一種真假倍頻壓力脈動信號的區分方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種倍頻壓力脈動信號區分方法，特別是關于一種基于頻譜分析和時 域曲線對比的真假倍頻壓力脈動信號的區分方法。
【背景技術】
[0002] 在水電站、水栗站運行及水力機械試驗研究中，經常為了解和檢驗其水力穩定性 而測量其壓力脈動和振動，看其幅值是否超標；分析頻譜特性，發現其主要頻率成分，看那 些頻率成分是主要影響因素，提出避振或減振措施，避免共振，降低壓力脈動，減輕振動，確 保運行穩定。在進行壓力脈動和振動信號的頻譜分析時，目前所采用的主要方法是快速傅 里葉變換，簡稱FFT。在這一變換中，把2N個離散數據看作周期函數，用0~N-I階的調 諧波進行合成。在轉換分析出各階傅里葉系數之后，再根據其實部和虛部的大小計算出各 階調諧波的幅值及相位，完成對壓力脈動信號的頻譜分析。但是，壓力脈動的信號很復雜， 組成這些復雜信號的各階分量多數不是調諧波，大量的是鋸齒波，有對稱型，也有緩升急降 型，更有大量的呈現急升緩降型（如圖1所示）。在渦帶等空化空腔存在時，空腔在高壓作 用下的潰滅或收縮會非常迅速，壓力上升非常快，故造成大量的壓力脈動信號以急升緩降 的方式呈現。
[0003] 當利用FFT技術對前述鋸齒波進行頻譜分析時，其結果如圖2所示。如果信號是 頻率為f的對稱型三角波（又稱鋸齒波），通過FFT分析的頻譜由主頻f和奇數倍倍頻3f、 5f、7f…（2i-l)f…等若干個調諧波合成（其中i為整數，i= 1，2,3，…），其幅值依次減 小（如圖2. 1所示）。如果鋸齒波不對稱，無論是緩升急降，還是急升緩降，分析的結果都是 由鋸齒波頻率f(其幅值小于鋸齒波幅值）的調諧波和2f、3f、4f?…Nf?…等頻率（其幅值依 次降低）的調諧波合成（如圖2. 2、圖2. 3所示）。
[0004] 如圖3所不，在實際的壓力脈動和振動測量中，不僅存在如圖1所不的鋸齒波， 還分析出了如圖3. 1和圖3. 2所示的分析結果：在分析出渦帶等主頻率的同時，還分析出 了 2倍、3倍等許多倍頻成分，其分頻幅值也依次降低。在國際電工委員會（IEC)和我國的 全國水輪機標準化委員會制定的《水輪機、蓄能栗和水栗水輪機模型驗收試驗》國際標準 (IEC60193 :1999)和國家標準（GB/T15613.3-2008)中均引用了如圖4所示的壓力脈動波 形及分析的頻譜曲線，也存在類似的鋸齒波及梯度降低倍頻現象。盡管在兩個標準中均沒 有指出倍頻現象，但其引用的頻譜曲線均存在所謂的倍頻現象（如圖4. 1~圖4. 4所示）， 并在標準中有如下一段表述（斜體）水輪機和水栗在轉頻乘以轉輪或葉輪葉片數的頻率 (通常稱之為葉片過流頻率）下會產生激振。由于轉輪葉片與活動導葉/固定導葉/蝸殼 之間的相互作用，可產生了k倍于葉片過流頻率的高頻，k值對于水輪機而言通常為1到2， 而對于水栗和水栗水輪機而言通常為1到4"，說明已關注到該問題。
[0005] 在日常的學術交流中，也有部分專家提出了該問題，提醒關注該現象。也就是說， 在得到這樣的分析結果之后，很可能把這些2倍頻、3倍頻甚至4倍頻、5倍頻分量壓力脈動 信以為真，如果再去花很大的人力物力去查找其物理根源，則可能誤入歧途，浪費大量的財 力和時間的同時，還影響對真正壓力脈動根源的查尋。因此，有必要發明一種方法，在利用FFT對壓力脈動或振動信號進行頻譜分析時，如在發現某頻率有較大幅值分量的同時，還發 現其有2倍、3倍甚至更多倍數頻率的較突出分量，能利用該方法分辨出這些倍頻分量的真 假。
【發明內容】
[0006] 針對上述問題，本發明的目的是提供一種真假倍頻壓力脈動信號的區分方法，該 方法有效去除了FFT"捏造"出的假倍頻的影響，集中解決了真實頻率分量帶來的穩定性問 題，能更高效直接地保障機組運行的穩定安全。
[0007] 為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種真假倍頻壓力脈動信號的區分 方法，其特征在于，所述區分方法步驟如下：1)查清水力機械設備的基本參數、測試壓力脈 動時的工況參數以及壓力脈動的測量部位和測量分析方法；2)查找虛假倍頻分量：對照壓 力脈動信號的波形和頻譜曲線，排除各種鋸齒波可能"捏造"出的虛假分量，根據倍頻情況 檢查壓力脈動波形是否會"捏造"出這些頻率，列出疑似虛假倍頻的頻率清單；3)進一步證 實倍頻分量真假：對照測量壓力脈動波形的工況及水力機械設備自身的物理參數判斷是否 有物理因素會產生所述步驟2)中所列出的疑似虛假倍頻分量，以確定這些倍頻分量的真 假。
[0008] 所述步驟1)中，所述水力機械設備的基本參數包括轉輪葉片數Z、活動導葉數Z。、 固定導葉數Zv;所述測試壓力脈動時的工況參數主要是水輪機或水栗轉速n和工頻頻率； 所述壓力脈動的測量分析方法包括采集頻率、采集及分析點數。
[0009] 所述步驟2)中，所述查找方法步驟如下：（1)查找存在倍數關系的頻率成分，確定 基頻的頻率值f及幅值，并進一步查清該基頻的N倍頻分量的頻率及幅值；N為整數，N= 2、 3……；（2)對存在兩個以上倍頻分量的壓力脈動時域曲線進行比較分析，一是判斷該曲線 是否為鋸齒波，如果是則還需要查清該曲線是標準型、急升緩降型還是急降緩升型；（3)如 果FFT分析的頻譜存在基頻f?和其奇數倍頻成分，且各倍頻分量的幅值依次降低，而偶數倍 頻成分基本不存在，分析的壓力脈動時域曲線如呈比較標準的對稱鋸齒波，則判斷奇數倍 倍頻分量為虛假倍頻；(4)如果FFT分析的頻譜存在基頻f和多個N倍頻成分，且各倍頻分 量的幅值依次降低，分析的壓力脈動時域曲線如呈急升緩降、急降緩升或急升急降鋸齒波， 則基本判定各倍頻分量為虛假倍頻；（5)如果FFT分析的頻譜存在基頻f和多個N倍頻成 分，各倍頻分量的幅值依次降低，分析的壓力脈動時域曲線如呈急升緩降、急降緩升或急升 急降鋸齒波，且個別分量的幅值比其前一個倍頻的幅值還高，或幅值沒有依次降低，則需進 一步判斷該倍頻是否是真實倍頻。
[0010] 所述步驟（1)中，所述倍頻和基頻的倍數只要能滿足是基頻的0. 99~I. 01整數 倍就認為是倍頻分量。
[0011] 所述步驟3)中，所述倍頻分量真假證實方法如下：（1)如果存在倍頻成分的壓力 脈動的基頻是旋轉機械的轉速頻率，則檢查該基頻是否存在較低倍數的倍頻分量的可能 性；如果既存在某N倍頻成分壓力脈動的真實可能性，又同時在該倍頻時其分頻幅值4明 顯凸出，則認為該N倍頻是真實倍頻，其余均為虛假倍頻；（2)如果存在幅值比較突出的高 倍數整數倍頻成分，且分頻幅值大幅度高于依次降低規律所對應的幅值，則都應視為真實 倍頻。
[0012] 所述步驟⑴中，所述明顯凸出表現為AN> (Ani+An+1)/2,或AN>AN :，其中AN、ANi、AN+1 分別為基頻f的N倍、N-I倍、N+1倍頻率對應的分頻幅值。
[0013] 本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明在采用FFT方法分析 出壓力脈動或振動信號的頻率特性并發現某頻率分量及其倍頻分量后，去偽存真，以消除 FFT"捏造"出的假倍頻的影響，集中解決真實頻率分量帶來的穩定性問題，更高效直接地保 障機組運行的穩定安全。2、本發明基于對傅里葉變換自身缺陷一可能憑空捏造虛假倍頻分 量這一現象的科學認識，并結合對真實