一种基于极坐标图变换电抗器松动故障识别方法

本发明涉及电抗器松动故障识别领域，尤其是一种极坐标图变换电抗器松动故障识别方法。

背景技术：

1、在电力系统及工业用电领域中，电抗器作为实现无功功率调节与电流限制的重要设备，通过提供感性电抗参与电压调节、无功平衡及短路电流抑制，在维持电网电压稳定、改善电能质量及保障系统安全运行方面具有重要作用，其运行状态对系统电气特性具有直接影响。

2、电抗器在长期运行过程中，受电磁力、机械应力及环境因素等作用影响，易产生结构松动等机械类故障。该类故障通常具有早期隐蔽性，在初始阶段难以通过电气参数变化直接反映。随着松动程度由轻微发展至严重，其结构稳定性逐步降低，振动特性及应力分布持续变化，并可能进一步影响电磁运行状态。若故障继续恶化，将导致振动加剧、局部损伤累积，甚至引发绝缘老化加速、局部放电增强及绕组匝间短路等严重后果，对设备安全稳定运行造成不利影响。

3、现有技术中，针对电抗器松动程度故障的识别方法，缺乏对松动程度变化的直观表达能力，同时对细微振动变化刻画不足，导致分级识别不够精细，难以直观地区分不同松动程度故障。

技术实现思路

1、针对上述所提出的针对于电抗器松动程度故障研究的局限性，考虑到目前技术难以直观地区分不同松动程度故障等问题，提供了一种基于极坐标图变换电抗器松动故障识别方法；

2、为实现上述目的，本发明采用的方案是：

3、一种基于极坐标图变换电抗器松动故障识别方法，所述的松动故障识别方法将一维振动信号映射到二维极坐标中形成花瓣状图形，并根据单片花瓣多种几何特征进行不同松动程度故障识别，包括以下步骤：

4、步骤1：获取标注相应故障标签的样本振动信号，所述故障标签用于指示松动程度；

5、步骤2：基于各样本振动信号进行花瓣轮廓提取和几何特征提取，获得与样本振动信号相对应的故障特征；

6、基于样本振动信号在极坐标图中提取的单个花瓣形状，计算单个花瓣的几何特征，获得相应的故障特征；

7、步骤3：模型训练与优化；

8、基于各样本振动信号所对应的故障特征和故障标签进行模型训练，获得相应的故障分类模型，所述故障分类模型的输入为故障特征输出为相应故障标签的故障分类模型。

9、进一步地，所述步骤1中信号采集与预处理具体步骤为：

10、步骤1.1 模拟不同松动程度故障情况下的电抗器运行状态，并采集相应的振动信号；

11、步骤1.2 利用小波阈值去噪法对采集到的振动信号进行去噪处理，获得相应的样本振动信号；

12、步骤1.3 为所述样本振动信号标注不同松动程度故障标签，所述标签用于指示不同松动程度故障类型。

13、进一步的，所述步骤1中样本振动信号获取的方法为：

14、步骤1.1 模拟不同松动程度故障情况下的电抗器运行状态，并采集相应的振动信号；

15、步骤1.2 利用小波阈值去噪法对采集到的振动信号进行去噪处理，获得相应的样本振动信号；

16、步骤1.3 为所述样本振动信号标注相应故障标签，所述故障标签用于指示不同松动程度故障类型。

17、进一步地，通过对称点模式将样本振动信号转换为二维极坐标图，基于极径信号的峰值检测与自适应区间划分，从所述二维极坐标图中提取对应的单片花瓣轮廓。

18、进一步地，基于极径信号的峰值检测与自适应区间划分，从所述二维极坐标图中提取对应的单片花瓣轮廓的具体步骤为：

19、以极坐标原点作为参考点，沿角度方向依次读取各角度对应的极径值，构建极径序列；

20、对极径序列进行峰值检测，识别各花瓣尖端对应的局部极大值点；由于每个花瓣均具有唯一的径向最大值，因此每个峰值对应一个花瓣的中心位置；

21、以相邻两个峰值之间的极径谷值作为花瓣分割边界，根据峰值与谷值位置，自适应确定每个花瓣对应的角度区间；

22、根据每个花瓣对应的角度区间，仅保留该区间内的极径数据，其余区域数据置零或剔除，提取获得对应的单片花瓣轮廓。

23、进一步地，故障特征包括全局特征和局部特征；

24、所述全局特征包括花瓣轮廓的面积、弧长、最大弦长、最大宽度及对称性，用于表征花瓣整体形态特征；

25、所述局部特征包括轮廓曲线的斜率和曲率，用于表征花瓣局部几何变化特性。

26、进一步地，对称性包括全局对称性；

27、所述全局对称性的公式如下：

28、；

29、其中表示第个花瓣的全局对称性指数，为极坐标角度，为最大弦长，表示角度对应的极径，表示取得最大极径对应的角度，表示取得最大偏移范围，为角度偏移量。

30、进一步地，对称性还包括弧长对称性；

31、定义主轴为极坐标原点与花瓣尖峰的连线，分别计算主轴左侧和右侧边界曲线的弧长；

32、主轴左侧弧长lkl的计算公式为：

33、；

34、其中表示第个花瓣的主轴左侧弧长，为极坐标角度，为最大弦长，表示角度对应的极径；

35、主轴右侧弧长lkr的计算公式为：

36、；

37、其中表示第个花瓣的主轴右侧弧长，为极坐标角度，为最大弦长，表示角度对应的极径；

38、弧长对称性公式如下：

39、；

40、其中表示第个花瓣的弧长对称性指数，为极坐标角度，为最大弦长，表示角度对应的极径，表示取得最大极径对应的角度，表示取得最大角度；

41、进一步地，对称性还包括斜率对称性；

42、在计算斜率对称性公式时；首先在主轴方向两侧分别取n个点：

43、计算主轴两侧对应n个边界点斜率标准差的比值以表征斜率对称性；其计算公式为：

44、

45、其中表示第个花瓣的斜率对称性指数，为极坐标角度，表示角度对应的极径，表示在极角处，轮廓边界点的几何切线斜率；表示单个花瓣主轴左侧第个采样点对应的角度，表示单个花瓣主轴右侧第j个采样点对应的角度。

46、进一步地，还包括基于训练所得的故障分类模型进行松动程度识别的方法，包括以下步骤：

47、当目标电抗器发生故障时，采集目标电抗器的振动信号；

48、基于所述振动信号进行极坐标图转换，并提取单个花瓣轮廓，计算单个花瓣几何特征，得到相应的故障特征；

49、将所述故障特征输入所述故障分类模型，得到相应的故障分类结果。

50、本发明的有益效果为：

51、电抗器在松动程度变化过程中，其振动信号的幅值、频率及相位特征会随之发生变化，通过sdp方法将一维振动信号映射到二维极坐标中，这些信号特征表现为极坐标中的径向长度和角度位置等信息，从而使振动信号中的差异直接体现在图形的形态变化上。然而传统sdp方法通常针对单一工况进行分析，不同故障程度需要分别建模与对比，难以在同一映射中反映多级松动状态之间的变化关系。尤其在松动程度由轻微到严重逐级变化时，各等级差异较小，缺乏直观表达手段，导致故障程度难以准确判别。针对不同松动状态难以在同一映射中直观对比的问题，本发明提出统一映射、直观对比的方法，将电抗器正常状态作为参考基准，将待测未知状态与其放在同一表示空间中进行对比分析，从而增强不同状态之间的可比性与可辨识性。