一种利用声音特征编码诊断变压器故障的方法及系统

1.本发明涉及电力安全监测技术领域，具体涉及一种利用声音特征编码诊断变压器故障的方法及系统。


背景技术：

2.变压器是电力系统最关键的设备之一，其安全运行对于保障电力系统的供电可靠性具有十分重要的意义。声音伴随变压器运行产生，声音的幅值、时域波形、频谱特性与其运行电压、电流、机械状态、励磁状态、绝缘状态等密切相关，可及时反映设备运行状态变化。根据dl/t 573-2010《电力变压器检修导则》，变压器过载、不平衡负载、谐波负载、严重过热、直流偏磁、局部放电、绕组铁心松动、附件松动等多种缺陷均与变压器运行声音有关。
3.目前，利用声音诊断变压器故障的方法主要包括人工巡视方法以及基于人工智能的方法等。人工巡视方法费时费力，容易产生误判，诊断结果与技术人员的经验密切相关；基于人工智能的方法算法实现难度大、很难与嵌入式开发相结合，诊断不同类型的故障需要大量相应的故障样本数据。由于算法的复杂性，影响算法诊断效果的因素较多，容易导致故障诊断可靠性不高、诊断精度低等问题。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种诊断方法简单、易于编程实现、诊断故障类型多、诊断准确性高的利用声音特征编码诊断变压器故障的方法及系统。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种利用声音特征编码诊断变压器故障的方法，步骤包括：
7.1)采集变压器声音样本；
8.2)提取变压器声音样本的多种声音特征；
9.3)针对每一种声音特征，根据预设的变压器声音特征编码规则表获得对应的特征编码，并将所有声音特征的特征编码组合构成特征编码组合；
10.4)根据特征编码组合查询预设的变压器故障表获得变压器故障诊断结果。
11.可选地，所述预设的变压器声音特征编码规则表包含了声音特征的取值范围和特征编码之间的映射关系，所述根据预设的变压器声音特征编码规则表获得对应的特征编码是指根据声音特征落入的取值范围，获得该取值范围对应的特征编码。
12.可选地，步骤3)之前还包括生成变压器声音特征编码规则表的步骤：
13.s1)基于预设的采样率，分别采集不同变压器状态下的多个变压器指定时间长度的声音样本，共获得n个声音样本；
14.s2)针对n个声音样本，分别提取变压器声音样本的多种声音特征，从而得到每一种声音特征对应的声音特征数据集合；
15.s3)针对每一种声音特征对应的声音特征数据集合，获取对应的声音特征分级阈
值，基于声音特征分级阈值将声音特征的完整取值区间划分为取值范围，为每一种取值范围建立对应的特征编码，将各个取值范围及其对应的特征编码组合得到变压器声音特征编码规则表。
16.可选地，步骤s3)中获取对应的声音特征分级阈值时，得到的声音特征分级阈值包括注意阈值v1和异常阈值v2，所述基于声音特征分级阈值将声音特征的完整取值区间划分为取值范围时，得到的取值范围包括小于注意阈值v1、位于注意阈值v1和异常阈值v2之间、大于异常阈值v2。
17.可选地，步骤s3)中获取对应的声音特征分级阈值时，包括采用箱线图法将每一种声音特征对应的声音特征数据集合的上四分位数作为注意阈值v1；将每一种声音特征对应的声音特征数据集合由低到高排序并将得出声音特征数据集合中声音样本数量指定比例数量对应的特征数据值作为异常阈值v2，所述指定比例数量大于0且小于1。
18.可选地，所述小于注意阈值v1、位于注意阈值v1和异常阈值v2之间、大于异常阈值v2三个取值范围对应的特征编码分别为0、1和2。
19.可选地，所述多种声音特征包括声压级l、奇偶次谐波比r和频谱复杂度h。
20.可选地，所述声压级l的注意阈值v1为66.7db(a)、异常阈值v2为72.7db(a)，所述奇偶次谐波比r的注意阈值v1为0.1、异常阈值v2为0.2，所述频谱复杂度h的注意阈值v1为0.5、异常阈值v2为1，所述变压器故障表包含了特征编码组合和变压器状态类型的映射关系，当声压级l、奇偶次谐波比r和频谱复杂度h三者构成的特征编码组合{l,r,h}为{0,0,0}时，变压器状态类型为正常；当声压级l、奇偶次谐波比r和频谱复杂度h三者构成的特征编码组合{l,r,h}为{1,1,1}时，变压器状态类型为冷却装置老化；当声压级l、奇偶次谐波比r和频谱复杂度h三者构成的特征编码组合{l,r,h}为{2,2,2}时，变压器状态类型为严重直流偏磁。
21.此外，本发明还提供一种利用声音特征编码诊断变压器故障的系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述利用声音特征编码诊断变压器故障的方法的步骤。
22.此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序用于被计算机设备执行以实施所述利用声音特征编码诊断变压器故障的方法的步骤。
23.和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明包括采集变压器声音样本；提取变压器声音样本的多种声音特征；针对每一种声音特征，根据预设的变压器声音特征编码规则表获得对应的特征编码，并将所有声音特征的特征编码组合构成特征编码组合；根据特征编码组合查询预设的变压器故障表获得变压器故障诊断结果，具有诊断方法简单、易于编程实现、诊断故障类型多、诊断准确性高的优点。
附图说明
24.图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
25.图2为本发明实施例中变压器声音特征编码规则表的建模及应用流程图。
26.图3为本发明实施例中箱线图法统计得到的分析结果。
具体实施方式
27.如图1所示，本实施例利用声音特征编码诊断变压器故障的方法步骤包括：
28.1)采集变压器声音样本；
29.2)提取变压器声音样本的多种声音特征；
30.3)针对每一种声音特征，根据预设的变压器声音特征编码规则表获得对应的特征编码，并将所有声音特征的特征编码组合构成特征编码组合；
31.4)根据特征编码组合查询预设的变压器故障表获得变压器故障诊断结果。
32.本实施例中，预设的变压器声音特征编码规则表包含了声音特征的取值范围和特征编码之间的映射关系，所述根据预设的变压器声音特征编码规则表获得对应的特征编码是指根据声音特征落入的取值范围，获得该取值范围对应的特征编码。
33.如图2所示，本实施例中步骤3)之前还包括生成变压器声音特征编码规则表的步骤：
34.s1)基于预设的采样率，分别采集不同变压器状态下的多个变压器指定时间长度的声音样本，共获得n个声音样本；本实施例中声音样本是时间长度为10s、采样率为40khz的变压器声音数据，声音样本数量共100个。
35.s2)针对n个声音样本，分别提取变压器声音样本的多种声音特征，从而得到每一种声音特征对应的声音特征数据集合；
36.s3)针对每一种声音特征对应的声音特征数据集合，获取对应的声音特征分级阈值，基于声音特征分级阈值将声音特征的完整取值区间划分为取值范围，为每一种取值范围建立对应的特征编码，将各个取值范围及其对应的特征编码组合得到变压器声音特征编码规则表。
37.本实施例中，步骤s3)中获取对应的声音特征分级阈值时，得到的声音特征分级阈值包括注意阈值v1和异常阈值v2，所述基于声音特征分级阈值将声音特征的完整取值区间划分为取值范围时，得到的取值范围包括小于注意阈值v1、位于注意阈值v1和异常阈值v2之间、大于异常阈值v2。
38.本实施例中，步骤s3)中获取对应的声音特征分级阈值时，包括采用箱线图法将每一种声音特征对应的声音特征数据集合的上四分位数作为注意阈值v1；将每一种声音特征对应的声音特征数据集合由低到高排序并将得出声音特征数据集合中声音样本数量指定比例数量对应的特征数据值作为异常阈值v2，所述指定比例数量大于0且小于1(本实施例中取值为0.9，即90％)。
39.本实施例中，小于注意阈值v1、位于注意阈值v1和异常阈值v2之间、大于异常阈值v2三个取值范围对应的特征编码分别为0、1和2。
40.本实施例中，多种声音特征包括声压级l、奇偶次谐波比r和频谱复杂度h。步骤s2)得到的每一种声音特征对应的声音特征数据集合中，声压级l的声音特征数据集合为{l1,l2,
…
,l
100
}，奇偶次谐波比r的声音特征数据集合为{r1,r2,
…
,r
100
}，频谱复杂度h的声音特征数据集合为{h1,h2,
…
,h
100
}。
41.本实施例中利用箱线图法对变压器的每个声音特征数据集合进行分析，得出每个声音特征数据集合的上四分位数，作为注意阈值v1。如图3所示，本实施例中利用箱线图法对110kv变压器自然风冷onan、强迫风冷onaf、自然风冷或强迫风冷onan/onaf三种冷却方
式的声压级l声音特征数据集合进行分析分析，以自然风冷onan变压器为例，得出声压级l声音特征数据集合的上四分位数为66.7db(a)，将该数值作为声压级l声音特征的注意阈值v1。对变压器的每个声音特征数据集合进行由低到高排序，得出声音特征数据集合中声音样本数量90％对应的特征数据值，作为异常阈值v2。将声压级l的声音特征数据集合{l1,l2,
…
,l
100
}按照由低到高排序，第90个数据对应的数值为72.7db(a)，将该数值作为声压级l声音特征的异常阈值v2。因此，本实施例中，声压级l的注意阈值v1为66.7db(a)、异常阈值v2为72.7db(a)。按照相同的方法，对奇偶次谐波比r声音特征数据集合{r1,r2,
…
,r
100
}、频谱复杂度h声音特征数据集合{h1,h2,
…
,h
100
}进行分析，分别得到奇偶次谐波比r的注意阈值v1为0.1、异常阈值v2为0.2，所述频谱复杂度h的注意阈值v1为0.5、异常阈值v2为1。本实施例中，声音特征阈值的编码规则为：声音特征值小于注意阈值v1，编码为“0”；声音特征值大于等于注意阈值v1且小于异常阈值v2，编码为“1”；声音特征值大于等于异常阈值v2，编码为“2”，声音特征阈值编码规则如表1所示。对需要进行故障诊断的1台110kv变压器的一个声音样本进行测量，得出声压级l声音特征数值为78.0db(a)，奇偶次谐波比r声音特征数值为1.2，频谱复杂度h声音特征数值为2。根据表1，声压级l声音特征编码为2，奇偶次谐波比r声音特征编码为2，频谱复杂度h声音特征编码为2。
42.表1：变压器声音特征编码规则。
43.取值范围特征编码＜v10v1≤～《v21≥v22
44.本实施例中，变压器故障表包含了特征编码组合和变压器状态类型的映射关系，特征编码组合是由不同声音特征的特征编码组成的一组数据，每个特征编码组合与变压器的一类故障相对应，利用特征编码组合能够诊断变压器故障类型。根据不同类型故障条件下变压器声音特征的分布规律，得出特征编码组合与变压器故障类型的对应关系如表2所示。
45.表2：不同故障类型变压器的声音特征编码组合。
[0046][0047]
根据表1，当声压级l、奇偶次谐波比r和频谱复杂度h三者构成的特征编码组合{l,r,h}为{0,0,0}时，变压器状态类型为正常；当声压级l、奇偶次谐波比r和频谱复杂度h三者构成的特征编码组合{l,r,h}为{1,1,1}时，变压器状态类型为冷却装置老化；当声压级l、奇偶次谐波比r和频谱复杂度h三者构成的特征编码组合{l,r,h}为{2,2,2}时，变压器状态类型为严重直流偏磁。本实施例中，声压级l、奇偶次谐波比r、频谱复杂度h声音特征的数值均为2，则3个声音特征的特征编码组合为{2,2,2}，根据表2可以诊断变压器的故障类型为严重直流偏磁。
[0048]
综上所述，本实施例方法通过大量变压器声音样本检测与变压器声音特征计算，
获取声音特征数据集合，利用统计分析方法对声音特征数据集合进行分析，确定声音特征的阈值，通过对声音特征阈值范围进行编码，获得声音特征编码组合，最后利用声音特征编码组合与故障类型的对应关系诊断出不同类型的变压器故障，具有诊断方法简单、易于编程实现、诊断故障类型多、诊断准确性高的优点。
[0049]
此外，本发明还提供一种利用声音特征编码诊断变压器故障的系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述利用声音特征编码诊断变压器故障的方法的步骤。
[0050]
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序用于被计算机设备执行以实施前述利用声音特征编码诊断变压器故障的方法的步骤。
[0051]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0052]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。