配电柜故障检测方法、系统、电子设备以及存储介质与流程

本公开涉及配电柜故障检测，尤其涉及一种配电柜故障检测方法、系统、电子设备以及存储介质。

背景技术：

1、配电柜由于具有结构紧凑、可靠性高、安全性强、运行维护方便等优点，因而被广泛用于重要负荷及枢纽变电站中，是当今输电网络中一种应用广泛的电气设备，其稳定可靠运行直接关系到电力系统的安全。运行中的配电柜总存在固有的振动频率，当设备存在紧固件松动、开关触头接触不良、壳体对接不平衡等机械性缺陷时，在交变电动力、电磁力、开关操作机械力等因素的作用下就会产生不同振动频率的机械运动，进而造成设备异响振动。异常振动对配电柜危害巨大，可能会引发螺栓松动、气体泄漏、气体压力下降、绝缘子损坏、外壳接地点悬浮等故障，严重时将造成绝缘事故。加强对配电柜机械性振动故障的检测是保证配电柜安全运行的重要手段。

2、机械故障诊断方法有很多，传统的机械设备的故障诊断大多数是基于振动信号的测量和分析，需要工作人员将传感器贴于机械内部，可能会对工作人员造成一定的危险。由于放置于机械内部的传感器个数有限，测定的位置信号不全面，往往无法全局性地检测出机械中故障发生地位置。同时贴于机械上的传感器也可能会对采集到的信号造成影响。

技术实现思路

1、提供该公开内容部分以便以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。该公开内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

2、本公开实施例提供了一种配电柜故障检测方法、系统、电子设备以及存储介质，定位远场多声源精度有所提高，提高了高混响与低信噪比环境中的定位精度，解决了混响环境中邻近声源定位问题，进而提高了配电柜故障检测精度，解决了用接触式进行机械故障检测导致测定的位置信号不全面、无法全局性地检测出机械中故障发生地的位置等不足的问题。

3、第一方面，本公开实施例提供了配电柜故障检测方法，包括：信号获取，在配电柜上采用立体开放球形传声器阵列对配电柜进行捕获3d声场信号；信号处理，利用球谐域下信号的频率分量与角度分量解耦的优势，从而可直接利用频率平滑技术处理宽带语声信号平面得到波密度函数；声源定位，在球谐域下通过设置阈值对一组时频段进行主导声源检测，从而选择出包含直达声的一组时频块来构造多重信号分类群时延空间谱；故障检测，根据获得的声源位置，通过波束形成延长、求和、加权处理对建立点扩散函数与实际的声源位置的卷积关系进行迭代计算，更新聚焦点的位置，输出声场分布云图与可见光图像进行叠加得到故障声源产生的位置。

4、结合第一方面的实施例，在一些实施例中，所述信号获取，在配电柜上采用立体开放球形传声器阵列对配电柜进行捕获3d声场信号，包括：

5、32个全向型传声器以均匀采样位置分布放置在球形表面；

6、假设在配电柜上存在一个由v个平面波组成的声场

7、

8、其中，λv为第v个声源的角度，θv为俯仰角，为方位角；

9、声场由半径为r、传声器数量为h的球形传声器阵列进行采样32个3d时域声压信号。

10、结合第一方面的实施例，在一些实施例中，所述信号处理，利用球谐域下信号的频率分量与角度分量解耦的优势，从而可直接利用频率平滑技术处理宽带语声信号平面得到波密度函数，包括：

11、对时域声压接收信号进行短时傅里叶变换得到时频域声压数据模型p(k,r,φh)，其中，位于角度的第h个传声器的声压在频域的表达式为

12、

13、k＝2πc/e

14、其中，k为波数，v(k,φ,λ)为导向矢量，描述了相对于坐标原点，sv(k)为第v个平面波相对于坐标原点的复振幅，nv(k)为空间白噪声，传声器阵列角度为φ对入射角度为λ的平面波的响应，e为声速，c为频率；

15、对时频域声压信号进行离散球形傅里叶变换得到球谐波域声压系数pnm(k)

16、

17、s≥kr

18、h≥(s+1)2

19、其中，s为球谐阶数，是n阶m度的球谐函数，ωh是传声器采样权重；

20、对球谐波域声压系数进行平面波分解以补偿球阵的模态响应幅度，得到平面波密度函数anm(k)

21、

22、单个平面波sv(k)的球傅里叶变换为

23、

24、模态强度gn(kr)由阵列配置决定

25、gn，open(kr)＝4πhnjn(kr)

26、

27、

28、将所有(s+1)2个特征束组合成一个向量

29、

30、对空间白噪声进行球傅里叶变换，模式强度补偿，求得球面谐波系数为

31、

32、将所有(s+1)2个特征束组合成一个向量

33、

34、其中，w表示转置算子。

35、结合第一方面的实施例，在一些实施例中，所述声源定位，在球谐域下通过设置阈值对一组时频段进行主导声源检测，从而选择出包含直达声的一组时频块来构造多重信号分类群时延空间谱，包括：

36、将相关矩阵的奇异值的比值与阈值ωdpd进行比较得到所有时频段执行主导声源检测

37、主导声源检测的一组时频段定义为

38、

39、

40、主导声源检测为

41、

42、其中，τ为时间帧，l为频率点，ωdpd为检测所设阈值；

43、通过主导声源检测的时频段的相关矩阵进行奇异值分解出一维信号子空间ds(τ，l)和(s+1)2-1维的噪声子空间dn(τ，l)

44、

45、其中，为奇异值分解出信号子空间和噪声子空间；

46、利用噪声子空间dn与导向矢量y(ψ)的正交性构造多重信号分类幅度谱

47、

48、其中，pmusic(λ)为多重信号分类幅度谱；

49、对特征值对应的特征向量和导向矢量的乘积求梯度得到相位特征

50、

51、利用多重信号分类幅度值和群时延频谱的乘积得到多重信号分类群时延谱

52、

53、其中，pdpd-mgd(λ)为多重信号分类群时延谱，为梯度算子，arg(.)为(.)的瞬时相位，为第u个特征值对应的特征向量；

54、对通过主导声源检测的多重信号分类群时延谱pdpd-mgd(λ)进行谱峰搜索，峰值对应的方位就是声源的doa信息，得到故障声源位置。

55、第二方面，本公开实施例提供了一种配电柜故障检测系统，包括：

56、信号获取单元，在配电柜上采用立体开放球形传声器阵列对配电柜进行捕获3d声场信号；

57、信号处理单元，利用球谐域下信号的频率分量与角度分量解耦的优势，从而可直接利用频率平滑技术处理宽带语声信号平面得到波密度函数；

58、声源定位单元，在球谐域下通过设置阈值对一组时频段进行主导声源检测，从而选择出包含直达声的一组时频块来构造多重信号分类群时延空间谱；

59、故障检测单元，根据获得的声源位置，通过波束形成延长、求和、加权处理对建立点扩散函数与实际的声源位置的卷积关系进行迭代计算，更新聚焦点的位置，输出声场分布云图与可见光图像进行叠加得到故障声源产生的位置。

60、结合第二方面的实施例，在一些实施例中，所述信号获取单元，在配电柜上采用立体开放球形传声器阵列对配电柜进行捕获3d声场信号，包括：

61、32个全向型传声器以均匀采样位置分布放置在球形表面；

62、假设在配电柜上存在一个由v个平面波组成的声场

63、

64、其中，λv为第v个声源的角度，θv为俯仰角，为方位角；

65、声场由半径为r、传声器数量为h的球形传声器阵列进行采样32个3d时域声压信号。

66、结合第二方面的实施例，在一些实施例中，所述信号处理单元，利用球谐域下信号的频率分量与角度分量解耦的优势，从而可直接利用频率平滑技术处理宽带语声信号平面得到波密度函数，包括：

67、对时域声压接收信号进行短时傅里叶变换得到时频域声压数据模型p(k,r,φh)，其中，位于角度的第h个传声器的声压在频域的表达式为

68、

69、k＝2πc/e

70、其中，k为波数，v(k,φ,λ)为导向矢量，描述了相对于坐标原点，sv(k)为第v个平面波相对于坐标原点的复振幅，nv(k)为空间白噪声，传声器阵列角度为φ对入射角度为λ的平面波的响应，e为声速，c为频率；

71、对时频域声压信号进行离散球形傅里叶变换得到球谐波域声压系数pnm(k)

72、

73、s≥kr

74、h≥(s+1)2

75、其中，s为球谐阶数，是n阶m度的球谐函数，ωh是传声器采样权重；

76、对球谐波域声压系数进行平面波分解以补偿球阵的模态响应幅度，得到平面波密度函数anm(k)

77、

78、单个平面波sv(k)的球傅里叶变换为

79、

80、模态强度gn(kr)由阵列配置决定

81、gn，open(kr)＝4πhnjn(kr)

82、

83、

84、将所有(s+1)2个特征束组合成一个向量

85、

86、对空间白噪声进行球傅里叶变换，模式强度补偿，求得球面谐波系数为

87、

88、将所有(s+1)2个特征束组合成一个向量

89、

90、其中，w表示转置算子。

91、结合第二方面的实施例，在一些实施例中，所述声源定位单元，在球谐域下通过设置阈值对一组时频段进行主导声源检测，从而选择出包含直达声的一组时频块来构造多重信号分类群时延空间谱，包括：

92、将相关矩阵的奇异值的比值与阈值ωdpd进行比较得到所有时频段执行主导声源检测

93、主导声源检测的一组时频段定义为

94、

95、

96、主导声源检测为

97、

98、其中，τ为时间帧，l为频率点，ωdpd为检测所设阈值；

99、通过主导声源检测的时频段的相关矩阵进行奇异值分解出一维信号子空间ds(τ，l)和(s+1)2-1维的噪声子空间dn(τ，l)

100、

101、其中，为奇异值分解出信号子空间和噪声子空间；

102、利用噪声子空间dn与导向矢量y(ψ)的正交性构造多重信号分类幅度谱

103、

104、其中，pmusic(λ)为多重信号分类幅度谱；

105、对特征值对应的特征向量和导向矢量的乘积求梯度得到相位特征

106、利用多重信号分类幅度值和群时延频谱的乘积得到多重信号分类群时延谱

107、

108、其中，pdpd-mgd(λ)为多重信号分类群时延谱，为梯度算子，arg(.)为(.)的瞬时相位，为第h个特征值对应的特征向量；

109、对通过主导声源检测的多重信号分类群时延谱pdpd-mgd(λ)进行谱峰搜索，峰值对应的方位就是声源的doa信息，得到故障声源位置。

110、第三方面，本公开实施例提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当上述一个或多个程序被上述一个或多个处理器执行，使得上述一个或多个处理器实现如第一方面上述的配电柜故障检测方法。

111、第四方面，本公开实施例提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面上述的配电柜故障检测方法的步骤。

112、本发明有益效果：该方法，通过信号获取，在配电柜上采用立体开放球形传声器阵列对配电柜进行捕获3d声场信号；信号处理，利用球谐域下信号的频率分量与角度分量解耦的优势，从而可直接利用频率平滑技术处理宽带语声信号平面得到波密度函数；声源定位，在球谐域下通过设置阈值对一组时频段进行主导声源检测，从而选择出包含直达声的一组时频块来构造多重信号分类群时延空间谱；故障检测，根据获得的声源位置，通过波束形成延长、求和、加权处理对建立点扩散函数与实际的声源位置的卷积关系进行迭代计算，更新聚焦点的位置，输出声场分布云图与可见光图像进行叠加得到故障声源产生的位置。定位远场多声源精度有所提高，提高了高混响与低信噪比环境中的定位精度，解决了混响环境中邻近声源定位问题，进而提高了配电柜故障检测精度，解决了用接触式进行机械故障检测导致测定的位置信号不全面、无法全局性地检测出机械中故障发生地的位置等不足的问题。