【原】福州大學賴澤楷、關向雨 等：基于激光多普勒測振的電力設備表面振動測量及補償算法

研究背景

為提高LDV設備在粗糙的不同電工材料表面的光學耦合效率，解決解調系統(tǒng)IQ不平衡問題，項目組提出引入綜合補償算法且適用不同電工材料表面的LDV系統(tǒng)，光路如圖1所示，硬件實物如圖2所示，軟件界面如圖3所示。

圖1 光路圖

圖2 硬件實物圖

圖3 軟件界面

論文所解決的問題及意義

電工材料的表面粗糙度會不同程度影響鏡頭的光學耦合效率，同時由于高壓設備通常運行在強電磁干擾環(huán)境以及模擬器件存在非理想特性，在信號接收過程中還需要考慮調制信號IQ不平衡問題而產生的基帶鏡像干擾。因此，有效的光學接收前端和解調算法對于確保LDV的檢測性能至關重要。

項目組通過粗糙度測試儀獲取不同電工材料表面粗糙度，建立考慮粗糙電工材料表面和透鏡組合的三維射線光學補償模型；采用鏡像抑制算法修正IQ幅相不平衡對解調結果的影響，對比補償前后解調結果，討論修正算法的有效性；搭建不同電工材料振動測試平臺和GIS實際測振實驗平臺，討論改進LDV測振系統(tǒng)的現場工作性能。

論文方法及創(chuàng)新點

1、基于射線光學的光學仿真及天線設計

首先使用粗糙測試儀獲取不同電工材料的表面分布狀況如圖4所示，利用粗糙測試儀測得的不同電工材料表面數據建立三維材料表面模型，以材料、激光器和周圍空氣作為求解域構建材料表面激光響應的射線光學仿真，仿真結果如圖5所示。

圖4 不同電工材料的表面分布狀況

圖5 激光在銅樣品表面反射后的射線軌跡

仿真設計三透鏡系統(tǒng)的光學天線，其中平凹和凹凹透鏡用于擴散激光光束，平凸透鏡用于匯聚光束，圖6為光學天線設計原理及光斑點列圖，從不同電工材料表面反射回的激光平均耦合效率得到21.92%的提升，驗證了本文所提光學天線結構設計上的可行性。

圖6 光學天線設計原理及光斑點列圖

2、信號解調補償算法

信號正交解調過程中發(fā)生的I/Q不平衡包括角度和幅值不平衡，項目組提出的IQ補償算法流程圖如圖7所示。補償前后解調結果的幅值特性圖和對應的利薩茹散點圖如圖8所示。

圖7 正交補償算法流程

圖8 補償前后解調結果對比

3.試驗測試

為探究引入綜合補償算法LDV系統(tǒng)對不同電工材料表面的測量效果，搭建了圖9所示的LDV電工材料標定平臺。

圖9 LDV電工材料標定平臺

設置多組10Hz~2kHz頻率范圍和3m~10m距離范圍的測量實驗，保持其他條件不變，用LDV分別測試銅、硅橡膠、鋁、鋁合金、Q235鋼、陶瓷六種電工材料表面振動情況，響應結果如圖10所示。

圖10 響應結果

為驗證改進LDV系統(tǒng)在實際電力設備帶電運行時的工作性能，項目組開展了GIS實際振動測量對比實驗，測振設備布置如圖11所示。同時獲取LDV系統(tǒng)和加速度傳感器返回的加速度測量結果如圖12所示。

由于采用抱箍固定方式，GIS外殼振動傳遞到加速度傳感器存在一定的非線性衰減，導致加速度傳感器測量結果精度下降，其頻域波形存在較多的噪聲干擾。與加速度傳感器相比，改進LDV系統(tǒng)安裝便捷且避免了使用反光貼帶來的傳遞損耗，其測量得到的時域波形更接近正弦，頻域圖噪聲更小，能明顯看出50Hz倍頻分量，有利于后續(xù)對GIS設備的故障分類和狀態(tài)監(jiān)測。

圖11 GIS測振設備布置示意圖

圖12 GIS外殼振動頻譜圖

結論

1）構建了考慮電工材料表面粗糙特性的LDV射線光學仿真模型，采用結構優(yōu)化設計完成了平凹-凹凹-平凸三透鏡方案的收發(fā)一體光學天線開發(fā)，成功將不同電工材料的光學耦合效率提升了21.92%。

2）針對高壓設備電磁干擾和模擬器件非理想特性引起的正交解調誤差，提出了改進鏡像抑制算法，通過補償算法修正IQ信號后再進行解調，成功實現了解調信號25.8dB的信噪比提升。

3）開發(fā)了綜合光學補償和信號解調補償的LDV系統(tǒng)，實現對不同電工設備表面3m~10m距離和10Hz~2kHz頻率范圍機械振動的無損帶電檢測。開展了GIS實際測振實驗，通過與IEPE傳感器的對比，驗證了所研發(fā)LDV系統(tǒng)在電力設備測振場景中的實用性和優(yōu)勢。

賴澤楷

碩士研究生，研究方向為GIS狀態(tài)監(jiān)測、電氣設備多物理場數值仿真和激光多普勒測振裝置研究開發(fā)。

關向雨

副教授，博士，研究方向為研究方向為電氣狀態(tài)檢測和故障診斷、設備多場耦合數值仿真技術、電弧與電接觸等。

涂嘉毅

碩士研究生，研究方向為電氣設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

林建港

碩士研究生，研究方向為電力設備監(jiān)測信號處理和激光多普勒測振裝置研究開發(fā)。

徐欣靈

碩士研究生，研究方向為電氣設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。