一种输电线路的微风振动震颤信号识别方法及系统与流程

1.本发明属于电力传感器技术领域，具体涉及一种输电线路的微风振动震颤信号识别方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.微风振动通常会危害输电线路的运行安全，这种间歇式的持续微风振动会引发绝缘子和导线的震颤运动，从而导致输电线路导线、金具的磨损。这种震颤运动会带来金具和导线等线路关键部件的故障，是线路运行维护的技术难点。
4.特别是内蒙古、黑龙江和新疆等风害区域，这种故障极为常见，这些地区有时也会经历低温以及其他恶劣天气，对输电线路绝缘子的震颤行为造成了更大的影响。自然界的间歇风害引发的空气湍流会推动线路的震颤运动，进而引起绝缘子震颤反应，瞬间出现幅值后消散，这种间歇性震颤行为会引发连接的导线和金具损伤，极端情况甚至会出现导线断线的情况，直接影响区域供电安全，另外，高速列车通过输电线路，也会导致导线和绝缘子的震颤行为，引发同样的问题。
5.针对这种间歇性震颤行为引发连接的导线和金具损伤，难以有效精准的识别到这种间歇性震颤行为，导致输电线路导线、金具的磨损，造成了一定的损失。
6.已有研究者用其来监测输电塔健康情况，效果极为明显，可检测高压输电塔的固有频率，将测得的固有频率与健康时的固有频率对比，可以分辨出高压输电塔是否受到了损伤。
7.而对于震颤信号的识别和分析来说，传统的信号处理方法，比如说傅里叶分析，对非线性、非平稳的信号进行分析时，得到的信号频谱反映的是整体信号中包含的某一频率分量的平均值。傅里叶变换不能反映信号瞬时频率随时间的变化情况，仅仅适用于分析平稳信号。对频率随时间变化的非平稳信号，傅里叶变换只能给出其总体效果，不能完整地把握信号在某一时刻的本质特征。
8.除此之外，目前有些学者还用了有限元法、用能量平衡法等方法来分析微风振动，但是有限元法有很大的缺陷导致其很难应用到工程实际，即其计算非常复杂，导致效率很低；而能量平衡法则也是因其数值分析方法的复杂性导致其无法较好地应用于现场实际，因此不值得取。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本发明提出了一种输电线路的微风振动震颤信号识别方法及系统，本发明将理论分析与工程实践相结合，针对风害地区，以耐低温的加速度传感器来监测振动数据，利用经验模态分解方法和希尔伯特变换联合方法来分析微风振动对绝缘子振颤的影响，对属于非平稳信号的震颤信号的处理有着极好的效果，它是依赖信号本身自适
应的进行分解，能够表达信号的局部特征，可以有效的处理非平稳、非线性的数据。
10.根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种输电线路的微风振动震颤信号识别方法，采用如下技术方案：
11.一种输电线路的微风振动震颤信号识别方法，包括：
12.获取绝缘子的微风振动震颤信号；
13.对绝缘子的微风振动震颤信号进行分解；
14.根据分解后的绝缘子微风振动震颤信号分析绝缘子的磨损情况。
15.根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种输电线路的微风振动震颤信号识别系统，采用如下技术方案：
16.一种输电线路的微风振动震颤信号识别系统，包括：
17.信号获取模块，被配置为获取绝缘子的微风振动震颤信号；
18.信号分解模块，被配置为对绝缘子的微风振动震颤信号进行分解；
19.信号分析模块，被配置为根据分解后的绝缘子微风振动震颤信号分析绝缘子的磨损情况。
20.根据一些实施例，本发明的第三方案提供了一种计算机可读存储介质。
21.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的一种输电线路的微风振动震颤信号识别方法中的步骤。
22.根据一些实施例，本发明的第四方案提供了一种计算机设备。
23.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的一种输电线路的微风振动震颤信号识别方法中的步骤。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.本发明利用经验模态分解方法和希尔伯特变换联合方法来分析微风振动对绝缘子振颤的影响，对属于非平稳信号的震颤信号的处理有着极好的效果，它是依赖信号本身自适应的进行分解，能够表达信号的局部特征，可以有效的处理非平稳、非线性的数据。
26.本发明提供的一种输电线路的微风振动震颤信号分析方法，采用理论分析与工程实践相结合的研究方法，对微风经过输电线路时引起的输电线路绝缘子震颤的影响进行了科学的评价，得到的相关结果可以提升输电线路运行安全水平。
27.本发明采用耐低温的加速度传感器，能够真实还原输电线路所在区域的实际情况，能够实现自然环境中微风通过输电线路时绝缘子震颤影响的有效分析，分析结果相对准确。
附图说明
28.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.图1是本发明的输电线路的微风振动震颤信号识别方法流程图；
30.图2是本发明实施例一所述的绝缘子震颤运动三维坐标示意图；
31.图3是本发明实施例一所述的输电线路的绝缘子微风振动震颤信号测试方法的流程图；
32.图4为本发明实施例一所述的绝缘子震颤运动分析流程图；
33.图5是本发明实施例一所述的绝缘子震颤瞬时频率曲线图；
34.图6是本发明实施例一所述的绝缘子震颤幅值曲线图。
具体实施方式：
35.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
36.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
38.在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
39.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.本发明主要用于对输电线路的微风振动震颤信号测试方法进行有效分析，用以提高输电线路的运行安全水平。
41.实施例一
42.如图1所示，本实施例提供了一种输电线路的微风振动震颤信号识别方法，本实施例以该方法应用于服务器进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于终端，还可以应用于包括终端和服务器和系统，并通过终端和服务器的交互实现。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务器、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务cdn、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本发明在此不做限制。本实施例中，该方法包括以下步骤：
43.步骤s100：获取绝缘子的微风振动震颤信号；
44.步骤s200：对绝缘子的微风振动震颤信号进行分解；
45.步骤s300：根据分解后的绝缘子微风振动震颤信号分析绝缘子的磨损情况。
46.步骤s100中，所述绝缘子的微风振动震颤信号包括绝缘子远动的时间、绝缘子震颤瞬时频率、绝缘子震颤幅值以及绝缘子的最大位移量。
47.用耐低温的加速度传感器，用以获取绝缘子的振动信号，获取其震颤运动幅值和震颤频率，分析绝缘子震颤的变化，进而探讨微风经过输电线路下方时引起的输电线路绝缘子震颤的相关性；
48.在输电线路区域布置传感器，且加速度传感器应直接安装在复合绝缘子高压端的
金具上，如此采集到的振动数据更为准确，外界因素才能降到最低。
49.本发明主要是通过经验模态分解(emd)方法和希尔伯特变换(ht)联合方法，获取绝缘子的震颤运动幅值和运动频率，以此来收集绝缘子震颤的振动数据。因此通过综合分析，设计了一种经验模态分解方法和希尔伯特变换联合方法，来分析微风振动对绝缘子震颤的影响。
50.具体的，经验模态分解方法是依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分解，emd方法在理论上可以应用于任何类型的信号的分解，因而在处理非平稳及非线性数据上，具有非常明显的优势，适合于分析非线性、非平稳信号序列。
51.而根据市面上已有的对微风振动的研究，我们可以知道，微风振动幅值与频率之间存在非线性关系。正是基于此，本发明选择了善于处理非线性数据的emd方法来进行微风振动对绝缘子震颤的影响的研究。
52.该方法的关键是经验模式分解，它的优势就是能够化繁为简，它能使复杂信号分解为有限个固有模态函数分量(imf)，所分解出来的各imf分量也包含了原信号的不同时间尺度的局部特征信号。经验模态分解法能使非平稳数据进行平稳化处理，然后进行希尔伯特变换获得时频谱图，就能得到有物理意义的频率。
53.步骤s200中，所述对绝缘子的微风振动震颤信号进行分解，具体为：
54.通过经验模态分解方法对绝缘子的微风振动震颤信号进行分解，获取绝缘子的微风振动震颤信号的固有模态函数分量；
55.对符合原始信号物理机制的固有模态函数分量进行希尔伯特变换，求出各自的瞬时幅值和瞬时频率。
56.希尔伯特变换的作用则是将实数信号变换成解析信号，把一个一维的信号变成了二维复平面上的信号，复数的模和幅角代表了信号的幅度和相位，以此能够得出imf分量的瞬时幅值和瞬时频率，用以分析绝缘子的震颤行为。
57.具体地，通过经验模态分解方法对绝缘子的微风振动震颤信号进行分解，获取绝缘子的微风振动震颤信号的固有模态函数分量，具体为：
58.步骤(1)：根据原始信号x(t)上下极值点，分别画出上、下包络线，得到max x(t)和min x(t)；
59.步骤(2)：求上、下包络线的均值，画出均值包络线m(t)；
60.步骤(3)：原始信号减均值包络线，得到中间信号h(t)＝x(t)-m(t)；
61.步骤(4)：判断该中间信号是否满足固有模态函数的两个条件，如果满足，该信号就是一个固有模态函数分量；如果不是，以该信号为基础，返回步骤(1)-(4)。
62.具体的，固有模态函数分量应该满足两个约束条件，即：
63.一：在整个数据段内，极值点的个数和过零点的个数必须相等或相差最多不能超过一个。即不能出现某次穿过零点后有多个极点。
64.二：在任意时刻，由局部极大值点形成的上包络线和由局部极小值点形成的下包络线的平均值为零，即上、下包络线相对于时间轴局部对称。
65.将处理好的imf分量进行希尔伯特变换，才能得到各自的瞬时幅值和瞬时频率，得到hilbert(希尔伯特)信号谱，获取imf分量的hilbert瞬时幅值和imf分量的hilbert瞬时频率。
66.根据所述每个固有模态函数分量的瞬时频率得到绝缘子微风振动震颤信号的瞬时频率曲线图；
67.根据所述每个固有模态函数分量的瞬时幅值得到绝缘子微风振动震颤信号的瞬时幅值曲线图。
68.根据分解后的绝缘子微风振动震颤信号分析绝缘子的磨损情况，包括：
69.根据所述绝缘子微风振动震颤信号的瞬时频率曲线图分析绝缘子的黏着磨损的情况；
70.根据所述绝缘子微风振动震颤信号的瞬时幅值曲线图得到绝缘子相对位移的大小，即绝缘子受微风振动的程度，绝缘子磨料磨损情况。
71.具体的，通过绝缘子微风振动震颤信号得到的瞬时频率曲线图，可以分析出绝缘子在受到微风振动的作用时，绝缘子震颤频率会迅速加速，其会造成绝缘子的黏着磨损；通过震颤信号的瞬时幅值曲线图可以得知，在微风振动的影响下，绝缘子相对位移会迅速加大，因此会造成绝缘子和金具间的磨损，属于磨料磨损。
72.具体的，设计加速度传感器时，应当因地适宜，灵活运用。不同传感器在不同的环境下作用效果不同，例如在低温地区，如内蒙古等高寒地区时应该使用耐低温的加速度传感器，如若是在常温自然状态下测试振动数据时就使用常温的传感器。
73.具体的，在对传感器进行封装时，应该包括传感器与信号采集单元、信号处理和传输通信单元、以及电源单元。
74.传感器和信号采集单元是用来收集绝缘子震颤信号的；信号处理单元是利用emd和ht联合方法对传感器收集来的信号进行处理的；传输通信单元则是将处理后的震颤信号发送出去，好方便后台终端监测；电源单元应该选择电池供电方式，对于设备功耗具有一定要求，不能过大，选择小功耗锂电池即可。
75.具体的，对传感器的安装制定了相应的标准作业指导，以此来缩短安装时间及保证安装质量。作业指导包括安装前的检查工序、安装工序及安装后的检查工序。检查工序：检查传感器安装夹具，要求零件表面光泽，无毛刺、无尖端，螺丝孔内无毛刺；检查装配所需要的螺丝型号，夹具安装螺丝必须拧紧，无滑丝现象，长度按照标准尺寸配置。
76.安装工序：应该将传感器直接安装在复合绝缘子高压端的金具上；将螺丝螺纹必须全部拧到位，并且确保固定螺丝没有多余的螺纹裸露在外，紧固螺丝无松动。安装后的检查工序：首先检查传感器固定夹具螺丝有无松动或未拧到位的现象；其次检查传感器与金具接触点是否接触充分。
77.具体的，选择内蒙古区域的220kv同塔双回耐张线路为例来说明该分析方法，案例采用导线为2*lgj-300/40，绝缘子为fxbw4-220/110，以及配套的系列金具，下相对地距离为10m。
78.如图3所示，为本发明实施例中提供的一种输电线路的微风振动震颤信号分析方法的流程图，其中的s1-s4表示方法中的各步骤。
79.具体步骤为：
80.s1：选择耐低温的加速度传感器；
81.s2：将传感器直接安装在复合绝缘子高压端的金具上；
82.s3：收集传感器所监测到的绝缘子震颤的数据；
83.s4：分析绝缘子震颤行为。
84.接下来针对上述的每一步骤做进一步说明：
85.在步骤s1前，应先确定输电线路所在区域的自然环境，根据不同的环境选择与该环境匹配的传感器。步骤s1中，就因内蒙古的高寒气候选择了耐低温的加速度传感器，由此，利用本发明在本实施例中提供的一种输电线路的微风振动震颤信号分析方法与输电线路所在区域的真实自然环境相符合，能够真实反映输电线路所在真实环境中绝缘子震颤运动对输电线路的影响。
86.步骤s2中，安装传感器时，由于需要测量微风振动对绝缘子震颤运动的影响，所以应该直接安装在复合绝缘子高压端的金具上。对加速度传感器进行二次时间积分，即可获得震颤移动数据，优化的传感器参数为量程-500mm到 500mm，精度0.05％，灵敏度0.05％，频率响应500hz。为方便分析绝缘子震颤移动数据，如图2所示，建立绝缘子震颤运动坐标，以无风状态绝缘子的高压端金具为原点，以垂直输电线路(非导线跳线)为水平坐标(x坐标)，以垂直绝缘子，输电杆塔上方为纵向坐标(y坐标)，沿着绝缘子方向为横向坐标(z坐标)，方便计算出绝缘子运动的时间、方向和幅度；
87.步骤s3中，用安装好的传感器收集绝缘子震颤数据，通过该步骤，可有效获取绝缘子震颤的数据，这些数据包括绝缘子运动的时间、绝缘子震颤瞬时频率、绝缘子震颤幅值、绝缘子最大位移量等。
88.可分析出微风振动对输电线路绝缘子震颤运动的影响；
89.在步骤s4中，分析绝缘子震颤运动，如图4所示为绝缘子震颤运动分析方法流程图，a1到a4为分析方法的步骤。
90.a1-a2：通过经验模态分解方法对绝缘子震颤信号进行分解，获取这些震颤信号的固有模态函数分量；
91.emd分解过程是简单直接的，分解过程大致如下：
92.(1)根据原始信号x(t)上下极值点，分别画出上、下包络线，得到max x(t)和min x(t)。
93.(2)求上、下包络线的均值，画出均值包络线m(t)。
94.(3)原始信号减均值包络线，得到中间信号h(t)＝x(t)-m(t)。
95.(4)判断该中间信号是否满足imf的两个条件，如果满足，该信号就是一个imf分量；如果不是，以该信号为基础，重新做(1)-(4)的分析。所以说imf分量的获取通常需要若干次的迭代，才能得到较为准确的数据。
96.a3-a4：对符合原始信号物理机制的imf分量进行希尔伯特变换，求出各自的瞬时幅值和瞬时频率，得到hilbert信号谱，获取hilbert幅值和hilbert频率。
97.为在内蒙古地区实现输电线路的微风振动震颤信号分析，本专利特意将自然风带来的风压时程应用于220kv线路模型作为激励源，导线附近最大风速约为15-20m/s。此时，输电线路的震颤运动为典型的风激振动，冲击频率相对稳定，该频率fs的计算方法为：fs等于φ分之vr与s的乘积，vr是输电线路附近的风速；φ为输电导线外径，220kv以上分裂导线根据分裂数进行换算；s是strouhal数，我国一般取0.2。因此，由方程式可知，导线震颤频率与风速成正比。
98.为准确分析微风振动对输电线路的影响。首先，需建立一个微风振动的测试模型，
将自然风未到达输电导线所在位置，且沿自然风运动方向距离导线50m处标记为起风时间(t＝0s)，结束时间(t＝3.6s)标记为自然风通过该线50m后的结束时间。在0s-3.6s过程中，通过分析方法可以得到绝缘子震颤的瞬时频率曲线，如图5所示：绝缘子震颤的瞬时频率曲线是一条在 100hz到-100hz区间内上下波动的曲线，绝缘子震颤的瞬时频率从1.2s开始，瞬时频率明显增大，而此时微风基本处于导线所在位置，其引起的绝缘子震颤频率迅速加速，这说明微风振动对绝缘子震颤有直接的关联。在1.8s左右达到最大值，在2s和2.8s有增加的趋势，最大频率接近100hz。当微风离开时，绝缘子的震颤频率开始下降，在3.6s后接近正常值。从整个时间长度来看，判定微风振动是有规律的波浪状的往复运动，且是非良性的顺序运动，频率规律基本符合微风振动理论规律。此外，绝缘子自身振动的瞬时频率约为50hz，说明绝缘子一直受微风振动的影响。
99.微风引发绝缘子的振动会带来一系列故障，微风引发绝缘子的震颤频率并不是固定的，通常低于100hz，这种震颤均为低频震颤，因此不会引起输电线路的共振。
100.然而，间歇式持续微风的震颤运动会加速绝缘子金具和导线的磨损，导致金具磨损故障和导线断股，甚至会发生局部大停电等重大事故，特别是在内蒙古风区和黑龙江风区，受到自然风的影响程度更大，自然风的影响则会加剧导线和绝缘子金具的磨损。
101.以获取的震颤数据为例，在0s到3.6s的过程中，可以通过分析方法进而获取绝缘子震颤幅值曲线，如图6所示：从1.2s开始绝缘子震颤幅值会增加，此时微风基本上到达导线位置，此时引起的最大位移会迅速加大，约在第1.8s时处于最大值，在第2s、第2.8s处均有频率变大的趋势，最大位移接约8cm，微风离开后，震颤位移开始下降，在第3.6s后接近普通值，从整个的时间长度，最小位移也显示同样的规则随着时间的推移，但随着风速、风的方向移动，也就是说，整个绝缘子向着风的方向移动，从1.4s到3.5s，绝缘子的绝对位移相比较来说比较大，超过5cm，很明显微风和绝缘子震颤有直接的联系。专利分析微风振动对绝缘子震颤的影响，为输电线路运行提供参考，该方法可对高速铁路穿越输电线路引发绝缘子震颤进行分析，从而提升跨越高铁的输电线路运行安全水平。
102.一般情况下，输电走廊与微风并非垂直交叉跨越，微风引发绝缘子风振的水平分量和横向分量导致导线绝缘子水平位置运动，以及纵向分量引起绝缘子的上下运动，从而导致垂直位置变化，绝缘子振动运动的整个过程相对于一个三维运动过程，水平分量处于主导地位，这一过程导致连接件粘着磨损，直接增加了输电线路绝缘子两端连接件磨损的失效概率。因此，建议增加耐磨线材及配件的应用。根据现场监测数据、现场参数和内蒙古风区的风参数，综合考虑输电塔的设计高程优化。此外，维护人员需要加强对输电线路的运行管理指导，通过监测获取输电线路的薄弱环节，制定切实可行的现场运行维护流程，提高输电线路的安全水平。
103.实施例二
104.本实施例提供了一种输电线路的微风振动震颤信号识别系统，包括：
105.信号获取模块，被配置为获取绝缘子的微风振动震颤信号；
106.信号分解模块，被配置为对绝缘子的微风振动震颤信号进行分解；
107.信号分析模块，被配置为根据分解后的绝缘子微风振动震颤信号分析绝缘子的磨损情况。
108.此处需要说明的是，上述信号获取模块、信号分解模块和信号分析模块对应于实
memory，ram)等。
120.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。