本發(fā)明涉及變壓器監(jiān)測領域，具體涉及基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法。
背景技術：
對于110KV及其以上等級的變電站，變壓器是電力變電環(huán)節(jié)的最核心的設備，其運行的可靠性直接關系到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。實時監(jiān)測變壓器運行的健康狀態(tài)，是確保變壓器安全穩(wěn)定工作的重要一個環(huán)節(jié)。
傳統(tǒng)的變壓器運行狀態(tài)診斷包括油中氣體分析法、泄漏電流監(jiān)測法、局部放電檢測法、絕緣恢復電壓法，這些方法均是通過接觸式傳感器進行檢測的，由于變壓器一直處于高電壓和強電磁場這種復雜環(huán)境下，現場的電磁環(huán)境對這類檢測方法形成強烈的干擾，影響檢測的準確度，而且接觸式傳感器也不便于安裝與日后維護。因此，尋求一種更準確和便捷的監(jiān)測手段，對于進行變壓器在線監(jiān)測、隱患故障診斷，以及制定恰當的檢修策略具有重要的意義。電力系統(tǒng)中也采用了以超聲波信號進行電氣設備診斷的手段，問題是耦合在導體上的超聲探頭對設備絕緣具有一定的破壞性，且超聲波的傳播速度隨著絕緣層的老化不斷變化，造成測量數據的不準確，也就是說，這種方法具有天然的技術缺陷。
技術實現要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題是變壓器運行狀態(tài)通過接觸式傳感器進行監(jiān)測，監(jiān)測的準確度低，目的在于提供基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，解決基于接觸式傳感器監(jiān)測變壓器這類方法存在的測量數據不準確的問題。
本發(fā)明通過下述技術方案實現：
基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置包括安裝在變壓器本體外圍的非接觸式聲波信號采集器，非接觸式聲波信號采集器通過聲波過濾器連接有信號分析裝置、聲波特征數據庫，聲波特征數據庫還與信號分析裝置連接；非接觸式聲波信號采集器用于采集變壓器運行時發(fā)出的聲波信號；聲波過濾器用于過濾變壓器運行時發(fā)出的聲波信號之外的雜散信號；信號分析裝置用于進行聲波信號分析，提取聲波特征參數組，構建聲波參數組模型，在此基礎上進行變壓器健康指數分析，輸出所述健康狀態(tài)指數；聲波特征數據庫用于存儲所述變壓器原始聲波信號及聲波信號特征參數組。所述非接觸式聲波信號采集器設置為1個或多個。
高壓變壓器運行時自身會發(fā)出一定強度的聲波信號，且該信號的強度和頻率與其負載的大小有一定的關系，本發(fā)明利用非接觸式聲波信號采集器實時的采集變壓器運行時發(fā)出的聲波信號，并通過信號分析裝置分析組成信號的各個成分及強度，監(jiān)測變壓器運行時的健康狀態(tài)，非接觸式聲波信號采集器采集到的聲波信號需要通過聲波過濾器濾掉多余的聲波信號，聲波特征數據庫用于存儲聲波特征數據。這種監(jiān)測手段不同于傳統(tǒng)的油中氣體分析、泄漏電流監(jiān)測、局部放電檢測等，表現在監(jiān)測內容及技術處理手法上都是不同的；這種裝置給出的信息屬于聲紋特征類，不同于以往的變壓器監(jiān)測信息，可以看作是對反映變壓器工作參數集合的一個新的補充。若與其他類信息一起，則可以從更多的方面表現變壓器運行時的健康狀態(tài)，有助于運檢人員更完整準確地掌握變壓器的健康指數，制定恰當的運檢檢修計劃，避免過度帶病工作，甚至導致變壓器崩潰。
基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，包括以下步驟：
S1、信號采集與過濾，包括以下子步驟：
S11、非接觸式聲波信號采集器實時的采集變壓器運行時發(fā)出的聲波信號；高壓變壓器運行時自身會發(fā)出一定強度的聲波信號。
S12、非接觸式聲波信號采集器采集到的信號通過聲波過濾器，聲波過濾器過濾變壓器運行時發(fā)出的聲波信號之外的雜散信號；雜散信號會對監(jiān)測結果造成一定的影響。
S2、特征提取：信號分析裝置周期性的對通過聲波過濾器的變壓器運行時發(fā)出的聲波信號進行分析，提取頻點，形成聲波信號的特征數組并將所述特征數組存入聲波特征數據庫；
S3、建模，包括以下子步驟：
S31：信號分析裝置從聲波特征數據庫提取最近時間存入的前N個數組，統(tǒng)計在各個頻點出現的次數，歸并位置非常鄰近頻點，過濾那些出現次數極少的頻點；N的取值在一定的范圍調整，等間隔地抽取特征庫中的2000～10000個數組，其時間跨度是1～90天。
歸并準則：若f是與fi鄰近的頻點，則將f歸并到fi中，fi是比f出現的次數多(不少于)的頻點；
過濾準則：所有的歸并完成后，統(tǒng)計以此形成的新的頻點的樣本數，若某個頻點出現的次數小于N/10，則將該頻點濾除；
原理分析：變壓器發(fā)出的聲波會受到自身漂移及環(huán)境噪音的干擾，采取上述步驟的目的是減小這種干擾因素的影響。
S32：計算每個頻點樣本的均值和方差，用高斯模型描述每個頻點的分布，所有頻點分布的加權疊加，構成混合高斯模型；
S4：識別，包括以下子步驟：
S41：信號分析裝置按照步驟S2的要求，提取當前時點采集的聲波信號的特征數組；
S42：信號分析裝置按照鄰近頻點歸并的原則，計算S41當前時點采集的聲波信號的特征數組中每個數組的各個頻點幅值與模型對應的高斯分布的均值與方差的絕對值，根據絕對值的值獲取變壓器健康信息指數。步驟S41中提取當前時點采集的聲波信號的特征數組為多個，若連續(xù)L1個數組中有一個或多個頻點的絕對值大于3，則作為一個時間觀察點，將其記錄下來；若連續(xù)這樣的觀察點出現L2次以上，則可以發(fā)出變壓器健康預警信息，其中L2>L1>10；考慮到某個數組的某一個或幾個頻點特征的異常并不能說明變壓器是異常的，本發(fā)明選擇了用連續(xù)L1個數組的特征均出現失配作為一個時間觀察點，若連續(xù)L2個L1數組均出現異常時，則可以發(fā)出預警信號，提醒運維人員注意觀察。這里，L1、L2的具體數值可以根據不同的變壓器的特點靈活設定。
步驟S1中非接觸式聲波信號采集器采樣頻率設置為15KHz，通過聲波過濾器的聲波信號帶寬范圍是10Hz-5KHz。變壓器發(fā)出的聲波信號正常時是在20Hz-1000Hz范圍之內，采樣頻率設定為15KHz是為了更加精細的表現頻譜的成分，變壓器局部異常時有可能發(fā)出高頻聲波信號。
步驟S2中信號分析裝置對通過聲波過濾器的變壓器運行時發(fā)出的聲波信號采用二維譜分析方法，形成“頻譜成分-信號強度”譜圖并按照頻率從低到高的順序，依次提取譜圖中的前M個頻點的峰值分量，形成一個依序關于頻率、幅值的二維分量組成的M個元素的數組。
步驟S4之后，若變壓器處于正常狀態(tài)，將S41中當前時點采集的最近時間點的聲波信號的特征數組參與高斯模型參數的更新。若某個數組參數不構成觀察點，說明變壓器處于正常狀態(tài)，則該數組參與模型參數的更新，將最早時間的那個數組拿掉，替換為最近時間點的數組，在此基礎上進行次數統(tǒng)計；也可以采取批量更新模式，以節(jié)省時間；模型參數的更新適應這些參數隨著時間而發(fā)生的微小漂移變化。
本發(fā)明通過監(jiān)測變壓器聲學特征的變化，反映并跟蹤變壓器健康狀態(tài)的微小變化。本發(fā)明中突出監(jiān)測的是聲波特征的時間跳變點，而對聲波特征時間緩變點予以過濾，后者也有可能是負載增加而導致的緩慢變化，這兩種情況應予區(qū)別對待。那種大幅度且時間持續(xù)的聲波特征跳變點從概率上說更能反映變壓器的異常行為，適時地發(fā)出預警信號可以避免變壓器宕機帶來的巨大損失。
實際應用中，我們提倡將這里提出的變壓器的聲學特征與其他特征綜合使用，這樣可以更準確地把握變壓器的健康指數，及時發(fā)現某些微小的變化，從而做出合乎實際情況的檢修計劃，避免以往那種離線停機定期檢查帶來的用電損失。
本發(fā)明與現有技術相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：
1、本發(fā)明基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置采用了非接觸式裝置，避免了采用接觸傳感器在高壓變壓器所處的高電壓和強電磁場這種復雜環(huán)境下對監(jiān)測結果產生不利影響從而使得監(jiān)測結果不準確的情況；
2、本發(fā)明基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法首次將混合高斯模型用于描述高壓變壓器聲波特征的分布，該方法具有簡單快捷等特點，可以準確地捕捉變壓器健康狀態(tài)的微小變化；
3、本發(fā)明基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法設計了連續(xù)時間段多特征數組異常行為的組合判斷準則，目的是過濾各種干擾隱私避免單次或少數次異常就預警可能帶來的虛警，而將重點放在監(jiān)測聲波特征的長時間超過閾值且持續(xù)一段時間的跳變點，以增加這種監(jiān)測方法準確及時發(fā)現問題的概率；
4、本發(fā)明基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法設計了混合高斯模型的參數更新規(guī)則，以便跟蹤參數隨時間緩慢變化的情況，保持模型更加貼近各種因素導致的變壓器聲學狀態(tài)的變化。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：
圖1為本發(fā)明結構示意圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。
實施例1
如圖1所示，本發(fā)明基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置包括安裝在變壓器本體外圍的非接觸式聲波信號采集器，非接觸式聲波信號采集器通過聲波過濾器連接有信號分析裝置、聲波特征數據庫，聲波特征數據庫還與信號分析裝置連接；非接觸式聲波信號采集器用于采集變壓器運行時發(fā)出的聲波信號；聲波過濾器用于過濾變壓器運行時發(fā)出的聲波信號之外的雜散信號；信號分析裝置用于進行聲波信號分析，提取聲波特征參數組，構建聲波參數組模型，在此基礎上進行變壓器健康指數分析，輸出所述健康狀態(tài)指數；聲波特征數據庫用于存儲所述變壓器原始聲波信號及聲波信號特征參數組。所述非接觸式聲波信號采集器設置為1個或多個。
本發(fā)明利用非接觸式聲波信號采集器實時的采集變壓器運行時發(fā)出的聲波信號，并通過信號分析裝置分析組成信號的各個成分及強度，監(jiān)測變壓器運行時的健康狀態(tài)，非接觸式聲波信號采集器采集到的聲波信號需要通過聲波過濾器濾掉多余的聲波信號，聲波特征數據庫用于存儲聲波特征數據。這種監(jiān)測手段不同于傳統(tǒng)的油中氣體分析、泄漏電流監(jiān)測、局部放電檢測等，表現在監(jiān)測內容及技術處理手法上都是不同的；這種裝置給出的信息屬于聲紋特征類，不同于以往的變壓器監(jiān)測信息，可以看作是對反映變壓器工作參數集合的一個新的補充。
實施例2
基于實施例1，在實際應用中，將監(jiān)測裝置中所有元件安裝在在一個密閉的殼體里，變壓器與非接觸式聲波信號采集器通過外接電纜連接，監(jiān)測裝置安裝在變壓器的外圍。本實施例中，裝置自身構成一個完整的監(jiān)測手段，監(jiān)測裝置中的輸出信號可接入變電站已有的通信網，傳輸到變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)一體化平臺，并通過該平臺上傳至更高一層的管控平臺，在這里，可以與其它監(jiān)測手段獲得的信息一起，供運檢人員進行輔助決策。
實施例3
基于實施例1，與實施例2不同的是，變壓器的外圍只放置非接觸式聲波信號采集器，不需要安裝監(jiān)測裝置，所述監(jiān)測裝置中的其他元部件所具有的功能均體現在后臺上，監(jiān)測裝置其他元部件對信號的處理部分全部由后臺計算機完成。非接觸式聲波信號采集器，通過電纜將信號送到后臺，由后臺計算機完成剩余的信號處理部分。在前端(變壓器端)只是布置聲波信號采集器，獲取變壓器的聲波信號。同樣，該信號接入變電站已有的通信網，傳輸到變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)一體化平臺，在這個平臺上完成聲波特征提取、存儲、建模、識別和模型參數更新。一旦發(fā)現異常，則將判決結果通過該平臺上傳至更高一層的管控平臺，并可以與其它監(jiān)測手段獲得的信息一起，供運檢人員進行輔助決策。
實施例4
基于上述實施例，基于聲波特征的高壓變壓器健康狀態(tài)監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，包括以下步驟：
S1、信號采集與過濾，包括以下子步驟：
S11、非接觸式聲波信號采集器實時的采集變壓器運行時發(fā)出的聲波信號；
S12、非接觸式聲波信號采集器采集到的信號通過聲波過濾器，聲波過濾器過濾變壓器運行時發(fā)出的聲波信號之外的雜散信號；步驟S1中非接觸式聲波信號采集器采樣頻率設置為15KHz，通過聲波過濾器的聲波信號帶寬范圍是10Hz-5KHz；
S2、特征提?。盒盘柗治鲅b置周期性的對通過聲波過濾器的變壓器運行時發(fā)出的聲波信號進行分析，提取頻點，形成聲波信號的特征數組并將所述特征數組存入聲波特征數據庫；步驟S2中信號分析裝置對通過聲波過濾器的變壓器運行時發(fā)出的聲波信號采用二維譜分析方法，形成“頻譜成分-信號強度”譜圖并按照頻率從低到高的順序，依次提取譜圖中的前M個頻點的峰值分量，形成一個依序關于頻率、幅值的二維分量組成的M個元素的數組；
S3、建模，包括以下子步驟：
S31：信號分析裝置從聲波特征數據庫提取最近時間存入的前N個數組，統(tǒng)計在各個頻點出現的次數，歸并位置非常鄰近頻點，過濾那些出現次數極少的頻點；步驟S3中N的取值在一定的范圍調整，等間隔地抽取特征庫中的2000～10000個數組，其時間跨度是1～90天；
S32：計算每個頻點樣本的均值和方差，用高斯模型描述每個頻點的分布，所有頻點分布的加權疊加，構成混合高斯模型；
S4：識別，包括以下子步驟：
S41：信號分析裝置按照步驟S2的要求，提取當前時點采集的聲波信號的特征數組；步驟S41中提取當前時點采集的聲波信號的特征數組為多個；
S42：信號分析裝置按照鄰近頻點歸并的原則，計算S41當前時點采集的聲波信號的特征數組中每個數組的各個頻點幅值與模型對應的高斯分布的均值與方差的絕對值，根據絕對值的值獲取變壓器健康信息指數。
步驟S4之后，若變壓器處于正常狀態(tài)，將S41中當前時點采集的最近時間點的聲波信號的特征數組參與高斯模型參數的更新。
以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。