季 寧， 李世倩， 任 罡， 胡曉麗， 陶紅鑫， 魏 蔚，孫呂祎， 屠 駿， 張夢(mèng)夢(mèng)， 陶 鍇

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，江蘇 蘇州 215004; 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電公司，江蘇 常州 213003;3. 南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210023)

0 引 言

變電站主變壓器部署于粉砂黏土復(fù)合土體上方，在潮濕環(huán)境中易產(chǎn)生基底區(qū)域疲勞，進(jìn)而在長(zhǎng)期水文侵蝕與應(yīng)力作用下易發(fā)生損傷事故。滲水會(huì)造成變壓器基底抗壓抗剪強(qiáng)度降低，改變其彈性模量、泊松比等力學(xué)參量，進(jìn)而影響其宏觀力學(xué)性能[1-4]。在水文與圍壓耦合作用下的基底損傷與沉陷會(huì)影響地面設(shè)備的正常運(yùn)行，且仿真變電站培訓(xùn)人員距離主變較近，基地?fù)p傷和沉陷對(duì)人員安全帶來(lái)威脅，因此，開(kāi)展?jié)B水作用下的仿真站主變壓器基底損傷監(jiān)測(cè)具有重要科學(xué)意義與應(yīng)用前景。

聲發(fā)射是一種結(jié)構(gòu)在激勵(lì)作用下通過(guò)釋放瞬態(tài)彈性波以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象[5]。聲發(fā)射產(chǎn)生于巖土顆?；七^(guò)程中，水分對(duì)顆粒具有軟化摩擦作用，宏觀上造成聲發(fā)射信號(hào)形態(tài)變化[6]。聲發(fā)射技術(shù)在基底巖體損傷監(jiān)測(cè)工程中有十分成熟的應(yīng)用，例如，Kim[7]等學(xué)者利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)某地下隧道結(jié)構(gòu)裂紋萌生和破壞應(yīng)力閾值進(jìn)行研究，探討了聲發(fā)射在力矩張量等損傷參數(shù)作用下的表征規(guī)律。Carpinteri[8]等學(xué)者利用聲發(fā)射技術(shù)開(kāi)展了混凝土結(jié)構(gòu)在機(jī)械載荷下的裂紋檢測(cè)研究。此外，在工業(yè)質(zhì)檢、設(shè)備損傷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，聲發(fā)射和超聲技術(shù)同樣有十分廣泛的應(yīng)用[9-12]。

上述研究表明，通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)所蘊(yùn)含的模態(tài)變化和力學(xué)特性可體現(xiàn)結(jié)構(gòu)參量變化信息，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)監(jiān)測(cè)。但由于結(jié)構(gòu)各向異性特征會(huì)帶來(lái)信號(hào)頻散，加之傳播距離的延伸會(huì)使信號(hào)波形產(chǎn)生衰減效應(yīng)，故當(dāng)前主流的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法主要采用對(duì)連續(xù)聲發(fā)射事件數(shù)和頻度的統(tǒng)計(jì)。變電站主變壓器基底具有高圍壓、大載荷的受力特點(diǎn)，加之易滲水的工作條件，水文應(yīng)力耦合下的工作環(huán)境使得傳統(tǒng)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)方法在損傷預(yù)警超前性和狀態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確性方面存在不足。

針對(duì)仿真變電站主變壓器基底潮濕圍壓工況下的滲水損傷監(jiān)測(cè)需求，本文提出一種基于聲發(fā)射樂(lè)譜化Frechet編碼的滲水損傷監(jiān)測(cè)方法，首先利用樂(lè)譜化模型對(duì)突發(fā)型聲發(fā)射包絡(luò)信號(hào)采樣編碼，獲得表征信號(hào)輪廓、幅值信息的音高、音值和壓縮比指標(biāo)；然后對(duì)樂(lè)譜指標(biāo)曲線進(jìn)行極差Frechet相似性判別，獲得滲水損傷信息。實(shí)驗(yàn)顯示此方法可在保留信號(hào)輪廓特征的同時(shí)做到數(shù)據(jù)壓縮，且具有良好的滲水損傷識(shí)別超前性和準(zhǔn)確性。

1 工程背景分析

220 kV實(shí)訓(xùn)用混仿變電站主變壓器總重45 t，通過(guò)底端介質(zhì)可對(duì)地產(chǎn)生12.16 kPa壓強(qiáng)。地基主要由第四系全新統(tǒng)沖積成因的粉質(zhì)黏土、粉砂等組成，粉砂局部密實(shí)，礦物成分以石英、長(zhǎng)石為主，顆粒組成均勻，厚度為6～8 m，抗壓強(qiáng)度極限為70 kPa。

在水文條件方面，對(duì)本工程有影響的地下水主要為孔隙潛水及微承壓水。賦存于表層雜填土中的孔隙潛水主要接受降水補(bǔ)給，水位埋深處于0.1～2 m區(qū)間。微承壓水主要貯存于粉砂層中，主要受側(cè)向和越流補(bǔ)給，也受大氣降水、地表水體等制約。該地區(qū)最高微承壓水位為1.74 m。雖然工程建設(shè)前期設(shè)置了站區(qū)上下水系統(tǒng)，且粉砂上方的粉質(zhì)黏土層具有較好的隔水效果，但此地區(qū)氣候潮濕多雨，長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)緩變的浸水條件對(duì)地基有腐蝕性。不同于常規(guī)野外作業(yè)的變電站，培訓(xùn)學(xué)校內(nèi)變壓器與其他地面設(shè)備和人員距離較近，雖沒(méi)有強(qiáng)電危險(xiǎn)，但對(duì)地載荷對(duì)在水分的滲透作用下會(huì)加劇地基損傷沉陷風(fēng)險(xiǎn)，高應(yīng)力下的滲水問(wèn)題不容忽視，建立連續(xù)在線、穩(wěn)定可靠的地基滲水損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有迫切必要性。

2 樂(lè)譜化特征編碼

樂(lè)譜化特征編碼是一種利用時(shí)域采樣線刻畫(huà)信號(hào)包絡(luò)特征的編碼方法，單個(gè)信號(hào)片段的編碼流程如圖1所示。對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行峰值標(biāo)記，利用樣條插值算法進(jìn)行包絡(luò)線提取；隨后將包絡(luò)線與采樣譜線交點(diǎn)作為采樣音譜，利用譜線采樣得到音高、音值和壓縮比指標(biāo)；最后基于樂(lè)譜化特征指標(biāo)生成簡(jiǎn)譜樂(lè)譜，完成聲發(fā)射信號(hào)特征離散化提取，實(shí)現(xiàn)人耳不可感知超聲信號(hào)到可聽(tīng)音頻折換。

圖1 樂(lè)譜化特征編碼

設(shè)信號(hào)包絡(luò)線在時(shí)域區(qū)間[t0,tn]內(nèi)表達(dá)式為：

其中t0,t1, ···,tn分別為包絡(luò)信號(hào)各峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)域點(diǎn)，設(shè)在時(shí)間[t0,tn]內(nèi)取得最大值和最小值。借鑒音樂(lè)譜方法，在信號(hào)極值內(nèi)規(guī)劃采樣譜線方程Sn(t)，其中n∈[0,6]，譜線1～7 分別對(duì)應(yīng)音符 1、2、3、4、5、6、7，相鄰譜線間電壓差Δ可表示為：

則譜線方程Sn(t)可表示為：

依據(jù)包絡(luò)線f(x)和譜線方程Sn(t)可聯(lián)立方程：

其中n=1, 2, 3, 4, 5, 6。依據(jù)方程解可得采樣坐標(biāo)(tn,vn)，并將各采樣音符縱坐標(biāo)定義為音高指標(biāo)φ（φ=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7）。此外，定義音值指標(biāo)：

式中：vn+1-vn——后一音符與前一音符的電壓差；

tn+1-tn——后一音符與前一音符的時(shí)間間隔。

音值指標(biāo)的絕對(duì)值大小表征了信號(hào)變化的快慢，正負(fù)表征了信號(hào)的高低走勢(shì)，當(dāng)包絡(luò)信號(hào)出現(xiàn)極值時(shí)音值指標(biāo)便會(huì)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零點(diǎn)的數(shù)量可反映包絡(luò)信號(hào)變化激烈程度。

水文狀態(tài)變化下的聲發(fā)射信號(hào)會(huì)具有較大的幅值波動(dòng)性，倘若在全周期采用固定極值規(guī)劃采樣范圍，則在幅值較小信號(hào)段會(huì)造成粗大丟失，降低信號(hào)輪廓表征分辨率。為了適應(yīng)多樣的水文環(huán)境，首先將信號(hào)M等分，在第k(0＜k＜M)等分時(shí)段[tk-1,tk)內(nèi)的譜線方程可表示為，則信號(hào)壓縮比可定義為：

其中f′max和f′min分別為該時(shí)段包絡(luò)信號(hào)的極大值和極小值，通過(guò)合理控制等分片段便可減少粗大丟失，不同壓縮比劃分方法如圖2所示。

圖2 壓縮比劃分示意

利用樂(lè)譜化指標(biāo)可在保留信號(hào)輪廓、幅值和變速特征的條件下實(shí)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)特征規(guī)范化提取，實(shí)現(xiàn)不可感知超聲域信號(hào)到可聽(tīng)音頻映射，為工程現(xiàn)場(chǎng)人員提供更為直觀的預(yù)警手段，同時(shí)可壓縮數(shù)據(jù)容量，利于本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸。

3 樂(lè)譜指標(biāo)Frechet相似性判別

在樂(lè)譜特征提取研究基礎(chǔ)上，本文提出樂(lè)譜指標(biāo)Frechet相似性判別方法進(jìn)行滲水損傷識(shí)別。離散Frechet距離來(lái)源于人狗距離模型，是一種高級(jí)曲線相似性的度量方法[13]，設(shè)A=＜a1, ···,am＞，B=＜b1, ···,bm＞為2條由離散點(diǎn)組成的曲線，利用σ(A)和σ(B)表示曲線軌跡點(diǎn)的順序集合，則時(shí)域上可得順序點(diǎn)(a1,b1),(a2,b2), · ··, (am,bm)。若要實(shí)現(xiàn)曲線相似，則需滿(mǎn)足等式：

定義離散Frechet距離為最小化的軌跡序列的歐氏距離最大值，即：

當(dāng) ε較小時(shí)可認(rèn)為曲線路徑重合度小，以此可得到曲線相似度排序。

由于樂(lè)譜化采樣方法采用動(dòng)態(tài)壓縮比自適應(yīng)控制譜線極值，此種幅值差異會(huì)影響音值曲線相似度判別時(shí)的變速特征信息，故在進(jìn)行相似度計(jì)算前需要對(duì)曲線進(jìn)行極差歸一化處理，即：

式中：qi——音值曲線在第i個(gè)采樣點(diǎn)處的幅值；

qmax和qmin——此信號(hào)片段音值曲線的極大值與極小值。

在滲水損傷識(shí)別中，首先計(jì)算訓(xùn)練集各滲水損傷層級(jí)樣本聲發(fā)射信號(hào)的樂(lè)譜指標(biāo)，并對(duì)音值數(shù)據(jù)進(jìn)行極差處理，計(jì)算平均離散Frechet距離作為期望值，根據(jù)組間距離得到方差，設(shè)置對(duì)照組閾值為。此外，計(jì)算音符點(diǎn)數(shù)均值并以此為期望得到采樣點(diǎn)方差，以為閾值，其中Nu代表不同滲水損傷層級(jí)的音符點(diǎn)數(shù)閾值。在識(shí)別實(shí)驗(yàn)中將未知信號(hào)進(jìn)行樂(lè)譜化處理，并將音高、音值曲線與對(duì)照組匹配，倘若兩指標(biāo)和音符數(shù)量均處于閾值范圍內(nèi)，則將此樣本劃歸對(duì)照組所處滲水損傷狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)與討論

4.1 滲流數(shù)值模擬

4.1.1 邊界條件

為探究變壓器應(yīng)力激勵(lì)下的基底水文分布規(guī)律，利用數(shù)值模擬方法分析應(yīng)力作用下的滲流時(shí)空分布狀態(tài)。利用達(dá)西定律作為水頭控制方程[14]，其基本表達(dá)式為：

或

式中：Q——滲透流量；

k——基體性質(zhì)常數(shù)；

w——斷層面積；

h1和h2——上下兩側(cè)壓力水頭；

L——滲流長(zhǎng)度；

v——斷層平均流速；

J——滲流過(guò)程中水頭損失率。

工程中可將基本表達(dá)式普遍化為如下微分形式：

其中vx，vy和vz分別為三個(gè)分量方向的水流速度。達(dá)西定律表明滲透流量與斷層面積和水頭損失成正比，與滲流路徑長(zhǎng)度成反比，且滲流速度與水力坡降呈線性關(guān)系。水頭方向設(shè)置為垂直向下，應(yīng)力施加區(qū)域?yàn)樽儔浩鞯锥?，長(zhǎng)寬分別為8.22 m和4.50 m，基體縱深為7 m，采用三角形進(jìn)行網(wǎng)格剖分。由于粉砂上方的粉質(zhì)黏土層具有較差的透水性，在仿真中將其理想化為隔水介質(zhì)。設(shè)置結(jié)構(gòu)透水層為上表面，且初始狀態(tài)無(wú)壓力，下表面固定，滲流路徑為整個(gè)結(jié)構(gòu)體。參照常見(jiàn)的粉砂物理參數(shù)[15-16]，仿真中所用的參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

4.1.2 仿真結(jié)果

對(duì)0～7 000 s內(nèi)應(yīng)力作用下的水頭壓強(qiáng)進(jìn)行有限元仿真，通過(guò)壓強(qiáng)分布反映水在結(jié)構(gòu)中的滲流狀況。仿真進(jìn)行的第1 000 s和7 000 s的壓強(qiáng)分布和壓強(qiáng)切片結(jié)果如圖3所示。

圖中可看出，在頂端矩形應(yīng)力區(qū)域激勵(lì)下的滲流縱深分布較為對(duì)稱(chēng)，未出現(xiàn)雜亂方向滲流。初期高壓強(qiáng)主要集中在結(jié)構(gòu)頂部，隨著滲流的進(jìn)行，高壓強(qiáng)逐漸向底端轉(zhuǎn)移，擴(kuò)散過(guò)程較為均勻，水平方向上水文損傷差異性較小。

4.2 滲水損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)

4.2.1 聲發(fā)射信號(hào)采集

數(shù)值模擬結(jié)果顯示在主變壓器載荷應(yīng)力下的水文分布均勻，故采用單軸施壓方法模擬粉砂基底工況以激發(fā)聲發(fā)射。由于電力技術(shù)培訓(xùn)學(xué)校運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)力方位變化較小，故采用步進(jìn)微增加載方式，利用不同水分含量模擬滲水損傷程度，采用稱(chēng)重法得到四種不同含水狀態(tài)的粉砂樣本，分別模擬未滲水、輕度滲水、中度滲水和重度滲水損傷狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中首先將所有樣本放入干燥箱烘干24 h，得到未滲水樣本，然后將樣本浸泡入水中2 h，使樣本飽和含水，得到重度滲水損傷樣本，設(shè)重度滲水損傷樣本和未滲水樣本質(zhì)量差為A，則分別取A/3和2A/3的水均勻浸入干燥樣本，分別得到輕度滲水和中度滲水樣本。單軸載荷損傷時(shí)激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)如圖4所示。

圖4 不同滲水損傷狀態(tài)聲發(fā)射信號(hào)

4.2.2 樂(lè)譜特征分析

利用樂(lè)譜化方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)開(kāi)展特征提取，圖5展示了在多種載荷條件下，不同滲水損傷等級(jí)樣本聲發(fā)射的音高數(shù)據(jù)。

圖5 多種載荷條件下不同滲水損傷等級(jí)樣本聲發(fā)射音高數(shù)據(jù)

由圖可知，雖然載荷水平相差較大，但音高數(shù)據(jù)隨滲水損傷等級(jí)的變化規(guī)律并無(wú)明顯差異，音高曲線的延伸長(zhǎng)度（即音符點(diǎn)數(shù)量）整體與滲水狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)。造成此種現(xiàn)象是因?yàn)橐舾邤?shù)據(jù)是信號(hào)輪廓的刻畫(huà)，隨著粉砂滲水狀態(tài)的加劇，水分對(duì)粉砂顆粒的摩擦軟化作用愈發(fā)明顯，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域生存周期縮短，故采樣得到的音符點(diǎn)數(shù)量也減少。

同理，處理多種載荷條件下的音值數(shù)據(jù)，以載荷=4 t為例，音值數(shù)據(jù)如圖6(a)所示，音值曲線的延伸長(zhǎng)度同樣與滲水狀態(tài)呈負(fù)相關(guān)。將經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的音值定義為波折點(diǎn)，波折點(diǎn)數(shù)量可體現(xiàn)信號(hào)的變化激烈程度，統(tǒng)計(jì)多種載荷下的波折點(diǎn)數(shù)量如圖6(b)所示。

圖6 音值數(shù)據(jù)和多種載荷下的波折點(diǎn)數(shù)量

圖中可知，雖然不同載荷存在差異性，但整體上隨著滲水狀態(tài)的加劇，波折點(diǎn)數(shù)量呈逐漸減小趨勢(shì)，這說(shuō)明滲水狀態(tài)會(huì)減緩聲發(fā)射信號(hào)的變速，使信號(hào)更為平緩、穩(wěn)定。利用音高、音值和壓縮比指標(biāo)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行可聽(tīng)聲域折換，以未滲水損傷和重度滲水損傷信號(hào)為例，樂(lè)譜指標(biāo)生成的可聽(tīng)音頻如圖7所示。

圖7 不同滲水損傷聲發(fā)射生成音頻

音頻數(shù)據(jù)顯示，不同滲水狀態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)聽(tīng)覺(jué)直觀差異明顯，未滲水損傷聲發(fā)射信號(hào)波動(dòng)性更強(qiáng)，且高音調(diào)占比更多，重度滲水損傷信號(hào)則波動(dòng)更為緩慢。

4.2.3 滲水損傷識(shí)別

為對(duì)比極差處理對(duì)結(jié)果的影響，以?xún)山M重度損傷的音值曲線為例，圖8展示了極差處理前后結(jié)果。

圖8 音值指標(biāo)極差處理對(duì)比

圖中可看出，經(jīng)過(guò)極差處理后的音值數(shù)據(jù)具有更好的相似度可判別性，避免了由動(dòng)態(tài)壓縮比調(diào)整對(duì)信號(hào)變速特征刻畫(huà)的影響。計(jì)算四種滲水層級(jí)樣本的音高、音值Frechet距離閾值和音符點(diǎn)數(shù)閾值以得到各參數(shù)區(qū)間，通過(guò)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到對(duì)照組數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 參數(shù)對(duì)照組數(shù)據(jù)

選擇未滲水、輕度滲水、中度滲水和重度滲水損傷聲發(fā)射信號(hào)各10個(gè)，利用相似度判別模型開(kāi)展損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 滲水損傷識(shí)別結(jié)果

結(jié)果可知，未滲水樣本和重度滲水損傷樣本識(shí)別效果最好，全部正確歸類(lèi)，輕度滲水損傷樣本誤拒1個(gè)（歸入未滲水損傷組別），中度滲水損傷誤拒2個(gè)（歸入重度滲水損傷組別），整體識(shí)別準(zhǔn)確率為92.5%。

4.2.4 數(shù)據(jù)壓縮

利用壓縮比、音高和音值指標(biāo)可實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)的擬合反演，在保留信號(hào)輪廓、幅值和變速信息的同時(shí)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓縮。圖10(a)展示了樂(lè)譜化采樣過(guò)程，(b)展示了信號(hào)樂(lè)譜化處理前后的數(shù)據(jù)量對(duì)比，結(jié)果顯示此種方法可將原始數(shù)據(jù)壓縮至43.4%。

圖10 樂(lè)譜化過(guò)程和數(shù)據(jù)壓縮對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)220 kV實(shí)訓(xùn)用混仿變電站外場(chǎng)主變壓器對(duì)基底產(chǎn)生的潛在滲水損傷風(fēng)險(xiǎn)，本文提出一種基于聲發(fā)射樂(lè)譜化Frechet編碼的滲水損傷監(jiān)測(cè)方法，主要工作如下：

1）利用樂(lè)譜化方法處理聲發(fā)射包絡(luò)信號(hào)，將原始監(jiān)測(cè)信號(hào)編碼為音高、音值和壓縮比指標(biāo)，并生成可聽(tīng)監(jiān)測(cè)音頻，實(shí)現(xiàn)人耳不可感知超聲信號(hào)到可聽(tīng)聲的折換，為人員活動(dòng)頻繁的工況場(chǎng)地帶來(lái)更為直觀的預(yù)警思路。

2）利用樂(lè)譜指標(biāo)Frechet相似度判定方法進(jìn)行滲水損傷識(shí)別，基于離散Frechet距離計(jì)算訓(xùn)練樣本音高、音值和音符點(diǎn)數(shù)對(duì)照組閾值，用極差處理方法避免動(dòng)態(tài)壓縮比對(duì)音值曲線相似度判定干擾。

3）利用數(shù)值仿真方法模擬工況主變壓器應(yīng)力激勵(lì)條件下的粉砂基底滲水時(shí)空分布，采用單軸壓縮激發(fā)樣本聲發(fā)射，利用樂(lè)譜指標(biāo)Frechet編碼開(kāi)展損傷識(shí)別實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示對(duì)四種滲水損傷層級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率為92.5%，此外，本方法可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)壓縮至43.4%，可減小存儲(chǔ)資源消耗和帶寬傳輸壓力。