经验模态分解方法及其在变压器状态监测中的应用研究

论文摘要

随着电力系统自动化程度的提高,对故障信号处理的精确性和准确性提出了新的要求。传统时频分析方法在处理复杂的故障信号时存在一定的局限性,已经不能满足电气设备在线状态监测和故障诊断技术进一步发展的需求。因此,以现代信号处理技术为基础的设备运行状态监测和故障诊断技术在保障电力系统安全运行,预防事故发生等方面具有重要的意义。 本文深入研究了经验模态分解方法,并围绕经验模态分解方法在电气设备状态评估和故障诊断中的应用展开讨论,主要工作包括: 1 研究了采用经验模态分解方法,筛选信号的本征模态函数,提取信号局部特征的方法。采用该方法提取信号的本征模态函数,对本征模态函数进行希尔伯特变换得到“时间-频率-能量”三维希尔伯特谱。通过和小波变换相比较,说明了基于经验模态分解方法的希尔伯特谱具有更高的分辨率和集中度,更好地反映了信号的时频分布。 2 基于模型延拓非平稳信号端点,提出了处理经验模态分解边界问题的方法。由于仅依据观测区间内部的极值点描述信号上下包络,会给经验模态分解过程带来边界误差,而且边界误差随着分解过程的进行向内传播,进一步污染内部数据,引起分解结果的不合理。采用该方法,获得观测区间外的极值点参与经验模态分解,可以有效地控制边界误差。 3 基于非均匀B样条曲线插值数据极大值、极小值点,提出了经验模态分解信号包络拟合的新方法。该方法通过规范积累弦长参数化,得到定义域内的节点矢量,利用信号极大值、极小值点反算得到非均匀B样条曲线的控制多边形,一起构造非均匀B样条曲线,参与经验模态分解,拟合信号包络。采用该方法可以获得精确的瞬时平均值,从而抑制没有意义的信号波动,避免分解过程中出现因三次样条曲线插值而引起的过冲、欠冲以及不完全包络等问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 故障信号处理技术的发展与现状
• 1.2.1 常用的时频分析方法
• 1.2.2 经验模态分解（EMD）方法
• 1.3 电气设备故障诊断和维护的发展及现状
• 1.3.1 事后维修
• 1.3.2 计划维修
• 1.3.3 状态维修
• 1.4 变压器故障诊断技术的发展
• 1.5 本文内容安排
• 第2章 基于EMD和Hilbert变换的时频分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 经验模态分解方法
• 2.2.1 本征模态函数和瞬时频率
• 2.2.2 经验模态分解流程
• 2.3 希尔伯特变换和Hilbert谱
• 2.4 基于EMD的信号谱分析
• 2.4.1 信号的本征模态函数（imfs）
• 2.4.2 信号的Hilbert谱
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于预测模型的EMD信号端点延拓方法
• 3.1 引言
• 3.2 趋势性部分建模
• 3.2.1 建立非线性回归模型
• 3.2.2 非线性最小二乘估计
• 3.2.3 初值的选择
• 3.3 随机性部分建模
• 3.3.1 随机部分模型
• 3.3.2 确定模型阶次
• 3.3.3 估计模型参数
• 3.4 预测模型检验
• 3.4.1 自相关系数
• 3.4.2 假设检验
• 3.5 基于预测数据的信号包络
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于非均匀B样条的EMD包络拟合方法
• 4.1 引言
• 4.2 B样条基函数的定义及其性质
• 4.2.1 B样条基函数的定义
• 4.2.2 B样条基函数的性质
• 4.3 参数B样条曲线
• 4.3.1 B样条曲线的定义
• 4.3.2 B样条曲线的局部性质
• 4.3.3 B样条曲线的分类
• 4.4 反算B样条拟合包络曲线的控制顶点
• 4.4.1 反算B样条控制顶点的节点参数化
• 4.4.2 反算B样条拟合曲线的控制顶点确定
• 4.4.3 反算B样条控制顶点的边界条件确定
• 4.5 确定B样条拟合包络曲线的节点矢量
• 4.6 基于B样条拟合的信号分解
• 4.7 本章小结
• 第5章 变压器故障诊断的振动分析法
• 5.1 引言
• 5.2 振动分析法
• 5.3 变压器本体振动分析
• 5.3.1 变压器本体的振动
• 5.3.2 冷却装置的振动
• 5.4 变压器铁心的振动机理
• 5.4.1 磁致伸缩原理
• 5.4.2 铁心振动的影响因素
• 5.4.3 铁心运行状态与振动信号的关系
• 5.5 变压器绕组的振动机理
• 5.5.1 电动力作用分析
• 5.5.2 绕组轴向运动方程
• 5.5.3 绕组运行状况与振动信号的关系
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于EMD的变压器振动信号分析
• 6.1 引言
• 6.2 变压器振动信号采集方法与系统设计
• 6.2.1 被测对象与试验方法
• 6.2.2 传感器选型及其安装
• 6.2.3 振动信号采集系统设计
• 6.3 基于EMD和Hilbert变换的铁心振动信号分析
• 6.3.1 铁心振动信号及本征模态函数
• 6.3.2 铁心振动信号imfs的瞬时相位和瞬时频率
• 6.3.3 铁心振动信号的三维Hilbert谱
• 6.4 基于EMD和Hilbert变换的绕组振动信号分析
• 6.4.1 绕组振动信号及本征模态函数
• 6.4.2 绕组振动信号imfs的瞬时相位和瞬时频率
• 6.4.3 绕组振动信号的三维Hilbert谱
• 6.5 变压器振动信号的端点延拓
• 6.5.1 延拓数据的上包络线
• 6.5.2 延拓数据的下包络线
• 6.5.3 延拓数据的平均包络线
• 6.6 变压器振动信号包络的B样条曲线拟合
• 6.6.1 振动信号的上包络线
• 6.6.2 振动信号的下包络线
• 6.6.3 振动信号的平均包络线
• 6.7 基于模型延拓和B样条拟合的EMD方法
• 6.7.1 铁心振动信号的imfs
• 6.7.2 绕组振动信号的imfs
• 6.8 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢