技术领域
[0001] 本
发明涉及
水轮发电机故障检测领域，具体涉及一种水轮发电机 变转速过程周期性振动冲击信号检测的方法。
背景技术
[0002] 水轮
发电机组的变转速过程包括开机过程、停机过程甚至事故停 机过程，是水轮发电机组正常运行过程中必须历经的过渡过程，除以 上过程之外，甩负荷试验过程、过速试验过程等变转速过程，也是机 组正常投入运行前必须要进行的试验过程。在以上各类变转速过程中， 机组各部件结构
载荷变化剧烈、工况变化复杂，相较而言，发生机组 故障机率较大。从故障诊断的
角度来说，此过程中故障征兆丰富，因 此也是对各类故障进行有效识别的关键过程。特别的，机组上如果存 在动静摩擦、结构部件裂纹等故障，那么其引起的周期性振动冲击信 号也会蕴含在此过程的振动信号中，通过对这些冲击信号的检测和识 别，就可以判断出机组是否存在动静摩擦、结构部件裂纹等故障。传 统的作法是针对振动信号辅助以同步识别转速及周期变化的键相信 号，进而通过信号分析识别出与转速相关的周期性冲击信号。但是在 很多条下，无法同步进行键相信号测量或者键相测量失效，在此情况 下，需要找到一种无键相条件下的振动冲击信号的检测方法。
发明内容
[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无键相信号下的水轮发电 机变转速过程周期性振动冲击信号检测的方法，可实现在无键相条件 下的周期性振动冲击信号的识别与检测。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] 一种水轮发电机变转速过程周期性振动冲击信号检测的方法，包 括以下步骤：
[0006] 步骤S1：采集水轮发电机变转速过程的振动信号数据，即初始振 动信号数据；
[0007] 步骤S2:根据快速包络谱峭度计算最优带通
滤波器；
[0008] 步骤S3:根据初始振动信号数据，采用最优
带通滤波器进行带通 滤波，获得振动冲击信号
波形；
[0009] 步骤S4:采用数字包络解调，求解得到振动冲击信号波形的振动冲 击包络xe(i)；
[0010] 步骤S5:根据振动冲击包络波形数据xe(i)，计算多个脉冲之间的时 间间隔：ΔT1，ΔT2,…ΔTl；
[0011] 步骤S6:根据估算转速，采用最小二乘法估算多项式转速拟合系数；
[0012] 步骤S7:基于多项式转速拟合系数，采用逐次逼近方法，对振动冲 击包络进行变
频率重
采样，获取转速拟合系数的最优值；
[0013] 步骤S8:根据转速拟合系数的最优值，构建拟合转速多项式，对振 动冲击包络进行变频率重采样，获得经整周期采样的振动冲击包络波 形；
[0014] 步骤S9:对经整周期采样的振动冲击包络波形作快速傅里叶变换， 获得
频谱；
[0015] 步骤S10:根据获取的频谱和拟合转速进行故障分析评价。
[0016] 进一步的，所述步骤S2具体为：
[0017] 步骤S21：假定信号如下：
[0018]
[0019] 式中：H(t,ω)为被分析信号x(t)的时频复包络，采用快速傅里叶 变换计算得到；
[0020] 步骤S22:根据谱的阶矩定义，谱峭度表示如下：
[0021]
[0022] 式中：C4y(ω)为信号y(t)的四阶谱累积量，S(ω)为谱瞬时矩；
[0023] 步骤S23:采用快速谱峭度
算法，计算每个频率带下的时域信号的 峭度值，将最大的峭度值对应的频率带B(Fc,ΔBw)作为最优的频率带， 得到最优的带通滤波器。
[0024] 进一步的，所述快速谱峭度算法具体为：
[0025] 步骤S231:设定初始滤波中心频率Fi_c和带通宽度ΔBi_w；
[0026] 步骤S232:采用按照“1/3-进二”方式逐步分层、分解调整中心频 率和带宽度获得全部带通滤波器下的包络谱峭度,并进一步求得最优 的B(Fc,ΔBw)。
[0027] 进一步的，所述步骤S6具体为：
[0028] 步骤S61:根据振动冲击包络波形数据xe(i)计算得到的多个脉冲之 间的时间间隔：ΔT1，ΔT2,…ΔTl,
[0029] 其中ΔTl是第l+1个脉冲和l个脉冲之间的时间间隔；
[0030] 步骤S62:计算获得即时平均转速r1，r2，…rl,其中 为估算 的机组第l+1周和l周之间的平均转速；将r1，r2，…rl(l≥4)带下 式，
[0031] r(t)＝a3t3+a2t2+a1t1+a0 (3)
[0032] 并用最小二乘法求解，获得多项式转速拟合系数
[0033] 进一步的，所述步骤S7具体为：以 为
基础，采用 逐次逼近方法，求解最优的多项式系数，具体流程步骤如下：
[0034] (a)令 步长
[0035] (b)令 步长
[0036] (c)令 步长
[0037] (d)令 步长
[0038] (e)将上述参数带入公式(8)就有：
[0039]
[0040]
[0041] (f)以 为重
采样频率对xe(i)进行采用峰值保持逐一进行采样， ns选择512或1024，总采集数据点数为p·ns个，其中p≥8。详细重采 样流程详见“根据时变转速重采样包络数据
流程图”；
[0042] (g)设 为重采样后的振动冲击包络数据，那么对 进行快 速傅里叶变换，获得 的频谱 计算 的相对主频率 及其幅值 特别的，如果则说明相对主频率并非是1倍 的转速频率，则另
[0043] (h)令A3＝A3+ΔA3,如 执行下一步,否则重复执行步骤(e)；
[0044] (i)令A2＝A2+ΔA2,如 执行下一步,否则重复执行步骤(d)；
[0045] (j)令A1＝A1+ΔA1,如 执行下一步,否则重复执行步骤(c)；
[0046] (k)令A0＝A0+ΔA0,如 执行下一步,否则重复执行步骤(b)；
[0047] (l)从所有获得的频谱主频率幅值 中寻找最大值对应的 A0,A1,A2,A3,令a0＝A0,a1＝A1,a2＝A2,a3＝A3,那么上述a0，a1，a2,a3为多 项式(8)的最优解。
[0048] (m)根据最优的多项式系数a0，a1，a2,a3对xe(i)重采样生成新的 变转速整周期振动冲击包络
[0049] 进一步的，所述步骤S8具体为:重采样后的振动冲击包络为 其转速多项式拟合系数为a0，a1，a2,a3，对 作快速傅里叶变换 获得频谱数据
[0050] 进一步的，所述初始振动信号数据包括采集到的安装在水轮发电 机组上的
机架、顶盖、
定子基座等部位的振动信号和上导、下导、水 导等各导
轴承部位的摆度信号。
[0051] 本发明与
现有技术相比具有以下有益效果：
[0052] 1、本发明采用逐次逼近方式求解多项式拟合转速变化函数，而 后根据时变转速进行重采样，通过对变转速过程中上述振动信号的变 换和分析，可实现在无键相条件下的周期性振动冲击信号的识别与检 测。
[0053] 2、本发明可提高频谱分析的准确度，减小频谱的
泄漏，提高对 动静摩擦、结构部件裂纹等故障的判断的准确性。
附图说明
[0054] 图1是本发明方法流程图；
[0055] 图2是本发明一
实施例中快速谱峭度计算示意图；
[0056] 图3是本发明一实施例中采用最优带通滤波器滤波以后的振动 冲击波形信号；
[0057] 图4是本发明一实施例中振动冲击包络信号；
[0058] 图5是本发明一实施例中根据振动冲击包络脉冲时间间隔计算 示意图；
[0059] 图6是本发明一实施例中根据时变转速重采样包络数据流程图；
[0060] 图7是本发明一实施例中某机组变转速下的振动振动信号频谱 图；
[0061] 图8是本发明一实施例中某机组变转速下的经重采样后的振动 振动信号频谱图。
具体实施方式
[0062] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0063] 请参照图1，本发明提供一种水轮发电机变转速过程周期性振 动冲击信号检测的方法，包括以下步骤：
[0064] 步骤S1：采集水轮发电机变转速过程的振动信号数据，即初始振 动信号数据；
[0065] 步骤S2:根据快速包络谱峭度计算最优带通滤波器；
[0066] 步骤S3:根据初始振动信号数据，采用最优带通滤波器进行带通 滤波，获得振动冲击信号波形；
[0067] 步骤S4:采用数字包络解调，求解得到振动冲击信号波形的振动冲 击包络xe(i)；
[0068] 步骤S5:根据振动冲击包络波形数据xe(i)，计算多个脉冲之间的时 间间隔：ΔT1，ΔT2,…ΔTl；
[0069] 步骤S6:根据估算转速，采用最小二乘法估算多项式转速拟合系数；
[0070] 步骤S7:基于多项式转速拟合系数，采用逐次逼近方法，对振动冲 击包络进行变频率重采样，获取转速拟合系数的最优值；
[0071] 步骤S8:根据转速拟合系数的最优值，构建拟合转速多项式，对振 动冲击包络进行变频率重采样，获得经整周期采样的振动冲击包络波 形；
[0072] 步骤S9:对经整周期采样的振动冲击包络波形作快速傅里叶变换， 获得频谱；
[0073] 步骤S10:根据获取的频谱和拟合转速进行故障分析评价。
[0074] 在本实施例中，所述步骤S2具体为：
[0075] 步骤S21：假定信号如下：
[0076]
[0077] 式中：H(t,ω)为被分析信号x(t)的时频复包络，采用快速傅里叶 变换计算得到；
[0078] 步骤S22:根据谱的阶矩定义，谱峭度表示如下：
[0079]
[0080] 式中：C4y(ω)为信号y(t)的四阶谱累积量，S(ω)为谱瞬时矩；
[0081] 步骤S23:采用快速谱峭度算法，计算每个频率带下的时域信号的 峭度值，将最大的峭度值对应的频率带B(Fc,ΔBw)作为最优的频率带， 得到最优的带通滤波器。所述快速谱峭度算法具体为：
[0082] 步骤S231:设定初始滤波中心频率Fi_c和带通宽度ΔBi_w；
[0083] 步骤S232:采用按照“1/3-进二”方式逐步分层、分解调整中心频 率和带宽度获得全部带通滤波器下的包络谱峭度,并进一步求得最优 的B(Fc,ΔBw)。
[0084] 如图2所示，是采用快速谱峭度对x(i)计算出来的各分层分解的 带通频带对应的峭度示意图，其中不同
颜色代表了不同的峭度值，颜 色越红峭度值越大。从图中可以直观地观察到，当带通滤波器
选定在 [53.343Hz,80.015Hz]时，峭度值达到最大值，因此[53.343Hz,80.015Hz] 是该振动信号的最优带通滤波器。
[0085] 在本实施例中，所述步骤S3具体为:获得最优窄带滤波器之后， 对原始振动信号进行窄带滤波，然后采用希尔伯特(Hilbert)变换等数 字包络解调技术获得冲击脉冲信号的包络波形。图3是采用最优带通 滤波器对原始振动信号进行滤波以后的振动冲击时域波形，图4是根 据数字包络解调获得的振动冲击包络信号。从波形中可以清晰地观察 到多个高幅值的冲击脉冲信号，且其周期是变化的。
[0086] 在本实施例中，设定由步骤二获得的振动冲击包络的时间序列为 xe(i)(i＝1,2....n)，采集频率为fs，采集周期为Ts，总采集时长为ΔT＝nTs， ΔT不小于机组最低可测转速下8个旋转周期的时间长度。xe(i)对应的 连续信号为xe(t)。
[0087] 正如上述分析，不论碰摩故障以及结构裂纹故障，其都表现为冲 击信号周期性重复出现，机组旋转一周出现1次、2次或更高。
[0088] 因此，可假定某时刻机组转速为r(t)(r/min),那么机组转速频率为 因此，那么冲击脉冲出现的频率为：
[0089]
[0090] 上式中是R(t)随转速随时间变化的函数，fp(t)是振动冲击脉冲频 率随时间变化的函数，那么可以看出，fp(t)正比于R(t)。
[0091] 那么可以将xe(t)表示为：
[0092]
[0093] 上式中，N(t)为噪声信号。除噪声信号之外，xe(t)由一系列基础 频率为fp(t)及其倍数频率k·fp(t)(k＝2,3....∞)的信号组成。在稳定转速 条件下fp(t)为常数，而在变转速过程fp(t)为时变函数，其与转速的 关系满足公式(3)。
[0094] 根据采样定理及数字傅里叶变换原理，在固定采样频率或周期下， 如果DFT采集
时间窗口内的信号的周期延拓与实际信号完全吻合， 那么就不会出现泄漏现象。换句话说，对于时变信号 如果采集时间窗口内正好包含整数个信号周期，而且采集频率为与 fp(t)的整倍数关系，就能避免频谱泄漏。
[0095] 那么如果能找到一个拟合函数R(t)，能够理想逼近r(t)，也就是是 说：
[0096] R(t)→r(t) (5)
[0097] 那么：
[0098]
[0099] 那么如果设定一个变步长的采样频率：
[0100]
[0101] 那么对于任意的 只要保证采集时间长度满足 ΔT包含p个(p≥8,总采样点数为p·ns)完整周期的频率为fp(t)的信号， 那么对于任意的其采样长时间窗口就满足采集k·p 个周期的完整信号，而且其时变
的采集频率完全与时变频率fp(t)成整 数倍关系，那么就保证了对于任意信号xe_k(t)在重采样之后对其进行 快速傅里叶变换，其频谱没有泄露。
[0102] 在本实施例中，采用3次多项式来拟合逼近机组转速的变化函数， 能满足机组升降速过程、过速试验、甩负荷试验等变转速过程的转速 逼近，也就是：
[0103] r(t)＝a3t3+a2t2+a1t1+a0 (8)
[0104] 上式中，t以采样开始为0时刻计算，第i个数据样本对应的时刻 为t＝Ts(i-1)。寻找拟合函数的过程就其实就是寻找上述多项式系数a0， a1，a2，a3的过程。具体步骤如下:
[0105] (1)多项式系数的估算
[0106] 为了找到上述四个多项式系数，首先需要估算出一组多项式系数 具体做法如下：
[0107] 根据振动冲击包络波形数据xe(i)计算多个脉冲之间的时间间隔： ΔT1，ΔT2,…ΔTl,其中ΔTl是第l+1个脉冲和l个脉冲之间的时间间隔(见 图8)：
[0108] 进而计算获得即时平均转速r1，r2，…rl,其中 近似为估算 的机组第l+1周和l周之间的平均转速。将r1，r2，…rl(l≥4)带入 公式(8)，并用最小二乘法求解，获得[0109] 在本实施例中，从求解过程看，r1，r2，…rl都是根据脉冲之间的 时间间隔而计算的平均估算转速，因而， 并不一定是 能满足对所有 整周期冲采样的最优的系数。因此 为基础，采用逐次逼近方法，求解最优的多项式系数。
[0110] 具体流程步骤如下：
[0111] (a)令 步长
[0112] (b)令 步长
[0113] (c)令 步长
[0114] (d)令 步长
[0115] (e)将上述参数带入公式(8)就有：
[0116]
[0117]
[0118] (f)以 为重采样频率对xe(i)进行采用峰值保持逐一进行采样， ns选择512或1024，总采集数据点数为p·ns个，其中p≥8。详细重采 样流程详见“根据时变转速重采样包络数据流程图”；
[0119] (g)设 为重采样后的振动冲击包络数据，那么对 进行快 速傅里叶变换，获得 的频谱 计算 的相对主频率 及其幅值 特别的，如果则说明相对主频率并非是1倍 的转速频率，则另
[0120] (h)令A3＝A3+ΔA3,如 执行下一步,否则重复执行步骤(e)；
[0121] (i)令A2＝A2+ΔA2,如 执行下一步,否则重复执行步骤(d)；
[0122] (j)令A1＝A1+ΔA1,如 执行下一步,否则重复执行步骤(c)；
[0123] (k)令A0＝A0+ΔA0,如 执行下一步,否则重复执行步骤(b)；
[0124] (l)从所有获得的频谱主频率幅值 中寻找最大值对应的 A0,A1,A2,A3,令a0＝A0,a1＝A1,a2＝A2,a3＝A3,那么上述a0，a1，a2,a3为多 项式(8)的最优解。
[0125] (m)根据最优的多项式系数a0，a1，a2,a3对xe(i)重采样生成新的 变转速整周期振动冲击包络
[0126] 在本实施例中，重采样后的振动冲击包络为 其转速多项 式拟合系数为a0，a1，a2,a3，对 作快速傅里叶变换获得频谱数 据
[0127] 在本实施例中，图7是直接用某机组顶盖振动的原始振动包络数 据xe(i)进行快速傅里叶变换获得的频谱，而图8是对xe(i)重采样后的 振动冲击包络 进行快速傅里叶变换获得的频谱。
[0128] 对比图7和和图8可以看出:
[0129] 在图7中，各主要频率谱线具有明显的旁瓣，但图8中各主要频 率谱线的旁瓣很小；
[0130] 图7各主要频率的幅值明显小于图8中各主要频率的幅值，典型 地，图7中的第1个主频率幅值为1.17左右，而对应图8的第1个 主频率幅值为1.568。
[0131] 由此可见，图7中频谱存在泄漏，导致频率、幅值带有明显误差， 而用本方法则可以在无键相信号条件下获得较为理想的无泄漏的频 谱数据。
[0132] 在本实施例中，可以获得误差较小的频谱，同时也可获得拟合转 速函数各阶系数，进而根据公式(8)计算出各时刻的转速。对比拟合 转速和机组实际转速，可以确定出每周发生冲击的次数，进而有助于 确定故障类型。而通过分析主频率的幅值的变化，可有助于确定各类 故障的发展程度。
[0133] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明
申请专利范围所 做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
