何良, 丁登偉, 李獻偉, 袁明虎, 張紫薇, 劉衛(wèi)東

(1.清華四川能源互聯網研究院,四川 成都 610213; 2.上海華明電力設備制造有限公司,上海 200333; 3.清華大學 電機工程與應用電子技術系,北京 100084)

0 引 言

特高壓換流變壓器是直流輸電系統的核心設備,真空有載分接開關(on-load tap-changer,OLTC)作為換流變壓器中唯一頻繁動作部件,其主要功能是維持換流閥直流測電壓恒定及補償交流系統電壓變化,將換流閥的觸發(fā)角保持在最佳運行范圍,實現直流系統降壓運行[1],OLTC安全可靠性對直流輸電系統至關重要。統計表明,OLTC故障約占變壓器總故障的30%[2],且故障類型基本為機械故障,如觸頭故障、部件松動、彈簧疲勞、切換時序異常等。OLTC一旦發(fā)生機械故障,輕則導致線路跳閘損失輸送功率,重則引發(fā)換流變起火燒毀,造成巨大的經濟損失和不良的社會影響。因此,OLTC機械狀態(tài)監(jiān)測和診斷研究成為近年來研究的熱點。

OLTC切換過程中,動靜觸頭多次碰撞產生的振動信號包含了各部件的機械狀態(tài)信息,振動分析法可以有效評估OLTC機械狀態(tài),文獻[3-8]在振動信號檢測、特征提取及故障診斷等方面開展了相關研究。另一方面,OLTC由驅動電機為彈簧儲能提供驅動力,通過連桿、齒輪箱、快速機構、觸頭等部件的一系列機械動作完成檔位切換,電機電流信號也包含了豐富的機械狀態(tài)信息,電機電流分析法在電機本體故障[9]、高壓隔離開關機械故障[10-11]診斷中已有相關研究和應用。上述兩種方法具有非侵入式、安裝方便、易于實現帶電檢測等特點,在OLTC機械狀態(tài)在線監(jiān)測中受到越來越多的關注[12]。目前,OLTC機械狀態(tài)在線監(jiān)測仍處于起步階段,多采用電機電流信號作觸發(fā),同步采集數秒的振動信號和電流信號。然而,換流變OLTC切換階段振動信號時長僅約百毫秒,進行數據分析和故障診斷的前提是從數秒長的監(jiān)測數據中提出OLTC振動信號片段,采用人工提取的方法費時費力,且需要專業(yè)人員來完成,不便于該項技術的推廣和使用。同時,電機電流信號分為多個階段,有必要對各個階段進行定位和分析,而相關分離方法卻鮮有報道。

端點檢測法是指從一段信號中準確找出有效信號的起止點,在語音信號處理系統應用廣泛[13-15]。其基本思想是信號在端點處的時域、頻域等特征發(fā)生突變,通過檢測突變點實現有效信號定位,采用的特征參數主要有短時能量[16-18]、短時過零點[19]等。OLTC振動信號是非平穩(wěn)信號,電機電流信號在啟動和停止時變化顯著,因此考慮將其應用于OLTC振動信號和電機電流信號定位和提取。文獻[19]將端點檢測法應用于振動信號提取,但所采用的短時能量法對較小的振動事件不敏感,選取的分幀窗長較大,且未設置移幀,信號起、止點定位誤差較大。短時能譜熵可以增強振動信號中的微小沖擊,文獻[20]將改進的端點檢測法應用于斷路器振動信號提取?；诖?本文結合OLTC振動信號和電機電流信號各自特性,采用端點檢測法分別對上述兩種信號進行自適應定位和分離,為OLTC在線監(jiān)測技術推廣和應用提供支撐。

1 端點檢測基本原理及流程

1.1 短時能量

短時能量采用窗函數對信號分幀預處理,并分別計算每一幀的能量,可反應某時段信號特征。信號x(t)在第n時刻的短時能量均方根值為

(1)

式中:h(n)為窗函數;x(m)為信號x(t)取樣序列;m為窗長。

1.2 短時能譜熵

短時能譜熵可提高信號信噪比,凸顯微小振動事件。通過傅里葉變換得到每幀信號的頻譜,將頻譜劃分成M個子頻帶并分別計算子頻帶能量,第i個子頻帶的能量為

(2)

式中:fj為子頻帶內第j個頻率分量幅值;K為子頻帶內頻率分量個數。

每個子頻帶概率密度函數定義為

(3)

則每幀信號的能譜熵表示為

(4)

1.3 短時過零率

短時過零率表示每幀信號波形穿過橫軸(零電平)的次數,即信號改變符號的次數。經過加窗和分幀等預處理后,信號x(t)在第n時刻的短時過零率Zn為

sgn[x(m-1)]|h(n-m)。

(5)

其中sgn是符號函數,滿足:

(6)

1.4 基于端點檢測的信號分離流程

換流變鐵心和繞組引起的振動是基頻為100 Hz的穩(wěn)態(tài)振動,OLTC切換引起的振動是頻率高達幾十kHz的沖擊振動,兩者的時域和頻域特征差異顯著。為提高算法魯棒性,并凸顯微小振動事件,本文采用短時能譜熵與短時過零率相結合的方法分離OLTC振動信號,步驟如下:

1)選取窗函數并設置合適的窗長和幀長,對振動信號x(t)進行分幀處理,并計算每幀的短時能譜熵和短時過零率;

2)設置短時能譜熵閾值Ht、過零率閾值Zt和時間閾值Tt;

3)逐幀對比短時能譜熵和過零率,當Hn>Ht或Zn>Zt,且信號持續(xù)時間超過Tt時,判定當前幀為信號起始位置;

4)當Hn

另一方面,驅動電機未工作時電流趨近于0,工作時電流達數安培,電機啟動、停止時刻的電流信號能量變化顯著。由于電流信號頻率僅為50 Hz,電機啟動、停止時刻的電流信號過零點變化并不明顯。因此,本文采用短時能量法分離電機電流信號,步驟如下:

1)選取窗函數并設置合適的窗長和幀長,對電流信號x(t)進行分幀處理,并計算每幀的短時能量;

2)設置短時能量閾值Pt和時間閾值Tt;

3)逐幀對比短時能量,當Pn>Pt,且信號持續(xù)時間超過Tt時,判定當前幀為信號起始位置;

4)當Pn

2 OLTC在線監(jiān)測系統及監(jiān)測數據

2.1 OLTC在線監(jiān)測系統

OLTC在線監(jiān)測系統由加速度傳感器、電機電流傳感器、采集卡及工控機等組成,系統框架如圖1所示。

圖1 OLTC在線監(jiān)測系統示意圖

根據驅動電機電流變化范圍,選用的電流傳感器量程為240 A,頻率范圍為5～1 000 Hz,靈敏度為100 mV/A。基于OLTC振動信號時頻域特性,選用的加速度傳感器性能參數如表1所示。采集卡為自研的高速采集單元,最大采樣率為5 MS/s,帶寬不低于1 MHz,分辨率為16位。

表1 加速度傳感器參數表

2.2 OLTC在線監(jiān)測數據

某特高壓換流站換流變VRGⅡ型OLTC參數如表2所示,為監(jiān)測其運行狀態(tài),安裝了OLTC在線監(jiān)測系統。電流傳感器布置在OLTC操作箱內的驅動電機電源線處,加速度傳感器安裝在OLTC油箱頂蓋上,如圖2所示。系統采用電機電流通道作為觸發(fā)通道,同步采集振動信號,電流信號和振動信號采樣率分別為5 kS/s和100 kS/s,采樣時長為8 s,預觸發(fā)長度為10%。

表2 OLTC參數表

圖2 OLTC在線監(jiān)測系統安裝示意圖

VRGⅡ型OLTC換擋操作時的電流及振動信號監(jiān)測數據如圖3所示。驅動電機在0.8 s時啟動,電流瞬峰值約13 A;大約經過0.3 s后電流信號趨于穩(wěn)定,幅值將近1.6 A;電機啟動5.15 s后OLTC切換開關動作,激發(fā)了一簇沖擊性振動信號,振動信號持續(xù)時間將近0.15 s,最大值將近28 g;OLTC切換開關動作后繼續(xù)穩(wěn)定工作一段時間,電機在約7.09 s時停止,一次完整的換擋操作結束。

圖3 OLTC在線監(jiān)測數據

3 OLTC在線監(jiān)測系統及監(jiān)測數據

3.1 振動信號自適應分離

系統采集的振動信號前幾秒為背噪,由換流變鐵心和繞組振動引起,頻譜如圖4(a)所示,信號能量主要集中在2 kHz頻帶內。OLTC切換引起的振動信號頻譜如圖4(b)所示,大部分能量集中在高頻段,遠大于2 kHz。

圖4 振動信號頻譜

為減少漏能,本文窗函數選用漢明窗。窗長是決定短時能譜熵與短時過零率分辨率的重要因素。若窗長選擇太大,信號細節(jié)無法體現,而窗長選擇過小,短時能譜熵和過零率函數不夠平滑,也不利于發(fā)揮短時能譜熵提高信噪比的優(yōu)點。另一方面,由于振動信號中不可避免存在干擾,窗長也不宜設置過短。幀移是相鄰兩幀間重疊部分,使相鄰兩幀自然過渡,一般選取幀長的25%～50%?；诓杉恼駝有盘?本文選取的窗長和幀移分別為10 ms和5 ms,振動信號的短時能譜熵和短時過零率結果如圖5(a)和圖5(b)所示,可以看出,OLTC切換階段振動信號短時能譜熵和過零率變化顯著,通過這兩個特征量能有效地定位和分離出OLTC振動信號。

圖5 振動信號端點檢測結果

由于振動信號前幾幀為背噪,Ht、Zt設置為背噪短時能譜熵、過零率最大值的k(k>1)倍,可避免因噪聲不同帶來的影響。通過觀察振動信號發(fā)現,振動信號持續(xù)時間大于5 ms,Tt設置為5 ms。振動信號端點檢測結果如圖5(c)所示,圖中虛線①、虛線②分別表示OLTC振動信號起點和終點,對應的時刻分別為Tvs=5.950 s和Tve=6.100 s,定位誤差小于5 ms?？紤]到OLTC振動信號與換流變本體振動信號頻率差異性,采用截止頻率為2 kHz的高通濾波器分離出OLTC振動信號,結果如圖6所示。

圖6 OLTC振動信號分離結果

3.2 驅動電機電流信號自適應分離

與振動信號類似,電流信號前幾幀為背噪。背噪信號與電機電流信號頻譜如圖7所示,兩者頻譜分布在500 Hz以內,主頻均為50 Hz,導致短時能譜熵和短時過零率變化不明顯。但兩者主頻幅值差異顯著,本文采用短時能量進行電流信號端點檢測。

圖7 電流信號頻譜

與前文類似,窗函數選用漢明窗,窗長和幀移分別為10 ms和5 ms,電流信號短時能量如圖8(a)所示,可以看出,電機工作階段電流信號短時能量變化顯著,通過該特征量能有效地分離出電機電流信號。

圖8 電機電流信號端點檢測波形圖

與振動信號相似,電流信號前幾幀為背噪,Pt設置為背噪短時能量的k(k>1)倍。時間閾值Tthres設置為5 ms。電流信號端點檢測結果如圖8(b)所示。圖中虛線①、虛線②分別表示電流信號的起點和終點,對應的時刻分別為Tcs=0.795 s和Tce=7.090 s,定位誤差小于5 ms。

3.3 驅動電機電流信號階段劃分

通過觀察所采集的電流波形,可以發(fā)現電機電流波形可分為3個階段:

階段I:電機啟動階段。其特征是電機帶負載啟動瞬間存在一個幅值較大的涌流,約0.3 s后電流信號穩(wěn)定。

階段II:電機穩(wěn)定運行階段。其特征電機穩(wěn)定工作,電流信號幅值基本不變,OLTC切換動作在此階段完成。

階段III:電機停止階段。OLTC切換動作結束后一段時間,電機電流被切斷,下降至0。

驅動電機是OLTC操作的動力源,其輸出轉矩與電流信號密切相關,當OLTC出現不同的機械故障時,各階段的電流特征參數變化不同,因此有必要對這3個階段進行劃分?；谇拔姆治?這3個階段的區(qū)間分別為:[Tcs,Tcs+0.3 s)、[Tcs+0.3 s,Tve)及[Tve,Tce],自動劃分結果如圖9所示。

圖9 電機電流信號階段劃分

4 結 論

1)OLTC振動信號與換流變本體振動信號時域、頻域特性差異顯著,采用短時能譜熵和過零率相結合的方法,可實現OLTC振動信號片段自適應分離,定位誤差小于5 ms。

2)驅動電機電流信號與背噪信號主頻分量幅值差異顯著,采用短時能量法可實現電機電流信號片段自適應分離,定位誤差小于5 ms。

3)結合OLTC振動信號及電機電流信號的起止點,可以將電機工作階段自動劃分為啟動、穩(wěn)定運行、停止等3個階段。