樊玉林，桂中华，张 坤，王明芳，孙慧芳

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761）

基于时频转换的水电机组振动数据远程传输方法研究

樊玉林1，桂中华1，张 坤2，王明芳1，孙慧芳1

（1.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761）

随着统一的状态监测与评价系统的建立，研究工作不断深入，庞大的历史和实时数据传输问题日益突出，本文开发了一种基于时频转换的数据压缩新方法，利用快速傅里叶变换局部化的优点选取主要频域幅值进行传输，并将舍弃部分补零进行信号的快速傅里叶反变换，实现了数据的远程传输。通过实例分析表明该方法可以保留频域的特征峰值，且时域差别很小，压缩率高，压缩效果显著，具有很高的实用价值。

水电机组；时频转换；振动；数据压缩；远程传输

1 概述

目前，我国抽水蓄能行业迅猛发展，随着水电机组容量的增加、设备结构的复杂、自动化程度的提高，对承担能量转换的发电设备的可用率、运行效率、安全性与可靠性提出了更高要求，实现水电机组状态检修是水电设备运行保障技术发展的必然趋势。状态检修的前提是必须对机组运行情况进行长期的监测，及时掌握机组运行状态变化，向管理决策部门提出建议。因此，迫切需要建设统一的状态监测与评价系统，及时掌握设备运行状况，预防设备故障，提高转换效率。

振动信号处理是状态监测与故障诊断技术的基本环节。对振动信号进行时域、频域的处理和分析，可了解机器当前的运行状态，发现机器可能出现的故障，判断故障程度的发展趋势等。因此，振动波形数据是分析机组故障的核心数据。通过对振动信号进行采集、处理而得到的各种数据、图形进行分析，以找出故障所对应的征兆是状态监测与故障诊断技术的重要环节。然而，随着研究工作的不断深入，庞大的历史数据的传输问题日益突出，给数据管理带来很大的困难。

为了有效地实现大量现场实测数据的存储及传输，笔者针对实测数据开发了一种基于时频转换的数据压缩新方法。将振动时域数据转换为频域数据，将少部分值较大的频域数据进行远程传输，接收数据后，将未传输部分频域数据用0补全，并进行快速傅里叶反变换，结果保留了频域的特征峰值，同时大大减少了传输量，该方法压缩效果明显，具有良好的实用价值。

2 振动信号压缩方法

2.1 水电机组振动信号特征

工程上所测得的水电机组振动信号一般为时域信号，为了通过所测信号了解、观测对象的动态行为，往往需要将时域信号变换至频域加以分析。它是将时域信号通过FFT变换展开成若干频率成分之和，以获得信号的频率结构以及各谐波幅值和相位信息。FFT变换的优点是频域局部化、正交性和具有快速算法。

水电机组振动信号往往由某些特征明显的频率组成。如图1所示为某机组定子机座振动信号的时域和频域信号，可以看出该振动信号主要是由几个具有代表性的频率组成，其余大部分数据接近0。

当机组发生振动故障时，往往会引起信号频率结构的变化，但水电机组振动故障通常具有明显的特征频率。常见水轮发电机组特征频率如表1所示。

表1 机组常见特征频率Tab.1 Common characteristic frequency of hydroelectric generating set

续表

通过以上分析，可以看出，水电机组振动信号包括故障振动信号，在频域的特点：①部分特征频率值较大；②大部分数据接近0。

2.2 水电机组振动信号压缩传输策略

针对水电机组振动信号的特征，提出了一种基于时频转换的数据压缩新方法。将振动时域数据转换为频域数据，将少部分值较大的频域数据进行远程传输，其他数据舍弃，接收数据后，将未传输部分频域数据用0补全，并进行快速傅里叶反变换，保留了频域的特征峰值，算法流程如图2所示。

图2 时频转化压缩算法流程图Fig.2 Flow diagram of compression algorithm based on FFT

3 振动信号压缩实例及效果

3.1 摆度信号

选取某机组上导X向摆度值进行时频转换压缩，保留原始信号频域1024根幅值中50根较大值，其他频域幅值舍弃，压缩率为（1024-50）/1024=95.1%，压缩效果显著。图3中（a）、（b）分别为原始信号的时域和频域图。将压缩后的数据进行传输，频域幅值中舍弃部分进行补零，采用快速傅里叶反变换得到新的时域波形数据，其时域和频域图如图3中（c）、（d）所示。从图中可看出，本文提出的时频转化压缩算法准确的保留了频域的特征峰值，时域几乎没有差别。

图3 上导X向摆度信号压缩前后时频与频域对比Fig.3 Comparison between the original one and renovated one of time domain and frequency domain of upper guide bearing X throw

3.2 机架振动信号

选取某机组顶盖X向振动值进行时频转换压缩，同样保留原始信号频域1024根幅值中50根较大值，其他频域幅值舍弃，压缩率为（1024-50）/1024=95.1%。从图4中可看出，本文提出的时频转化压缩算法准确的保留了频域的特征峰值，时域几乎没有差别。

图4 顶盖X向振动信号压缩前后时频与频域对比Fig.4 Comparison between the original one and renovated one of time domain and frequency domain of header X vibration

3.3 压力脉动信号

选取某机组压力脉动值进行时频转换压缩，保留原始信号频域1024根幅值中200根较大值，其他频域幅值舍弃，压缩率为（1024-200）/1024=80.5%，压缩效果显著。从图5中可看出，本文提出的时频转化压缩算法准确的保留了频域的特征峰值，对于时域信号的幅值略有减少。

图5 压力脉动信号压缩前后时频与频域对比Fig.5 Comparison between the original one and renovated one of time domain and frequency domain of pressure pulsation

4 结论

本文针对水电机组状态监测与评价系统中庞大的振动历史数据传输问题，提出了基于时频转换的远程传输方法。该方法利用快速傅里叶变换局部性的优势，将振动数据时域波形转换为频域信号，将少部分较大的频域幅值进行传输，其他部分舍弃，最终将空位补零进行快速傅里叶反变换，压缩转化后的新振动信号保留了频域的特征峰值，时域信号差别很小。对实测的水电机组摆度、振动和压力脉动数据进行实例分析，压缩率分别为95.1%、95.1%和80.5%，表明本算法在高压缩比情况下可以保留数据原有特性，具有很高的实用价值。

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樊玉林（1972—），男，本科，高级工程师，主要研究方向：水电生产自动化与技术管理。

桂中华（1976—），男，博士，高级工程师，主要研究方向：水电设备故障诊断与状态评价。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

国家电网公司科技项目资助（编号：52573014008V）。