一种基于异常振动分析的GIS机械故障诊断方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于异常振动分析的GIS机械故障诊断方法和系统，该GIS机械故障诊断方法包括：对GIS设备上的振动信号进行采集的步骤；利用阀值去噪方法对采集的信号进行去噪处理的步骤；利用窄带噪声辅助多元EMD方法提取信号中包含的各种特征信息的步骤；利用功率谱密度函数提取其功率特征，计算各通道所有IMF的功率谱最大幅值，以构成所测工况下的功率特征矩阵的步骤；以及将通过试验获得的正常工况下的功率特征矩阵和/或各种故障工况下的功率特征矩阵，作为故障判据的步骤。与传统方法相比，本发明专利技术对整个电力系统的正常运行无任何影响，能够安全、可靠地监测GIS的运行状态，适宜各电压等级GIS变电站装配。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于异常振动分析的GIS机械故障诊断方法和系统。
技术介绍
目前，GIS(Gas Insulated Switchgear，气体绝缘开关设备)的异常机械振动在运行变电站时有发生，异常振动会对GIS运行状态产生不利影响，并可能造成噪声超标，影响运行人员及变电站附近人员工作及生活。同时，异常振动会对现场GIS局部放电超声波检测造成干扰，影响了对GIS运行状态的准确评估。GIS状态监测为实现由计划检修到状态检修的转变创造了条件。长期以来的计划检修、盲目解体拆卸，浪费了大量的人力、物力和财力，同时也造成了停电损失和设备寿命的降低。目前，电力系统各个运行单位正致力于GIS由计划检修到状态检修的转变，不再以投入年限和动作次数作为衡量标准，而是以设备的实际状态为维修依据。近年来，人们己经发现，依靠设备的在线监测与诊断技术，实现设备的状态检修，预期可达到电力系统的下述要求：(1)产品的质量问题使运行可靠性受到影响，采用在线监测可以在运行中及时发现发展中的事故隐患，防患于未然。(2)逐步采用在线监测代替停电试验，减少设备停电时间，节约试验费用。(3)对老化设备或已知有缺陷、有隐患的设备，用在线监测随时监视其运行情况，一旦发现问题及时退出，最大限度地利用其剩余寿命。针对GIS的故障监测技术，目前国内外仍主要采用离线的定期维修方式或是部分带电检测离线检修方式，比较完善的在线监测和诊断系统在生产实际中的应用还非常少见，且很不成熟。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于异常振动分析的GIS机械故障诊断方法，本专利技术的目的还在于提供一种基于异常振动分析的GIS机械故障诊断装置，以有效地监测GIS的运行状态。为此，本专利技术提供了一种GIS机械故障诊断方法，包括以下步骤：对GIS设备上的振动信号进行采集的步骤一；利用阀值去噪方法对采集的信号进行去噪处理的步骤二；利用窄带噪声辅助多元EMD方法提取信号中包含的各种特征信息的步骤三；利用功率谱密度函数提取其功率特征，计算各通道所有IMF的功率谱最大幅值，以构成所
测工况下的功率特征矩阵的步骤四；以及将通过试验获得的正常工况下的功率特征矩阵和/或各种故障工况下的功率特征矩阵，作为故障判据的步骤五。进一步地，上述步骤三包括：首先对原始多通道信号增加若干通道高斯白噪声，然后对复合信号再应用MEMD分解，并将噪声通道的IMF剔除，即得到原始信号的分解结果。进一步地，上述步骤五还包括：引入功率特征矩阵的相似度，当功率特征矩阵相似度大于预定值时判定为相同工况。进一步地，当所测工况的功率特征矩阵与正常工况下的功率特征矩阵的相似度大于0.9时，判定GIS设备正常运行，当相似度小于0.7时，判定GIS发生振动故障。进一步地，上述在步骤一和步骤二之间还包括：通过不同频带的滤波器，将频率较高的局部放电信号和频率较低的机械振动信号区分开的步骤。根据本专利技术的另一方面提供了一种GIS机械故障诊断系统，包括振动信号检测模块、信号调理模块、数据采集模块、以及信号处理模块，信号处理模块利用阀值去噪方法对采集的信号进行去噪处理，之后利用窄带噪声辅助多元EMD方法提取信号中包含的各种特征信息，并利用功率谱密度函数提取其功率特征，计算各通道所有IMF的功率谱最大幅值，以构成所测工况下的功率特征矩阵，将所测工况下的功率特征矩阵与通过试验获得的正常工况下的功率特征矩阵和/或各种故障工况下的功率特征矩阵相比较，以判定GIS设备是否发生故障。进一步地，上述振动信号检测模块为CA-YD-103型压电式传感器。进一步地，上述压电式传感器使用耦合剂固定在GIS设备的壳体表面，其中，GIS设备的测量点包括窥视孔、操作机构和气室中部。进一步地，上述数据采集模块为USB-1902型数据采集卡。进一步地，上述信号调理模块为YE5853A型电荷放大器。与传统方法相比，振动法与整个电力系统没有电气连接，对整个电力系统的正常运行无任何影响，具有较强的抗干扰能力和灵敏度，能够安全、可靠地监测GIS的运行状态，整套软硬件设备适合GIS的在线检测，适宜各电压等级GIS变电站装配。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是根据本专利技术一实施例的GIS机械故障诊断系统的结构框图；图2是根据本专利技术一实施例的GIS机械故障诊断方法的流程图；图3是根据本专利技术另一实施例的GIS机械故障诊断方法的流程图；图4和图5是根据本专利技术的利用阀值去噪方法对现场测试的两种不同的振动冲击信号进行分析处理的对比图；以及图6是根据本专利技术的四个振动传感器测量点的经过降噪处理后的振动信号及利用NNA-MEMD方法进行分解所得各IMF的对比图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。针对当前GIS机械状态在线监测与故障诊断技术的研究现状和存在的问题，本专利技术提供了一种GIS机械状态在线监测与故障诊断方法，并针对实际工程应用，提出一整套智能化的GIS机械状态在线监测和故障诊断系统。根据本专利技术的GIS机械故障诊断系统，如图1所示，包括振动信号检测模块11、信号调理模块12、数据采集模块13、以及信号处理模块14，信号处理模块14利用阀值去噪方法对采集的信号进行去噪处理，之后利用窄带噪声辅助多元EMD方法提取信号中包含的各种特征信息，并利用功率谱密度函数提取其功率特征，计算各通道所有IMF的功率谱最大幅值，以构成所测工况下的功率特征矩阵，将所测工况下的功率特征矩阵与通过试验获得的正常工况下的功率特征矩阵和/或各种故障工况下的功率特征矩阵相比较，以判定GIS设备是否发生故障。本专利技术的GIS机械故障诊断方法，如图2所示，包括：对GIS设备上的振动信号进行采集的步骤S10；利用阀值去噪方法对采集的信号进行去噪处理的步骤S12；利用窄带噪声辅助多元EMD方法提取信号中包含的各种特征信息的步骤S14；利用功率谱密度函数提取其功率特征，计算各通道所有IMF的功率谱最大幅值，以构成所测工况下的功率特征矩阵的步骤S16；以及将通过试验获得的正常工况下的功率特征矩阵和/或各种故障工况下的功率特征矩阵，作为故障判据的步骤S18。优选地，上述方法还包括位于步骤S10和步骤S12之间的步骤S11：通过不同频带的滤波器，将频率较高的局部放电信号和频率较低的机械振动信号区分开。下面对本专利技术的各方面进行说明。本专利技术研究工作主要集中在以下几个方面：1)对GIS运行中的正常和故障振动信号产生机理进行理论分析和数值计算及仿真
研究。2)不同机械故障类型的GIS外壳振动信号特性研究。3)根据理论分析，选择合适的传感器，进行GIS振动带电检测系统的研制。4)开展GIS振动特性的现场测试，明确正常运行GIS的振动特性和机械故障类型的GIS的振动信号之间的差异，明确故障GIS振动信号的频谱分布规律和特点，结合实验室研究，形成故障分析和判断的判据。5)研制综合式GIS机械缺陷在线监本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GIS机械故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：对GIS设备上的振动信号进行采集的步骤一；利用阀值去噪方法对采集的信号进行去噪处理的步骤二；利用窄带噪声辅助多元EMD方法提取所述信号中包含的各种特征信息的步骤三；利用功率谱密度函数提取其功率特征，计算各通道所有IMF的功率谱最大幅值，以构成所测工况下的功率特征矩阵的步骤四；以及将通过试验获得的正常工况下的功率特征矩阵和/或各种故障工况下的功率特征矩阵，作为故障判据的步骤五。

【技术特征摘要】
1.一种GIS机械故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：对GIS设备上的振动信号进行采集的步骤一；利用阀值去噪方法对采集的信号进行去噪处理的步骤二；利用窄带噪声辅助多元EMD方法提取所述信号中包含的各种特征信息的步骤三；利用功率谱密度函数提取其功率特征，计算各通道所有IMF的功率谱最大幅值，以构成所测工况下的功率特征矩阵的步骤四；以及将通过试验获得的正常工况下的功率特征矩阵和/或各种故障工况下的功率特征矩阵，作为故障判据的步骤五。2.根据权利要求1所述的GIS机械故障诊断方法，其特征在于，所述步骤三包括：首先对原始多通道信号增加若干通道高斯白噪声，然后对复合信号再应用MEMD分解，并将噪声通道的IMF剔除，即得到原始信号的分解结果。3.根据权利要求1所述的GIS机械故障诊断方法，其特征在于，所述步骤五还包括：引入所述功率特征矩阵的相似度，当功率特征矩阵相似度大于预定值时判定为相同工况。4.根据权利要求3所述的GIS机械故障诊断方法，其特征在于，当所测工况的功率特征矩阵与正常工况下的功率特征矩阵的相似度大于0.9时，判定GIS设备正常运行，当相似度小于0.7时，判定GIS发生振动故障。5.根据权利要求1所述的GIS机械故障诊断方法，其特征在于，在步骤一和步骤二之间还包...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙庆生，曹涛，周章斌，韩光，王勤，王东，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网安徽省电力公司合肥供电公司，
类型：发明
国别省市：北京;11