一種換流變分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及非平穩(wěn)信號頻譜估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種換流變分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及非 平穩(wěn)信號頻譜估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力設(shè)備容量和電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也在日益擴(kuò)大，對供電 質(zhì)量提出了更高的要求和前所未有的挑戰(zhàn)。因此，必須切實(shí)采取有效措施以提高電力系統(tǒng) 的供電質(zhì)量，保證電力設(shè)備與系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行?；谠诰€監(jiān)測與故障診 斷技術(shù)的狀態(tài)維修策略，具有良好的應(yīng)用前景，是未來的主要發(fā)展趨勢。在直流輸電工程 中，換流變壓器作為核心設(shè)備，是交直流輸電系統(tǒng)中的換流、逆變兩端接口的核心設(shè)備。它 的投入和安全運(yùn)行是工程取得發(fā)電效益的關(guān)鍵和重要保證，同時使工業(yè)供電和居民供電的 系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定。分接開關(guān)作為換流變壓器中唯一可進(jìn)行機(jī)械動作的部件，依靠分接開 關(guān)準(zhǔn)確及時的動作，不僅可減少和避免電壓的大幅度波動，而且可以強(qiáng)制分配負(fù)荷潮流，挖 掘設(shè)備無功和有功出力，保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，增加電網(wǎng)調(diào)度的靈活性。換流變分接 開關(guān)的一次操作包含了一系列的動作事件，這些事件中，觸頭的碰撞，摩擦等都伴隨有機(jī)械 振動信號的產(chǎn)生。振動信號可以使用體外傳感的方式進(jìn)行測試。當(dāng)分接開關(guān)存在一些故障 隱患時，由于觸頭動作而引起分接開關(guān)表面的振動信號與正常狀態(tài)時相比會有所不同，因 此測錄這些動作過程的振動波形，并對其進(jìn)行分析，與正常信號相比，就能有效地反映出換 流變分接開關(guān)的運(yùn)行工況。換流變分接開關(guān)是能在變壓器勵磁或負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行操作，用 于調(diào)換繞組分接連接位置的一種裝置。換流變分接開關(guān)不僅能穩(wěn)定負(fù)載中心電壓，而且也 是聯(lián)絡(luò)電網(wǎng)、調(diào)整負(fù)載潮流和改善無功分配的重要設(shè)備。
[0003] 目前，換流變分接開關(guān)通常根據(jù)系統(tǒng)計(jì)劃進(jìn)行檢修，但是，系統(tǒng)性維護(hù)并不能阻止 兩次校正期間出現(xiàn)故障，據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：45%的強(qiáng)迫停運(yùn)均因換流變分接開關(guān)引起。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種換流變分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及非平穩(wěn)信號頻譜估 計(jì)方法，旨在解決換流變分接開關(guān)通常根據(jù)系統(tǒng)計(jì)劃進(jìn)行檢修，系統(tǒng)性維護(hù)并不能阻止兩 次校正期間出現(xiàn)故障的問題。
[0005] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種換流變分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，所述換流變分接開關(guān) 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括：
[0006] 安裝在變壓器殼體上監(jiān)測換流變分接開關(guān)動作過程的振動信號傳感器；
[0007] 用于濾除雜波數(shù)字濾波器；
[0008] 用于消除各種信號噪聲的振動數(shù)據(jù)采集功能模塊。
[0009] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種換流變分接開關(guān)非平穩(wěn)信號頻譜估計(jì)方法，所述 換流變分接開關(guān)非平穩(wěn)信號頻譜估計(jì)方法采用最大熵譜法是在信息熵為最大的前提下根 據(jù)已知的有限數(shù)據(jù)自相關(guān)序列以外的數(shù)據(jù)用外推法求得，并估計(jì)出待檢測信號的功率譜密 度。
[0010] 進(jìn)一步，所述換流變分接開關(guān)非平穩(wěn)信號頻譜估計(jì)方法最大熵譜估計(jì)的功率譜密 度的表達(dá)式為：
[0011]
[0012] (1-1)式中，a(k)，k= l，...，p為p階線性預(yù)測濾波器的系數(shù)；〇2為預(yù)測濾波器 的預(yù)測誤差功率。
[0013] 進(jìn)一步，采用Burg遞推法和Levinson-Durbin遞推法用AR模型來求解階數(shù)p和 系數(shù)a(k)。
[0014] 進(jìn)一步，根據(jù)Burg算法，首先利用Levinson-Durbin遞推算法求出AR模型參數(shù) a (k)的遞推公式和預(yù)測均方誤差Pm的遞推公式，
[0015]
[0016] i = 1，· · ·，m_l
[0017] am (m) = Km (1-3)
[0018] Pn= (l-|Kj2)Pnl (1-4)
[0019] 式中，1^稱為反射系統(tǒng)；
[0020] 然后根據(jù)前向預(yù)測誤差和后向預(yù)測誤差的平均功率最小原則，求出反射系數(shù)Km 的遞推公式；
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 分別為m階前向預(yù)測誤差和后向預(yù)測誤差，f?和gni(η)的遞推公式為：
[0026] fm (n) = fm ! (n) +Kmgm ! (η-1) (1-8)
[0027]
[0028] 進(jìn)一步，最大熵譜估計(jì)Burg
算法的步驟具體包括：
[0029] 步驟一，計(jì)算預(yù)測誤差功率的初始值Α =^??χ⑷Γ和前、后向預(yù)測誤差的初始 /.=1 值 f。(η) = g。(η) = χ (η)并令 m = 1 ;
[0030] 步驟二，根據(jù)式（1-5)求反射系數(shù)
[0031] 步驟三，根據(jù)式（1-2)和式（1-3)計(jì)算前向預(yù)測濾波器系aji)，i = 1，. . .，m ;
[0032] 步驟四，根據(jù)式（1-4)計(jì)算預(yù)測誤差功率
[0033] 步驟五，根據(jù)式（1-8)和式（1-9)計(jì)算預(yù)測濾波器輸出圪(η)和g? ;
[0034] 步驟六，令m - m+1，重復(fù)步驟二~步驟五，直到預(yù)測誤差功率P"不再明顯減少；
[0035] 步驟七，最后將預(yù)測的系數(shù)aji)，i = 1，···，m代人式（1-1)求出功率譜密度。
[0036] 進(jìn)一步，AR模型的階數(shù)p選擇的準(zhǔn)則有：最終預(yù)測誤差準(zhǔn)則、信息準(zhǔn)則、自回歸傳 遞函數(shù)準(zhǔn)則，限定N/2或#，并有經(jīng)驗(yàn)公式：
[0037]
[0038] 本發(fā)明提供的換流變分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及非平穩(wěn)信號頻譜估計(jì)方法，將振 動信號分析法引入到換流變分接開關(guān)的機(jī)械故障診斷中，利用振動加速度傳感器，非介入 性地監(jiān)測換流變分接開關(guān)操作過程中的機(jī)械振動信號，獲取傳動機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息和工作模 式，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修的合理化、規(guī)范化、科學(xué)化，適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力高質(zhì)量、高可靠性 要求的新形勢。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在非侵入式檢測下對分接開關(guān)進(jìn)行評估，對換流變分接開關(guān) 進(jìn)行系統(tǒng)性檢查可減少兩個預(yù)定校正期間故障的發(fā)生率，采用基于最大熵譜估計(jì)（MESE) 的現(xiàn)代譜估計(jì)方法對隔離開關(guān)的非平穩(wěn)信號進(jìn)行頻譜估計(jì)，以期進(jìn)一步提高其分析精度和 準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0039] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的換流變分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖中：1、振動信號傳感器；2、數(shù)字濾波器；3、振動數(shù)據(jù)采集功能模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0042] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。
[0043] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的換流變分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：安裝在變 壓器殼體上監(jiān)測換流變分接開關(guān)動作過程的振動信號傳感器1 ;
[0044] 用于濾除雜波數(shù)字濾波器2 ;
[0045] 用于消除各種信號噪聲的振動數(shù)據(jù)采集功能模塊3。
[0046] 監(jiān)測換流變分接開關(guān)動作過程的振動信號傳感器安裝在變壓器的殼體上，而殼體 上的振動信號包含了變壓器繞組、鐵芯等部件的振動信號。振動信號傳感器在預(yù)定范圍內(nèi) 周期性地改變振動部分的共振頻率；和當(dāng)振動的頻率與共振頻率一致時，檢測振動部分的 共振；由振動部分的電容檢測部分執(zhí)行檢測，其中電容檢測部分包括一對面向彼此且以預(yù) 定間隙相互間隔開的電極，并且電容檢測部分的電容根據(jù)振動部分的共振而變化；以及所 述改變包括利用設(shè)置在振動部分內(nèi)的變形控制部分使所述一對電極均變形。
[0047] 換流變分接開關(guān)的數(shù)據(jù)采集與異常狀態(tài)監(jiān)測方法。換流變分接開關(guān)振動信號中含 有很多瞬變信號，屬于非平穩(wěn)信號，采用振動信號傳感器，分別提取分接開關(guān)正常和異常時 的特征，確定分接開關(guān)振動監(jiān)測信號的處理方法；對振動信號x(t)進(jìn)行相空間重構(gòu)，得到 振動信號的重構(gòu)相空間；計(jì)算振動信號在重構(gòu)相空間的簇中心個數(shù)KC及K C個簇中心的位 置坐標(biāo)；計(jì)算有載分接開關(guān)操作過程中振動信號重構(gòu)相空間中KC個簇中心相對于第1個 簇中心的相對誤差。本發(fā)明有效地、高靈敏度地在線監(jiān)測出變壓器有載分接開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)， 從而可及時檢修或更換分接開關(guān)，避免有載分接開關(guān)損壞而導(dǎo)致變壓器故障及電力系統(tǒng)故 障。
[0048] 分接開關(guān)制動失效故障、異常電弧故障、緊固件松動故障、彈簧動能不足故障等四 種故障的特征提取方法和故障診斷方法；采集振動加速度信號；對振動加速度信號去噪； 采用快速獨(dú)立成分分析方法對去噪處理后的振動加速度信號進(jìn)行振源分離；采用小波包方 法對分離后的振動加速度信號進(jìn)行特征提??；簡化能量比向量；對簡化后的能量比向量進(jìn) 行特征強(qiáng)化；輸入交流電機(jī)故障診斷與預(yù)測模型進(jìn)行故障診斷與預(yù)測。本發(fā)明對振動加速 度信號進(jìn)行分離，能夠分離出混合信號中的獨(dú)立信號源，提高了故障特征提取的正確率和 準(zhǔn)確度；對特征頻帶進(jìn)行分解，計(jì)算能量比及化簡，減少了故障診斷與預(yù)測模型的輸入，簡 化了模型的結(jié)構(gòu)；并對能量比向量進(jìn)行特征強(qiáng)化，使模型能夠更有效地識別故障狀態(tài)及進(jìn) 行故障預(yù)測。
[0049] 現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境影響下，信號的抗干擾性。分接開關(guān)振動數(shù)據(jù)主要要克服電 磁干擾的影響，要消除各種信號噪聲，從而能提供一個干凈的信號。放大電路匹配，信號濾 波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過高性能的數(shù)字濾波器進(jìn)行濾除雜波，另外，信號的模地和數(shù)地的隔離， 以得到較為干凈的振動信號。數(shù)字濾波器包括濾波程序運(yùn)行模塊、濾波器類型選擇模塊和 截止頻率設(shè)置模塊，濾波器類型選擇模塊和截止頻率設(shè)置模塊分別與濾波程序運(yùn)行模塊連 接。濾波器類型選擇模塊由分別代表四種濾波器類型（低通、高通、帶通、帶阻）的按鍵組 成；截止頻率設(shè)置模塊由數(shù)字鍵盤組成。濾波器類型和截止頻率設(shè)置好后，數(shù)字濾波器將按 照設(shè)置對輸入信號進(jìn)行濾波。
[0050] 振