIS的振动幅值以及振动幅值所在频率；基于获取的振动幅值、振动幅值所在频率，计算获得GIS基频的振动能量分布；其中，GIS基频为GIS正常运行时的频谱峰值所在频率；

步骤S3，将步骤S2获取的振动幅值、振动幅值所在频率中频谱峰值所在频率、振动能量分布分别与各自的预设阈值进行比较，以判断GIS是否存在故障并输出设备状态。

本发明实施例提供的技术方案，相较于接触式振动信号测量方法，通过采用非接触式的激光多普勒测量手段，具有可远距离测量、非侵入性、不改变设备原有振动特性等优点；另外，相较于传统的GIS测量，本发明无需在设备表面布置传感器，远距离测量能够适应更多的测试环境，测试过程简单，易于移动；再有，光学测量方案还具有抗电磁干扰能力强的特点。

本发明实施例进一步提供的基于激光多普勒测振的非接触式GIS机械缺陷检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：采集电力设备振动信号，具体包括：利用激光多普勒测振仪测量被测电力设备的实时振动信号；

步骤2：信号预处理，具体包括：通过处理器对步骤1获取的实时振动信号进行去噪处理；解释性的，此步骤用于去除噪声以提高精度；

步骤3：振动信号处理，具体包括：通过数据处理单元对步骤2预处理后的振动信号进行后处理，获取被测电力设备的振动幅值、频率信息和振动能量分布EDF；

步骤4：故障特征识别，具体包括：将获取的振动幅值、频率信息和振动能量分布EDF分别与相应的阈值进行对比，判断被测电力设备是否存在故障，获得被测电力设备状态；解释性的，此步骤用于按照设定阈值，给出被测电力设备的状态；

步骤5，将获得的被测电力设备状态输出到显示单元。

本发明提供的基于激光多普勒测振的非接触式GIS机械缺陷检测方法，能够实现对运行中GIS设备的非接触非侵入实时检测和状态诊断，操作过程简单，抗电磁干扰能力强。

本发明实施例进一步优选的技术方案中，步骤2中振动信号进行去噪处理，具体是采用小波基去噪阈值算法、卡尔曼滤波方法、噪声多普勒信号处理算法和平滑滤波算法中的一种或多种，对采集获取的GIS的振动信号进行去噪处理。

本发明实施例进一步优选的技术方案中，步骤3中振动信号的后处理为激光多普勒信号的解调提取；进一步的，所述激光多普勒信号的解调提取包括对振动信号的时域分析和频域分析，得到被测电力设备的振动信息。进一步的，对于获得的所述振动时域信号，通过快速傅里叶变换计算得到信号频谱分布及峰值；通过频谱分布得出被测设备基频的振动能量分布EDF。其中，被测设备基频为正常运行时的频谱峰值所在的频率f

本发明实施例中，被测设备基频的振动能量分布EDF定义为，

式中，EDF为振动能量分布；f

本发明实施例的步骤4中，正常运行中GIS的振动能量分布EDF高于阈值，异常GIS的振动能量分布EDF值低于阈值；潜在缺陷严重程度正比于EDF值与阈值的差值。具体解释性的，将GIS的振动幅值与预设基准进行比较，显著高于预设基准时GIS故障；其中，潜在缺陷严重程度正比于振动幅值与预设基准的差值；将振动幅值所在频率中频谱峰值所在频率与预设频率阈值范围进行比较，在所述预设频率阈值范围内时GIS正常；将振动能量分布与预设振动能量分布阈值比较，小于预设振动能量分布阈值时GIS故障。

下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未披露的细节，请参照本发明方法实施例。

请参阅图3，本发明再一实施例中，提供一种非接触式GIS机械缺陷检测系统，包括：

振动信号采集单元，用于利用激光多普勒测振仪对变电站运行中GIS进行检测，采集获取GIS的振动信号；

信号处理单元，用于对采集获取的振动信号，先进行去噪处理再进行后处理，获得GIS的振动幅值以及振动幅值所在频率；基于获取的振动幅值、振动幅值所在频率，计算获得GIS基频的振动能量分布；其中，GIS基频为GIS正常运行时的频谱峰值所在频率；

检测判断单元，用于将振动幅值、振动幅值所在频率中频谱峰值所在频率、振动能量分布分别与各自的预设阈值进行比较，以判断GIS是否存在故障并输出设备状态。

进一步优选的，还包括：

数据储存单元，用于存储采集到的设备振动信号、运算处理后的各类振动数据以及判断获得的电力设备状态信息；

测量结果可视化单元，用于显示图表、数据、光谱图、振形动画、电力设备状态信息等。

综上，本发明涉及电力设备故障检测技术领域，具体公开了一种基于激光多普勒测振的非接触式GIS机械缺陷检测方案，可具体包括激光多普勒测振仪、降噪处理器、数据处理单元、数据储存单元和测量结果可视化单元。本发明实施例技术方案通过激光多普勒测振采集被测GIS设备的振动信号，利用数据处理单元判断设备状态，实现对运行中GIS设备非接触实时检测和状态诊断，操作过程简单，自动化程度高可一键式操作，满足日常巡检要求，抗电磁干扰能力强。进一步解释性的，激光多普勒测振技术是一种非接触测量方法，具有远距离测量、非接触测量等优点，其原理是利用激光多普勒效应对物体振动进行测量，通过反射光束与本振光束之间的相位差分析目标振动所产生的多普勒频率调制信号，获得速度和加速度等振动信息；本发明实施例公开的基于激光多普勒测振的非接触式GIS机械缺陷检测方案，装置体积小便携性高，满足日常巡检要求；同时，所采集的实时信号通过分析软件自动分析，直接输出设备状态信息，自动化程度高可一键式操作。

本发明再一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于非接触式GIS机械缺陷检测方法的操作。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关非接触式GIS机械缺陷检测方法的相应步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。