基于小波變換的水電機組振動故障分析和特征提取

馮源，葛新峰，潘天航，鄭源

(1.云南電網公司電力研究院，昆明 650217；2.河海大學能源與電氣學院，南京 210098)

特約稿件

基于小波變換的水電機組振動故障分析和特征提取

馮源1，葛新峰2，潘天航2，鄭源2

(1.云南電網公司電力研究院，昆明 650217；2.河海大學能源與電氣學院，南京 210098)

通過小波變換的手段對國內某水輪機組的振動異常進行故障分析，詳細的闡明了小波奇異性檢測的原理以及小波基函數選擇的要求。采用Mallat算法，選用Db4小波在多分辨分析下對機組擺度信號進行處理成功提取出故障點的位置，并結合不同的頻率分析出機械因素和水力因素造成故障的原因。最后運用連續小波變換的模極大值與尺度的對數關系進行圖像擬合，計算出奇異點的Lipschitz指數，以此作為故障信號的特征。通過比較兩種不同因素影響的奇異點處的Lipschitz指數，證明其作為故障信號的特征參數對衡量機組故障程度有指導意義。

水輪機組；小波分析；故障分析；Lipschitz指數；特征提取

0 前言

水電站的規模和水輪發電機組的容量越來越大，保證水電機組的安全運行是水電站的首要任務，傳統的定期檢修方式已經逐漸滿足不了高效和準確的要求。近年來狀態檢修模式正逐漸替代傳統的按時檢修模式，這種檢修方式更加安全可靠但也對狀態監測和故障診斷的手段有了更高的要求。水輪機組工作環境復雜，振動受到水力、機械、電磁等因素聯合影響，通常在故障出現初期，在振動擺度幅值上很難表現出來，通過常規的在線監測系統根本無法及時發現碰磨故障。

小波分析能夠在多尺度分解的情況下同時反映時域和頻域的信息，這使得小波分析從頻域分析出故障特征時還能在時域給出精確的位置，這種時頻結合優越性是傳統頻域分析法所不具備的。因此近幾年來小波分析理論在工程應用的領域中得到極大的發展也在水電機組故障診斷中被越來越廣泛地應用。在文中，結合國內某電站的水導軸承擺度信號用小波奇異性分析的方法，準確分析了故障原因并計算出Lipschitz指數，以此作為特征參數的意義。在水輪機組信號處理中目前還沒有相關研究出現。

1 小波變換與信號奇異性

1.1 小波變換和分解算法[1]

小波基函數表示為ψa，τa為伸縮因子，τ為平移因子。

小波變換是將信號在小波基函數上進行投影，數學表達如式1所示：

WTa，τ( )=〈f t()，

WTfa，τ( )為小波變換系數。

在線性空間L R()2中，函數f t()，其頻譜為f ω()，實際信號的頻譜總是有限的，可以選擇足夠大的m使得f t()∈Vm+1，則f t()可以用Vm+1空間中的標準正交基來表示即

其中cm+1，n=〈f，φm+1，n〉。Mallat算法通過下一級空間Vm+1中的系數Cm+1，k時，來對上一級子空間Vm和Wm中的系數cm，k和dm，k進行計算。以此類推，如圖1所示。

圖1 Mallat分解算法示意圖

1.2 信號的奇異性

當機組運行發生故障時，則在測試信號上往往會表現出奇異性。信號的奇異性表現為兩種[2]，一種是幅值上出現明顯的突變或不連續，另一種是信號的高階導數時間斷的，盡管這種類型的信號時域上表現光滑，在小波域則表現出有很強的奇異性。

如果存在常數Kv＞0和m次多項式pv(m為小于α的最大整數)使得式 (2)成立稱函數f在點v∈R為Lipschitz α(α≥0)。如果與v無關的正數K使式 (2)成立，則函數f在區間 a，b[ ]上是一致Lipschitz α≥0的，Lipschitz α中所有α的最大值稱為f t()在v點的Lipschitz指數。式2中Pvt()是f t()在v點的泰勒展開級數的前m+1項構成的多項式，即：

其中，fk()v()表示f t()在v點的k階導數。

2 故障點的定位

2.1 小波奇異性分析原理

選擇不同波形、支撐長度的小波分析結果是有差異的[3-5]。因此，利用小波變換進行信號奇異點檢測存在小波基的選擇問題。

則稱ψ x()具有m階消失矩。

如果函數如果函數R t()在t0點不可導，在其它點可導，則表示t0為f t()的奇異點。M+l階的雙正交小波φMt()具有M階消失矩，一個函數f t()∈CN+a(N為整數，a＜1)而言，具有N階導數，將f t()用泰勒公式展開并進行小波變換得：

由以上推導可以看出對于導數有限的函數而言，選擇小波消失矩大于函數可導的階數即M＞N，可以使函數在奇異點的領域內小波變換為非零，在遠離奇異點的地方變換結果為零，因而可以確定奇異點的位置。相反，如果小波的選擇是不合適的，于是式 (5)的第一項不為零，意味著將在遠離奇異點的地方也不為零，因而無法定位奇異點。

2.2 仿真分析

用Matlab仿真一個出一個有2階導數的光滑信號f t()，由于導數不連續在500點出有強奇異性，如式 (6)。分別用Db1、Db2和Db3小波分解式構造的函數 f t()結果如圖 2所示。由于f t()具有2階導數，而Db1和Db2小波的消失矩分別為1和2，所以小波分解的細節系數在遠離奇異點500的位置也不為零，無法精確定位出奇異點。Db3小波對函數f t()進行3層分解只在奇異點處系數不為零，其他地方都為零，所以能夠很好的定位奇異點。仿真結果也表明只有小波基的消失矩大于信號導數階數才能成功檢測出奇異點。

圖2 函數f t()圖像Db1、Db2、Db3小波分解系數

2.3 實例分析

該水輪機組的轉速為136.4 r/min，即轉頻為2.273 Hz，信號的采樣頻率為500 Hz。選用Db4小波對水導軸承的擺度信號進行4層分解，原信號和分解細節系數d1～d4如圖3所示。

從高頻細節 d1看出在點 70、190、290、410、510、630、730、850、950處發生明顯畸變，從低頻細節d3和d4只有在70、290、510、730、950的采樣點奇異性很強。說明這些奇異點是機組運行中不同原因造成的，結合發生頻率可將故障的振動頻率范圍提取出來。采樣頻率為500 Hz，所以適合研究250 Hz以下的信號。由多分辨分析，細節系數d1頻率集中在125～250 Hz，細節系數d4集中在16～31 Hz之間。水輪機組振動故障通常由機械部分、水力部分和電氣部分的聯合影響所造成，本文研究的水導軸承處的故障主要考慮機械因素和水力因素。經過研究[6]機械因素和水力因素造成振動故障的原因及其頻率如表1所示。

由表1看出，機械因素引起的振動頻率一般為轉頻的整數倍，表現為低頻，所以頻率集中在16～31 Hz細節系數d4所反映的故障點70、290、510、730、950是由機械因素造成的。經過現場檢修發現是主軸的碰磨所引起的振動信號的突變，這些故障點周期都是220，換算成時間約是0.43 s，即每轉一圈，主軸摩擦一次。而頻率主要集中在125～250 Hz的細節系數d1所反映的點190、410、630、850處的奇異性主要是由于卡門渦在繞流體后部產生交變激振力，引起繞流體周期的振動。可以進一步檢測，在190起始點處，如果每次振動時間較短且很快恢復，則此處水力因素引起的信號異常可不列為故障。主軸的碰磨故障已經在時域信號中表現的非常明顯，需要盡快維修。

圖3 水導軸承去噪后的擺度信號和小波分解系數

表1 振動故障的機械和水力因素及頻率

3 奇異性特征指數的提取

3.1特征提取算法

Mallet等人證明[7]：在f t()的某個區間內，如果收斂于v的所有模極大點都包含在錐≤Cs中，函數f t()在v點Lipchitz α，當且僅當存在常數A＞0，使得模極大值點(s，u)滿足

即

由此可以給出Lipschitz指數的算法：

1)選取適當的閥值對信號去噪。

2)計算連續小波變換。

3)計算小波變換的模極大曲線。Wf( s ，ui)表示信號在s尺度下ui點的小波系數，若在s尺度下ui為局部模極大值點，則滿足：

4)選擇收斂于v的斜率最大的極大曲線，作出log2與log2s的圖像，此斜率的值減去1/2得到Lipschitz指數。

3.2 實例分析

對去噪后的水導軸承擺度信號用Db4小波進行連續小波變換，分析尺度最大為64，連續小波變換的系數和局部模極大值線如圖4所示。分別找到奇異點70、290、510、730、950和奇異點190、410、630、850處的模極大值衰減線，作出其log2、log2s()圖像。由于篇幅制，且奇異點具有周期性，只給出奇異點70和190處的擬合圖像，如圖6。

圖4 信號的連續小波系數 (上圖)和局部模極大值線(下圖)

由圖5可以計算出70處擬合圖像的斜率分別約為1.029，所以奇異點70處的Lipschitz指數α為0.529；奇異點190處擬合圖像的斜率分別約為1.203，所以奇異點190處的Lipschitz指數α為0.703。同理求出290、510、730和950奇異點處的Lipschitz指數α分別為0.488、0.513、0.558和0.509，奇異點410、630和850處的Lipschitz指數α分別為0.719、0.745和0.701。

圖5 70處 (左圖)和190(右圖)處李氏指數擬合

研究表明[8-9]，α與信號的奇異性成負相關。通常當α小于1時，認為信號是有奇異性的。因為以上奇異點都是有周期性的，在同一個地方產生故障，故由同一種因素造成的奇異性是差不多的，反映在Lipschitz指數上也是基本相等的。而由不同因素造成的奇異性則是明顯不同的，Lipschitz指數也相差較大。碰磨造成信號奇異的α約為0.5，故奇異性較大，所以在時域信號中就發生突變。水力因素造成信號奇異的α約為0.7，故奇異性較小，在時域信號中突變很不明顯，但通過小波變換即可以檢測到。綜上所述，Lipschitz指數的大小可以表征機組故障的程度。

4 結束語

1)理論推導了小波域突變來表示信號奇異點的原因以及小波變換時對小波基選擇的要求，基小波基的消失矩要大于信號導數的階數。通過Matlab信號仿真，證明了上述的推導。

2)用Db4小波對國內某水輪機組水導軸承的擺度信號進行4層分解，結合多分辨分析發現在不同的頻率范圍內是不同的原因造成機組的振動異常。頻率集中在16～31 Hz內的奇異點是由于主軸的摩擦造成，而頻率在125～250 Hz內的奇異點主要是由于卡門渦交引起繞流體周期的振動造成的。

3)通過模極大值衰減理論和圖像擬合的方法求出信號奇異點的Lipschitz指數，并依此作為機組運行的特征參數。通過分析該機組擺度信號，求出碰磨故障時Lipschitz約為0.5，卡門渦水力脈動引起振動異常的Lipschitz指數約為0.7。表明將Lipschitz指數α作為故障信號的特征參數對衡量機組故障程度有指導意義。

[1] 劉濤，曾祥利，曾軍.使用小波分析入門 [M].北京：國防工業出版社，2006.

[2] 孫延奎.小波分析及其應用 [M].北京：機械工業出版社，2005.

[3] 王旭慧，江琦.小波分析在汽輪機振動故障診斷中的應用研究 [J].電力學報，2014，29(1)：80-83.

[4] 王綏瑜，邢鈾，蔡淵.基于小波分析的變壓器在線故障診斷探究 [J].電子測試，2014，1：4-9.

[5] 胡晶，范錚.小波算法在旋轉機械故障診斷系統中的應用[J].工業儀表與自動化裝置，2014，1：46-50.

[6] 梁武科，張彥寧，羅興綺.水電機組故障診斷系統信號特征的提取 [J].大電機技術，2005，4：53-56.

[7] Stephane Mallat，Wenliang Hwang.Singularity Delection and Procession with Wavelet[R]， Courant Institute of Mathematical Science，New York University，1992.

[8] 鄭源，張飛.基于連續小波變換的泵機組主軸徑向擺度信號處理 [J].2009年全國大型泵站更新改造研討暨新技術、新產品交流大會論文集.

[9] 王東，丁宣浩，陳利霞.信號奇異性的Lipschitz意義 [J].桂林電子工業學院學報，2003，23(5)：9-12.

Research on Vibration Fault Diagnosis and Feature Extraction of Hydraulic Turbine based on Singularity Detection with Wavelet

FENG Yuan1，GE Xinfeng2，PAN Tianhang2，ZHENG Yuan2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；2.School of Energy and Electric，Hohai University，Nanjing 210098，China)

By means of wavelet transform to analyze the abnormal vibration of domestic turbine units and combining theoretical derivation and Matlab simulation to illustrates the principle of wavelet singularity detection and the requirements of selecting wavelet basis function.Under the multi-resolution analysis，using Db4 wavelet to decompose the shaft vibration signal with the algorithm of Mallat and in different frequency range，the analysis shows that the causes of abnormal vibration are mechanical and hydraulic factors.Finally，make the image of modulus maxima of wavelet continuous transform and scale's logarithmic relationship to calculate the Lipschitz index of singular points，which is as the characteristic of the fault signal.Comparing the Lipschitz index of singular points caused by two different factors，it proves that as a fault signal's characteristic parameters，the Lipschitz index has a guiding significance to measure unit fault degree.

hydraulic turbine unit；wavelet analysis；vibration fault diagnosis；Lipschitz index；feature extraction

TV73

B

1006-7345(2014)06-0001-04

2014-06-06

馮源 (1983)，男，碩士，工程師，云南電網公司電力研究院，研究方向為水電機組狀態監測和故障診斷 (e-mail) fengyuan1678＠163.com。

云南電網公司科技項目 (K-YN2012-452)和江蘇省博士后基金 (1102072c)