特高压换流变真空有载分接开关振动及电机电流信号自适应分离方法

2023-09-19何良丁登伟李献伟袁明虎张紫薇刘卫东

电机与控制学报 2023年8期

何良, 丁登伟, 李献伟, 袁明虎, 张紫薇, 刘卫东

(1.清华四川能源互联网研究院,四川成都 610213; 2.上海华明电力设备制造有限公司,上海 200333; 3.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京 100084)

0 引言

特高压换流变压器是直流输电系统的核心设备,真空有载分接开关(on-load tap-changer,OLTC)作为换流变压器中唯一频繁动作部件,其主要功能是维持换流阀直流测电压恒定及补偿交流系统电压变化,将换流阀的触发角保持在最佳运行范围,实现直流系统降压运行[1],OLTC安全可靠性对直流输电系统至关重要。统计表明,OLTC故障约占变压器总故障的30%[2],且故障类型基本为机械故障,如触头故障、部件松动、弹簧疲劳、切换时序异常等。OLTC一旦发生机械故障,轻则导致线路跳闸损失输送功率,重则引发换流变起火烧毁,造成巨大的经济损失和不良的社会影响。因此,OLTC机械状态监测和诊断研究成为近年来研究的热点。

OLTC切换过程中,动静触头多次碰撞产生的振动信号包含了各部件的机械状态信息,振动分析法可以有效评估OLTC机械状态,文献[3-8]在振动信号检测、特征提取及故障诊断等方面开展了相关研究。另一方面,OLTC由驱动电机为弹簧储能提供驱动力,通过连杆、齿轮箱、快速机构、触头等部件的一系列机械动作完成档位切换,电机电流信号也包含了丰富的机械状态信息,电机电流分析法在电机本体故障[9]、高压隔离开关机械故障[10-11]诊断中已有相关研究和应用。上述两种方法具有非侵入式、安装方便、易于实现带电检测等特点,在OLTC机械状态在线监测中受到越来越多的关注[12]。目前,OLTC机械状态在线监测仍处于起步阶段,多采用电机电流信号作触发,同步采集数秒的振动信号和电流信号。然而,换流变OLTC切换阶段振动信号时长仅约百毫秒,进行数据分析和故障诊断的前提是从数秒长的监测数据中提出OLTC振动信号片段,采用人工提取的方法费时费力,且需要专业人员来完成,不便于该项技术的推广和使用。同时,电机电流信号分为多个阶段,有必要对各个阶段进行定位和分析,而相关分离方法却鲜有报道。

端点检测法是指从一段信号中准确找出有效信号的起止点,在语音信号处理系统应用广泛[13-15]。其基本思想是信号在端点处的时域、频域等特征发生突变,通过检测突变点实现有效信号定位,采用的特征参数主要有短时能量[16-18]、短时过零点[19]等。OLTC振动信号是非平稳信号,电机电流信号在启动和停止时变化显著,因此考虑将其应用于OLTC振动信号和电机电流信号定位和提取。文献[19]将端点检测法应用于振动信号提取,但所采用的短时能量法对较小的振动事件不敏感,选取的分帧窗长较大,且未设置移帧,信号起、止点定位误差较大。短时能谱熵可以增强振动信号中的微小冲击,文献[20]将改进的端点检测法应用于断路器振动信号提取。基于此,本文结合OLTC振动信号和电机电流信号各自特性,采用端点检测法分别对上述两种信号进行自适应定位和分离,为OLTC在线监测技术推广和应用提供支撑。

1 端点检测基本原理及流程

1.1 短时能量

短时能量采用窗函数对信号分帧预处理,并分别计算每一帧的能量,可反应某时段信号特征。信号x(t)在第n时刻的短时能量均方根值为

(1)

式中:h(n)为窗函数;x(m)为信号x(t)取样序列;m为窗长。

1.2 短时能谱熵

短时能谱熵可提高信号信噪比,凸显微小振动事件。通过傅里叶变换得到每帧信号的频谱,将频谱划分成M个子频带并分别计算子频带能量,第i个子频带的能量为

(2)

式中:fj为子频带内第j个频率分量幅值;K为子频带内频率分量个数。

每个子频带概率密度函数定义为

(3)

则每帧信号的能谱熵表示为

(4)

1.3 短时过零率

短时过零率表示每帧信号波形穿过横轴(零电平)的次数,即信号改变符号的次数。经过加窗和分帧等预处理后,信号x(t)在第n时刻的短时过零率Zn为

sgn[x(m-1)]|h(n-m)。

(5)

其中sgn是符号函数,满足:

(6)

1.4 基于端点检测的信号分离流程

换流变铁心和绕组引起的振动是基频为100 Hz的稳态振动,OLTC切换引起的振动是频率高达几十kHz的冲击振动,两者的时域和频域特征差异显著。为提高算法鲁棒性,并凸显微小振动事件,本文采用短时能谱熵与短时过零率相结合的方法分离OLTC振动信号,步骤如下:

1)选取窗函数并设置合适的窗长和帧长,对振动信号x(t)进行分帧处理,并计算每帧的短时能谱熵和短时过零率;

2)设置短时能谱熵阈值Ht、过零率阈值Zt和时间阈值Tt;

3)逐帧对比短时能谱熵和过零率,当Hn>Ht或Zn>Zt,且信号持续时间超过Tt时,判定当前帧为信号起始位置;

4)当Hn

另一方面,驱动电机未工作时电流趋近于0,工作时电流达数安培,电机启动、停止时刻的电流信号能量变化显著。由于电流信号频率仅为50 Hz,电机启动、停止时刻的电流信号过零点变化并不明显。因此,本文采用短时能量法分离电机电流信号,步骤如下:

1)选取窗函数并设置合适的窗长和帧长,对电流信号x(t)进行分帧处理,并计算每帧的短时能量;

2)设置短时能量阈值Pt和时间阈值Tt;

3)逐帧对比短时能量,当Pn>Pt,且信号持续时间超过Tt时,判定当前帧为信号起始位置;

4)当Pn

2 OLTC在线监测系统及监测数据

2.1 OLTC在线监测系统

OLTC在线监测系统由加速度传感器、电机电流传感器、采集卡及工控机等组成,系统框架如图1所示。

图1 OLTC在线监测系统示意图

根据驱动电机电流变化范围,选用的电流传感器量程为240 A,频率范围为5～1 000 Hz,灵敏度为100 mV/A。基于OLTC振动信号时频域特性,选用的加速度传感器性能参数如表1所示。采集卡为自研的高速采集单元,最大采样率为5 MS/s,带宽不低于1 MHz,分辨率为16位。

表1 加速度传感器参数表

2.2 OLTC在线监测数据

某特高压换流站换流变VRGⅡ型OLTC参数如表2所示,为监测其运行状态,安装了OLTC在线监测系统。电流传感器布置在OLTC操作箱内的驱动电机电源线处,加速度传感器安装在OLTC油箱顶盖上,如图2所示。系统采用电机电流通道作为触发通道,同步采集振动信号,电流信号和振动信号采样率分别为5 kS/s和100 kS/s,采样时长为8 s,预触发长度为10%。

表2 OLTC参数表

图2 OLTC在线监测系统安装示意图

VRGⅡ型OLTC换挡操作时的电流及振动信号监测数据如图3所示。驱动电机在0.8 s时启动,电流瞬峰值约13 A;大约经过0.3 s后电流信号趋于稳定,幅值将近1.6 A;电机启动5.15 s后OLTC切换开关动作,激发了一簇冲击性振动信号,振动信号持续时间将近0.15 s,最大值将近28 g;OLTC切换开关动作后继续稳定工作一段时间,电机在约7.09 s时停止,一次完整的换挡操作结束。

图3 OLTC在线监测数据

3 OLTC在线监测系统及监测数据

3.1 振动信号自适应分离

系统采集的振动信号前几秒为背噪,由换流变铁心和绕组振动引起,频谱如图4(a)所示,信号能量主要集中在2 kHz频带内。OLTC切换引起的振动信号频谱如图4(b)所示,大部分能量集中在高频段,远大于2 kHz。

图4 振动信号频谱

为减少漏能,本文窗函数选用汉明窗。窗长是决定短时能谱熵与短时过零率分辨率的重要因素。若窗长选择太大,信号细节无法体现,而窗长选择过小,短时能谱熵和过零率函数不够平滑,也不利于发挥短时能谱熵提高信噪比的优点。另一方面,由于振动信号中不可避免存在干扰,窗长也不宜设置过短。帧移是相邻两帧间重叠部分,使相邻两帧自然过渡,一般选取帧长的25%～50%。基于采集的振动信号,本文选取的窗长和帧移分别为10 ms和5 ms,振动信号的短时能谱熵和短时过零率结果如图5(a)和图5(b)所示,可以看出,OLTC切换阶段振动信号短时能谱熵和过零率变化显著,通过这两个特征量能有效地定位和分离出OLTC振动信号。

图5 振动信号端点检测结果

由于振动信号前几帧为背噪,Ht、Zt设置为背噪短时能谱熵、过零率最大值的k(k>1)倍,可避免因噪声不同带来的影响。通过观察振动信号发现,振动信号持续时间大于5 ms,Tt设置为5 ms。振动信号端点检测结果如图5(c)所示,图中虚线①、虚线②分别表示OLTC振动信号起点和终点,对应的时刻分别为Tvs=5.950 s和Tve=6.100 s,定位误差小于5 ms。考虑到OLTC振动信号与换流变本体振动信号频率差异性,采用截止频率为2 kHz的高通滤波器分离出OLTC振动信号,结果如图6所示。

图6 OLTC振动信号分离结果

3.2 驱动电机电流信号自适应分离

与振动信号类似,电流信号前几帧为背噪。背噪信号与电机电流信号频谱如图7所示,两者频谱分布在500 Hz以内,主频均为50 Hz,导致短时能谱熵和短时过零率变化不明显。但两者主频幅值差异显著,本文采用短时能量进行电流信号端点检测。

图7 电流信号频谱

与前文类似,窗函数选用汉明窗,窗长和帧移分别为10 ms和5 ms,电流信号短时能量如图8(a)所示,可以看出,电机工作阶段电流信号短时能量变化显著,通过该特征量能有效地分离出电机电流信号。

图8 电机电流信号端点检测波形图

与振动信号相似,电流信号前几帧为背噪,Pt设置为背噪短时能量的k(k>1)倍。时间阈值Tthres设置为5 ms。电流信号端点检测结果如图8(b)所示。图中虚线①、虚线②分别表示电流信号的起点和终点,对应的时刻分别为Tcs=0.795 s和Tce=7.090 s,定位误差小于5 ms。

3.3 驱动电机电流信号阶段划分

通过观察所采集的电流波形,可以发现电机电流波形可分为3个阶段:

阶段I:电机启动阶段。其特征是电机带负载启动瞬间存在一个幅值较大的涌流,约0.3 s后电流信号稳定。

阶段II:电机稳定运行阶段。其特征电机稳定工作,电流信号幅值基本不变,OLTC切换动作在此阶段完成。

阶段III:电机停止阶段。OLTC切换动作结束后一段时间,电机电流被切断,下降至0。

驱动电机是OLTC操作的动力源,其输出转矩与电流信号密切相关,当OLTC出现不同的机械故障时,各阶段的电流特征参数变化不同,因此有必要对这3个阶段进行划分。基于前文分析,这3个阶段的区间分别为:[Tcs,Tcs+0.3 s)、[Tcs+0.3 s,Tve)及[Tve,Tce],自动划分结果如图9所示。