本發(fā)明涉及屬于電力技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于聲學(xué)成像技術(shù)的變壓器機(jī)械故障診斷方法。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)中的變壓器故障產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲主要是基于振動(dòng)信號測量與分析的，并形成了一套完整的理論體系和方法，如：頻譜分析技術(shù)、幅值參數(shù)指標(biāo)分析、沖擊脈沖技術(shù)、共振解調(diào)技術(shù)等?；谡駝?dòng)信號的故障診斷方法必須把傳感器布置在振動(dòng)設(shè)備的表面，然而對于帶電設(shè)備、復(fù)雜部件振動(dòng)表面、高溫或油垢等惡劣環(huán)境下傳感器的布置比較困難，而且僅能對振動(dòng)表面的若干孤立測點(diǎn)的振動(dòng)信號進(jìn)行分析，因此只能反應(yīng)設(shè)備局部的振動(dòng)信息，很多情況下無法得到所關(guān)注部件的振動(dòng)信息，設(shè)備整體的振動(dòng)情形難以呈現(xiàn)；同時(shí)對于某些需要停機(jī)安裝振動(dòng)傳感器的場合，停機(jī)安裝將帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失；另外，由于設(shè)備故障的多樣性，故障特征也各不相同，在某些故障下振動(dòng)特征并不明顯，而其他特征(如聲學(xué)特征)比較明顯，因此有必要尋求一種有效的非接觸式監(jiān)測與分析手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種基于聲學(xué)成像技術(shù)的變壓器機(jī)械故障診斷方法，該方法能夠采用非接觸的方式實(shí)現(xiàn)變壓器機(jī)械故障的診斷，并且不需要對變壓器進(jìn)行停機(jī)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的基于聲學(xué)成像技術(shù)的變壓器機(jī)械故障診斷方法包括以下步驟：

1)在變壓器工作過程中，通過傳聲器陣列檢測變壓器各機(jī)械狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲信號，再根據(jù)變壓器各機(jī)械狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲信號繪制變壓器各機(jī)械狀態(tài)下的聲場分布，然后根據(jù)變壓器各機(jī)械狀態(tài)下的聲場分布構(gòu)建變壓器各機(jī)械狀態(tài)的聲像樣本庫；

2)從變壓器各機(jī)械狀態(tài)的聲像樣本庫中提取變壓器各機(jī)械狀態(tài)下聲場分布的所有聲像特征；

3)對步驟2)得到的變壓器各機(jī)械狀態(tài)下聲場分布的所有聲像特征采用模式識別技術(shù)訓(xùn)練得到各聲像特征的識別率，然后根據(jù)各聲像特征的識別率確定最優(yōu)聲像特征，并建立最優(yōu)聲像特征與變壓器的機(jī)械狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)最優(yōu)特征與變壓器的機(jī)械狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系構(gòu)建分類器；

4)通過傳聲器陣列檢測待測變壓器工作過程中產(chǎn)生的噪聲信號，并根據(jù)待測變壓器工作過程中產(chǎn)生的噪聲信號繪制待測變壓器的聲場分布，再提取待測變壓器工作過程中聲場分布的所有聲像特征，然后對待測變壓器工作過程中聲場分布的所有聲像特征采用模式識別技術(shù)訓(xùn)練得到待測變壓器工作過程中各聲像特征的識別率；

5)根據(jù)步驟4)得到的待測變壓器工作過程中各聲像特征的識別率確定待測變壓器的最優(yōu)聲像特征，再將待測變壓器的最優(yōu)聲像特征輸入到分類器中，得待測變壓器的機(jī)械狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變壓器機(jī)械故障的診斷。

傳聲器陣列中的各傳聲器的相位一致。

步驟1)中根據(jù)變壓器各機(jī)械狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲信號利用聲學(xué)成像技術(shù)繪制變壓器各機(jī)械狀態(tài)下的聲場分布。

步驟2)中利用圖像處理技術(shù)及特征提取技術(shù)提取變壓器各機(jī)械狀態(tài)下聲場分布的所有聲像特征。

步驟4)中根據(jù)變壓器工作過程中產(chǎn)生的噪聲信號采用聲學(xué)成像技術(shù)繪制待測變壓器的聲場分布。

變壓器各機(jī)械狀態(tài)下聲場分布的所有聲像特征包括視覺特征、統(tǒng)計(jì)特征、變換系數(shù)特征及代數(shù)特征。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的基于聲學(xué)成像技術(shù)的變壓器機(jī)械故障診斷方法在具體操作時(shí)，由于變壓器各機(jī)械狀態(tài)產(chǎn)生的噪聲信號不同，本發(fā)明以變壓器為聲源，通過傳聲器陣列采用非接觸的方式檢測變壓器各種機(jī)械狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲信號，并根據(jù)檢測的噪聲信號繪制變壓器各機(jī)械狀態(tài)下的聲場分布，從而得到變壓器各機(jī)械狀態(tài)下聲場分布的聲像特征、最優(yōu)聲像特征、以及最優(yōu)聲像特征與變壓器的機(jī)械狀態(tài)之間對應(yīng)關(guān)系，在對待測變壓器機(jī)械狀態(tài)的判斷過程中，只需通過傳聲器陣列采集待測變壓器工作過程中產(chǎn)生的噪聲信號，并確定待測變壓器工作過程中的最優(yōu)聲像特征，并采用對比的方式，即可獲知待測變壓器的機(jī)械狀態(tài)，從而判斷出待測變壓器是否出現(xiàn)機(jī)械故障，并且不需要待測對變壓器進(jìn)行停機(jī)處理，同時(shí)檢測的成本較低，并且靈敏度及準(zhǔn)確度較高。

附圖說明

圖1為變壓器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生及傳播示意圖；

圖2為本發(fā)明中故障診斷問題的示意圖；

圖3為本發(fā)明的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

變壓器振動(dòng)由變壓器本體的振動(dòng)以及冷卻裝置的振動(dòng)引起，變壓器本體主要包括鐵心及繞組，振動(dòng)產(chǎn)生及傳播過程如附圖1所示。

其中，繞組振動(dòng)主要由通有交變電流的線圈在漏磁場中所受動(dòng)態(tài)電磁力引起，而鐵心的振動(dòng)主要由硅鋼片的磁致伸縮現(xiàn)象以及硅鋼片之間渦流作用引起的電磁力產(chǎn)生，由圖1可得，變壓器振動(dòng)及噪聲信號能夠最直接反映其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的改變，因此將其作為變壓器狀態(tài)診斷依據(jù)的科學(xué)性及可靠性不言而喻。

變壓器的故障診斷就是鑒別變壓器的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，然后確定故障的性質(zhì)、部位及原因，最后提出解決故障的措施。

根據(jù)變壓器全部可能發(fā)生的機(jī)械狀態(tài)構(gòu)成狀態(tài)空間S，其可測特征向量構(gòu)成特征空間Y，則狀態(tài)空間和特征空間的關(guān)系如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)處于某一個(gè)機(jī)械狀態(tài)s時(shí)，系統(tǒng)具有特定的特征y，即存在映射：

g：S→Y

反之，一定的特征也對應(yīng)相應(yīng)的機(jī)械狀態(tài)，即也存在映射：

f:Y→S

由圖2可知，故障診斷的目的就是根據(jù)可測量的特征向量，通過映射來判斷系統(tǒng)所處的機(jī)械狀態(tài)；如果把不同機(jī)械狀態(tài)認(rèn)為是不同的“模式”，“狀態(tài)識別”就轉(zhuǎn)化為“模式識別”，因此，故障診斷問題本質(zhì)上就是一類模式識別問題，常規(guī)聲診斷技術(shù)主要通過有限個(gè)測點(diǎn)測量聲信號，然后利用信號處理技術(shù)提取聲信號的特征進(jìn)行故障診斷，因此常規(guī)聲診斷技術(shù)可以看作是基于聲信號的模式識別，噪聲信號為向量信號，因此識別特征是從向量信號中提取出來的，而利用陣列測量及聲成像技術(shù)得到了設(shè)備聲場的聲場量分布，在進(jìn)行特征提取的時(shí)候就需要采用矩陣或圖像的特征提取技術(shù)，因此，利用聲像進(jìn)行故障診斷的實(shí)質(zhì)是基于聲像模式識別的故障診斷。

本發(fā)明在進(jìn)行噪聲信號檢測時(shí)，先將傳聲器陣列固定在陣列支架上，再將陣列支架固定在變壓器周圍，通過傳聲器陣列檢測變壓器產(chǎn)生的噪聲信號，再通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對各傳聲器采集的噪聲信號進(jìn)行同步采集，然后再輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)各傳聲器采集的噪聲信號以及各傳聲器的位置采用聲學(xué)成像技術(shù)繪制待測變壓器的聲場分布。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集多通道傳聲器的電信號，除了針對單獨(dú)的聲音采集中需要關(guān)注的動(dòng)態(tài)范圍、位數(shù)、抗混疊濾波器及、內(nèi)置IEPE激勵(lì)等要求外，針對麥克風(fēng)陣列應(yīng)用還要求通道間相位一致性好，一般會(huì)選擇每通道獨(dú)立ADC的采集設(shè)備。

參考圖3，本發(fā)明所述的基于聲學(xué)成像技術(shù)的變壓器機(jī)械故障診斷方法包括以下步驟：

1)在變壓器工作過程中，通過傳聲器陣列檢測變壓器各機(jī)械狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲信號，再根據(jù)變壓器各機(jī)械狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲信號繪制變壓器各機(jī)械狀態(tài)下的聲場分布，然后根據(jù)變壓器各機(jī)械狀態(tài)下的聲場分布構(gòu)建變壓器各機(jī)械狀態(tài)的聲像樣本庫；

2)從變壓器各機(jī)械狀態(tài)的聲像樣本庫中提取變壓器各機(jī)械狀態(tài)下聲場分布的所有聲像特征；

3)對步驟2)得到的變壓器各機(jī)械狀態(tài)下聲場分布的所有聲像特征采用模式識別技術(shù)訓(xùn)練得到各聲像特征的識別率，然后根據(jù)各聲像特征的識別率確定最優(yōu)聲像特征，并建立最優(yōu)聲像特征與變壓器的機(jī)械狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)最優(yōu)特征與變壓器的機(jī)械狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系構(gòu)建分類器；

4)通過傳聲器陣列檢測待測變壓器工作過程中產(chǎn)生的噪聲信號，并根據(jù)待測變壓器工作過程中產(chǎn)生的噪聲信號繪制待測變壓器的聲場分布，再提取待測變壓器工作過程中聲場分布的所有聲像特征，然后對待測變壓器工作過程中聲場分布的所有聲像特征采用模式識別技術(shù)訓(xùn)練得到待測變壓器工作過程中各聲像特征的識別率；

5)根據(jù)步驟4)得到的待測變壓器工作過程中各聲像特征的識別率確定待測變壓器的最優(yōu)聲像特征，再將待測變壓器的最優(yōu)聲像特征輸入到分類器中，得待測變壓器的機(jī)械狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變壓器機(jī)械故障的診斷。

傳聲器陣列中的各傳聲器的相位一致。

步驟1)中根據(jù)變壓器各機(jī)械狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲信號利用聲學(xué)成像技術(shù)繪制變壓器各機(jī)械狀態(tài)下的聲場分布。

步驟2)中利用圖像處理技術(shù)及特征提取技術(shù)提取變壓器各機(jī)械狀態(tài)下聲場分布的所有聲像特征。

步驟4)中根據(jù)變壓器工作過程中產(chǎn)生的噪聲信號采用聲學(xué)成像技術(shù)繪制待測變壓器的聲場分布。

變壓器各機(jī)械狀態(tài)下聲場分布的所有聲像特征包括視覺特征、統(tǒng)計(jì)特征、變換系數(shù)特征及代數(shù)特征。

視覺特征包括圖像的邊緣、輪廓、形狀、紋理和區(qū)域；

統(tǒng)計(jì)特征包括灰度直方圖和矩特征，其中，矩特征包括Hu矩、旋轉(zhuǎn)矩、正交矩及復(fù)數(shù)矩等；

變換系數(shù)特征：對圖像進(jìn)行各種數(shù)學(xué)變換，如傅立葉變化、離散余弦變化、小波變換等，利用變換后的系數(shù)作為圖像的一種特征；

代數(shù)特征：主要反映圖像的某種代數(shù)屬性，由于圖像可以表示為矩陣形式，因此可以對其進(jìn)行各種數(shù)學(xué)變換或矩陣分解，如奇異值分解的奇異值向量就是一種代數(shù)特征，可用作圖像特征。