基于聲發射樂譜化Frechet編碼的變電站主變壓器基底滲水損傷監測

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

(1. 國網江蘇省電力有限公司技能培訓中心，江蘇 蘇州 215004; 2. 國網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，江蘇 南京 210023)

0 引 言

變電站主變壓器部署于粉砂黏土復合土體上方，在潮濕環境中易產生基底區域疲勞，進而在長期水文侵蝕與應力作用下易發生損傷事故。滲水會造成變壓器基底抗壓抗剪強度降低，改變其彈性模量、泊松比等力學參量，進而影響其宏觀力學性能[1-4]。在水文與圍壓耦合作用下的基底損傷與沉陷會影響地面設備的正常運行，且仿真變電站培訓人員距離主變較近，基地損傷和沉陷對人員安全帶來威脅，因此，開展滲水作用下的仿真站主變壓器基底損傷監測具有重要科學意義與應用前景。

聲發射是一種結構在激勵作用下通過釋放瞬態彈性波以達到穩定狀態的現象[5]。聲發射產生于巖土顆粒滑移過程中，水分對顆粒具有軟化摩擦作用，宏觀上造成聲發射信號形態變化[6]。聲發射技術在基底巖體損傷監測工程中有十分成熟的應用，例如，Kim[7]等學者利用聲發射技術對某地下隧道結構裂紋萌生和破壞應力閾值進行研究，探討了聲發射在力矩張量等損傷參數作用下的表征規律。Carpinteri[8]等學者利用聲發射技術開展了混凝土結構在機械載荷下的裂紋檢測研究。此外，在工業質檢、設備損傷監測領域，聲發射和超聲技術同樣有十分廣泛的應用[9-12]。

上述研究表明，通過聲發射信號所蘊含的模態變化和力學特性可體現結構參量變化信息，實現結構損傷狀態監測。但由于結構各向異性特征會帶來信號頻散，加之傳播距離的延伸會使信號波形產生衰減效應，故當前主流的聲發射監測方法主要采用對連續聲發射事件數和頻度的統計。變電站主變壓器基底具有高圍壓、大載荷的受力特點，加之易滲水的工作條件，水文應力耦合下的工作環境使得傳統聲發射監測方法在損傷預警超前性和狀態識別準確性方面存在不足。

針對仿真變電站主變壓器基底潮濕圍壓工況下的滲水損傷監測需求，本文提出一種基于聲發射樂譜化Frechet編碼的滲水損傷監測方法，首先利用樂譜化模型對突發型聲發射包絡信號采樣編碼，獲得表征信號輪廓、幅值信息的音高、音值和壓縮比指標；然后對樂譜指標曲線進行極差Frechet相似性判別，獲得滲水損傷信息。實驗顯示此方法可在保留信號輪廓特征的同時做到數據壓縮，且具有良好的滲水損傷識別超前性和準確性。

1 工程背景分析

220 kV實訓用混仿變電站主變壓器總重45 t，通過底端介質可對地產生12.16 kPa壓強。地基主要由第四系全新統沖積成因的粉質黏土、粉砂等組成，粉砂局部密實，礦物成分以石英、長石為主，顆粒組成均勻，厚度為6～8 m，抗壓強度極限為70 kPa。

在水文條件方面，對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給，水位埋深處于0.1～2 m區間。微承壓水主要貯存于粉砂層中，主要受側向和越流補給，也受大氣降水、地表水體等制約。該地區最高微承壓水位為1.74 m。雖然工程建設前期設置了站區上下水系統，且粉砂上方的粉質黏土層具有較好的隔水效果，但此地區氣候潮濕多雨，長期動態緩變的浸水條件對地基有腐蝕性。不同于常規野外作業的變電站，培訓學校內變壓器與其他地面設備和人員距離較近，雖沒有強電危險，但對地載荷對在水分的滲透作用下會加劇地基損傷沉陷風險，高應力下的滲水問題不容忽視，建立連續在線、穩定可靠的地基滲水損傷監測系統具有迫切必要性。

2 樂譜化特征編碼

樂譜化特征編碼是一種利用時域采樣線刻畫信號包絡特征的編碼方法，單個信號片段的編碼流程如圖1所示。對監測信號進行峰值標記，利用樣條插值算法進行包絡線提取；隨后將包絡線與采樣譜線交點作為采樣音譜，利用譜線采樣得到音高、音值和壓縮比指標；最后基于樂譜化特征指標生成簡譜樂譜，完成聲發射信號特征離散化提取，實現人耳不可感知超聲信號到可聽音頻折換。

圖1 樂譜化特征編碼

設信號包絡線在時域區間[t0,tn]內表達式為：

其中t0,t1, ···,tn分別為包絡信號各峰值對應的時域點，設在時間[t0,tn]內取得最大值和最小值。借鑒音樂譜方法，在信號極值內規劃采樣譜線方程Sn(t)，其中n∈[0,6]，譜線1～7 分別對應音符 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：

依據包絡線f(x)和譜線方程Sn(t)可聯立方程：

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

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間間隔。

音值指標的絕對值大小表征了信號變化的快慢，正負表征了信號的高低走勢，當包絡信號出現極值時音值指標便會經過零點，過零點的數量可反映包絡信號變化激烈程度。

水文狀態變化下的聲發射信號會具有較大的幅值波動性，倘若在全周期采用固定極值規劃采樣范圍，則在幅值較小信號段會造成粗大丟失，降低信號輪廓表征分辨率。為了適應多樣的水文環境，首先將信號M等分，在第k(0＜k＜M)等分時段[tk-1,tk)內的譜線方程可表示為，則信號壓縮比可定義為：

其中f′max和f′min分別為該時段包絡信號的極大值和極小值，通過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

利用樂譜化指標可在保留信號輪廓、幅值和變速特征的條件下實現時域信號特征規范化提取，實現不可感知超聲域信號到可聽音頻映射，為工程現場人員提供更為直觀的預警手段，同時可壓縮數據容量，利于本地存儲和遠程傳輸。

3 樂譜指標Frechet相似性判別

在樂譜特征提取研究基礎上，本文提出樂譜指標Frechet相似性判別方法進行滲水損傷識別。離散Frechet距離來源于人狗距離模型，是一種高級曲線相似性的度量方法[13]，設A=＜a1, ···,am＞，B=＜b1, ···,bm＞為2條由離散點組成的曲線，利用σ(A)和σ(B)表示曲線軌跡點的順序集合，則時域上可得順序點(a1,b1),(a2,b2), · ··, (am,bm)。若要實現曲線相似，則需滿足等式：

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 ε較小時可認為曲線路徑重合度小，以此可得到曲線相似度排序。

由于樂譜化采樣方法采用動態壓縮比自適應控制譜線極值，此種幅值差異會影響音值曲線相似度判別時的變速特征信息，故在進行相似度計算前需要對曲線進行極差歸一化處理，即：

式中：qi——音值曲線在第i個采樣點處的幅值；

qmax和qmin——此信號片段音值曲線的極大值與極小值。

在滲水損傷識別中，首先計算訓練集各滲水損傷層級樣本聲發射信號的樂譜指標，并對音值數據進行極差處理，計算平均離散Frechet距離作為期望值，根據組間距離得到方差，設置對照組閾值為。此外，計算音符點數均值并以此為期望得到采樣點方差，以為閾值，其中Nu代表不同滲水損傷層級的音符點數閾值。在識別實驗中將未知信號進行樂譜化處理，并將音高、音值曲線與對照組匹配，倘若兩指標和音符數量均處于閾值范圍內，則將此樣本劃歸對照組所處滲水損傷狀態。

4 實驗與討論

4.1 滲流數值模擬

4.1.1 邊界條件

為探究變壓器應力激勵下的基底水文分布規律，利用數值模擬方法分析應力作用下的滲流時空分布狀態。利用達西定律作為水頭控制方程[14]，其基本表達式為：

或

式中：Q——滲透流量；

k——基體性質常數；

w——斷層面積；

h1和h2——上下兩側壓力水頭；

L——滲流長度；

v——斷層平均流速；

J——滲流過程中水頭損失率。

工程中可將基本表達式普遍化為如下微分形式：

其中vx，vy和vz分別為三個分量方向的水流速度。達西定律表明滲透流量與斷層面積和水頭損失成正比，與滲流路徑長度成反比，且滲流速度與水力坡降呈線性關系。水頭方向設置為垂直向下，應力施加區域為變壓器底端，長寬分別為8.22 m和4.50 m，基體縱深為7 m，采用三角形進行網格剖分。由于粉砂上方的粉質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。設置結構透水層為上表面，且初始狀態無壓力，下表面固定，滲流路徑為整個結構體。參照常見的粉砂物理參數[15-16]，仿真中所用的參數如表1所示。

表1 仿真參數

4.1.2 仿真結果

對0～7 000 s內應力作用下的水頭壓強進行有限元仿真，通過壓強分布反映水在結構中的滲流狀況。仿真進行的第1 000 s和7 000 s的壓強分布和壓強切片結果如圖3所示。

圖中可看出，在頂端矩形應力區域激勵下的滲流縱深分布較為對稱，未出現雜亂方向滲流。初期高壓強主要集中在結構頂部，隨著滲流的進行，高壓強逐漸向底端轉移，擴散過程較為均勻，水平方向上水文損傷差異性較小。

4.2 滲水損傷識別實驗

4.2.1 聲發射信號采集

數值模擬結果顯示在主變壓器載荷應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聲發射。由于電力技術培訓學校運營過程中應力方位變化較小，故采用步進微增加載方式，利用不同水分含量模擬滲水損傷程度，采用稱重法得到四種不同含水狀態的粉砂樣本，分別模擬未滲水、輕度滲水、中度滲水和重度滲水損傷狀態。實驗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，設重度滲水損傷樣本和未滲水樣本質量差為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。單軸載荷損傷時激發的聲發射信號如圖4所示。

圖4 不同滲水損傷狀態聲發射信號

4.2.2 樂譜特征分析

利用樂譜化方法對聲發射信號開展特征提取，圖5展示了在多種載荷條件下，不同滲水損傷等級樣本聲發射的音高數據。

圖5 多種載荷條件下不同滲水損傷等級樣本聲發射音高數據

由圖可知，雖然載荷水平相差較大，但音高數據隨滲水損傷等級的變化規律并無明顯差異，音高曲線的延伸長度（即音符點數量）整體與滲水狀態呈負相關。造成此種現象是因為音高數據是信號輪廓的刻畫，隨著粉砂滲水狀態的加劇，水分對粉砂顆粒的摩擦軟化作用愈發明顯，導致聲發射信號時域生存周期縮短，故采樣得到的音符點數量也減少。

同理，處理多種載荷條件下的音值數據，以載荷=4 t為例，音值數據如圖6(a)所示，音值曲線的延伸長度同樣與滲水狀態呈負相關。將經過零點的音值定義為波折點，波折點數量可體現信號的變化激烈程度，統計多種載荷下的波折點數量如圖6(b)所示。

圖6 音值數據和多種載荷下的波折點數量

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的加劇，波折點數量呈逐漸減小趨勢，這說明滲水狀態會減緩聲發射信號的變速，使信號更為平緩、穩定。利用音高、音值和壓縮比指標對聲發射信號進行可聽聲域折換，以未滲水損傷和重度滲水損傷信號為例，樂譜指標生成的可聽音頻如圖7所示。

圖7 不同滲水損傷聲發射生成音頻

音頻數據顯示，不同滲水狀態的聲發射信號聽覺直觀差異明顯，未滲水損傷聲發射信號波動性更強，且高音調占比更多，重度滲水損傷信號則波動更為緩慢。

4.2.3 滲水損傷識別

為對比極差處理對結果的影響，以兩組重度損傷的音值曲線為例，圖8展示了極差處理前后結果。

圖8 音值指標極差處理對比

圖中可看出，經過極差處理后的音值數據具有更好的相似度可判別性，避免了由動態壓縮比調整對信號變速特征刻畫的影響。計算四種滲水層級樣本的音高、音值Frechet距離閾值和音符點數閾值以得到各參數區間，通過多組對比實驗，得到對照組數據如表2所示。

表2 參數對照組數據

選擇未滲水、輕度滲水、中度滲水和重度滲水損傷聲發射信號各10個，利用相似度判別模型開展損傷識別實驗，結果如圖9所示。

圖9 滲水損傷識別結果

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

4.2.4 數據壓縮

利用壓縮比、音高和音值指標可實現原始信號的擬合反演，在保留信號輪廓、幅值和變速信息的同時到數據存儲壓縮。圖10(a)展示了樂譜化采樣過程，(b)展示了信號樂譜化處理前后的數據量對比，結果顯示此種方法可將原始數據壓縮至43.4%。

圖10 樂譜化過程和數據壓縮對比

5 結束語

針對220 kV實訓用混仿變電站外場主變壓器對基底產生的潛在滲水損傷風險，本文提出一種基于聲發射樂譜化Frechet編碼的滲水損傷監測方法，主要工作如下：

1）利用樂譜化方法處理聲發射包絡信號，將原始監測信號編碼為音高、音值和壓縮比指標，并生成可聽監測音頻，實現人耳不可感知超聲信號到可聽聲的折換，為人員活動頻繁的工況場地帶來更為直觀的預警思路。

2）利用樂譜指標Frechet相似度判定方法進行滲水損傷識別，基于離散Frechet距離計算訓練樣本音高、音值和音符點數對照組閾值，用極差處理方法避免動態壓縮比對音值曲線相似度判定干擾。

3）利用數值仿真方法模擬工況主變壓器應力激勵條件下的粉砂基底滲水時空分布，采用單軸壓縮激發樣本聲發射，利用樂譜指標Frechet編碼開展損傷識別實驗，結果顯示對四種滲水損傷層級的識別準確率為92.5%，此外，本方法可將監測數據壓縮至43.4%，可減小存儲資源消耗和帶寬傳輸壓力。