音频信号处理技术在配网巡检系统中的实现

摘 要

本文提出了一种将音频信号处理方法，来实现配网巡检系统中监测设备运行状态。首先，基于音频信号产生的原理和城市配网设备巡检的实际需求确定了巡检车载声音采集设备。然后，依据音频信号的特性，对采集到的声音信号进行分帧，最后通过短时傅立叶变换所得到的频谱来判断配网设备的运行状态。该方法将音频信号处理与配网巡检车载系统相结合，系统实现简单，成本低廉，具有广泛的工程应用价值。

【关键词】巡检系统 音频信号 快速傅立叶变换

1 城市配网巡检车声音采集原理及设备

有些配网输电设备在工作时会发出声音，城市配网巡检车可以采集电力设备声音。配网电力设备的声音信号的变化，恰恰又能反映设备的状态，因此，可以通过声音信号来分析设备的工作状态。声音信号的采集方式可以采用非接触式采集，而这采集方式具有不接触、不停运、不取样、不解体的优点，这种方式能够保证电力设备的运行，符合电力系统运行条例。因此，通过声音分析可以作为电力设备故障诊断的手段。

城市配网智能巡检车所携带的声音采集设备为拾音器。该设备不但结构简单，而且价格便宜、使用方便。通过拾音器将现场所采集到的声音传到后台，在后台使用信号处理技术对声音信号进行分析处理，判断配网设备的运行状态，实现了远程、非接触式、实时的设备状态监测。

2 声音波形判断配网设备的状态

配网设备工作原理不同，在运行时所发出的声音也是各不相同的。如有些设备是通过电流相互作用引起线圈振动产生声音的。对于固定的设备来说，由于设备固有的分布质量和结构特性，其振动所发出的声音的谐振频率数目是有限的。如果设备运行状态发生异常，则会对设备的固有谐波频率产生干扰。尤其是当该异常信号的频率与设备的结构频率相一致时，设备振幅被放大声音提高的现象就会发生。因此在进行设备状态监测时，对设备声音的波形分析是非常有必要的。

本文使用数字信号处理技术，通过对配网设备的声音信号进行采集，分析声音信号的谐波频率分布识别设备目前的状态。以配网某设备为例，机器人采集到的声音波形图如图1所示。

从图1可以看出，除了在时间点上的信号幅度大小不同外，仅仅依据时域波形图来判断设备的运行状态是有些困难的。

声音信号属于短时平稳信号，一般认为在10-30ms内声音信号特性基本上是不变的，或者变化很缓慢。因此在对声音进行频谱分析时，先对所声音信号截取，然后进行傅立叶变换。截取时会对声音信号进行加窗分帧，在信号数字处理中常用的窗函数是矩形窗和汉明窗，表达式如下：

矩形窗：

（1）

汉明窗：

（2）

则信号通过分帧处理后，第n帧语音信号的表达式如下式：

（3）

再对分帧后的信号进行傅立叶变换，则可以得到信号的短时傅立叶变换，计算公式如下：

（4）

通过对图1中的时域信号进行傅里叶变换得到频谱图，如图2所示。

从图2可以看出，声音信号傅立叶变换的频谱主要集中在100Hz以内。如果设备状态发生异常，100Hz之内的频谱会增大，如图2（b）所示。

3 结论

本文将音频信号处理应用到配网设备巡检中，使用城市配网智能巡检车携带的拾音器，对正在运行的设备进行声音信号采集。通过将现场采集到的声音信号传到后方操作台，利用音频信号的短时傅立叶频谱可以直观表现出设备的运行状态。该方法能够该方法模型简单、鲁棒性强、正确率高，能够满足配网设备检测的需求，推动了设备检测自动化和智能化的进程。

参考文献

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作者简介

薛为佳（1987-），男，云南省昭通市人。本科，云南电网有限责任公司昭通供电局昭阳分局配电部，主任/助理工程师，从事配网智能巡检方向研究。

作者单位

云南电网有限责任公司昭通供电局 云南省昭通市 657000