一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法

摘要

本发明公开了一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法，属于GIS故障检测技术领域，所述方法包括权利要求1‑7所述的方法；本发明提供的基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法，结合了传声器的品质因数以及灵敏度分析方法，并利用生成的谐振谱分析声源特征，不仅量化了检测结果，避免运行维护人员手摸、耳闻等传统方法粗糙、低精度的缺点，还可以提高测试结果的科学性，有助于GIS设备的维护与安全运行。

权利要求

1.一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：利用传声器阵列采集GIS设备噪声信号且将各个传声器单元采集到的信号拟合为单一输出信号，并对输出信号进行时域到频域的转换，得到信号幅值与频率关系；

基于频率曲线利用品质因数公式构造出关于不同谐振频率的品质因数函数；

对构造出的函数进行灵敏度分析，考察传声器的谐振频率变化对于品质因数的影响；

利用灵敏度分析得出的结果结合传声器频点序号以及随时间的变化规律生成三维谐振谱，并使用该谐振谱分析GIS设备噪声声源特征，从而发现GIS设备的缺陷；

其中，品质因数求取的具体过程为：

将传声器阵列原始时域输出信号进行处理分析，得到频域的幅频特性曲线，利用得到的幅频特性曲线求得各传声器不同谐振点的品质因数，品质因数的计算公式如下:其中，ω0为谐振频率，ω1与ω2分别表示幅频特性曲线上 振幅处的两个频率值，其中A0代表谐振频率处的幅值；

(1)该传声器阵列由多个传声器单元组成，并且这些传声器包含了不同的谐振频率；

(2)对传声器阵列所采集的噪声信号进行变换处理得到幅频特性曲线，设第i个传声器的谐振频率为ω0，并在幅频特性曲线上读取该谐振频率点处的幅值A0；

(3)读取点周围且对应幅值为 处两个频率值ω1和ω2，并计算两频率差的绝对值|ω1‑ω2|；

(4)将上述参数代入品质因数的计算公式，即可得到谐振频率为ω0的传声器品质因数Qi；

其中，品质因数进行灵敏度分析的具体过程为：

S1：将之前所获得的品质因数数据拟合为一条连续的品质因数曲线Q(ω0)；

S2：利用步骤S1的品质因数曲线Q(ω0)进行灵敏度分析，并生成灵敏度曲线

2.根据权利要求1所述的一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法，其特征在于，将各个传声器单元所采集的噪声信号转变为单一输出信号的具体过程为：假设传声器阵列中包含n个传声器单元空间中存在D个声源信号，每个传声器单元所采集的噪声信号为：其中，Xk表示序号为k的传声器单元所采集的GIS设备噪声信号，j表示GIS设备噪声源的个数，gkj表示序号为k的传声器单元采集到第j个噪声源信号的幅度衰减因子，sj表示第j个噪声源信号，τkj代表第j个噪声源信号到达序号为k的传声器单元与到达参考单元之间的时间差，nk(t)代表序号为k的传声器单元采集到的无效噪声；且则在t时刻，n个传声器单元所组成的传声器阵列所采集的信号可表示为：将后n‑1个传声器单元采集的信号对参考传声器单元采集的信号进行拟合可得到输出信号X(t):X(t)＝α2X2(t)+…+αnXn(t)

其中，αi为第i个传声器的权值。

3.根据权利要求1所述的一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法，其特征在于，所述利用灵敏度分析得出的结果结合传声器频点序号以及随时间的变化规律生成三维谐振谱，并使用该三维谐振谱分析GIS设备噪声声源特征，包括：根据灵敏度分析结果结合传声器频点序号的变化生成谐振谱，并选择由时间、灵敏度，以及传声器频点序号所组成的三维谐振谱作为最优分析谐振谱；

利用该谐振谱对GIS设备噪声声源特征进行分析；

其中，声源特征包括声源频率、声源个数，声源方位角。

说明书

一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法

技术领域

[0001] 本发明属于GIS故障检测技术领域，具体涉及一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法。

背景技术

[0002] 伴随着我国社会经济飞速发展，电力需求不断增加，电压等级不断提高，GIS(Gas‑Insulated Switchgear，气体绝缘金属全封闭开关设备)由于其在可靠性、安全性、小型化、占地面积等方面有着显著的优越性，该种设备迅速得到了推广和应用。GIS内部机械结构障。

[0003] GIS设备在进行机械运动时，由于设备内部存在缺陷会产生除正常工作情况之外的振动，而且GIS设备采用全封闭结构，结构复杂，一旦发生故障，不能及时对故障进行定位，也难以做出正确的处理，将复杂，包含众多电气设备，在设备基建、运行、检修过程中，部分设备存在振动异响、噪声增大的情况，产生噪声的原因可能是放电性故障与一些机械性的振动故导致故障进一步扩大。因此，对于GIS设备机械谐振进行分析显得尤为重要。

[0004] 目前，尚未有明确的对于变电站内GIS设备机械谐振的分析方法。一线运行维护人员多采用手摸、耳闻的方法粗略地感受GIS设备的机械振动以及噪声的大小，无法进行精确的分析，这是设备安全运行的一处漏洞，影响着设备的运行安全。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法，本方法可以准确的对所采集到的数据进行分析，为运行维护人员提供系统性、科学性的测试结果，及时发现设备各种缺陷，用以确保GIS设备的安全稳定运行、实现高效率检修维护，可以有效解决上述背景技术中提出的问题。

[0006] 该方法首先将各个传声器单元采集到的信号拟合为单一输出信号，经过处理得到频域上幅值与频率的关系，结合品质因数的灵敏度分析，将灵敏度与传声器频点序号排列以及随时间的变化规律生成三维谐振谱，随后利用该谱分析GIS设备噪声声源特征，包括声源频率、声源个数，声源方位角。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法：

[0008] 所述方法包括以下步骤：

[0009] 利用传声器阵列采集GIS设备噪声信号且将各个传声器单元采集到的信号拟合为单一输出信号，并对输出信号进行时域到频域的转换，得到信号幅值与频率关系；

[0010] 基于频率曲线利用品质因数公式构造出关于不同谐振频率的品质因数函数；

[0011] 对构造出的函数进行灵敏度分析，考察传声器的谐振频率变化对于品质因数的影响；

[0012] 利用灵敏度分析得出的结果结合传声器频点序号以及随时间的变化规律生成三维谐振谱，并使用该谐振谱分析GIS设备噪声声源特征，从而发现GIS设备的缺陷。

[0013] 可选的，所述将各个传声器单元所采集的噪声信号转变为单一输出信号的具体过程为：

[0014] 假设传声器阵列中包含n个传声器单元，空间中存在D个声源信号，每个传声器单元所采集的噪声信号为：

[0015]

[0016] 其中，Xk表示序号为k的传声器单元所采集的GIS设备噪声信号，j表示GIS设备噪声源的个数，gkj表示序号为k的传声器单元采集到第j个噪声源信号的幅度衰减因子，sj表示第j个噪声源信号，τkj代表第j个噪声源信号到达序号为k的传声器单元与到达参考单元之间的时间差，nk(t)代表序号为k的传声器单元采集到的无效噪声；且则在t时刻，n个传声器单元所组成的传声器阵列所采集的信号可表示为：

[0017]

[0018] 将后n‑1个传声器单元采集的信号对参考传声器单元采集的信号进行拟合可得到输出信号X(t):

[0019] X(t)＝α2X2(t)+…+αnXn(t)          (3)

[0020] 其中，αi为第i个传声器的权值。

[0021] 可选的，所述品质因数求取的具体过程为：

[0022] 将传声器阵列原始时域输出信号进行处理分析，得到频域的幅频特性曲线，利用得到的幅频特性曲线求得各传声器不同谐振点的品质因数，品质因数的计算公式如下:

[0023]

[0024] 其中，ω0为谐振频率，ω1与ω2分别表示幅频特性曲线上 振幅处的两个频率值，其中A0代表谐振频率处的幅值；

[0025] (1)该传声器阵列由多个传声器单元组成，并且这些传声器包含了不同的谐振频率；

[0026] (2)对传声器阵列所采集的噪声信号进行变换处理得到幅频特性曲线，设第i个传声器的谐振频率为ω0，并在幅频特性曲线上读取该谐振频率点处的幅值A0；

[0027] (3)读取ω0点周围且对应幅值为 处两个频率值ω1和ω2，并计算两频率差的绝对值|ω1‑ω2|；

[0028] (4)将上述参数代入品质因数的计算公式，即可得到谐振频率为ω0的传声器品质因数Qi。

[0029] 可选的，所述品质因数进行灵敏度分析的具体过程为：

[0030] S1：将之前所获得的品质因数数据拟合为一条连续的品质因数曲线Q(ω0)；

[0031] S2：利用步骤S1的品质因数曲线Q(ω0)进行灵敏度分析，并生成灵敏度曲线即：

[0032]

[0033] 可选的，所述利用灵敏度分析得出的结果结合传声器频点序号以及随时间的变化规律生成三维谐振谱，并使用该三维谐振谱分析GIS设备噪声声源特征，包括：

[0034] 根据灵敏度分析结果结合传声器频点序号的变化生成谐振谱，并选择由时间、灵敏度，以及传声器频点序号所组成的三维谐振谱作为最优分析谐振谱；

[0035] 利用该谐振谱对GIS设备噪声声源特征进行分析；

[0036] 其中，声源特征包括声源频率、声源个数，声源方位角。

[0037] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0038] 本发明，首先利用不同谐振点传声器阵列所采集的噪声信号结合灵敏度分析方法，以不同谐振点频率ω0作为“元件参数”，对传声器的品质因数进行分析，随后生成谐振谱，分析GIS设备噪声的声源特征，不仅避免了传统方法粗糙、低精度的缺点，而且增加了提高了测试结果的系统性、科学性，达到了发现设备缺陷的目的，有助于GIS设备维护与安全运行。

附图说明

[0039] 图1为本发明的流程图；

[0040] 图2为传声器阵列探测GIS设备噪声的原理示意图；

[0041] 图3为谐振谱示意图；

[0042] 图4为声源个数判别示意图。

具体实施方式

[0043] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0044] 首先，如图2所示的方式架设GIS机械谐振谱分析的硬件设施，包括由不同谐振频率传声器所组成的传声器阵列，信号调理单元，多通道同步数据采集卡和终端计算机，将传声器阵列假设在设备周围并将其与采集卡连接，采集卡将输出传输给计算机用于存储与处理采集到的噪声信号。

[0045] 其次，基于不同谐振点灵敏度分析GIS机械的谐振谱的分析方法，如图1所述，包括以下步骤：

[0046] 利用传声器阵列采集GIS设备噪声信号且将各个传声器单元采集到的信号拟合为单一输出信号，并对输出信号进行时域到频域的转换，得到信号幅值与频率关系；

[0047] 基于频率曲线利用品质因数公式构造出关于不同谐振频率的品质因数函数；

[0048] 对构造出的函数进行灵敏度分析，考察传声器的谐振频率变化对于品质因数的影响；

[0049] 利用灵敏度分析得出的结果结合传声器频点序号以及随时间的变化规律生成三维谐振谱，并使用该谐振谱分析GIS设备噪声声源特征，从而发现GIS设备的缺陷。

[0050] 具体的，将各个传声器单元所采集的噪声信号转变为单一输出信号的具体过程为：

[0051] 假设传声器阵列中包含n个传声器单元，空间中存在D个声源信号，每个传声器单元所采集的噪声信号为：

[0052]

[0053] 其中，Xk表示序号为k的传声器单元所采集的GIS设备噪声信号，j表示GIS设备噪声源的个数，gkj表示序号为k的传声器单元采集到第j个噪声源信号的幅度衰减因子，sj表示第j个噪声源信号，τkj代表第j个噪声源信号到达序号为k的传声器单元与到达参考单元之间的时间差，nk(t)代表序号为k的传声器单元采集到的无效噪声；且则在t时刻，n个传声器单元所组成的传声器阵列所采集的信号可表示为：

[0054]

[0055] 将后n‑1个传声器单元采集的信号对参考传声器单元采集的信号进行拟合可得到输出信号X(t):

[0056] X(t)＝α2X2(t)+…+αnXn(t)                    (3)

[0057] 其中，αi为第i个传声器的权值。

[0058] 具体的，所述品质因数求取的具体过程为：

[0059] 将传声器阵列原始时域输出信号进行处理分析，得到频域的幅频特性曲线，利用得到的幅频特性曲线求得各传声器不同谐振点的品质因数，品质因数的计算公式如下:

[0060]

[0061] 其中，ω0为谐振频率，ω1与ω2分别表示幅频特性曲线上 振幅处的两个频率值，其中A0代表谐振频率处的幅值；

[0062] (1)该传声器阵列由多个传声器单元组成，并且这些传声器包含了不同的谐振频率；

[0063] (2)对传声器阵列所采集的噪声信号进行变换处理得到幅频特性曲线，设第i个传声器的谐振频率为ω0，并在幅频特性曲线上读取该谐振频率点处的幅值A0；

[0064] (3)读取ω0点周围且对应幅值为 处两个频率值ω1和ω2，并计算两频率差的绝对值|ω1‑ω2|；

[0065] (4)将上述参数代入品质因数的计算公式，即可得到谐振频率为ω0的传声器品质因数Qi。

[0066] 具体的，所述品质因数进行灵敏度分析的具体过程为：

[0067] S1：将之前所获得的品质因数数据拟合为一条连续的品质因数曲线Q(ω0)；

[0068] 其中，曲线Q(ω0)以谐振频率为横轴、品质因数为纵轴建立平面直角坐标系中；

[0069] S2：利用步骤S1的品质因数曲线Q(ω0)进行灵敏度分析，生成灵敏度曲线其中，网络灵敏度是指网络中“网络函数”对“元件参数”的敏感程度，本方法中的“网络函数”是指传声器的品质因数，而影响品质因数的“谐振频率”则作为“元件参数”；本方法选用相对灵敏度来表示品质因数对元件参数ω0的敏感程度，相对灵敏度的定义为广义网络函数的相对变化量与元件参数的相对变化量的比值，下式即为相对灵敏度的一种表示形式：

[0070]

[0071] 具体的，所述利用灵敏度分析得出的结果结合传声器频点序号以及随时间的变化规律生成三维谐振谱，并使用该三维谐振谱分析GIS设备噪声声源特征，包括：

[0072] 根据灵敏度分析结果结合传声器频点序号的变化生成谐振谱，并选择由时间、灵敏度，以及传声器频点序号所组成的三维谐振谱作为最优分析谐振谱；如图3所示，根据传声器频点序号的排布为x轴、时间参数为y轴生以及灵敏度的变化规律为z轴生成三维谐振谱。

[0073] 利用该谐振谱对GIS设备噪声声源特征进行分析；

[0074] 其中，声源特征包括声源频率、声源个数，声源方位角。

[0075] 需要说明的是，声源个数的判断方法，如图4所示，包括如下步骤：

[0076] 步骤1：利用谐振谱分析不同谐振频率的传声器单元序号与灵敏度之间的关系；

[0077] 步骤2：设定阈值对灵敏度进行判断，关注三维谐振谱在灵敏度和传声器序号所组成的平面上的投影，阈值在此二维图谱上的交点对应的传声器序号为n1,n2，若灵敏度大于阈值，则可以根据序号与传声器的谐振频率判定为频率在[f1，f2]GIS设备声源信号；若灵敏度小于阈值，则认为是无用的噪声信号。

[0078] 其中，声源方位角的分析方法，计算公式如下：

[0079] 假设θ为声源入射角，d为传声器单元间距，v表示声速，则两传声器单元的时延为：

[0080]

[0081] 由此可得

[0082]

[0083] 由Δt＝t/fs,t代表时延采样点，fs代表釆样频率则

[0084]

[0085] 即可估计声源方位角。

[0086] 本发明提供的一种基于不同谐振点灵敏度分析的GIS机械谐振谱分析方法，首先基于传声器阵列采集设备噪声信号，处理传声器阵列采集到的噪声信号进而求得各个谐振点的品质因数，并且对品质因数进行灵敏度分析，不仅量化了检测结果，还能提高设备的噪声检测水准，更加有效地评估设备状态，提高运行维护水平。

[0087] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。