基于時頻轉(zhuǎn)換的水電機組振動數(shù)據(jù)遠程傳輸方法研究

樊玉林，桂中華，張 坤，王明芳，孫慧芳

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

基于時頻轉(zhuǎn)換的水電機組振動數(shù)據(jù)遠程傳輸方法研究

樊玉林1，桂中華1，張 坤2，王明芳1，孫慧芳1

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

隨著統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)測與評價系統(tǒng)的建立，研究工作不斷深入，龐大的歷史和實時數(shù)據(jù)傳輸問題日益突出，本文開發(fā)了一種基于時頻轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)壓縮新方法，利用快速傅里葉變換局部化的優(yōu)點選取主要頻域幅值進行傳輸，并將舍棄部分補零進行信號的快速傅里葉反變換，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程傳輸。通過實例分析表明該方法可以保留頻域的特征峰值，且時域差別很小，壓縮率高，壓縮效果顯著，具有很高的實用價值。

水電機組；時頻轉(zhuǎn)換；振動；數(shù)據(jù)壓縮；遠程傳輸

1 概述

目前，我國抽水蓄能行業(yè)迅猛發(fā)展，隨著水電機組容量的增加、設備結(jié)構(gòu)的復雜、自動化程度的提高，對承擔能量轉(zhuǎn)換的發(fā)電設備的可用率、運行效率、安全性與可靠性提出了更高要求，實現(xiàn)水電機組狀態(tài)檢修是水電設備運行保障技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。狀態(tài)檢修的前提是必須對機組運行情況進行長期的監(jiān)測，及時掌握機組運行狀態(tài)變化，向管理決策部門提出建議。因此，迫切需要建設統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)測與評價系統(tǒng)，及時掌握設備運行狀況，預防設備故障，提高轉(zhuǎn)換效率。

振動信號處理是狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的基本環(huán)節(jié)。對振動信號進行時域、頻域的處理和分析，可了解機器當前的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)機器可能出現(xiàn)的故障，判斷故障程度的發(fā)展趨勢等。因此，振動波形數(shù)據(jù)是分析機組故障的核心數(shù)據(jù)。通過對振動信號進行采集、處理而得到的各種數(shù)據(jù)、圖形進行分析，以找出故障所對應的征兆是狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。然而，隨著研究工作的不斷深入，龐大的歷史數(shù)據(jù)的傳輸問題日益突出，給數(shù)據(jù)管理帶來很大的困難。

為了有效地實現(xiàn)大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的存儲及傳輸，筆者針對實測數(shù)據(jù)開發(fā)了一種基于時頻轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)壓縮新方法。將振動時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)，將少部分值較大的頻域數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，接收數(shù)據(jù)后，將未傳輸部分頻域數(shù)據(jù)用0補全，并進行快速傅里葉反變換，結(jié)果保留了頻域的特征峰值，同時大大減少了傳輸量，該方法壓縮效果明顯，具有良好的實用價值。

2 振動信號壓縮方法

2.1 水電機組振動信號特征

工程上所測得的水電機組振動信號一般為時域信號，為了通過所測信號了解、觀測對象的動態(tài)行為，往往需要將時域信號變換至頻域加以分析。它是將時域信號通過FFT變換展開成若干頻率成分之和，以獲得信號的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波幅值和相位信息。FFT變換的優(yōu)點是頻域局部化、正交性和具有快速算法。

水電機組振動信號往往由某些特征明顯的頻率組成。如圖1所示為某機組定子機座振動信號的時域和頻域信號，可以看出該振動信號主要是由幾個具有代表性的頻率組成，其余大部分數(shù)據(jù)接近0。

當機組發(fā)生振動故障時，往往會引起信號頻率結(jié)構(gòu)的變化，但水電機組振動故障通常具有明顯的特征頻率。常見水輪發(fā)電機組特征頻率如表1所示。

表1 機組常見特征頻率Tab.1 Common characteristic frequency of hydroelectric generating set

續(xù)表

通過以上分析，可以看出，水電機組振動信號包括故障振動信號，在頻域的特點：①部分特征頻率值較大；②大部分數(shù)據(jù)接近0。

2.2 水電機組振動信號壓縮傳輸策略

針對水電機組振動信號的特征，提出了一種基于時頻轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)壓縮新方法。將振動時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)，將少部分值較大的頻域數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，其他數(shù)據(jù)舍棄，接收數(shù)據(jù)后，將未傳輸部分頻域數(shù)據(jù)用0補全，并進行快速傅里葉反變換，保留了頻域的特征峰值，算法流程如圖2所示。

圖2 時頻轉(zhuǎn)化壓縮算法流程圖Fig.2 Flow diagram of compression algorithm based on FFT

3 振動信號壓縮實例及效果

3.1 擺度信號

選取某機組上導X向擺度值進行時頻轉(zhuǎn)換壓縮，保留原始信號頻域1024根幅值中50根較大值，其他頻域幅值舍棄，壓縮率為（1024-50）/1024=95.1%，壓縮效果顯著。圖3中（a）、（b）分別為原始信號的時域和頻域圖。將壓縮后的數(shù)據(jù)進行傳輸，頻域幅值中舍棄部分進行補零，采用快速傅里葉反變換得到新的時域波形數(shù)據(jù)，其時域和頻域圖如圖3中（c）、（d）所示。從圖中可看出，本文提出的時頻轉(zhuǎn)化壓縮算法準確的保留了頻域的特征峰值，時域幾乎沒有差別。

圖3 上導X向擺度信號壓縮前后時頻與頻域?qū)Ρ菷ig.3 Comparison between the original one and renovated one of time domain and frequency domain of upper guide bearing X throw

3.2 機架振動信號

選取某機組頂蓋X向振動值進行時頻轉(zhuǎn)換壓縮，同樣保留原始信號頻域1024根幅值中50根較大值，其他頻域幅值舍棄，壓縮率為（1024-50）/1024=95.1%。從圖4中可看出，本文提出的時頻轉(zhuǎn)化壓縮算法準確的保留了頻域的特征峰值，時域幾乎沒有差別。

圖4 頂蓋X向振動信號壓縮前后時頻與頻域?qū)Ρ菷ig.4 Comparison between the original one and renovated one of time domain and frequency domain of header X vibration

3.3 壓力脈動信號

選取某機組壓力脈動值進行時頻轉(zhuǎn)換壓縮，保留原始信號頻域1024根幅值中200根較大值，其他頻域幅值舍棄，壓縮率為（1024-200）/1024=80.5%，壓縮效果顯著。從圖5中可看出，本文提出的時頻轉(zhuǎn)化壓縮算法準確的保留了頻域的特征峰值，對于時域信號的幅值略有減少。

圖5 壓力脈動信號壓縮前后時頻與頻域?qū)Ρ菷ig.5 Comparison between the original one and renovated one of time domain and frequency domain of pressure pulsation

4 結(jié)論

本文針對水電機組狀態(tài)監(jiān)測與評價系統(tǒng)中龐大的振動歷史數(shù)據(jù)傳輸問題，提出了基于時頻轉(zhuǎn)換的遠程傳輸方法。該方法利用快速傅里葉變換局部性的優(yōu)勢，將振動數(shù)據(jù)時域波形轉(zhuǎn)換為頻域信號，將少部分較大的頻域幅值進行傳輸，其他部分舍棄，最終將空位補零進行快速傅里葉反變換，壓縮轉(zhuǎn)化后的新振動信號保留了頻域的特征峰值，時域信號差別很小。對實測的水電機組擺度、振動和壓力脈動數(shù)據(jù)進行實例分析，壓縮率分別為95.1%、95.1%和80.5%，表明本算法在高壓縮比情況下可以保留數(shù)據(jù)原有特性，具有很高的實用價值。

[1]翁浩.機泵群無線監(jiān)測中數(shù)據(jù)壓縮與優(yōu)化傳輸技術(shù)研究[D].北京 ：北京化工大學，2013.06.

[2]張鵬友，呂明.近代信號處理理論與方法[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[3]高蘇杰.抽水蓄能的責任[J].水電與抽水蓄能，2015，1（1）：1-7.

[4]周攀.基于有限狀態(tài)機的抽水蓄能機組工況轉(zhuǎn)換控制[J].水電與抽水蓄能，2015，1（1）：91-96.

[5]黃楊梁，邵霞.自動電壓控制在抽水蓄能電站應用研究[J].水電與抽水蓄能，2016，2（2）：78-82.

[6]楊文道，張巖雨，潘菊芳.抽水蓄能機組電動工況啟動的自動控制[J].水電與抽水蓄能，2015，1（2）：16-21.

樊玉林（1972—），男，本科，高級工程師，主要研究方向：水電生產(chǎn)自動化與技術(shù)管理。

桂中華（1976—），男，博士，高級工程師，主要研究方向：水電設備故障診斷與狀態(tài)評價。E-mail：zhonghua-gui@sgxy.sgcc.com.cn

The Research of Remote Transmission of Vibration Data of Hydraulic Generation Units Based on Time-frequency Transformation

FAN Yulin1，GUI Zhonghua1，ZHANG Kun2，WANG Mingfang，SUN Huifang1
（1.Technology center State Grid Xinyuan Company Ltd.Beijing 100161，China; 2.State Grid Xinyuan Company Ltd.Beijing 100761，China）

With the establishment of unified condition monitoring and evaluation system，related research work constantly is goesing deeper.The transmission problem of huge historical and real-time data has become more and more severer.A new method of data compression based on timefrequency transformation is developed，using the advantages of localization of FFT.The main frequency domain amplitude is transmitted and the rest is abandon.Then signal is transformed into time-domain with putting zeros to the absent part.The examples show that this method can retain the characteristic peaks in frequency-domain and there is little difference in time-domain.The effect of compression is outstanding.The compression ratio is high，with good practical value.

hydraulic generation unit; time-frequency transformation; vibration; data compression; remote transmission

國家電網(wǎng)公司科技項目資助（編號：52573014008V）。