聲學(xué)增強(qiáng)封裝輸變電物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線聲紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘 要： 該文針對(duì)輸變電物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線聲紋檢測(cè)方法開(kāi)展研究，面向典型電力設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景，依據(jù)微弱聲學(xué)信號(hào)易被噪聲淹沒(méi)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)聲學(xué)增強(qiáng)型封裝，實(shí)現(xiàn)特定頻率下聲學(xué)信號(hào)的放大。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)聲學(xué)增強(qiáng)型封裝與聲學(xué)傳感器的集成，該文研制一種可用于測(cè)量典型電力設(shè)備聲紋信號(hào)的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。無(wú)線聲紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面向現(xiàn)有變電站內(nèi)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，對(duì)聲學(xué)信號(hào)作邊緣計(jì)算后根據(jù)輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，降低通信帶寬的占用，能夠針對(duì)典型電力設(shè)備的復(fù)雜運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 電力設(shè)備聲紋監(jiān)測(cè); 聲學(xué)增強(qiáng)封裝; 輸變電物聯(lián)網(wǎng); 有限元仿真; LoRa

中圖分類號(hào)： TB9; TB52+6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2024）09–0157–10

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，居民用電負(fù)荷逐步增加。電力設(shè)備作為電網(wǎng)系統(tǒng)中的核心設(shè)備在電能供應(yīng)中扮演著至關(guān)重要的角色，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于居民生活質(zhì)量與企業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，然而隨著大量電力設(shè)備的老化，其運(yùn)行故障種類和數(shù)量不斷增長(zhǎng)，因此電力巡檢工作對(duì)于提早發(fā)現(xiàn)故障、減少經(jīng)濟(jì)損失、保障人民高質(zhì)量生活具有重要意義。典型電力設(shè)備如變壓器是電力輸送供應(yīng)的核心設(shè)備，電力變壓器正常運(yùn)行時(shí)由于磁致伸縮效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生以工頻倍頻為主要成分的聲學(xué)信號(hào)，在處于繞組變形[1]、電氣絕緣老化[2] 或鐵芯松動(dòng)[3] 運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生含有豐富特征信息的聲學(xué)信號(hào)。經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)維人員可通過(guò)電力設(shè)備發(fā)出的異常聲音定性判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，而這種方式檢測(cè)效率低、耗時(shí)耗力、主觀性強(qiáng)而且依賴于巡視人員的工程經(jīng)驗(yàn)，僅限于可聽(tīng)聲頻段范圍內(nèi)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)超聲頻段監(jiān)測(cè)。因此，對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行聲紋監(jiān)測(cè)，對(duì)預(yù)防其產(chǎn)生停運(yùn)甚至爆炸等事故具有重要意義。

目前對(duì)于電力設(shè)備聲紋研究主要有局部放電超聲檢測(cè)方法[4] 和噪聲檢測(cè)方法。超聲檢測(cè)方法多用超聲波傳感器進(jìn)行局部放電檢測(cè)，其原理是局部點(diǎn)放電時(shí)釋放熱能，絕緣介質(zhì)受熱膨脹，放電結(jié)束時(shí)絕緣介質(zhì)恢復(fù)原狀，因此產(chǎn)生了超聲波信號(hào)，通過(guò)對(duì)超聲信號(hào)聲源位置進(jìn)行定位可識(shí)別到絕緣缺陷位置[5-6]。現(xiàn)有的針對(duì)電力設(shè)備超聲檢測(cè)設(shè)備大多是獨(dú)立的監(jiān)測(cè)設(shè)備，難以接入現(xiàn)有的輸變電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)。并且高頻超聲信號(hào)在空氣中衰減系數(shù)與頻率成正比，局放檢測(cè)只能采用聲學(xué)傳感器與被測(cè)物體表面緊密貼合的常規(guī)手段，造成了高頻超聲信號(hào)非接觸測(cè)量的困境。噪聲檢測(cè)方法針對(duì)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，在空間中不同位置采集錄取噪聲并導(dǎo)入PC 進(jìn)行分析，目前主要處理方法有噪聲信號(hào)聲強(qiáng)計(jì)算、能量統(tǒng)計(jì)、頻譜分析、人工智能等。基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷系統(tǒng)前端傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)交換機(jī)傳輸至算法服務(wù)器[7]，海量的聲學(xué)數(shù)據(jù)在通信時(shí)會(huì)占據(jù)大量帶寬，難以應(yīng)用于現(xiàn)有電力場(chǎng)景內(nèi)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)中，且整套硬件架構(gòu)成本高、功耗大。近年來(lái)，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起，聲紋識(shí)別越來(lái)越多的投入到電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。舒天才[8] 提取音頻電力設(shè)備放電聲的時(shí)頻譜圖后采用高斯混合模型進(jìn)行模式識(shí)別。華東升[9]對(duì)聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換得到子頻帶能量作為特征向量，采用支持向量機(jī)進(jìn)行聲紋識(shí)別。楊元威等[10] 采用K-S 檢驗(yàn)作為聲音特征，利用加權(quán)的支持向量機(jī)識(shí)別高壓斷路器機(jī)械故障。Sert 等[11]通過(guò)概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別電暈噪聲，預(yù)防擊穿故障。現(xiàn)有的基于人工智能聲紋識(shí)別的電力設(shè)備故障診斷研究方法多樣，識(shí)別效果較好，然而其訓(xùn)練所用的樣本多為實(shí)驗(yàn)室所搭建的缺陷模型獲取的理想模擬數(shù)據(jù)，實(shí)際環(huán)境中噪聲檢測(cè)往往會(huì)受到環(huán)境聲音干擾，因此導(dǎo)致數(shù)據(jù)的信噪比較低，一些微弱的聲學(xué)特征信息可能會(huì)被噪聲淹沒(méi)，最終導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)聲紋識(shí)別或者故障診斷效果較差。因此上述聲紋監(jiān)測(cè)方法分別有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，難以滿足現(xiàn)有電力場(chǎng)景下寬頻帶、高靈敏度微弱聲學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)和窄帶通信的需求。

本文提出了一種面向窄帶物聯(lián)網(wǎng)的電力設(shè)備無(wú)線聲紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)典型電力設(shè)備如變壓器、GIS 進(jìn)行持續(xù)可靠監(jiān)測(cè)。針對(duì)非接觸式超聲監(jiān)測(cè)靈敏度較低的問(wèn)題，前端采用聲學(xué)增強(qiáng)封裝聚音器結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)特定頻帶信號(hào)的放大，提高系統(tǒng)的靈敏度。現(xiàn)有基于人工智能的聲紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用傳感器、交換機(jī)與服務(wù)器的架構(gòu)[7]，存在硬件開(kāi)銷大、數(shù)據(jù)樣本少的問(wèn)題；傳統(tǒng)的聲音采集系統(tǒng)頻帶有限，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)將采集的聲學(xué)信號(hào)通過(guò)算法處理后接入輸變電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。本文中的聲紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將海量的聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為包含豐富特征信息、數(shù)據(jù)量較小的頻譜數(shù)據(jù)，并根據(jù)《輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)規(guī)范》協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層級(jí)別的數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)嶋H落地于電力應(yīng)用場(chǎng)景，具有監(jiān)測(cè)效率高、信道占用小與低成本的優(yōu)點(diǎn)。

1 聲學(xué)增強(qiáng)型封裝設(shè)計(jì)

聚音器作為聲學(xué)共振腔體可用于放大空氣中特定頻段的聲學(xué)信號(hào)，具有靈敏度高、改善信噪比的優(yōu)點(diǎn)，是理想的用于非接觸式聲學(xué)測(cè)量的前端放大裝置。

1.1 聲學(xué)增強(qiáng)型封裝原理和設(shè)計(jì)

如圖1 所示為聚音號(hào)筒結(jié)構(gòu)示意圖，聲波通過(guò)入口進(jìn)入聚音器并經(jīng)過(guò)內(nèi)壁的反射不斷疊加，內(nèi)部聲壓不斷加強(qiáng)。聚音器橫截面積是管軸坐標(biāo)x 的函數(shù)，根據(jù)動(dòng)量方程、質(zhì)量連續(xù)性方程與等熵狀態(tài)方程，聲音在變截面管中傳播規(guī)律滿足下式[12]。