基于盲源分離算法有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障振動(dòng)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(kāi)關(guān)故障頻發(fā)且呈上升趨勢(shì)，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(kāi)展信號(hào)分離仿真，并與其他方法比較分離效果，說(shuō)明該方法對(duì)于有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)在故障診斷方面應(yīng)用的合理性和有效性。本文通過(guò)對(duì)有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)的持續(xù)觀察分析，可以準(zhǔn)確掌握有載分接開(kāi)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(shí)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(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:31-2051/TK，本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)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(kāi)關(guān);狀態(tài)評(píng)價(jià)

　　0 引言

　　目前國(guó)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(cè)的手段和方式，并結(jié)合油色譜、視頻等其他狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)OLTC故障開(kāi)展分析診斷[1]-[5]。其中，一個(gè)主要方向是研究OLTC進(jìn)行調(diào)壓操作所發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置收集處理后，形成振動(dòng)波形進(jìn)行分析研究。通過(guò)振動(dòng)信號(hào)特征量的分離和提取，并與典型故障波形進(jìn)行分析比對(duì)，從而有效診斷各類OLTC故障。近年來(lái)，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(cè)所面臨的一系列問(wèn)題和難點(diǎn)。因此本文通過(guò)對(duì)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(hào)分離方法求解既定目標(biāo)函數(shù)的值達(dá)到最優(yōu)時(shí)的條件前提。即采用基于獨(dú)立信號(hào)數(shù)學(xué)模型和信號(hào)獨(dú)立性判據(jù)模型及分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)的特性，根據(jù)優(yōu)化算法中的批處理原則，提出聯(lián)合對(duì)角化方法;同時(shí)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(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)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(duì)220kV電力變壓器的分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)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(hào)傳輸處理單元，采集單元主要任務(wù)是通過(guò)傳感器采集變壓器分接開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)運(yùn)用4個(gè)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(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)傳輸處理單元到后臺(tái)PC端進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算、處理以及展示。對(duì)于220kV電力變壓器來(lái)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(dòng)，因此本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用其中3個(gè)壓電傳感器分別接線至檢測(cè)變壓器三個(gè)鐵心的繞組底部，以便能更好的監(jiān)視其振動(dòng)，另一個(gè)用于檢測(cè)有載分接開(kāi)關(guān)的振動(dòng)。信號(hào)傳輸處理單元的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)的數(shù)字化處理，并且將其傳輸至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)以及顯示。兩個(gè)子模塊能夠無(wú)縫對(duì)接，具有較好的協(xié)調(diào)性，不會(huì)出現(xiàn)通信問(wèn)題或者兼容問(wèn)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(duì)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(gè)三相五柱式電壓互感器和2個(gè)三相電流互感器來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中2個(gè)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(gè)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(hào)盲分離算法仿真

　　220kV電力變壓器的有載分接開(kāi)關(guān)的振動(dòng)信號(hào)與電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)無(wú)關(guān)，它是隨著分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作而伴生的信號(hào)，并且其從本質(zhì)上講是一種沖擊類型的信號(hào)。因此本實(shí)驗(yàn)將220kV電力變壓器的有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)和鐵心繞組振動(dòng)視作兩個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)源端信號(hào)，而運(yùn)用獨(dú)立分量分析法來(lái)進(jìn)行信號(hào)分離時(shí)只需要兩類的觀測(cè)振動(dòng)信號(hào)。

　　首先使用220kV電力變壓器有載分接開(kāi)關(guān)振動(dòng)源端信號(hào)和人工施加方波信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分離。分離過(guò)程和結(jié)果如圖

　　基于上述研究，可見(jiàn)聯(lián)合近似對(duì)角化算法和快速I(mǎi)CA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(hào)上面。

　　根據(jù)圖1-5的對(duì)比可知，因?yàn)檎龖B(tài)分布信號(hào)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(hào)對(duì)信號(hào)分離的影響。盡管方波分離信號(hào)中噪聲無(wú)法完全避免，然而信號(hào)恢復(fù)的效果較好;反觀二階統(tǒng)計(jì)矩陣，其干擾信號(hào)較多，故而無(wú)法忽略噪聲的影響，相對(duì)于JADE算法來(lái)講，分離效果欠佳。

　　根據(jù)圖1-7的對(duì)比可知，擴(kuò)展最大熵算法能夠很有效的分離信號(hào)，其信號(hào)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(duì)非正態(tài)分布的干擾信號(hào)較為敏感。另外，從方法論來(lái)講，快速獨(dú)立分量分析算法是基于牛頓迭代算法，其對(duì)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(gè)問(wèn)題。從算法本身來(lái)講，擴(kuò)展最大熵算法的計(jì)算量較大，而快速獨(dú)立分量分析算法計(jì)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(duì)比結(jié)果和圖1-10和圖1-11的實(shí)際信號(hào)仿真圖可以看出，兩種算法均對(duì)源端信號(hào)有較好的分離效果。實(shí)際上，在選擇的過(guò)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(duì)角化算法適合對(duì)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(duì)已收集到的振動(dòng)信號(hào)，采用近似對(duì)角化、ICA對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行過(guò)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(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析案例，說(shuō)明盲源分離法的分離效果、收斂速度、計(jì)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(kāi)關(guān)振動(dòng)信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤、有效地分離出來(lái)，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法對(duì)于監(jiān)測(cè)OLTC運(yùn)行狀態(tài)的可行性。