一种变压器绕组瞬态机械监测方法、装置和介质与流程

本发明涉及一种信号监测方法，尤其涉及一种变压器绕组瞬态机械监测方法、装置和介质。

背景技术：

1、运行中的变压器会持续产生由铁芯振动和绕组振动，其中，铁芯振动主要由硅钢片的磁滞伸缩力引起，与变压器的工作电压有关。绕组振动主要由负载与变压器漏磁场相互作用产生的电动力引起，与负载电流密切相关。当电网中存在出口短路时，作用在变压器绕组上的短路电动力激增，绕组振动加剧，这些暂态振动信号经绝缘油及变压器机械结构件等传递至箱壁表面，成为变压器箱壁振动信号的主要贡献者。而变压器绕组主要由电磁线按照一定结构绕制而成、在垫块与压紧部件工程组成的机械结构体，其机械结构的任何变化都可以从它的机械特性变化上得到反映。对运行中的变压器来说，这些振动信号可使用放置于变压器油箱壁上的振动加速度传感器方便获取，与变压器不存在电气连接，极易实现在线监测，从而大大提高了短路冲击下变压器绕组瞬态机械状态监测的灵敏性及准确性。

2、但在信号处理过程中，现有方式往往难以有效区分和过滤出由绕组振动引起的信号与其他噪声信号(如由油流引起的振动、机械设备运行的背景噪声等)，这会影响监测的准确性。且传统方法多依赖于时域、频谱分析，对于复杂的、非线性的瞬态振动信号，这些方法可能无法准确捕捉到所有关键特征，导致对绕组机械状态的判断不够精确。

技术实现思路

1、针对现有检测方法无法准确捕捉到所有关键信息导致判断不准确的问题，本发明提供一种变压器绕组瞬态机械监测方法和装置，通过同步挤压s变换和交叉梯度算子增加数据捕捉灵敏度，进而提高判断准确性。

2、本发明采用技术方案如下：一种变压器绕组瞬态机械监测方法，包括：

3、通过放置于变压器箱壁上的振动加速度传感器，获取短路电流作用下的变压器振动信号；

4、基于同步挤压s变换，计算变压器振动信号的归一化时频矩阵；进行同步挤压s变换的目的在于该方法能够在保持时间-频率分辨率的同时，有效适应信号的时频特性变化，从而准确捕捉变压器振动信号中的瞬态特征；

5、基于交叉梯度算子，获取归一化时频矩阵的归一化梯度矩阵；采用交叉梯度算子的作用是识别和强调信号中的局部突变区域，进而突出信号时频特征中的关键变化，有效增强变压器振动信号中与绕组机械状态密切相关的瞬态特征的敏感性；

6、基于归一化时频矩阵和归一化梯度矩阵，构建时频-梯度共生矩阵，可快速提取出与变压器绕组状态信息密切相关的低维特征，去冗余、降低计算难度；

7、基于提取时频-梯度共生矩阵，构建振动信号特征向量，从而为变压器绕组瞬态机械强度的判别提供依据；

8、计算振动信号特征向量与单位向量的夹角，根据该夹角变化值对变压器绕组瞬态机械强度进行判别。

9、进一步地，变压器振动信号的归一化时频矩阵具体计算过程如下：

10、对变压器振动信号进行s变换，获得s变换系数表达式，计算公式为：

11、

12、式中：t为时间，b为时移参数，f为采集信号的频率，i为虚数单位，v(t)为变压器振动信号时间序列，st(f,b)为振动信号v(t)的s变换结果；

13、根据s变换系数表达式计算变压器振动信号的瞬时频率，计算公式为：

14、

15、式中：i代表虚数单位；表示瞬时频率；

16、根据振动信号的瞬时频率进行同步挤压s变换，获得更精细化的时频变换结果。在此过程中，将频率-时间平面上的st计算结果映射至瞬时频率-时间平面上的ssst计算结果，同步挤压s变换计算公式为：

17、

18、

19、δfk＝fk-fk-1  (5)；

20、式中：求和符号∑下方的内容为求和条件，即fk在满足的条件下，求|st(fk,bn)|fkδfk的和；fk为第k个频率，fk-1为第k-1个频率，k＝1,2,...,k，k为频率个数；为第l个瞬时频率，为第l-1个瞬时频率，根据公式(2)计算获得，l＝1,2,...,l，l为瞬时频率个数；bn为第n个时移参数，n＝1,2,...,n，n为时移参数个数；为同步挤压s变换得到的相邻瞬时频率之间的间隔；δfk为s变换得到的相邻频率之间的间隔。

21、对经同步挤压s变化获取的时频矩阵进行归一化处理，获得归一化时频矩阵b(l,n)，其维数为m×n，归一化计算公式为：

22、

23、式中：bmax为经同步挤压s变换获取的时频矩阵中的最大值；bnor为归一化后的最大值；int(.)表示取整函数。

24、进一步地，归一化时频矩阵的归一化梯度矩阵具体过程为：

25、基于交叉梯度算子计算同步挤压s变换时频矩阵的梯度矩阵，表示为：

26、gx(l,n)＝b(l+1,n)-b(l,n+1)  (7)；

27、gy(l,n)＝b(l+1,n+1)-b(l,n)  (8)；

28、

29、式中：gx(l,n)表示行梯度算子，逐行计算同步挤压s变换时频谱的梯度；gy(l,n)表示列梯度算子，逐列计算同步挤压s变换时频谱的梯度；g(l,n)表示综合梯度算子；

30、计算归一化梯度矩阵g(l,n)，计算公式为：

31、

32、式中：gmax表示梯度矩阵中的最大值；gnor表示归一化后的最大梯度值；g(l,n)表示归一化梯度矩阵；int(.)表示取整函数。

33、进一步地，基于归一化时频矩阵和归一化梯度矩阵计算时频-梯度共生矩阵h，其维数为nα×nβ，计算公式如下：

34、

35、

36、

37、式中：h(i,j)为时频-梯度共生矩阵h中第i行和第j列的元素；|·|表示取绝对值。

38、进一步地，提取并排列共生矩阵中的纹理特征参数，形成特征向量，所述的特征向量表达式为n＝[tmin,tmax,uf,ug,hf,hg]，其中所述纹理特征参数包括共生矩阵纹理特征参数小梯度优势tmin和大梯度优势tmax、能量分布不均匀性uf和梯度分布不均匀性ug、以及能量熵hf和梯度熵hg。

39、

40、

41、

42、

43、

44、

45、

46、式中，p(α,β)代表图像中一个像素点位于灰度值为α、梯度值为β处的共生矩阵的概率。

47、进一步地，夹角计算的具体过程为：

48、将当前变压器振动信号和历史变压器振动信号分别作为短路电流作用下的变压器振动信号，分别获得当前变压器振动信号和历史变压器振动信号的特征向量；

49、分别计算当前变压器振动信号与单位向量的夹角以及历史变压器振动信号的特征向量与单位向量的夹角，进而获得夹角的变化率，计算公式为：

50、

51、

52、

53、式中：e代表模为1的单位向量；θ1表示待检变压器振动信号特征向量n1与单位向量的夹角；θ0表示历史变压器振动信号特征向量n0与单位向量的夹角；δθ表示夹角的变化率，历史变压器振动信号为出厂状态进行短路测试时的信号。

54、根据夹角的变化对变压器绕组瞬态机械强度进行判别：当夹角变化率大于阈值时，则判断变压器绕组瞬态机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理，避免形成重大故障。

55、一种变压器绕组瞬态机械监测装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述的变压器绕组瞬态机械监测方法。

56、一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述的变压器绕组瞬态机械监测方法。

57、一种变压器绕组瞬态机械监测装置，包括：

58、获取单元，用于获取短路电流作用下的变压器振动信号；

59、变换单元，用于基于同步挤压s变换，计算变压器振动信号的归一化时频矩阵；

60、处理单元，用于基于交叉梯度算子，获取归一化时频矩阵的归一化梯度矩阵；

61、整合单元，用于基于归一化时频矩阵和归一化梯度矩阵，构建时频-梯度共生矩阵；

62、构建单元，用于基于提取时频-梯度共生矩阵，构建振动信号特征向量；

63、计算判断单元，用于计算振动信号特征向量与单位向量的夹角，根据该夹角变化值对变压器绕组瞬态机械强度进行判别。

64、进一步地，变换单元具体结构如下：

65、第一变换模块，用于对变压器振动信号进行s变换，获得s变换系数表达式；

66、第一计算模块，用于根据s变换计算变压器振动信号的瞬时频率；

67、第二变换模块，用于根据振动信号的瞬时频率进行同步挤压s变换；

68、第一处理模块，用于对经同步挤压s变化获取的时频矩阵进行归一化处理，获得归一化时频矩阵，归一化时频矩阵的表达式为：

69、

70、式中：bmax为经同步挤压s变换获取的时频矩阵中的最大值；bnor为归一化后的最大值；int(.)表示取整函数；b(l,n)为归一化时频矩阵；为第l个瞬时频率，l＝1,2,...,l，l为瞬时频率个数；bn为第n个时移参数，n＝1,2,...,n，n为时移参数个数；表示振动信号的瞬时频率进行同步挤压s变换的结果。

71、进一步地，所述处理单元具体结构为：

72、第二计算模块，用于基于交叉梯度算子计算同步挤压s变换时频矩阵的梯度矩阵；

73、第二处理模块，用于计算归一化梯度矩阵，计算公式为：

74、

75、式中：gmax表示梯度矩阵中的最大值；gnor表示归一化后的最大梯度值；g(l,n)表示归一化梯度矩阵；g(l,n)表示综合梯度算子；int(.)表示取整函数。

76、进一步地，基于归一化时频矩阵和归一化梯度矩阵计算时频-梯度共生矩阵h，其维数为nα×nβ，计算公式如下：

77、

78、

79、

80、式中：h(α,β)为时频-梯度共生矩阵h中第α行和第β列的元素；|·|表示取绝对值；flag(l,n,α,β)为数值比较函数；b(l,n)表示归一化时频矩阵；g(l,n)表示归一化梯度矩阵；l取值范围为1至l，n取值范围为1至n，n为时移参数个数；α取值范围为1至nα，nα为b(l,n)的最大值；β取值范围为1至nβ，nβ为g(l,n)的最大值。

81、进一步地，所述构建单元用于提取并排列共生矩阵中的纹理特征参数，形成特征向量，其中所述纹理特征参数包括共生矩阵纹理特征参数小梯度优势和大梯度优势、能量分布不均匀性和梯度分布不均匀性、以及能量熵和梯度熵。

82、进一步地，计算判断单元结构为：

83、获取模块，用于将当前变压器振动信号和历史变压器振动信号分别依次通过获取单元、变换单元、处理单元、整合单元、构建单元的处理，获得当前变压器振动信号和历史变压器振动信号的特征向量；

84、比较模块，用于分别计算当前变压器振动信号与单位向量的夹角以及历史变压器振动信号的特征向量与单位向量的夹角，进而获得夹角的变化率；

85、判断模块，用于根据夹角的变化对变压器绕组瞬态机械强度进行判别：当夹角变化率大于阈值时，则判断变压器绕组瞬态机械状态发生变化。

86、进一步地，夹角的计算公式为：

87、

88、

89、

90、式中：e代表模为1的单位向量；θ1表示待检变压器振动信号特征向量n1与单位向量的夹角；θ0表示历史变压器振动信号特征向量n0与单位向量的夹角；δθ表示夹角的变化率，历史变压器振动信号为出厂状态进行短路测试时的信号。

91、本发明具有的有益效果：本技术为一种变压器绕组瞬态机械监测方法、装置和介质，通过计算短路电流作用下振动信号时频-梯度共生矩阵，计算纹理特征参数组成的振动信号特征向量与单位向量的夹角，根据该夹角值的变化，直接判断遭受短路冲击后的变压器绕组状态，该判断方法高效、准确，且易于实施，便于操作人员及时发现遭受短路冲击后的变压器绕组的异常状态，进而采取有效的变压器运维措施，大大降低了变压器的故障损坏率。