專利名稱：基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力設備監控技術領域，即基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置。
背景技術：
在現有技術中，電力主設備在運行過程中，常會由于負載的變化而導致設備內部電壓的劇烈波動，同時由于設備內部的缺陷也會引起絕緣體產生電離而發生放電，在此過程中，總是伴隨著高頻電流脈沖、電磁輻射及聲、光、熱和化學過程等現象。根據這些不同現象，分別采用相應的方法來測量，各自測得的量值都可用來反映設備內部缺陷和故障存在的程度和狀況。電力變壓器在運行過程中，常會由于負載的變化而導致設備內部電壓的劇烈波動，同時由于設備內部的缺陷也會引起絕緣體產生電離而發生放電，在此過程中，總是伴隨著高頻電流脈沖、電磁輻射及聲、光、熱和化學過程等現象。根據這些不同現象，分別采用相應的方法來測量，各自測得的量值都可用來反映變壓器內部缺陷和故障存在的程度和狀況。電力變壓器在運行時，本體(鐵心、繞組)及冷卻裝置的振動都會發出聲音。磁滯伸縮和繞組匝間電動力所引起的振動是電力變壓器本體振動最主要的來源，本體振動通過鐵心墊腳和絕緣油兩條路徑傳遞給油箱壁，使油箱壁產生振動，進而產生本體噪聲，并以聲波的形式向四周發射。冷卻裝置自身產生振動與噪聲，并通過接頭等將振動傳遞到油箱壁。通過監測電力變壓器在正常運行或出現故障時發出的不同聲音，能夠更好地了解變壓器的運行狀況，有經驗的人員可以通過辨別變壓器發出的聲音判斷變壓器當前狀態，例如“嗡嗡” 聲是正常運行的聲響；高且沉重的“嗡嗡”聲是變壓器經受個別大功率電氣設備的起動電流沖擊或者變壓器過負荷嚴重時的聲響；“噼啪”的清脆擊鐵聲是高壓瓷套管引線通過空氣對變壓器外殼的放電聲，是變壓器油箱上部缺油所致；沉悶的“噼啪”聲是高壓引線通過變壓器油對外殼的放電聲，是變壓器絕緣油的絕緣強度降低、油質急劇惡化的表現。采用技術手段對這些聲音加以監測和識別，進而判斷電力變壓器運行狀態，同時輔以變壓器的歷史運行情況、檢修情況等實現電力變壓器的狀態監測，將是在變壓器局部放電監測、油中溶解氣體分析等方法之外的另一有效方法，同時也是已有方法的有益補充。然而，現有監測方法多采用超聲波監測法，所需設備昂貴復雜且較難實現在線實時或連續檢測。
實用新型內容本實用新型的目的是針對上述不足而提供一種采用音頻信號作為監視信息，輔以相應的處理手段，具有設備簡單，實現實時或連續檢測的基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置。本實用新型的技術解決方案是基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置包括當地監聽設備和遠程監聽程序兩部分；當地監聽設備由多個麥克、音頻采集設備和高性能工控機組成，完成聲音的當地采集、處理、存儲以及上報功能。遠程監聽程序運行于高性能的服務器系統，通過光纖通信系統采集各間隔/子站的聲音信息及報警，并與自動
3化系統接口。[0005]音頻采集設備是SONY高保真拾音器SAO1，DAR2000音頻采集卡。[0006]高性能工控機是研華工控機SYS-4U4000-4A03。[0007]高性能服務器系統是研華工業服務器HPd820-ISSE。上述設備市面有售。[0008]音頻數據采集主要采用IOM點DFT算法，提取各頻段數據，并利用神經網絡算法和專家系統對3-7天的訓練數據進行分析，找出音頻數據基準特征量作為判斷依據。通過高音質麥克、高速音頻采集卡、工控機等建立一套完整的電力變壓器音頻在線監測裝置，利用頻譜分析手段對電力變壓器運行中的聲音信息進行采集處理，監測音頻特征量，并利用專家系統、人工神經網絡等建立相應的識別機制，從而做出變壓器運行狀況監視和報警。同時完成聲音的當地采集、處理、存儲以及上報功能。音頻信息識別法是一種動態無損檢側方法，可以對變壓器進行在線實時或連續檢測，可以檢測變壓器負荷情況、內部異物、絕緣破損、內部放電、絕緣油缺失、絕緣油絕緣強度降低、絕緣油油品惡化、高壓套管污損、導線接觸不良、斷線、內部短路等多種情況。電力變壓器由于其不同的類型(如電容型或電感型)、 不同的制造材質、不同的體系結構、不同的制造工藝、不同的容量以及所處的不同自然環境、不同負載情況、不同的歷史運行情況等，其所體現出的音頻特性及發出的聲音都有所不同。針對不同的電力變壓器，考慮不同的影響因素，建立其音頻模型，并獲得合適的音頻特征信息量作為本項目狀態評估的基礎。目前采集和處理音頻信號的方法可分為兩大類(a) 采集分析音頻波形，對波形進行頻譜分析；(b)提取/分析聲音特征參數如幅度、能量、持續時間、振鈴計數等，然后對這些波形特征參數進行分析和處理。針對穩定信號的波形頻譜分析常采用傅立葉變換方法。由于電力變壓器所處的自然環境、設備的運行狀態以及歷史檢修情況的不同，因此本項目對電力變壓器的檢修評估體系主要采用特征量判別結合人工智能的方法。目前，這方面的研究主要沿著三個方向展開第一是建立各類專家系統。人們對基于知識的狀態診斷系統已經進行了大量的研究，然而，隨著研究的深入，人們發現目前專家系統仍面臨許多困難，其中較為嚴重的問題是缺乏有效的診斷知識表達、不確定性的知識推理以及診斷知識獲取困難等。第二是建立人工神經網絡(ANN)。ANN基本理論是近年來重新興起的一種人工智能方法，它為克服專家系統的缺陷開辟了一條嶄新的途徑。它的自學習功能、并行處理能力倍受青睞。它的分布式存儲能力在狀態診斷中用作知識的分布式存儲，可能解決知識組合爆炸問題；其大規模并行處理能力可用于提高推理的速度，因而更適合于結構復雜、機理不十分明顯的復雜設備的診斷，但其需要較強的計算能力。第三是引用模糊數學推理的理論進行狀態診斷。變壓器中常有一種故障存在多種表現或多種故障具有同一表現的現象，這樣易引起誤診斷的問題。模糊數學作為一種處理不精確信息的工具，在設備的診斷中可發揮重要作用。引用模糊數學的理論，將它應用于變壓器狀態診斷的研究是一種較好的嘗試，但是如何確定符合國內設備狀況和特點的隸屬函數仍是一個需要解決的問題。本項目根據實際項目情況，綜合考慮各種人工智能方法，協調評估的精確性、 快速性和可行性以及性價比等多種因素，建立了一套合適的評估體系。開發應用了在線狀態監測系統軟件。[0009]本實用新型的優點是采用音頻信號作為監視信息，能將整個電力變壓器運行信息進行自動記錄，配合專家系統，能夠實現在線狀態監視、異常情況報警、專家系統訓練等功能。通過聲音采集系統實時監聽電力變壓器運行時的聲音，并通過信號處理手段提取聲音信號特征，采用專家系統判斷設備運行狀態，可以識別設備過負荷、絕緣破損、內部放電、 絕緣油缺失、導線接觸不良、內部短路等多種情況。本裝置提供各種報警及實時聲音監聽， 采用的音頻信息識別法目前在國內和國際的應用研究均較少，其類似的方法多采用超聲波監測法，所需設備昂貴復雜且較難實現在線實時或連續檢測，本裝置采用常規音頻采集設備輔以相應的處理手段，設備簡單、易于實現且投資少，性價比高。下面將結合附圖對本實用新型的實施方式作進一步詳細描述。
圖1是本實用新型整體結構示意圖。圖2是在線狀態監測系統軟件當地監聽主界面。圖3是數據處理框圖。
具體實施方式
參見圖1，基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置包括服務器1，應用在線狀態監測軟件，實現多路/多間隔同時監聽，專家系統動態監聽，實時報警，報警錄音及播放，大容量歷史存儲功能。在被監聽的變壓器2周圍放有麥克3。參見圖3，是數據處理框圖，聲音源一聲電轉換一信號放大一信號處理一記錄和顯示，完成聲音的當地采集、處理、存儲以及上報功能。參見圖2，主要包括菜單4“監聽通道標簽5，其中各監聽通道標簽對話框中包含監聽通道波形6面板和各操作按鈕。“系統”菜單4包含系統功能，其中“系統設置”菜單項功能為顯示系統設置對話框， 對系統進行設置。監聽通道標簽5對話框中左側“監聽通道波形6”用于顯示監聽通道的數據波形， 其波形為頻域信息波形，藍色曲線(左邊上面曲線)為進行報警判別時的基準信息，綠色曲線(左邊下面曲線)為當前波形信息，當兩者的差的絕對值大于通道限值設定值時，產生報警，同時綠色曲線顯示為紅色曲線。監聽通道標簽5對話框中右側為該通道對應的功能區， 主要有“顯示實時數據”、“報警有效”、報警內容區、“設定通道限值”、“開始正常訓練”、“開始快速訓練”、“開始本地監聽”、“開始本地錄音”、“生成專家數據”、“開始聲音訓練”和“查看錄波文件”。“顯示實時數據”選擇框選中時，在“監聽通道波形”圖形部分顯示實時采集的波形頻域信息，不選中時，顯示每一次進行報警判斷時的波形頻域信息。“報警有效”選擇框選中時，進行報警判斷，否則不進行報警判斷。報警內容區為報警時的內容顯示區，顯示報警時間等，單擊該區域則表示已處理本次報警。“設定通道限值”按鈕，對各通道的限制進行設定。各頻段限值通過限值對應的滾動條設定，頻段范圍為0 15kHz。“檢測靈敏度”用于設定檢測時的靈敏度，其對應為檢測所用的時間長度，靈敏度最高時對應時間為1秒，靈敏度最低時對應時間為100秒。“限值方案”下拉框用于讀取預先保存好的限值方案文件為本通道使用，可通過“保存限值方案”和“另存限值方案”將本通道當前的限值設定保存成文件。可通過“統一限值”將限值設定為一個統一值，然后對部分限值進行微調。通過“復制限制”、“粘貼限值”將本限值內容復制到粘貼板或從粘貼板粘貼。“開始正常訓練”按鈕用于開始新的專家系統訓練，其訓練周期由系統設置中的“訓練周期”決定。“開始快速訓練”用于開始新的快速訓練，其訓練周期為1小時。“開始本地監聽”用于將本通道的監聽聲音通過音箱外放。“開始本地錄音”用于手動開始或停止對通道聲音的錄音。“生成專家數據”用于將當前訓練結果生成專家系統所需數據，這個工作一般是程序自動完成，只有在特殊情況下才需要使用“生成專家數據”功能。“開始聲音訓練”用于使用硬盤中的聲音文件對系統進行訓練。“查看錄波文件”調出錄波記錄對話框可以對本通道或所有通道的錄波文件進行播放、刪除等操作。[0019]當地監聽部分軟件功能[0020]實時多路監聽可在間隔/子站內或監聽設備附近放置多個聲音采集設備，或利用多個聲音采集設備監聽多個設備狀態。[0021]聲音信號特征提取利用信號處理算法對監聽的多個聲音信號特征進行分析和提取。[0022]專家系統動態監聽利用專家系統通過歷史數據訓練獲得設備正常工作聲音基準，并作為監聽依據。[0023]實時監聽對各路聲音信號實時監聽并與專家系統確定的監聽依據進行比較，從而獲得報警信息。[0024]歷史數據保存將實時監聽的聲音信號保存在本地硬盤，并可根據硬盤容量設定保存期限。[0025]多種報警方式單路監聽報警、多路監聽報警、組合報警等。[0026]報警信息上傳將監聽獲得的報警信息通過通信系統上傳至遠程監聽系統。[0027]報警信息保存將報警信息保存在當地硬盤，不受歷史數據保存期限限制。[0028]聲音回放回放保存期限內任意時段的聲音。[0029]靈活配置可在當地對多路監聽配置、專家系統訓練時段、監聽信號時窗大小、報警用信號特征、報警限值、報警產生方式、歷史數據保存期限、報警信息上傳方式等進行配置。[0030]遠程配置通過通信系統接收遠程監聽系統對以上各配置信息的更改。[0031]遠程監聽部分軟件功能[0032]多間隔/子站狀態監視通過通信系統接收多個當地監聽系統上傳的信息。間隔 /子站(設備)運行狀態管理實時顯示各當地監聽系統判別狀態。[0033]報警信息顯示實時接收并顯示各當地監聽系統的報警信息，并可輸出給其他系統使用。[0034]報警信息保存對各當地監聽系統的歷史報警信息進行保存，并可進行查詢、統計等功能。[0035]遠程配置通過通信系統對各當地監聽系統的多路監聽配置、專家系統訓練時段、 監聽信號時窗大小、報警用信號特征、報警限值、報警產生方式、歷史數據保存期限、報警信息上傳方式等進行配置。[0036]自動化系統功能報警信息、設備狀態信息等可輸出給其他自動化系統使用。[0037]以下功能為高級功能(視系統情況及通信系統性能而定)[0038]遠程聲音調閱可通過通信系統對各當地監聽系統保存期限內的聲音以及報警時聲音進行調閱，并可保存在遠程監聽系統中。[0039] 實時聲音調閱可通過通信系統對各當地監聽系統實時監聽的聲音進行調閱(本地播放)。
權利要求1.一種基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置，其特征在于包括當地監聽設備；當地監聽設備由多個麥克(3)、音頻采集設備和高性能工控機組成。
2.按照權利要求1所述的基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置，其特征在于音頻采集設備是SONY高保真拾音器和DAR2000音頻采集卡。
3.按照權利要求1所述的基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置，其特征在于高性能工控機是研華工控機SYS-4U4000-4A03。
4.按照權利要求1所述的基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置，其特征在于高性能服務器系統是HPd820-ISSE。
專利摘要本實用新型涉及電力設備監控技術領域，即基于音頻識別技術的電力變壓器在線狀態監測裝置。當地監聽設備由多個麥克、音頻采集設備和高性能工控機組成，遠程監聽程序運行于高性能的服務器系統，通過光纖通信系統采集各間隔/子站的聲音信息及報警，并與自動化系統接口。采用音頻信號作為監視信息，能將整個電力變壓器運行信息進行自動記錄，配合專家系統，能夠實現在線狀態監視、異常情況報警、專家系統訓練等功能。通過聲音采集系統實時監聽電力變壓器運行時的聲音，并通過信號處理手段提取聲音信號特征，采用專家系統判斷設備運行狀態，可以識別設備過負荷、絕緣破損、內部放電、絕緣油缺失、導線接觸不良、內部短路等多種情況。
文檔編號G05B19/048GK202281934SQ201120342478
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者夏明超, 王瑋, 王超, 賈守輝, 賴長琦, 鄒金利 申請人:吉林省電力有限公司通化供電公司