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(shí)頻轉(zhuǎn)換的水電機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)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(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建立，研究工作不斷深入，龐大的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸問題日益突出，本文開發(fā)了一種基于時(shí)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(diǎn)選取主要頻域幅值進(jìn)行傳輸，并將舍棄部分補(bǔ)零進(jìn)行信號(hào)的快速傅里葉反變換，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。通過實(shí)例分析表明該方法可以保留頻域的特征峰值，且時(shí)域差別很小，壓縮率高，壓縮效果顯著，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

水電機(jī)組；時(shí)頻轉(zhuǎn)換；振動(dòng)；數(shù)據(jù)壓縮；遠(yuǎn)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(jī)組容量的增加、設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜、自動(dòng)化程度的提高，對(duì)承擔(dān)能量轉(zhuǎn)換的發(fā)電設(shè)備的可用率、運(yùn)行效率、安全性與可靠性提出了更高要求，實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組狀態(tài)檢修是水電設(shè)備運(yùn)行保障技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。狀態(tài)檢修的前提是必須對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行長期的監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握機(jī)組運(yùn)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(shè)統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況，預(yù)防設(shè)備故障，提高轉(zhuǎn)換效率。

振動(dòng)信號(hào)處理是狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的基本環(huán)節(jié)。對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域的處理和分析，可了解機(jī)器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器可能出現(xiàn)的故障，判斷故障程度的發(fā)展趨勢(shì)等。因此，振動(dòng)波形數(shù)據(jù)是分析機(jī)組故障的核心數(shù)據(jù)。通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理而得到的各種數(shù)據(jù)、圖形進(jìn)行分析，以找出故障所對(duì)應(yīng)的征兆是狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)大量現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及傳輸，筆者針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開發(fā)了一種基于時(shí)頻轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)壓縮新方法。將振動(dòng)時(shí)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(jìn)行遠(yuǎn)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(bǔ)全，并進(jìn)行快速傅里葉反變換，結(jié)果保留了頻域的特征峰值，同時(shí)大大減少了傳輸量，該方法壓縮效果明顯，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

2 振動(dòng)信號(hào)壓縮方法

2.1 水電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)特征

工程上所測(cè)得的水電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)一般為時(shí)域信號(hào)，為了通過所測(cè)信號(hào)了解、觀測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為，往往需要將時(shí)域信號(hào)變換至頻域加以分析。它是將時(shí)域信號(hào)通過FFT變換展開成若干頻率成分之和，以獲得信號(hào)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(diǎn)是頻域局部化、正交性和具有快速算法。

水電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)往往由某些特征明顯的頻率組成。如圖1所示為某機(jī)組定子機(jī)座振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域信號(hào)，可以看出該振動(dòng)信號(hào)主要是由幾個(gè)具有代表性的頻率組成，其余大部分?jǐn)?shù)據(jù)接近0。

當(dāng)機(jī)組發(fā)生振動(dòng)故障時(shí)，往往會(huì)引起信號(hào)頻率結(jié)構(gòu)的變化，但水電機(jī)組振動(dòng)故障通常具有明顯的特征頻率。常見水輪發(fā)電機(jī)組特征頻率如表1所示。

表1 機(jī)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(jī)組振動(dòng)信號(hào)包括故障振動(dòng)信號(hào)，在頻域的特點(diǎn)：①部分特征頻率值較大；②大部分?jǐn)?shù)據(jù)接近0。

2.2 水電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)壓縮傳輸策略

針對(duì)水電機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的特征，提出了一種基于時(shí)頻轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)壓縮新方法。將振動(dòng)時(shí)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(jìn)行遠(yuǎn)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(bǔ)全，并進(jìn)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(shí)頻轉(zhuǎn)化壓縮算法流程圖Fig.2 Flow diagram of compression algorithm based on FFT

3 振動(dòng)信號(hào)壓縮實(shí)例及效果

3.1 擺度信號(hào)

選取某機(jī)組上導(dǎo)X向擺度值進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換壓縮，保留原始信號(hào)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(hào)的時(shí)域和頻域圖。將壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，頻域幅值中舍棄部分進(jìn)行補(bǔ)零，采用快速傅里葉反變換得到新的時(shí)域波形數(shù)據(jù)，其時(shí)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(shí)頻轉(zhuǎn)化壓縮算法準(zhǔn)確的保留了頻域的特征峰值，時(shí)域幾乎沒有差別。

圖3 上導(dǎo)X向擺度信號(hào)壓縮前后時(shí)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(jī)架振動(dòng)信號(hào)

選取某機(jī)組頂蓋X向振動(dòng)值進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換壓縮，同樣保留原始信號(hào)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(shí)頻轉(zhuǎn)化壓縮算法準(zhǔn)確的保留了頻域的特征峰值，時(shí)域幾乎沒有差別。

圖4 頂蓋X向振動(dòng)信號(hào)壓縮前后時(shí)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(dòng)信號(hào)

選取某機(jī)組壓力脈動(dòng)值進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換壓縮，保留原始信號(hào)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(shí)頻轉(zhuǎn)化壓縮算法準(zhǔn)確的保留了頻域的特征峰值，對(duì)于時(shí)域信號(hào)的幅值略有減少。

圖5 壓力脈動(dòng)信號(hào)壓縮前后時(shí)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(duì)水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)中龐大的振動(dòng)歷史數(shù)據(jù)傳輸問題，提出了基于時(shí)頻轉(zhuǎn)換的遠(yuǎn)程傳輸方法。該方法利用快速傅里葉變換局部性的優(yōu)勢(shì)，將振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)域波形轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，將少部分較大的頻域幅值進(jìn)行傳輸，其他部分舍棄，最終將空位補(bǔ)零進(jìn)行快速傅里葉反變換，壓縮轉(zhuǎn)化后的新振動(dòng)信號(hào)保留了頻域的特征峰值，時(shí)域信號(hào)差別很小。對(duì)實(shí)測(cè)的水電機(jī)組擺度、振動(dòng)和壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)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(shí)用價(jià)值。

[1]翁浩.機(jī)泵群無線監(jiān)測(cè)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(xué)，2013.06.

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

桂中華（1976—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：水電設(shè)備故障診斷與狀態(tài)評(píng)價(jià)。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(xiàng)目資助（編號(hào)：52573014008V）。