一种区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制方法及系统与流程

1.本发明涉及电力设备振动信号检测技术领域，具体涉及一种区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制方法及系统。


背景技术：

2.目前，用于变压器振动检测的传感器主要是有线式振动传感器，在实际应用中，要想准确检测变压器需要布置多个振动传感器，而且许多变压器大多安装在户外，采用有线振动传感器存在接线复杂、不易安装等问题。随着传感器技术的高速发展，也有一些无线振动传感器被小范围使用在变压器振动检测上，但这些传感器大多采用电池供电，采用无线振动传感器需要定期给电池充电或更换电池，这限制了传感系统的单次运行时间。现阶段的无源无线振动传感器技术在飞速发展，也出现了一些用在变压器上的无源无线振动传感器，但是这些传感器都直接输出变压器铁芯和绕组的混合振动信号，造成了后续对变压器振动信号的分析步骤繁琐。
3.首先，现有技术采集到的都是变压器混合振动信号，变压器混合振动信号由铁芯磁致伸缩产生铁芯信号和电流通过绕组时在绕组间、线饼间、线匝间产生动态电磁力引起的绕组振动信号组成，此外还有一些电源噪声、环境噪声、电磁干扰导致变压器信号更加的复杂，复杂的变压器信号对后续分析易造成干扰或使之步骤繁琐。
4.变压器绕组的信号主要是在100hz这个频段，由于绕组绝缘垫块的应变力有一定的非线性特征，所以变压器绕组振动信号存在高次谐波分量，但是其远小于基频分量。而铁芯的振动信号主要由铁磁材料的磁致伸缩产生，因为磁场变化具有很强的非线性，所以铁芯振动信号，除了含有100hz基频以外，还同时含有200hz、300hz以及400hz等高次谐波分量且都很大。所以变压器的混合振动信号的频谱特征主要集中于中低频，且由于铁芯振动信号和绕组振动信号特征的相似，现有技术可以从混合振动信号的异常中判断变压器故障，然而具体的故障定位精度还有待提高。虽然对于混合信号，可以通过高频分量的存在判断铁芯松动等故障，但对于绕组故障以及一些不出现高频分量的故障，判断其故障出现在绕组还是铁芯难度较高，比如基频幅值增大，很难确定是绕组故障导致的，还是铁芯故障导致的，铁芯松动基频幅值会增大，绕组松动基频幅值也会增大。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制方法及系统，本发明能够找到各组变压器混合振动信号中铁芯和绕组两个信号间互相独立的部分继而采用独立分量分离的办法分离信号，直接输出变压器绕组振动信号和铁芯振动信号，能较好地保留原信号的信息成分，可以更加有效地分解振动信号。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明提供一种区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制方法，包括下述步骤：
8.采集多组变压器混合振动信号，对采集的各组变压器混合振动信号进行信号预处
理，包括去噪滤波及信号放大处理；
9.对各组变压器混合振动信号进行vmd分解，分解出多个子空间；
10.采用计算互信息方法获得变压器铁芯和绕组的振动信号独立子空间，采用统计的方法获得铁芯和绕组的振动信号的相关性，得到各个子空间的铁芯与绕组信号的互信息值大小；
11.对各个子空间的铁芯与绕组信号的互信息值大小进行归一化处理，设定互信息值大小的选取阈值，根据选取阈值对应的子空间进行重构，得到变压器混合振动信号的重构信号；
12.对各组重构信号进行fastica算法的分解，求出分离矩阵w，分离铁芯和绕组的振动信号，将高次谐波含量较高的振动信号输出为铁芯振动信号，将高次谐波含量较低的振动信号输出为绕组振动信号。
13.作为优选的技术方案，对各组变压器混合振动信号进行vmd分解时，设置模态分量的个数，根据模态分量的个数将各组变压器混合振动信号分解成多个子空间，并基于变压器正常信号频谱范围设置子空间带宽。
14.作为优选的技术方案，所述采用计算互信息方法获得变压器铁芯和绕组的振动信号独立子空间，采用统计的方法获得铁芯和绕组的振动信号的相关性，得到各个子空间的铁芯与绕组信号的互信息值大小，具体计算公式表示为：
[0015][0016]
其中，i(x；y)表示各个子空间的铁芯与绕组信号互信息值，x为变压器铁芯源信号，y为变压器绕组源信号，p(x,y)为二者的联合概率密度函数，p(x)、p(y)分别为变压器铁芯源信号、变压器绕组源信号的边缘概率密度函数。
[0017]
本发明还提供一种区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制系统，包括：振动传感器、信号调理模块、信号处理控制模块、电源管理模块、无线数据传输模块和gsm短信报警模块；
[0018]
所述振动传感器与信号调理模块连接，所述信号调理模块与信号处理控制模块连接，所述信号处理控制模块分别与无线数据传输模块和gsm短信报警模块连接，所述电源管理模块分别与振动传感器、信号调理模块、信号处理控制模块、无线数据传输模块、gsm短信报警模块连接；
[0019]
所述振动传感器用于采集多组变压器混合振动信号；
[0020]
所述信号调理模块用于对采集的各组变压器混合振动信号进行信号预处理，包括去噪滤波及信号放大处理；
[0021]
所述电源管理模块用于为振动传感器、信号调理模块、信号处理控制模块、无线数据传输模块、gsm短信报警模块供电；
[0022]
所述无线数据传输模块用于传输振动信号；
[0023]
所述gsm短信报警模块用于在振动信号超过设定阈值时发出报警短信；
[0024]
所述信号处理控制模块用于对各组变压器混合振动信号进行vmd分解，分解出多个子空间；采用计算互信息方法获得变压器铁芯和绕组的振动信号独立子空间，采用统计的方法获得铁芯和绕组的振动信号的相关性，得到各个子空间的铁芯与绕组信号的互信息
值大小；对各个子空间的铁芯与绕组信号的互信息值大小进行归一化处理，设定互信息值大小的选取阈值，根据选取阈值对应的子空间进行重构，得到变压器混合振动信号的重构信号；对各组重构信号进行fastica算法的分解，求出分离矩阵w，分离铁芯和绕组的振动信号，将高次谐波含量较高的振动信号输出为铁芯振动信号，将高次谐波含量较低的振动信号输出为绕组振动信号。
[0025]
作为优选的技术方案，对各组变压器混合振动信号进行vmd分解时，设置模态分量的个数，根据模态分量的个数将各组变压器混合振动信号分解成多个子空间，并基于变压器正常信号频谱范围设置子空间带宽。
[0026]
作为优选的技术方案，所述采用计算互信息方法获得变压器铁芯和绕组的振动信号独立子空间，采用统计的方法获得铁芯和绕组的振动信号的相关性，得到各个子空间的铁芯与绕组信号的互信息值大小，具体计算公式表示为：
[0027][0028]
其中，i(x；y)表示各个子空间的铁芯与绕组信号互信息值，x为变压器铁芯源信号，y为变压器绕组源信号，p(x,y)为二者的联合概率密度函数，p(x)、p(y)分别为变压器铁芯源信号、变压器绕组源信号的边缘概率密度函数。
[0029]
作为优选的技术方案，所述电源管理模块设有太阳能板、电源管理芯片cn3065、电容c1、电容c2、发光二极管d1、发光二极管d2、二极管d3、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4和锂电池；
[0030]
太阳能板输出端一端接地，另一端连接电容c1一端，电容c1另一端接地；
[0031]
电容c1一端与电阻r1一端连接，电阻r1另一端分别与发光二极管d1、发光二极管d2的阳极连接，发光二极管d1的阴极与电源管理芯片cn3065的charge引脚连接，发光二极管d2的阴极与电源管理芯片cn3065的done引脚连接；
[0032]
太阳能板输出端另一端与电源管理芯片cn3065的vin引脚连接；
[0033]
电源管理芯片cn3065的iset引脚与电阻r2连接，
[0034]
电源管理芯片cn3065的bat引脚与锂电池连接正极连接，锂电池负极接地，锂电池两端并联电容c2；
[0035]
电源管理芯片cn3065的temp引脚连接热敏电阻，temp引脚经过电阻r3与vin引脚连接；
[0036]
电源管理芯片cn3065的fb引脚连接锂电池连接正极，用于监测锂电池的正极电压；
[0037]
电源管理芯片cn3065的fb引脚还连接电阻r4一端，输出充电电压，电阻r4另一端与二极管d3负极连接，二极管d3正极接地，电阻r4与二极管d3构成稳压电路。
[0038]
作为优选的技术方案，所述信号调理模块设有运放opa2277，用于将输出信号做分压处理后输出至信号处理控制模块。
[0039]
作为优选的技术方案，所述无线数据传输模块采用lora网络，采用470mhz频段进行通信。
[0040]
作为优选的技术方案，所述信号处理控制模块设有tms320f2812芯片，所述gsm短信报警模块设有tc35i芯片，tc35i芯片的第24～29引脚同sim卡的相应的引脚相互连接，第
9引脚txd和第10引脚rxd分别接tms320f2812的rxd脚和txd脚，同时连接tc35i芯片的vcc引脚和gnd引脚。
[0041]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0042]
(1)本发明能够找到各组变压器混合振动信号中铁芯和绕组两个信号间互相独立的部分继而采用独立分量分离的办法分离信号，采用vmd的方法分离子空间，具有很好的自适应性，能较好地保留原信号的信息成分，有处理非平稳信号的能力，可以更加有效地分解振动信号。
[0043]
(2)本发明采用太阳能供电，并通过电源管理芯片实现智能充放电，功耗小，延长了电池使用寿命；采用lora网络进行无线传输数据，功耗极低传输距离远，传感器安装灵活无需布线；dsp处理器分离信号后直接输出变压器铁芯和绕组的振动信号使得后续的分析更加便捷，可以直接通过变压器铁芯和绕组的信号的特征提取快速定位故障位置。
附图说明
[0044]
图1为本发明区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制方法的流程示意图；
[0045]
图2为本发明变压器混合振动信号示意图；
[0046]
图3为本发明分离的铁芯振动信号示意图；
[0047]
图4为本发明分离的绕组振动信号示意图；
[0048]
图5为本发明区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制系统的框架示意图；
[0049]
图6为本发明电源管理模块的工作过程示意图；
[0050]
图7为本发明电源管理模块的电路结构示意图；
[0051]
图8为本发明信号调理模块的电路结构示意图；
[0052]
图9为本发明信号处理控制模块的电路结构示意图；
[0053]
图10为本发明无线数据传输模块的电路结构示意图。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0055]
实施例1
[0056]
如图1所示，本实施例提供一种区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制方法，包括下述步骤：
[0057]
s1：采集两组以上变压器混合振动信号，将采集的各组混合振动信号y(t)看作多个子空间yi(t)的集合：其目的是为了可以找到各组混合信号中铁芯和绕组两个信号间互相独立的部分继而采用独立分量分离的办法分离信号。
[0058]
s2：为了找到各组混合信号中铁芯和绕组两个信号间互相独立的部分，采用vmd的方法分离出子空间yi(t)。由于vmd对噪声敏感，所以需要对各组采集的混合振动信号进行去噪、滤波处理得到较为纯净的变压器混合振动信号。对各组变压器混合振动信号进行vmd分解时，设置模态分量的个数k为7(即将原变压器混合振动信号分解成7个子空间yi(t)，其
中i＝1,2,3,4,5,6,7)，由于变压器正常信号频谱范围在2000以内，取子空间带宽为2000。
[0059]
在本实施例中，采用vmd的方法分离子空间，具有很好的自适应性，能较好地保留原信号的信息成分，有处理非平稳信号的能力，可以更加有效地分解振动信号。
[0060]
s3：采用计算互信息方法找到铁芯和绕组的振动信号独立子空间，通过统计的方法找到两个随机变量即变压器绕组振动信号和变压器铁芯振动信号的相关性，其计算公式为：
[0061][0062]
其中，x为变压器铁芯源信号，y为变压器绕组源信号，p(x,y)为二者的联合概率密度函数，p(x)、p(y)分别为变压器铁芯源信号、变压器绕组源信号的边缘概率密度函数；通过判断分离后各个子空间的铁芯绕组信号互信息i(x；y)的值的大小，可以判断其子空间是否为独立子空间，互信息值越小，子空间越独立。
[0063]
s4：对计算的i(x；y)进行归一化处理，找到互相息值大的4个子空间进行重构，重构的信号为完全独立的变压器铁芯绕组振动信号混合成的变压器混合振动信号。归一化的作用是为了防止被较大或较小的计算结果影响，独立子空间重构采用vmd重构的方法。
[0064]
s5：对各组重构信号进行fastica算法的分解，求出分离矩阵w。
[0065]
s6：采集的纯净的变压器混合信号的表达式如下：
[0066]
y(t)＝as(t)
[0067]
其中y(t)是采集的变压器混合信号，s(t)是源信号(铁芯和绕组振动信号)，a是混合矩阵。上述式子将变压器的铁芯和绕组振动信号的混合看作是一个线性混合的过程。本实施例也是在线性混合的基础上，通过对比多组输出的混合信号y(t)(本实施例取两组)，找到一个分离矩阵w,这个分离矩阵的作用是用来估计出原始的源信号s(t)；本方法通过分离矩阵得出的结果是s’(t)，具体求解公式如下式：
[0068]
s’(t)＝wy(t)＝was(t)
[0069]
其中s’(t)为分离后的源信号，w即分离矩阵。为了使分离(估计)的结果和源信号s(t)误差尽可能小，当wa＝1时，s’(t)＝s(t)即分离出的信号为变压器铁芯和绕组的振动源信号。
[0070]
由步骤s5已知分离矩阵w，采集的混合信号左乘分离矩阵w，即可得到铁芯和绕组的振动信号。
[0071]
上述步骤只能分离出两组信号即铁芯和绕组的信号，但是两组信号分离后的信号的排序是随机的，并不能智能的判断哪一组为铁芯振动信号，哪一组为绕组振动信号，下面提供了一种判断分离信号具体为什么信号的方法。
[0072]
铁芯和绕组的振动信号十分相似，都是周期性信号，且都含有100hz基频，但是铁芯振动信号含有高次谐波分量，而绕组信号理想条件下没有高次谐波，但由于绕组绝缘垫块的应变力有一定的非线性特征，绕组信号也可能含高次谐波，但是铁芯振动信号的高次谐波含量大于绕组的含量，由此将高次谐波含量较高的振动信号输出为铁芯振动信号，将高次谐波含量较低的振动信号输出为绕组振动信号。由此可以确定分离的信号对应为绕组振动信号还是铁芯振动信号。
[0073]
现有的ica算法主要是用来分离两个互相独立的信号，而变压器绕组和铁芯是连
接在一起的，两者的振动信号会互相的影响、混叠，所以二者的信号并不是完全独立的，使用现有的ica算法不能很好的分离。本技术通过改进该ica算法，找到两个信号间互相独立的部分继而采用独立分量分离的办法分离信号，从而实现分离不完全独立的信号。
[0074]
如图2-图4所示，得到分离结果，其中图2为变压器混合信号，图3为分离的铁芯信号，图4为分离的绕组信号。
[0075]
实施例2
[0076]
如图5所示，本实施例提供一种区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制系统，包括：包括：振动传感器、信号调理模块、信号处理控制模块、电源管理模块、无线数据传输模块和gsm短信报警模块；
[0077]
在本实施例中，振动传感器采用压电式加速度传感器ca-yd-168,其最高可检测10khz的频率，适用于变压器振动信号的采集；
[0078]
在本实施例中，信号调理模块用于进行信号预处理(信号放大)，输出的振动信号可以被dsp识别；
[0079]
在本实施例中，信号处理控制模块采用tms320f2812型号dsp处理器，用于对传感器系统的所有功能进行智能化控制与管理，智能化控制传感器工作模式：分为低功耗模式和正常工作模式，数字滤波、控制发送报警信号等智能功能，采用了上述实施例1中的区分变压器绕组与铁芯振动信号的控制方法对原始的采集信号进行分离，直接输出变压器绕组振动信号和铁芯振动信号。
[0080]
在本实施例中，电源管理模块为振动传感器、信号调理模块、信号处理控制模块、无线数据传输模块、gsm短信报警模块供电；
[0081]
如图6所示，太阳能板将太阳能转换为电能，通过电源管理芯片cn3065再对锂电池充电，接着再通过dc/dc转换器转换为不同的工作电压为各个模块供电(注意给传感器供电需要恒流供电，本实施例采用lt3092芯片使其恒流)。
[0082]
如图7所示，电容c1是滤波电容保证电路稳定性；两个发光二极管d1、d2连在芯片内部的三级管的漏极指示端(即芯片done和charge引脚)上用来表示电路的工作状态；电阻r2防止电流过大；芯片cn3065的bat引脚接锂电池给电池充电；芯片cn3065的temp引脚接热敏电阻用来监测温度，温度过高芯片cn3065会停止充电，其原理利用temp引脚的功能，temp管脚电压小于输入电压的46％时就会停止充电；芯片cn3065的fb引脚用来监测锂电池的正极电压。充电电路通过芯片vin引脚和bat引脚的电压差实现智能充电，如果电压差小于20mv,芯片就会停止充电，进入休眠状态；电阻r4与二极管d3构成稳压电路，保持锂电池输出电压稳定。
[0083]
在本实施例中，电源管理模块中设有14500锂电池，输出电压为4.2v，经过dc/dc转换器后可给各个模块供电，功耗低。
[0084]
如图8所示，信号调理模块的电路中通过运放opa2277将输出信号做分压处理确保输出信号小于等于3v可直接连接至dsp处理器；
[0085]
如图9所示，信号处理控制模块采用c型号dsp处理器，其功能主要是通过软件编程实现振动检测处理，工作电源电压范围是1.8v到3.6v，本实施例优选为3.3v。上电后，模拟信号输入芯片，tms320f2812自带的ad转换模块开始工作将其转换为数据信号进行处理，数据处理功能具体包括数据转换、算法滤波、振动信号提取。dsp处理器还能智能化控制传感
器工作模式：分为低功耗模式和正常工作模式，与此同时具有信息处理、混合信号分离、数字滤波、控制发送报警信号等智能功能(低功耗模式下，装置仅能进行数据采集和进行初步阈值报警功能，正常工作模式包括上述所有功能)，该控制电路采用sp708复位芯片进行复位；xout引脚与xin引脚连接的是晶振电路，晶振电路为系统提供基本的时钟信号。tms320f2812通过四个spi口与无线数据传输模块进行串行通信。tms320f2812通过2个sci口与gsm模块进行串行通信。dsp处理器处理能力强大、功耗极低。dsp处理器要实现程序烧写和仿真调试必须借用jtag接口电路。dsp处理器可以输出较为纯净的振动信号。
[0086]
如图10所示，无线数据传输模块采用lora网络，用于振动数据的发送；lora网络相比其他无线网络功耗极低，传输距离远。本实施例采用470mhz频段进行通信，选用的芯片是sx1278，sx1278芯片的休眠电流小于0.2ua，空闲时电流为1.6ma，接收和发送时分别为9.9ma和120ma，功耗更低。电源管理模块为电路三个电源引脚提供3.3v电压，射频芯片开始工作，接收的数据经过放大、转换为无线电信号等处理，经过射频开关，通过天线传输到上位机。在电路图中，电源并联滤波电容保证了供电的稳定性，电容c20、c22与电感组成并联谐振电路，用于信号选择；发射电路和接收电路都通过电容和电感组成天线匹配电路，并通过滤波电容减少干扰；射频芯片采用pe4259芯片，该芯片使无线电路发射和接收区分开来，提升信号质量减少干扰。无线数据传输模块传输距离远、功耗低、抗干扰能力强、灵敏度高，可以很好地传输变压器振动信号。
[0087]
在本实施例中，gsm短信报警模块用于当采集到的振动信号超过设定阈值时给手机发出报警短信。
[0088]
gsm短信报警模块采用tc35i。tc35i的第24～29引脚同sim卡的相应的引脚相互连接。gsm短信报警模块9脚txd和10脚rxd分别接tms320f2812的rxd脚和txd脚，同时连接好tc35i芯片的vcc引脚和gnd引脚，这样就可以完成gsm短信报警模块与单片机之间的通信。当采集到的振动信号超过设定阈值时单片机给驱动gsm短信报警模块，gsm短信报警模块给手机发出报警短信。
[0089]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。