有载分接开关的振动信号处理方法、装置、系统及介质

技术领域

本发明涉及输变电设备检测技术领域，尤其涉及一种高压变压器的有载分接开关的振动信号处理方法。

背景技术

有载分接开关(on-load tap-changer，OLTC)是高压变压器调节电压与功率，保障电力系统功率稳定与电网安全的关键设备。有载分接开关可在带负载条件下改变电压变比，承担着不断电情况下调节系统电压与功率、补偿电压波动及改善电能质量等重要功能。一旦出现故障，轻则导致部件损坏，供电质量下降，重则导致变压器烧毁，片区电力供应短缺。故基于振动信号的OLTC机械状态监测及诊断对有载分接开关的运行与维护，对电力系统的安全可靠运行具有重要意义。

已有研究表明，在OLTC状态发生改变时，振动信号也会立即发生改变，且随着故障进一步的发展，振动信号也将随之改变。故若能找出故障发展下信号变化规律，并基于振动分析对OLTC状态进行跟踪研究，能尽早发现OLTC隐患，并于故障发展早期就对其进行修复，避免故障酿成严重后果。

基于振动信号的OLTC故障分析已有研究，但现有的机械振动信号处理方法如开窗法、小波阈值去噪、经验模态分解法等对信号的特征值和噪声去除效果不佳，由于信号的局部极值在很短的时间间隔内发生多次跳变，容易漏掉不同阶段的振动特征信息，存在较严重的模态混叠及虚假分量等现象，导致在后续故障诊断中对状态感知量的特征提取不够深入，致使故障诊断准确率低，难以应用推广。

发明内容

本发明提供一种有载分接开关的振动信号处理方法、装置及系统，以解决对振动信号的噪声去除效果不佳，存在较严重的模态混叠及虚假分量等现象，给故障分析带来困难的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种有载分接开关的振动信号处理方法，该方法包括：

对所述振动信号进行预处理，得到待分解振动信号；

对所述待分解振动信号进行经验模态分解(EMD)，得到多个信号分量(IMF)；

计算所述各信号分量的相关系数，将相关系数大于第一阈值的信号分量确定为第一目标信号分量，将相关性系数大于第二阈值且小于第一阈值的信号分量确定为第二目标信号分量；

对所述第二目标信号分量进行降噪处理，得到去噪后的第二目标分量；

基于所述第一目标分量和所述去噪后的第二目标分量得到振动特征信号。

本方案通过对振动信号进行经验模态分解，基于各信号分量的相关系数对各信号分量进行不同处理，充分考虑了不同分量的特性，将无明显振动特征的信号舍弃，保留具有振动特征的信号，针对含噪声较多的信号分量进行针对性去噪处理，对含噪较少的信号不做处理，充分保留振动特征，最后再利用保留的分量保留的信号分量重构出振动信号，使得重构后的振动信号不仅背景噪声等得到了明显抑制，振动信号的特征时间段也更加明确，改善了信号混叠情况，为后续准确进行故障诊断提供了基础。并且对各个分量的不同处理方式，提高了运算效率。

第二方面，本发明供了一种有载分接开关的振动信号处理装置，该装置包括：

预处理单元，用于对所述振动信号进行预处理，得到待分解振动信号；

分解单元，用于对所述待分解振动信号进行经验模态分解(EMD)，得到多个信号分量(IMF)；

计算单元，用于计算所述各信号分量的相关系数，将相关系数大于第一阈值的信号分量确定为第一目标信号分量，将相关性系数大于第二阈值且小于第一阈值的信号分量确定为第二目标信号分量；

降噪单元，对所述第二目标信号分量进行降噪处理，得到去噪后的第二目标分量；

重构单元，用于基于所述第一目标分量和所述去噪后的第二目标分量得到振动特征信号。

第三方面，本发明提供了一种有载分接开关的振动信号测试系统，该系统包括：

加速传感器，用于采集有载分接开关的振动信号，所述加速传感器布置在有载分接开关的顶部和侧壁；

驱动电机，用于驱动有载分接开关进行档位切换；

电流传感器，用于采集电机电流波形，基于电流波形触发加速传感器采集振动信号。

信号采集卡，用于将加速传感器采集的振动信号转换为数字信号；

信号处理装置，用于对所述数字信号执行如权利要求1-7中任一项所述的振动信号处理方法。

第四方面，本发明提供了一种有载分接开关的故障检测系统，该系统包括：

加速传感器，所述加速传感器布置在有载分接开关的顶部和侧壁，用于采集有载分接开关的振动信号；

信号采集卡，用于将加速传感器采集的振动信号转换为数字信号；

信号处理装置，用于对所述数字信号执行如权利要求1至7中任一项所述的振动信号处理方法，得到处理结果；

故障检测装置，用于基于所述处理结果判断所述有载分接开关是否发生故障。

第五方面，发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使处理器执行时实现本发明任一实施例的方法。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明提供一种有载分接开关的振动信号处理方法、装置、相关系统及介质，通过对有载分接开关故障状态下的振动信号进行模态分解、针对性去噪和重构，提高了信号处理效率和精度，使得振动信号的噪声得到明显抑制，特征时间段更加明确，改善了信号混叠情况，提高了故障分析的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例的一种有载分接开关的振动信号处理方法的流程图；

图2a是本发明实施例的一种有载分接开关单相过渡电阻松动的振动信号时域图像；

图2b是本发明实施例的一种有载分接开关单相过渡电阻松动的振动信号频域图像图；

图3是应用本发明实施例进行振动信号模态分解后的信号分量图；

图4是应用本发明实施例进行振动信号降噪的前后结果对比图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

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“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或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本申请的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本申请的各种实施例中被清楚地限定。

本发明的实施例提供一种有载分接开关的振动信号处理方法，适用于高压变压器的有载分接开关在故障状态下的振动信号分析，基于本发明的振动信号处理方法，有利于对有载分接开关的故障进行有效判断和预测。

参见图1所示，图1为有载分接开关的振动信号处理方法的流程图，振动信号处理方法包括以下步骤：

步骤S1，对所述振动信号进行预处理，得到待分解振动信号；

步骤S2，对所述待分解振动信号进行经验模态分解(EMD)，得到多个信号分量(IMF)；

步骤S3，计算所述各信号分量的相关系数，将相关系数大于第一阈值的信号分量确定为第一目标信号分量，将相关性系数大于第二阈值且小于第一阈值的信号分量确定为第二目标信号分量；

步骤S4，对所述第二目标信号分量进行降噪处理，得到去噪后的第二目标分量；

步骤S5，基于所述第一目标分量和所述去噪后的第二目标分量得到振动特征信号。

本实施中，通过对有载分接开关在故障状态下的振动信号进行模态分解、相关系数计算、去噪和重构处理，能够更加准确获得分接开关故障状态下的振动特征信号，将该特征信号与对应故障进行存储，便于后续分析和故障检测应用。

步骤S1中，若为测试目的，则振动信号是有载分接开关在故障状态下切换位置时的振动信号，为获得有载分接开关在故障状态下的振动信号，可通过人为制造相关的故障实验，通过传感器采集故障开关工作时的振动实验实现。若为检测目的，则振动信号是有载分接开关工作时的振动信号。

通过传感器采集的振动信号一般为电压信号，还需对电压信号进一步处理转变为数字信号，才能供计算机进行后的分析处理步骤，因此预处理步骤包括对信号的转换，以及本领域已知的为提高信号质量的预处理方法，在此不做限定。

在本发明的一种实施方式中，预处理步骤还包括对振动信号进行傅里叶变换，得到振动信号频谱结果，基于频谱结果确定振动信号的特征频段，将特征频段内的振动信号确认为待分解振动信号，再对该信号进行分解。

经验模态分解(EMD)能使复杂信号分解为有限个本征模函数(Intrinsic ModeFunction，简称IMF)，所分解出来的各IMF分量包含了原信号的不同时间尺度的局部特征信号。经验模态分解法能使非平稳数据进行平稳化处理，然后进行希尔伯特变换获得时频谱图，得到有物理意义的频率。由于基函数是由数据本身所分解得到，与短时傅立叶变换、小波分解等方法相比，这种方法是直观的、直接的、后验的和自适应的。由于分解是基于信号序列时间尺度的局部特性，因此具有自适应性。

在本实施例中，可采用本领域已知的经验模态分解方法，如集合经验模态分解(EEMD)、互补集合经验模态分解(CEEMD)、完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)等。

进一步地，步骤S2采用完全自适应噪声集合经验模态分解(CEEMDAN)对含噪声的局部放电信号进行分解和重构，对含噪信号进行降噪处理，滤除噪声，包括如下步骤：

步骤S201，对所述待分解振动信号分别添加N次高斯白噪声，得到N个待分解序列；

步骤S202，对N个所述待分解序列进行经验模态分解，得到N个第一模态分量，所述第一模态分量是模态分解结果中的第一个信号分量；

步骤S203，计算N个所述第一模态分量的均值，得到目标分量；

步骤S204，从所述N个待分解序列中去除所述目标分量，得到N个残差序列；

步骤S205，判断所述残差序列是否为单调函数，若否，则在所述残差序列中加入正负成对高斯白噪声，得到N个新序列，对所述N个新序列重复上述经验模态分解过程，若是，则停止分解，将多次分解过程中得到的目标分量作为所述多个信号分量。

通过上述模态分解，将振动信号分解成多个信号分量(IMF)，不同的IMF分量所含噪声比例不同，对振动特征的表征程度也不同，如果采用统一的处理方法，难以将特征信号和噪声信号进行区分，因此根据不同分量的特性进行分别处理，可以提高处理精度和处理效率。如果得到的残差不是单调函数则再次加入成对的高斯白噪声进行再一次模态分解得到下一个模态分量，用以减轻EMD分解的模态混叠。步骤S3中，通过计算各信号分量的相关性系数对信号分量进行分类，相关系数大于第一阈值的信号分量确定为第一目标信号分量，将相关性系数大于第二阈值且小于第一阈值的信号分量确定为第二目标信号分量。相关性系数计算公式如下：

其中，X

将相关性系数接近0的信号分量舍弃，这样的信号分量绝大部分为噪声分量，几乎不含有振动信号相关的特征，可通过设置一个略大于0的经验阈值作为第二阈值，将相关性系数在第二阈值之上的信号分量保留。

在满足以上条件的信号分量中，所包含的噪声比例也不相同，因此需要进行区别降噪处理。选出相关性系数较大的信号直接保留，相关性系数大于第一阈值的信号分量(第一目标信号分量)所包含的噪声较少，对该信号分量进行降噪处理难度大，且处理效果不好，容易将振动特征信号也去除，且满足该条件的信号分量数量相对较少，因此直接保留。对于小于第一阈值的信号分量(第二目标信号分量)，其含有较多噪声，但局部放电信号仍占据较大比例，因此采用算法降噪去除噪声后进行保留。再对保留的信号分量进行重构，得到振动特征信号，重构的信号包含较完整的振动特征以及较少的噪声，能更好地反映有载分接开关在故障状态下的振动噪声特性。

在本发明的一种本实施方式中，将各信号分量进行叠加进行信号重构，信号重构方法也可以是其他现有技术，在此不做限定。

在步骤S5中，对第二目标信号分量进行降噪的方法可以是现有的。在本发明的一种实施方式中，通过小波分析进行信号去噪，采用sym8小波基函数，sym8小波基函数的支撑范围为15，消失矩为8，小波分解层数根据计算结果进行合理选取，小波阈值的选取通过自适应选则合适的数值，可借助matlab中的自带函数，将小波阈值作为待优化的目标函数，通过蚁群算法求解最优解，利用求得的最优解对小波系数进行阈值处理，得到去噪后地小波系数，最后利用小波重构算法得到去噪后的信号。

对于第一阈值的选取，可根据不同故障试验结果进行确定。以有载分接开关故障为单相过渡电阻松动为例，对本发明实施例的振动信号完整处理过程进行描述。

过渡电阻为分接开关动作切换时原支路与切换后支路之间的过渡支路上的电阻，单相过渡电阻松动故障是通过将整个有载分接开关吊芯后，找到连接三相变压器某一项的过渡电阻支路后，对过渡电阻两端的螺丝进行人为松动处理，使过渡电阻两端不能形成有效的连接。

首先搭载振动信号测试平台，进行有载分接开关单相过渡电阻松动故障条件下的振动信号测试准备工作，包括以下步骤：

步骤1：安装好有载分接开关，分别在有载分接开关的顶部和侧壁布置加速度传感器，加速度传感器具有检测灵敏、频段高、非接触、抗干扰等特点，用于振动信号的采集。

步骤2：信号采集卡设定，采集卡选用多通道信号采集卡，包括4路信号输入接口，1路通信接口，隔离与保护模块，可同时测量驱动电机电流信号与振动信号，采样率高，通讯速度快。采集卡设定包括信号输入接口、通信接口、抗干扰数据线的设置，以及设定采样时间与触发方式，确保数据采集卡实时、可靠作业；

步骤3：温度检测，控制测试温度为常温。

步骤4：试验触发，触发方式为驱动电机电流信号触发。将电流传感器接入驱动电机三相电源线中的一相，通过切换过程中电机启动和运行时测试的电流信号进行触发。当分接开关切换时，驱动电机对切换开关弹簧进行储能，一定时间后弹簧机构释放能量，进行开关档位切换。此时，通过电流传感器获得一定时间的电机电流波形，并触发加速度传感器动作，采集分接开关切换过程中的机械振动信号。

步骤5：存储采集的振动信号。

重复执行以上步骤，对采集的振动信号进行对比分析处理，排除试验误差和人为干扰因素，保证采集信号的可靠性。对采集的振动信号进行时域与频域分析，获得振动信号的特征频率范围，并进行多次测量，验证其重复性，获得稳定的特征频率范围，便于后续对该特征频率范围内的振动信号进行分解、去噪和重构等处理。

如图2a、2b所示，图2a和图2b分别是有载分接开关单相过渡电阻松动的振动信号时域图像和频域图像，可以看到信号特征量及变化分布在三个时间段。在振动特征信号的前后存在明显的干扰信号，这些干扰信号来自背景噪声与变压器本身的振动，是一个多频段的随机信号，需要对这些干扰信号进行去噪分析。

对采集的振动信号进行如图1所示的振动信号处理的算法流程图，处理流程主要包括：信号预处理、信号多模态分解、计算相关系数，对相差过大的数据进行筛选处理，去掉不是振动信号特征的IMF分量。接下来进行小波阈值降噪处理和数据重构，最后得到降噪后的结果。具体过程可参见本发明前述实施例，在此不赘述。

图3是待处理信号进行模态分解后得到的各个IMF分量，可以看出分解后的前10个信号分量(IMF1-IMF10)都能体现振动信号三个时间段的特征，需要保留，而后4个信号分量(IMF11-IMF14)没有明显的振动信号特征，为噪声干扰，对分析无意义，需要去除。在前10个信号分量中IMF1～IMF3的分量所含噪声较少，对应相关系数较高，对IMF4～IMF10的分量含有较多噪声，但局部放电信号仍占据较大比例，因此采用降噪算法对其进行降噪处理。

将IMF1～IMF3和降噪处理后的IMF4～IMF10进行信号叠加，得到降噪后的振动信号。

如图4所示是振动信号降噪前后的结果对比，可以看出，经过本方法的信号分解与降噪处理后，有载分接开关过渡电阻松动的振动信号处理前后存在明显差异。处理后低频干扰(变压器本身)，背景噪声等得到了明显的抑制。振动信号的特征时间段更加明确，改善了信号混叠的情况，为后面进行故障诊断奠定了基础。

通过本发明的方法，即使针对不同的故障、不同作业环境、不同故障阶段，采用上述试验方法确定出相应的相关系数阈值，实现对振动信号的去噪，得到振动特征信号及其故障信息，由于本发明的信号处理方法效率高，且振动特征保留完整，使得有载分接开关的故障实时在线监测易于推广应用。

本发明的第二方面，提供了一种有载分接开关的振动信号处理装置，包括：

预处理单元，用于对所述振动信号进行预处理，得到待分解振动信号；

分解单元，用于对所述待分解振动信号进行经验模态分解(EMD)，得到多个信号分量(IMF)；

计算单元，用于计算所述各信号分量的相关系数，将相关系数大于第一阈值的信号分量确定为第一目标信号分量，将相关性系数大于第二阈值且小于第一阈值的信号分量确定为第二目标信号分量；

降噪单元，对所述第二目标信号分量进行降噪处理，得到去噪后的第二目标分量；

重构单元，用于基于所述第一目标分量和所述去噪后的第二目标分量得到振动特征信号。

本发明的第三方面，提供了一种有载分接开关的振动信号测试系统，系统包括：

加速传感器，用于采集有载分接开关的振动信号，所述加速传感器布置在有载分接开关的顶部和侧壁；

驱动电机，用于驱动有载分接开关进行档位切换；

电流传感器，用于采集电机电流波形，基于电流波形触发加速传感器采集振动信号。

信号采集卡，用于将加速传感器采集的振动信号转换为数字信号；

信号处理装置，用于对所述数字信号执行本发明任一实施例的振动信号处理方法。

第四方面，本发明提供了一种有载分接开关的故障检测系统，该系统包括：

加速传感器，所述加速传感器布置在有载分接开关的顶部和侧壁，用于采集有载分接开关的振动信号；

信号采集卡，用于将加速传感器采集的振动信号转换为数字信号；

信号处理装置，用于对所述数字信号执行本发明任一实施例的振动信号处理方法，得到处理结果；

故障检测装置，用于基于所述处理结果判断所述有载分接开关是否发生故障。

第五方面，发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序用于使处理器执行时实现本发明任一实施例的振动信号处理方法。存储介质可以是ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。