基于盲源分離算法有載分接開關(guān)振動監(jiān)測與故障振動技術(shù)研究

　　摘要：隨著電網(wǎng)調(diào)節(jié)任務(wù)日趨繁重，設(shè)備運(yùn)行工況愈加復(fù)雜，有載分接開關(guān)故障頻發(fā)且呈上升趨勢，嚴(yán)重影響電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文根據(jù)盲源分離的核心理論和主要方法，開展信號分離仿真，并與其他方法比較分離效果，說明該方法對于有載分接開關(guān)振動信號在故障診斷方面應(yīng)用的合理性和有效性。本文通過對有載分接開關(guān)振動信號的持續(xù)觀察分析，可以準(zhǔn)確掌握有載分接開關(guān)在當(dāng)前電網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行狀況下的機(jī)械性能，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

　　《電力與能源》雜志，于1980年經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:31-2051/TK，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：能源技術(shù)、發(fā)電技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)交流等。

　　關(guān)鍵詞：盲源分離;有載分接開關(guān);狀態(tài)評價

　　0 引言

　　目前國內(nèi)外電力企業(yè)研究OLTC故障，主要是采用非電氣量監(jiān)測的手段和方式，并結(jié)合油色譜、視頻等其他狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，對OLTC故障開展分析診斷[1]-[5]。其中，一個主要方向是研究OLTC進(jìn)行調(diào)壓操作所發(fā)出的振動信號，通過振動在線監(jiān)測裝置收集處理后，形成振動波形進(jìn)行分析研究。通過振動信號特征量的分離和提取，并與典型故障波形進(jìn)行分析比對，從而有效診斷各類OLTC故障。近年來，該項(xiàng)技術(shù)得到普遍的應(yīng)用和嘗試，但未徹底解決OLTC監(jiān)測所面臨的一系列問題和難點(diǎn)。因此本文通過對這一領(lǐng)域的研究和分析，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，采用一種盲源信號分離方法求解既定目標(biāo)函數(shù)的值達(dá)到最優(yōu)時的條件前提。即采用基于獨(dú)立信號數(shù)學(xué)模型和信號獨(dú)立性判據(jù)模型及分接開關(guān)振動信號的特性，根據(jù)優(yōu)化算法中的批處理原則，提出聯(lián)合對角化方法;同時基于優(yōu)化算法中的自適應(yīng)處理算法，提出信息極大化算法和非高斯性極大化算法研究[6]-[7]。

　　1 基于盲源分離算法220kV電力變壓器有載分接開關(guān)振動信號分析研究

　　1.1 實(shí)驗(yàn)背景及儀器

　　實(shí)驗(yàn)中將運(yùn)用變壓器運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)對220kV電力變壓器的分接開關(guān)振動信號進(jìn)行采集。變壓器運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)主要分為采集單元和信號傳輸處理單元，采集單元主要任務(wù)是通過傳感器采集變壓器分接開關(guān)的振動信號，振動信號運(yùn)用4個壓電加速度傳感器獲取，靈敏度為500mV/g，24V電源供電，采集到的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)傳輸處理單元到后臺PC端進(jìn)行進(jìn)一步計算、處理以及展示。對于220kV電力變壓器來講，三相繞組的鐵心的相應(yīng)的底部可以較好地展現(xiàn)出變壓器鐵心和繞組的振動，因此本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用其中3個壓電傳感器分別接線至檢測變壓器三個鐵心的繞組底部，以便能更好的監(jiān)視其振動，另一個用于檢測有載分接開關(guān)的振動。信號傳輸處理單元的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對采集信號的數(shù)字化處理，并且將其傳輸至計算機(jī)處理系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)算、存儲以及顯示。兩個子模塊能夠無縫對接，具有較好的協(xié)調(diào)性，不會出現(xiàn)通信問題或者兼容問題。選用的變壓器參數(shù)如表1-1所示。

　　實(shí)驗(yàn)中，由于考慮到各相電壓和電流及其不同相位可能對220kV電力變壓器的正常運(yùn)行產(chǎn)生一系列不可預(yù)知的影響，分別設(shè)置2個三相五柱式電壓互感器和2個三相電流互感器來進(jìn)行監(jiān)測，其中2個電壓互感器分別安裝在變壓器的高壓側(cè)母線處和低壓側(cè)母線處，2個電流互感器安裝在高壓側(cè)繞組和低壓側(cè)繞組出現(xiàn)處[6]。

　　1.2 信號盲分離算法仿真

　　220kV電力變壓器的有載分接開關(guān)的振動信號與電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)無關(guān)，它是隨著分接開關(guān)動作而伴生的信號，并且其從本質(zhì)上講是一種沖擊類型的信號。因此本實(shí)驗(yàn)將220kV電力變壓器的有載分接開關(guān)振動和鐵心繞組振動視作兩個獨(dú)立的振動源端信號，而運(yùn)用獨(dú)立分量分析法來進(jìn)行信號分離時只需要兩類的觀測振動信號。

　　首先使用220kV電力變壓器有載分接開關(guān)振動源端信號和人工施加方波信號進(jìn)行信號分離。分離過程和結(jié)果如圖

　　基于上述研究，可見聯(lián)合近似對角化算法和快速ICA自適應(yīng)算法的分離結(jié)果具有較好的波形還原性，故可以將其用于實(shí)際信號上面。

　　根據(jù)圖1-5的對比可知，因?yàn)檎龖B(tài)分布信號的高階累積量為零，因此基于四階累積量矩陣的JADE算法抑制了隨機(jī)干擾信號對信號分離的影響。盡管方波分離信號中噪聲無法完全避免，然而信號恢復(fù)的效果較好;反觀二階統(tǒng)計矩陣，其干擾信號較多，故而無法忽略噪聲的影響，相對于JADE算法來講，分離效果欠佳。

　　根據(jù)圖1-7的對比可知，擴(kuò)展最大熵算法能夠很有效的分離信號，其信號的抗干擾性較好。而快速獨(dú)立分量分析算法的分離結(jié)果的抗干擾性不如擴(kuò)展最大熵法，主要原因在于該算法對非正態(tài)分布的干擾信號較為敏感。另外，從方法論來講，快速獨(dú)立分量分析算法是基于牛頓迭代算法，其對初值的選擇要求較高，一般不容易找到合適的初值，而擴(kuò)展最大熵算法能夠避免這個問題。從算法本身來講，擴(kuò)展最大熵算法的計算量較大，而快速獨(dú)立分量分析算法計算量較小，迭代次數(shù)較少，收斂性也較好。

　　綜合圖1-7和圖1-9的仿真對比結(jié)果和圖1-10和圖1-11的實(shí)際信號仿真圖可以看出，兩種算法均對源端信號有較好的分離效果。實(shí)際上，在選擇的過程中，自適應(yīng)算法適合精度高、運(yùn)算處理速度要求高的系統(tǒng)，而聯(lián)合近似對角化算法適合對精度一般、運(yùn)算處理要求不高的系統(tǒng)。

　　2 結(jié)論

　　本文研究了盲源分離方法，對已收集到的振動信號，采用近似對角化、ICA對振動信號進(jìn)行過濾、分析和提取，使其展現(xiàn)自身本質(zhì)屬性，避免環(huán)境噪聲和其他干擾源對振動信號的影響。通過實(shí)驗(yàn)分析案例，說明盲源分離法的分離效果、收斂速度、計算效率等在實(shí)際中的具體應(yīng)用，可以在220kV電力變壓器的不同運(yùn)行方式下將其有載分接開關(guān)振動信號準(zhǔn)確無誤、有效地分離出來，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法對于監(jiān)測OLTC運(yùn)行狀態(tài)的可行性。