一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法、系统和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开的一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法、系统和装置，根据振动信号和声波信号，分别通过时延估计噪声源定位算法、延时求和波束形成噪声源定位算法和基于遗传MUSIC噪声源定位算法，分别计算噪声源的三个方位角，本发明专利技术结合声音信号和振动信号的优点，以受外界干扰较小的振动信号作为变压器噪声源定位的基准触发信号，通过噪声阵列传感器采集声音信号，综合采用多种定位算法对噪声源进行定位，不仅能准确估计时延、确定噪声源的位置，提高定位精度，还能提高变压器噪声检测水准，更加有效的利用噪声信号评估变压器的运行状态，确保变压器的安全稳定运行。

A method, system and device of transformer noise source location based on the combination of sound and vibration

【技术实现步骤摘要】
一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法、系统和装置
本专利技术属于噪声源定位的
，具体涉及一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法、系统和装置。
技术介绍
近年来随着电力事业的发展，变压器噪声振动所带来的危害越来越多地受到人们的关注，作为一种机械波，变压器噪声是设备机械振动通过弹性媒质向外界传播的结果，噪声中蕴含变压器工作状态的重要信息。通过采集变压器的噪声信号，并对噪声信号进行时域、频域处理，可以得出变压器的工作状态，并且能够很好地反映变压器铁芯松动、绕组松散、铁芯接地等故障。现阶段我国的变压器振动噪声故障监测还处于起步阶段，且由于变压器内部结构复杂，理论计算很难准确分析噪声的产生及传播规律。变压器常规检修过程是采用人耳来分别噪声，可靠性较低，现有的噪声研究还停留在测量声压级、频谱阶段，对采集到的声音信号进行时、频处理，这些研究远不能满足深入了解变压器振动噪声传播机理、进一步降低变压器噪声的需求。传统的变压器噪声源定位方法为：基于波束形成定位、基于到达时间差定位和基于高分辨率谱估计定位；由于变压器内部结构及现场应用环境复杂，对于传统单一的定位方法，其定位精度很难得到保证；在真实变压器上开展噪声源定位，由于变压器内部复杂结构、振动噪声信号传播机理的复杂性以及环境噪声等因素均不利于传播时间值的准确测量，导致现有定位方法在时延估计方面存在一定的误差，容易造成噪声源定位精度变低，甚至出现定位失败的现象。因此，为了更好的实现变压器噪声源的定位，提出一种时延估计准确，定位精度高的变压器噪声源定位方法，具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种时延估计准确、定位精度高，且基于声振结合的变压器噪声源定位方法、系统和装置。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法，包括：S101、采集设置在变压器外壳上的振动传感器的振动信号；S102、采集设置在变压器外的噪声阵列传感器的声波信号；S103、根据振动信号和声波信号，分别通过时延估计噪声源定位算法、延时求和波束形成噪声源定位算法和基于遗传MUSIC噪声源定位算法，分别计算噪声源的三个方位角；S104、根据计算得到的三个方位角分别赋予不同的权重并进行加权和，得到最终噪声源的方位角。优选地，所述通过时延估计噪声源定位算法计算噪声源的方位角，具体包括：S1051、计算噪声传感器阵列采集到的声波信号与振动传感器采集到的振动信号的时间差ti；S1052、建立空间直角坐标系，定义待定位的噪声源坐标为P(x,y,z)，Ri表示噪声源到噪声传感器Zi的距离，tij表示噪声源到噪声传感器Zi与噪声传感器Zj之间的时延，R表示噪声源到坐标原点的距离，θ(0°,90°)表示噪声源到坐标原点的俯仰角，φ1(0°,360°)表示噪声源到坐标原点的方位角，L为噪声源到噪声传感器阵列中心的距离，v为变压器内等值声速；设噪声传感器的数量为四个，且采用平面四元十字型阵列排列，根据噪声源与噪声传感器阵列之间的几何关系，建立如下方程组：S1053、在变压器噪声源定位中，噪声源信号处于远场，则可认为R1≈R2≈R3≈R4≈R，可得噪声源的方位角φ1：优选地，所述通过延时求和波束形成噪声源定位算法计算噪声源的方位角，具体包括：S1061、设噪声传感器的数量为四个，且采用平面四元十字型阵列排列，第i个噪声传感器接收到的信号为xi(t)，使用延时求和波束形成器根据波达时延对阵列信号进行调整，使各个噪声传感器接收到的信号在时间上同步，延时求和波束形成器如下：式(3)中，t11＝0，j＝1,2,3,4；S1062、设噪声源到噪声传感器阵列的方位角为φ2，则方向矢量对式(3)作傅里叶变换，可以得到延时求和波束形成器在频域内的表达式如下：式(4)中，X(k)是噪声传感器接收信号的频域形式，W(k)为方向矢量，S1063、根据波束最大输出能量确定声源的方位角φ2，即式(5)中，RXX(k)＝E{X(k)XT(k)}。优选地，所述通过基于遗传MUSIC噪声源定位算法计算噪声源的方位角，具体包括：S1071、根据采集到的振动信号和声波信号，结合传统的MUSIC算法，获取MUSIC谱的表达式，将该表达式作为适应度函数；S1072、设定遗传算法的初始参数，包括种群规模、选择策略、交叉概率和变异概率，并确定初始化种群；S1073、利用所述适应度函数对当代种群中每一个个体进行适应度评估，计算适应度大小，根据适应度大小确定噪声源定位的准确程度和个体优劣；S1074、判断当前的种群是否满足预先设定停止迭代条件，若是，执行步骤S1076，否则，执行步骤S1075；S1075、按照遗传策略，对当代种群通过选择、交叉、变异操作产生下一代，构建下一代种群，随后执行步骤S1073进行下一次迭代；S1076、迭代停止，输出当代种群中个体最优解，并通过判断适应度来确定噪声源的最佳方位角φ3。优选地，所述根据采集到的振动信号和声波信号，结合传统的MUSIC算法，获取MUSIC谱的表达式，将该表达式作为适应度函数，具体包括：S1081、利用噪声阵列传感器接受的声波信号计算协方差矩阵C；S1082、利用协方差矩阵C构造特征方程|λI-C|＝0，对协方差矩阵进行特征值分解；S1083、根据噪声源和分解出来的特征值、特征向量来确定信号子空间和噪声子空间；S1084、根据阵列流形和噪声子空间，获取空间谱函数PMUSIC；式(6)中，PMUSIC表示峰值，d(θ)表示阵列流形的导向矢量，表示噪声子空间特征矢量矩阵。进一步地，所述按照遗传策略，对当代种群通过选择、交叉、变异操作产生下一代，构建下一代种群，具体包括：对当代种群选择算子采用轮盘赌注结合的最优保存策略；交叉算子依据适应度的高低选择，个体适应度高的选择低概率交叉，个体适应度低的选择多点交叉；变异算子的取值随当代种群的整体差异而进行自行修改。进一步地，所述根据计算得到的三个方位角分别赋予不同的权重并进行加权和，得到最终噪声源的方位角，所述最终方位角其中λ+β+γ＝1，0≤λ,β,γ≤1，λ、β、γ为权重因子。相应地，一种基于声振结合的变压器噪声源定位装置，包括：信号调理单元：用于将振动传感器、噪声阵列传感器采集到的模拟信号转化为用于数据采集的数字信号；数据采集单元：用于将转化后的数字信号发送至第一处理单元；第一处理单元：用于通过时延估计噪声源定位算法、延时求和波束形成噪声源定位算法和基于遗传MUSIC噪声源定位算法，分别计算噪声源的三个方位角；第二处理单元：根据计算得到的三个方位角分别赋予不同的权重并进行加权和，得到最终噪声源的方位角。相应地，一种基于声振结合的变压器噪声源定位系统，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法，其特征在于：包括：/nS101、采集设置在变压器外壳上的振动传感器的振动信号；/nS102、采集设置在变压器外的噪声阵列传感器的声波信号；/nS103、根据振动信号和声波信号，分别通过时延估计噪声源定位算法、延时求和波束形成噪声源定位算法和基于遗传MUSIC噪声源定位算法，分别计算噪声源的三个方位角；/nS104、根据计算得到的三个方位角分别赋予不同的权重并进行加权和，得到最终噪声源的方位角。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法，其特征在于：包括：
S101、采集设置在变压器外壳上的振动传感器的振动信号；
S102、采集设置在变压器外的噪声阵列传感器的声波信号；
S103、根据振动信号和声波信号，分别通过时延估计噪声源定位算法、延时求和波束形成噪声源定位算法和基于遗传MUSIC噪声源定位算法，分别计算噪声源的三个方位角；
S104、根据计算得到的三个方位角分别赋予不同的权重并进行加权和，得到最终噪声源的方位角。


2.根据权利要求1所述的一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法，其特征在于：所述通过时延估计噪声源定位算法计算噪声源的方位角，具体包括：
S1051、计算噪声传感器阵列采集到的声波信号与振动传感器采集到的振动信号的时间差ti；
S1052、建立空间直角坐标系，定义待定位的噪声源坐标为P(x,y,z)，Ri表示噪声源到噪声传感器Zi的距离，tij表示噪声源到噪声传感器Zi与噪声传感器Zj之间的时延，R表示噪声源到坐标原点的距离，θ(0°,90°)表示噪声源到坐标原点的俯仰角，φ1(0°,360°)表示噪声源到坐标原点的方位角，L为噪声源到噪声传感器阵列中心的距离，v为变压器内等值声速；
设噪声传感器的数量为四个，且采用平面四元十字型阵列排列，根据噪声源与噪声传感器阵列之间的几何关系，建立如下方程组：



S1053、在变压器噪声源定位中，噪声源信号处于远场，则可认为R1≈R2≈R3≈R4≈R，可得噪声源的方位角φ1：





3.根据权利要求1所述的一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法，其特征在于：所述通过延时求和波束形成噪声源定位算法计算噪声源的方位角，具体包括：
S1061、设噪声传感器的数量为四个，且采用平面四元十字型阵列排列，第i个噪声传感器接收到的信号为xi(t)，使用延时求和波束形成器根据波达时延对阵列信号进行调整，使各个噪声传感器接收到的信号在时间上同步，延时求和波束形成器如下：



式(3)中，t11＝0，j＝1,2,3,4；
S1062、设噪声源到噪声传感器阵列的方位角为φ2，则方向矢量对式(3)作傅里叶变换，可以得到延时求和波束形成器在频域内的表达式如下：



式(4)中，X(k)是噪声传感器接收信号的频域形式，W(k)为方向矢量，
S1063、根据波束最大输出能量确定声源的方位角φ2，即



式(5)中，RXX(k)＝E{X(k)XT(k)}。


4.根据权利要求1所述的一种基于声振结合的变压器噪声源定位方法，其特征在于：所述通过基于遗传MUSIC噪声源定位算法计算噪声源的方位角，具体包括：
S1071、根据采集到的振动信号和声波信号，结合传统的MUSIC算法，获取MUSIC谱的表达式，将该表达式作为适应度函数；
S1072、设定遗传算法的初始参数，包括种群规模、选择策略、交叉概率和变异概率，并确定初始化种群；
S1073、利用所述适应度函数对当代种群中每一个个体进行适应度评估，计算适应度大小，根据适应度大小确定噪声...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继攀，殷守斌，梁存民，孙素亮，王强，刘宏领，郭瑞，谷栋，彭顺，王维令，陈小虎，王陆丽，徐环，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司菏泽供电公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37