高压断路器机械振动信号的特征提取与识别研究

发布时间：2020-08-21 14:16

【摘要】：高压断路器是电力系统的关键设备之一,由于户外环境的影响或机械部件自身的质量问题,机械故障时有发生,从而造成经济损失。机械振动信号包含的时频特征能反映机械的运行状况,因而国内外学者大量开展了基于振动信号的高压断路器故障诊断的研究,但信号特征的有效提取与故障的准确识别一直是研究的难点,且未取得重大突破。为此,论文利用虚拟仪器技术搭建的振动信号采集平台采集了四种振动类型(正常状况、基座螺丝松动、延时动作、储能弹簧松动)的实验数据,对高压断路器合闸振动信号的特征提取与识别方法进行了研究,研究的主要内容包括:(1)信号的降噪及时频分析。针对实测数据,采用了改进的阈值函数进行降噪预处理,对比软阈值、硬阈值信号降噪方法,能有效保证估计信号的平滑性与突变信息。然后选定经验小波变换、变分模态分解两种方案对实测信号分解,并讨论了实测信号本征模态数的选取问题,对比经验模态分解、聚合经验模态分解方法的时频分辨性能,论文选取的方法可精确得到信号真实的窄带本征模态分量。(2)信号的特征提取。为了进一步量化信号的时频特性,在时频分析的基础上,论文提出了两种新的特征提取方法,改进的时频熵法、一种新的时间分割能量熵的特征提取方法。与传统的特征提取方法相比,两种特征提取方法能更好刻画信号的时频特性。(3)信号的识别。针对断路器动作次数不频繁,获取大量的振动样本难以实现,且存在样本数量分布不均匀问题,论文为断路器机械振动信号的识别提供了两种可行方案,并详细讨论了识别方案的各项分类性能指标。方案一采用了多分类支持向量机识别四种类型振动信号,分类器参数采用随机搜索寻优确定,以减少识别时间开销,方案一的准确率达95%,以所有故障样本为正例下的召回率达96.67%。为了综合考虑召回率、准确率性能指标与样本数量分布不均匀问题,方案二创造性的利用单分类支持向量机最大限度的检测出故障样本,然后用循环遍历优化的概率神经网络识别出具体的故障类型,模型准确率达到95%,以所有故障样本为正例下的召回率达96.77%,与传统故障诊断模型相比,该分类模型在保证准确率的前提下,能最大程度避免故障样本误识为正常状况而错过设备最佳维护时间。
【学位授予单位】：黑龙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM561
【图文】：

Fig.1-1 Two signal recognition schemes本文的主要工作体现在：（1）对比了 EMD、EEMD、EWT、VMD 信号分解的性能，讨论了模态数 K的选取。（2）提出了两种特征提取方案，改进的时频熵特征、一种新的时间分割能量熵特征，通过对比研究，讨论了方案的可行性。（3）采用了两种信号识别方案，识别方案一采用随机搜索寻优方法优化 SVM的核函数参数 g 与惩罚系数 C，减少了网格搜索（Grid search, GS）的时间开销。方案二综合考虑了准确率与召回率，首先采用 RBF 核 OCSVM 分类器检测出正常与异常样本，使得分类器在保证准确率的前提下，尽可能的检测出故障样本，最后采用循环遍历方式优化 PNN，并采用 PNN 分类器识别出具体的故障类型。1.3.2 文章结构安排第一章，综述了断路器机械振动信号的信号分解、特征提取与识别研究现状。

图 2-1 硬件部分的整体设计流程Fig.2-1 The whole design process of the hardware part断路器产生振动信号，并通过压电式加速度传感器 LC0159 将振电信号，然后，模拟电信号输入到信号调理器进行滤波调理，最号输入到 USB6002 进行 AD 转换。其中 USB6002 的采集工作由5V 的高电平触发，信号调理器由电源模块提供 DC+24V 的工作由电源模块提供 DC+5V 工作电压。系统与控制电路统包括硬件系统与软件系统，硬件系统包括型号为 LC0159 的压、型号为 AFT-0931 的信号调理器、NIUSB6002 数据采集卡、439、稳压电源、计算机等模块组成。主要工作是实时采集瞬时、转化为数字信号。各模块部件的实物图及整体的硬件测量电路 中的图 b）所示，而上位机测量系统采用 labview 编程实现人机

图 2-1 硬件部分的整体设计流程Fig.2-1 The whole design process of the hardware part首先，断路器产生振动信号，并通过压电式加速度传感器 LC0159 将振动信号转化为模拟电信号，然后，模拟电信号输入到信号调理器进行滤波调理，最后，将滤波后的信号输入到 USB6002 进行 AD 转换。其中 USB6002 的采集工作由外部触发电路以+5V 的高电平触发，信号调理器由电源模块提供 DC+24V 的工作电压，而触发电路由电源模块提供 DC+5V 工作电压。2.2 测量系统与控制电路测量系统包括硬件系统与软件系统，硬件系统包括型号为 LC0159 的压电式加速度传感器、型号为 AFT-0931 的信号调理器、NIUSB6002 数据采集卡、4 电压比较器 LM339、稳压电源、计算机等模块组成。主要工作是实时采集瞬时、非平稳振动信号并转化为数字信号。各模块部件的实物图及整体的硬件测量电路的连接图如图 2-2 中的图 b）所示，而上位机测量系统采用 labview 编程实现人机交互。

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本文编号：2799484