[发明专利]一种基于大数据的电力电缆运行振动健康监测系统

权利要求书

1.一种基于大数据的电力电缆运行振动健康监测系统，其特征在于，包括有振动检测传感器组，所述振动检测传感器组通过信号采集电路与信号降噪处理器；所述信号降噪处理器通过信号采集电路获取所述振动检测传感器组检测到的振动信号，并对所述振动信号进行降噪处理后得到电力电缆的振动特征信号；还包括振动量识别处理器，用于获取所述振动特征信号，并对所述振动特征信号内包含的振动特征信息进行识别得到振动量，所述振动量包括有电缆结构的固有振动频率、阻尼比以及振型系数；

所述振动检测传感器组包括有第一加速度传感器、第二加速度传感器以及第三加速度传感器；所述第一加速度传感器安装在电力电缆的支撑接触点附近的电缆支架上；所述第二加速度传感器与第三加速度传感器安装在电力电缆的外表面，且所述第二加速度传感器安装在所述第一加速度传感器的对侧；所述第三加速度传感器与所述第二加速度传感器间呈90度安装于电力电缆上；

所述第一加速度传感器、第二加速度传感器以及第三加速度传感器采用单轴加速度传感器或三轴加速度传感器；

所述电力电缆运行振动健康监测系统还包括有健康状态评价模块，用于获取所述振动量，并对依据所述振动量对电力电缆的结构健康状态进行评价，得到评价结果；

所述信号降噪处理器包括信号预处理模块、信号延拓模块、白噪声补偿模块以及信号降噪模块；所述信号预处理模块用于对所述振动信号进行初级降噪、平滑后得到初级信号，以减少信号检测采集过程中的外界环境噪声的干扰；所述信号延拓模块用于对初级信号进行延拓得到次级信号；所述白噪声补偿模块用于计算确定对所述次级信号进行补偿用的白噪声的特性参数；所述信号降噪模块用于将所述白噪声加入次级信号后采用经验模态分解算法对所述加入白噪声的次级信号进行分解重构得到振动特征信号；

所述依据所述振动量对电力电缆的结构健康状态进行评价的具体过程为：获取电力电缆刚铺设投入运行时对应监测得到的初始振动量，包括初始固有频率、初始阻尼比以及初始振型系数；将上述获取的所述振动量与初始振动量进行对比，计算其相对于电力电缆刚投入运行时的结构健康衰减函数；所述健康衰减函数反映了在信号监测时所述电力电缆结构的健康状态，若所述健康衰减函数的函数值越小，则在信号监测时所述电力电缆结构的健康状态也越好；其中，所述结构健康衰减函数的计算公式为：

式中，H_ls为反映所述振动检测传感器组在所述电力电缆上安装位置处电缆结构的振动健康衰减函数值；m代表所述振动检测传感器组中第m加速度传感器的标号；T_m0为第m加速度传感器所处表面位置对应电缆结构的初始固有频率；Z_m0为第m加速度传感器所处表面位置对应电缆结构的初始阻尼比；X_m0为第m加速度传感器所处表面位置对应电缆结构的初始振型系数；T_m为第m加速度传感器实时采集的响应信号经处理得到的所述固有振动频率；Z_m为第m加速度传感器实时采集的响应信号经处理得到的所述阻尼比；X_m为第m加速度传感器实时采集的响应信号经处理得到的所述振型系数；

所述信号预处理模块，用来对振动传感器组中各个加速度传感器对应采集的振动信号进行初级降噪、平滑，以减少信号采集过程中的外界环境噪声的干扰；所述振动信号经过预处理就得到初级信号；

所述信号延拓模块用于对初级信号进行延拓，以避免初级信号的端点在在信号分解过程中进行样条曲线拟合时端点扭曲发散现象；采用一种信号延拓算法，处理初级信号得到次级信号，所述延拓算法的处理过程具体为：

(1)判断确定初级信号的左端点的端点处为极大值还是极小值；针对上述判断结果，获取与左端点对应的端点特性波；具体为：

a、若所述左端点为极小值点，则获取与左端点依次最邻近的第一个极大值点、第一个极小值点、以及第二个极大值点；连接这四个包括左端点的极值点构成一个极值四边形，通过极值四边形来描述其端点特性波；

b、若所述左端点为极大值点，则获取与左端点依次最邻近的第一个极小值点、第一个极大值点、以及第二个极小值点；连接这四个包括左端点的极值点构成一个极值四边形，通过极值四边形来描述其端点特性波；

(2)通过求出除左端点的所有极值点，在初级信号中搜寻与所述极值四边形差异度最小、匹配度最高的匹配四边形；所述匹配四边形与所述左端点的极值四边形对应，即：若左端点为极小值，则匹配四边形由匹配极值点，即所述匹配极值点为初级信号中一个极小值点、并在匹配极值点右边且与匹配极值点依次邻近的第i个极大值点、第i个极小值点、以及第i+1个极大值点构成；若左端点为极大值，则匹配四边形由匹配极值点，即所述匹配极值点为初级信号中的一个极大值点、并与匹配极值点依次邻近的第i个极小值点、第i+1个极大值点、以及第i+1个极小值点构成；所述i仅代表极值点的顺序标号，不具限定性，

其中，当左端点为极小值时，所述匹配四边形与极值四边形的匹配度的计算公式为：

式中，x₁为所述左端点为极小值时左端点对应的信号幅值；m₁为在初级信号中与所述左端点最邻近的第一极大值点对应的信号幅值；n₁为在初级信号中与所述第一极大值点靠右邻近的第一极小值点对应的信号幅值；m₂为与所述第一极小值点靠右邻近的第二极大值点对应的信号幅值；n_i为在初级信号中间且为极小值点的匹配极值点对应的信号幅值；m_i+1为与所述匹配极值点靠右邻近的第i+1极大值点对应的信号幅值；n_i+1为与所述第i+1极大值点靠右邻近的第i+1极小值点对应的信号幅值；m_i+2为与所述第i+1极小值点靠右邻近的第i+2极大值点对应的信号幅值；Mac为所述与匹配极值点对应的匹配四边形与极值四边形的匹配度；

其中，当所述左端点为极大值时，所述匹配四边形与极值四边形的匹配度的计算公式仅需根据对称进行适应性调整；

(3)依据上述(1)和(2)找到与所述极值四边形最匹配的匹配四边形对应的匹配极值点后，并获取所述匹配极值点对应的时间值，将该匹配极值点的数据进行延拓至初级信号的左端点处；

(4)并通过以上(1)-(3)对初级信号的右端点同样的进行延拓，最后得到延拓处理后的次级信号。