电气设备运行声波信号分析系统

2022-09-11

1 课题的提出及研究意义

随着电力工业的科技进步, 电力系统中电气设备的检修体制和技术不断发展。但随着电力系统向高电压、大容量、互联网发展, 以及用电部门要求的提高, 对电力系统的安全可靠性指标的要求也越来越高, 这种沿用多年的计划检修体制暴露了严重缺陷, 如临时性维修频繁、盲目维修等, 这使得国家每年在设备检修方面耗资巨大。因此目前正在发展以状态监测为基础的状态检修。电力设备运行的在线监测是保证其可靠运行的重要技术手段, 而在线监测技术的开发, 可推动电力设备运行维护水平的提高, 减少维护人员的劳动强度。所以深入研究监测的新机理、开发相应的监测系统具有重要的学术意义和实用价值。

电力变压器是电力系统中重要的电力设备, 其运行状态好坏, 直接影响电网的安全运行。因此对电力变压器进行在线监测, 及时掌握其工作状态, 并能对其工作状态进行可靠的分析, 这一直是电力部门追求的目标。针对这一目标, 电力部门采取了多种变压器状态监测方法。但是这些方法常常采用的是接触检测技术, 目前高压电力设备的运行状态监测方法尚不够成熟, 许多难题源于高电压和强电磁场的存在。例如, 文献[1~3]提到的应用变压器绝缘油中气体和水分的在线监测中, 需要将传感器安置于变压器内, 存在因传感器接触变压器而影响其工作状态的问题。文献[4~5]提到的在变压器局部放电监测方法中, 由于变压器工作于强电磁干扰环境, 现场存在着广泛的电晕放电、开关动作产生的冲击以及相邻高压电气设备内部可能出现的局部放电等, 这是变压器局部放电在线监测所面临的主要干扰源。因此, 迫切需要找到一种更好的监测方法, 使其特征参数的采集无须接触电力变压器, 也不会受工作环境的高压及强电磁场的影响。

2 声波信号分析软件平台的选择

构造变压器声波信号在线监测系统, 基本的硬件确定以后, 就可以通过不同的软件实现不同的功能。在当今这个信息时代, 提高软件编程效率的关键是采用面向对象的编程技术。但是, 仅有面向对象的编程技术还是不够的。因为, 不可能让所有的人都去学习复杂的C++, 同时成为编程专家。因此, 需要一种简单而又有效的编程语言。目前国内外能够实现这种功能的软件不少。其中, 美国D S P公司的D A D I S P软件以实验后数据处理分析和表示见长;美国N I公司的系列虚拟仪器开发平台 (Lab VIEW、Lab Windows/CVI、Virtual B e n c h和C o m p o n e n t W o r k s) 、美国Q U A T E C H公司的D A S L a b软件包和惠普公司的V E E软件平台都是可以搭建变压器声波信号处理软件平台, 以图形化编程和界面灵活见长;华中理工大学的V I 9 8虚拟仪器系统和哈尔滨工业大学的仪器王以虚拟的单个仪器或仪器库见长。其中, 美国NI公司的L a b V I E W软件功能最为完善, 并且在欧美等发达国家应用也相当广泛。

L a b V I E W提供了一种简单、直观的图形编程方式, 把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化为工程师最熟悉的功能结构图的编程方式, 并且嵌入了非常丰富的应用函数。例如, 针对测试技术和仪器应用, L a b V I E W提供了多种仿真信号产生、测试信号分析和处理、数据采集函数。同传统的编程语言比, L a b V I E W图形化编程方式可以节省大量的程序开发时间, 而其运行速度却几乎不受什么影响。在声音领域的分析方面, 对声波信号的时域分析中, 涉及到多种运算方法, L a b V I E W时域分析模板提供了卷积, 相关计算, 移位运算, 积分, 微分等功能, 完全满足需要。对声波信号的频域分析中, 需要准确求取信号的频谱, L a b V I E W的频域分析模板提供了傅立叶变换, Hilbert变换, 小波变换, Hartley变换, 功率谱分析, 联合时域分析, 谐波分析等功能模块, 也完全满足声波信号的频域分析要求。

3 声波信号分析的算法

信号处理的目的通常有两个, 一个是信号的特征分析, 即获取信号的特征参数;另一个是信号变换, 即将信号由原形式变换为符合某种特定要求的形式。如果采用数字信号处理技术实现上述目的, 则数字系统部分表现为某种算法。与第一种目的对应的称为数字谱分析, 主要采用快速傅立叶变换分析信号或系统的频率特性, 分析的结果是一系列的特征参数。在本次设计中, 声波信号的处理和分析主要是用L a b V I E W进行编程分析。对声波信号的时域分析中, 需要计算声波的时域特征值, 涉及到多种运算方法, L a b V I E W时域分析模板提供了卷积, 相关计算, 移位运算, 积分, 微分等功能, 完全满足需要。对声波信号的频域分析中, 需要准确求取信号的频谱, L a b V I E W的频域分析模板提供了傅立叶变换, Hilbert变换, 小波变换, Hartley变换, 功率谱分析, 联合时域分析, 谐波分析等功能模块, 在本文中要重点用到快速傅立叶变换和数字滤波。

4 声波信号分析软件的实现

本设计的任务是基于L a b V I E W开发变压器声波信号分析软件, 并编制下列程序模块: (1) 声波信号的回放、显示模块; (2) 强度、频谱分析模块; (3) 突变发生时刻判别模块;并编制系统显示程序, 要求有良好的人机界面。处理过程如下:首先将实测变压器声波信号回放并显示到前面板的图形显示控件上, 然后随机地抽取一段测试信号进行时域分析提取时域的特征值, 还可以进行频域分析, 滤波分析, 功率谱分析。在对信号进行各种分析之前, 要进行加矩形窗处理, 得到有限长的序列信号。还要在任意抽取的数据段上观察分析变压器声波以外的成分, 即判断突变发生时刻的奇异性噪声成分。

5 结语

应用声波信号分析对变压器运行状态时实监测进行了有益探讨, 为应用声波信号分析电力设备的运行状态打下了基础。由于目前还缺乏大量的原始声波数据, 系统能识别的故障种类有限。下一步工作将逐步积累电力设备的故障时的数据, 为变压器故障专家诊断系统做准备。随着声波信号的故障数据库的建立, 这种方法必然可以会更加广泛的应用到实际中, 将在电气设备运行状态的在线监测中起重要的作用。

摘要：变压器是电力系统中重要的电气设备, 其运行状况的好坏直接影响着系统的安全运行。借鉴有经验工作人员的感官经验, 研究了变压器运行状态变化与声波特征变化之间的内在联系, 提出了一种基于声波分析的变压器运行状态监测的新方法, 并开发了变压器运行状态监测系统。此方法适用于设备的状态维修方式, 是变压器状态监测的一种有效手段。

关键词：变压器声波,LabVIEW,在线监测