CN101930047B - 一种变压器绕组状态在线监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器绕组状态在线监测装置及其监测方法，该装置用于变压器绕组变形及绕组接触不良在线监测，包括信息采集单元、参数辨识单元、参数处理单元和诊断监控策略调整单元。其中信息采集单元通过数据通道实时采集变压器原、副边两侧的电压和电流信息；参数辨识单元利用信号采集单元提供的电压、电流实时信息，对表征变压器绕组状态的绕组电阻、漏电感参数进行辨识；参数处理单元计算分析辨识得到的参数值相对参数基准值的偏差量，并将偏差量作为衡量变压器绕组状态优劣程度的特征量，参数处理单元与辨识单元一起保证了变压器绕组状态的实时监测；诊断和监控策略调整单元根据参数的偏差量判断绕组是否存在变形或接触不良缺陷，并根据缺陷种类及其严重程度做出相应的监控策略调整方案，严重时变压器直接退出运行。

Description

一种变压器绕组状态在线监测装置及其监测方法

技术领域：

本发明属于电力设备监测领域，涉及一种变压器绕组变形和绕组接触不良在线监测装置及其监测方法，尤其是一种利用变压器绕组特征量监测与诊断系统相组合而构成的变压器绕组状态在线监测系统。

背景技术：

传统的绕组变形检测方法有测量变压器频率响应并比较其变化的频率响应法；通过施加低压脉冲并比较响应变化的低压脉冲法；测量变压器短路电抗并与历史数据比较的短路电抗法。这些方法虽各有可取之处，但也各有弊端，其中频率响应法和低压脉冲法受外来干扰因素影响较大，对于特征量值缺乏有机的结合，没有形成简明、可量化的判据，对现场操作人员的专业水平要求较高。而短路阻抗法对于微弱变形不敏感，只能反映对绕组整体电感影响较大的变形，测试精度和灵敏度不高、试验时间较长、难以推广。而目前常采用的吊罩检查往往只能看到高压绕组的情况，而位于绕组内部的中低压绕组的变形情况无法目测确定。

以上传统离线检测方法测试环境简单，不受系统运行因素的影响，多用于变压器出厂试验、故障检修或计划检修中。但由于传统离线监测方法均需使变压器退出运行，是一种变压器故障或者故障隐患相当严重以后的被动检测行为，不能随时监测绕组状态并及时发现故障，已不能适应日益提高的电力设备不停电要求。目前日益普及的状态检修根据设备的日常检查，定期重点检查在线状态监测和故障诊断所提供的信息，经过分析处理判断设备的健康和设备劣化状况及发展趋势，并在设备故障前和性能降低到不允许极限前有计划安排检修，防患于未然，有效减少变压器故障发生率。从状态检修实施过程来看，在线监测是实现状态检修的必然手段。

我国变压器在线监测技术的发展，大体经历了以下三个阶段：

(1)带电测试阶段，起始于70年代左右，采用将测试仪器直接接入测试回路中的测量模式，当时人们仅仅是为了不停电而对电气设备的某些参数进行直接测量。这些带电测试方法，结构简单，测试项目少，而且要求被测试设备对地绝缘，测试的灵敏度较差，应用范围较小，未能得到普及应用。

(2)从80年代开始，各种专用的带电测试仪器出现，使在线监测技术开始从传统的模拟量测试走向数字化测量，摆脱将测试仪器直接接入测试回路中的传统测量模式，而利用传感器将被测量转换成数字仪器可直接测量的电气信号。同时还出现一些其他通过非电量测量来反映变压器状况的测试仪器，如远红外装置、超声波装置等。

(3)从90年代开始，随着传感器、计算机、光纤技术的飞速发展与引用，在线监测领域出现了以数字波形采集和处理技术为核心的微机多功能在线监测系统，实现更多的变压器参数的在线监测。

(4)目前，“坚强、自愈”智能电网的提出又给变压器在线监测提出了新的要求。利用智能电网先进传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术等技术手段，以高速、双向、实时、集成的通信系统为基础，形成监测网络，扩大监测范围、增大信息量，并结合完备的专家诊断系统，从而构成智能化变压器在线监测与诊断系统，纳入整个电网的自动化系统，必将成为变压器在线监测的未来发展方向。

发明内容：

本发明的目的是提出一种基于绕组参数辨识的变压器绕组变形或绕组接触不良在线监测，实现绕组状态的实时监控，有效减少由于绕组亚健康积累造成的绕组事故发生率，变传统被动防御为主动防御，防患于未然。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

该方法通过实时采集变压器运行信息来辨识绕组参数，将辨识得到的绕组参数相对于参数基准值的偏差量作为表征绕组健康状态的特征量，进而作为变压器运行时监控策略调整的依据，大大提高了变压器运行的安全性。

附图说明：

附图1为本发明方法的结构框图；

附图2为基于绕组参数辨识的变压器绕组状态在线监测的流程图；

附图3为Y₀/Y₀接线的三相变压器模型；

附图4为Y₀/Δ接线的三相变压器模型。

具体实施方式：

如图1所示的三相双绕组变压器绕组状态在线监测装置，包括信息采集单元、参数辨识单元、参数处理单元和诊断监控策略调整单元。其中信息采集单元通过13路数据通道实时采集变压器分接头调节信号及原、副边两侧电压电流信息，并采用高分辨率的A/D转换器将模拟量的电压、电流信息转换为数字量传送至参数辨识单元；参数辨识单元是实现变压器绕组状态在线监测的核心部分，基于变压器等值回路方程的数学模型，该单元利用信息采集单元提供的电压、电流实时信息，通过递推最小二乘法，对表征变压器绕组状态的变压器绕组电阻、漏电感参数进行辨识，其辨识精度的提高可大大提高该在线监测装置的可靠度；参数处理单元计算分析辨识得到的参数值相对于参数基准值的偏差量，并将其作为衡量变压器绕组状态优劣程度的特征量，参数处理单元与辨识单元一起保证了变压器绕组状态的实时监测；诊断监控策略调整单元根据参数偏差量判断绕组是否存在变形或接触不良缺陷，并根据缺陷类型及程度做出相应的监控策略调整方案，如轻微变形时变压器继续运行，监测策略调整为缩短监控周期加强监督，中度变形时发出告警信号，监控策略调整为连续监控，在适当时机安排变压器退出运行进行维护检修，严重变形时发出严重警告，马上停运进行处理，并打印报告。

如附图2所示，为实施三相双绕组变压器绕组状态在线监测实现方法的流程图，具体步骤如下：

(A)一体化装置在上电启动之后，设定被保护变压器的铭牌参数：短路电压u_k％、短路损耗P_k、变压器额定容量S_b、变压器额定电压U_b、额定电流I_b，变压器额定变比n_B；根据铭牌参数计算变压器等值电阻r_k和漏电感L_k；其中：

$L_k=\frac{\sqrt{z_k^2-r_k^2}}{\mathrm{\ω}};$

(B)信息采集单元实时采集变压器分接头调节信号以及变压器原边电压电流信号u_1j、i_1j，副边电压电流信号u_2j、i_2j，其中j为A、B、C三相；

(C)除定时启动外，绕组等值阻抗发生或可能发生改变时，参数辨识单元亦启动，启动条件分析如下：

a：调节变压器高压侧分接头时，高压绕组阻抗将发生改变；

b：由于变压器绕组轻微变形的累积效应，在持续的过载电流作用下可能导致绕组变形加剧。另外，变压器绕组发生轻微匝间短路时，短路线匝里将流过数十倍的额定电流，流出绕组外面的三相电流则很小，致使传统继电保护难以发现绕组轻微匝间短路，造成一定的绕组变形隐患。故此，设定在电流有效值持续50个周波大于I_N时，启动参数辨识单元。

c：变压器停运后再次投入运行；

d：冲击电流作用下，巨大的电动力可能导致线圈发生永久变形。通常设定线圈经历一次峰值大于3I_N的短路冲击电流时，延时0.3s，待故障消除系统正常运行后，启动参数辨识单元。

可见，若满足定时启动、变压器分接头调节、电流有效值持续50个周波大于I_N、变压器停运后的再次投入、经历一次峰值大于3I_N的冲击电流五个条件中的任意一个，参数辨识单元启动；否则返回(B)；

(D)若参数辨识单元启动，根据三相变压器原副边绕组电压方程

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{1j}=r_{1j}{i}_{1j}+L_{1j}\frac{{\mathrm{di}}_{1j}}{\mathrm{dt}}+n_1\frac{d{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{mj}}}{\mathrm{dt}}\\ u_{2j}=r_{2j}{i}_{2j}+L_{2j}\frac{{\mathrm{di}}_{2j}}{\mathrm{dt}}+n_2\frac{d{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{mj}}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$ (j表示A、B、C三相)                     (1)

式中，u_1j、u_2j为原、副边绕组电压，i_1j、i_2j为原、副边绕组电流，n₁、n₂为原、副边绕组的匝数，r_1j、r_2j及L_1j、L_2j为原、副边绕组电阻和漏电感；φ_mj为原、副边绕组的互感磁通；利用变压器原、副边电压回路方程(1)，消去互感磁通，从而得到只包含原、副边电压和电流的等值方程(2)：

$u_{1j}-n_T{u}_{2j}=r_{1j}{i}_{1j}-n_T{r}_{2j}{i}_{2j}+L_{1j}\frac{{\mathrm{di}}_{1j}}{\mathrm{dt}}-n_T{L}_{2j}\frac{{\mathrm{di}}_{2j}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

其中n_T＝n₁/n₂，考虑励磁电流时，i_2j＝-n_T(i_1j-i_mj)。有：

$u_{1j}-n_T{u}_{2j}=r_{1j}{i}_{1j}+n_T^2{r}_{2j}(i_{1j}-i_{\mathrm{jm}})+L_{1j}\frac{{\mathrm{di}}_{1j}}{\mathrm{dt}}+n_T^2{L}_{2j}\frac{d(i_{1j}-i_{\mathrm{mj}})}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

$u_{1j}-n_T{u}_{2j}=(r_{1j}+n_T^2{r}_{2j})i_{1j}+(L_{1j}+n_T^2{L}_{2j})\frac{{\mathrm{di}}_{1j}}{\mathrm{dt}}-(n_T^2{r}_{2j}{i}_{\mathrm{mj}}+n_T^2{L}_2\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{mj}}}{\mathrm{dt}})---\left(4\right)$

$u_{1j}-n_T{u}_{2j}=r_{\mathrm{kj}}{i}_{1j}+L_{\mathrm{kj}}\frac{{\mathrm{di}}_{1j}}{\mathrm{dt}}-f_{\mathrm{mj}}---\left(5\right)$

式(5)中，

分别为绕组归算到一次侧的等值电阻及漏电感，

为励磁电流补偿项；

由 ${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{mj}}=\frac{{\stackrel{\·}{E}}_{1j}}{r_{\mathrm{mj}}+\mathrm{j\ω}{L}_{\mathrm{mj}}}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{1j}-(r_{1j}+\mathrm{j\ω}{L}_{1j}){\stackrel{\·}{I}}_{1j}}{r_{\mathrm{mj}}+\mathrm{j\ω}{L}_{\mathrm{mj}}}\≈\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{1j}}{r_{\mathrm{mj}}+\mathrm{j\ω}{L}_{\mathrm{mj}}}$ 得：

${\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{mj}}\≈n_T^2(r_{2j}+\mathrm{j\ω}{L}_{2j})\frac{{\stackrel{\·}{U}}_{1j}}{r_{\mathrm{mj}}+\mathrm{j\ω}{L}_{\mathrm{mj}}}=a{e}^{\mathrm{j\θ}}{\stackrel{\·}{U}}_{1j}---\left(6\right)$

将式(5)作为变压器绕组状态参数辨识方程，利用递推最小二乘法可实现对r_kj、L_kj的在线辨识，递推最小二乘法辨识模型可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{g}_1=r_{\mathrm{kj}}\\ g_2=L_{\mathrm{kj}}\\ y_j\left(n\right)=u_{1j}\left(n\right)-n_T{u}_{2j}\left(n\right)+f_{\mathrm{mj}}\left(n\right)\\ x_{1j}\left(n\right)=i_{1j}\left(n\right)\\ x_{2j}\left(n\right)=\frac{i_{1j}(n+1)-i_{1j}(n-1)}{2\mathrm{\ΔT}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

式(7)中，ΔT为采用间隔，i_1j(n)、u_1j(n)、u_2j(n)为n时刻采样值；连续采样n次，得式(8)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{1j}\left(1\right)g_{1j}+x_{2j}\left(1\right)g_{2j}=y_j\left(1\right)\\ x_{1j}\left(2\right)g_{1j}+x_{2j}\left(2\right)g_{2j}=y_j\left(2\right)\\ \begin{array}{ccc}\·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\\ \·& \·& \·\end{array}\\ x_{1j}\left(n\right)=g_{1j}+x_{2j}\left(n\right)g_{2j}=y_j\left(n\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

由式(8)得到模型参数的最小二乘解g为：

$g_j={\left(X_j^T{X}_j\right)}^{-1}{X}_j^T{Y}_j---\left(9\right)$

(E)绕组参数在线辨识完毕，参数处理单元计算得到变压器绕组等值电阻及漏电感的偏差量

分别为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{r}_{\mathrm{kj}}^i=\frac{r_{\mathrm{kj}}^i-r_{\mathrm{kj}}^b}{r_{\mathrm{kj}}^b}\×100\%\\ \mathrm{\δ}{L}_{\mathrm{kj}}^i=\frac{L_{\mathrm{kj}}^i-L_{\mathrm{kj}}^b}{L_{\mathrm{kj}}^b}\×100\%\end{array}\right.---\left(10\right)$

式(10)中，

分别为第i次在线辨识得到的绕组等值电阻、漏电感值，

分别为绕组等值电阻、漏电感的基准值；对于新投运的变压器，基准值可由变压器铭牌参数获取或首次参数辨识结果，对于已长期运行过的变压器，基准值的确定应参考变压器上次短路试验结果或重新投运后首次参数辨识结果；

(F)设定阀值δr＝10％，当δr_k大于阀值δr时，可诊断出变压器存在以下接触不良缺陷：

a：焊接不良，引线和绕组，多股并联绕组部分没有焊接上；

b：分接开关接触不良；

c：变压器套管的导电杆和导线的连接处接触不良；

(G)设定三个阀值δL_k1＝1％、δL_k2＝2％、δL_k3＝4％，分别将变压器绕组变形分为轻微、中度和严重三个等级，对不同等级的变形采取不同的监控策略调整：

a：

绕组无变形，返回(B)；

b：

绕组轻微变形，监控策略调整为缩短监控周期加强监督返回(B)；

c：

绕组中度变形，发出告警信号，监控策略调整为连续监控，在适当时机安排变压器退出运行进行维护检修，返回(B)；

d：

绕组严重变形，在线监测装置发出严重警告信号，马上停运变压器，并打印报告。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种变压器绕组状态在线监测装置，其特征在于：用于变压器绕组变形、绕组接触不良和分接头接触不良缺陷的在线监测，装置包括信息采集单元、参数辨识单元、参数处理单元和诊断监控策略调整单元，所述在线监测装置的检测方法，按照如下步骤：

(A)在线监测装置在上电启动之后，设定被保护变压器的铭牌参数：短路电压u_k％、短路损耗P_k、变压器额定容量S_b、变压器额定电压U_b、额定电流I_b，变压器额定变比n_B；根据铭牌参数计算变压器等值电阻r_k和漏电感L_k；

(B)信息采集单元实时采集变压器分接头调节信号以及变压器原边电压电流信号u_1j、i_1j，副边电压电流信号u_2j、i_2j，其中j为A、B、C三相；

(C)若满足定时启动、变压器分接头调节、电流有效值持续50个周波大于I_b、变压器停运后的再次投入、经历一次峰值大于3I_b的短路冲击电流五个条件中的任意一个，参数辨识单元启动；否则返回步骤(B)；

(D)若参数辨识单元启动，则以变压器等值回路方程为模型、利用正常运行时变压器电压电流瞬时值采取最小二乘方法实现变压器三相绕组等值电阻r_kj及等值电感L_kj的在线辨识；j为A、B、C三相；

(E)绕组参数在线辨识完毕，参数处理单元计算得到变压器三相绕组等值电阻及漏电感的偏差量

分别为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{r}_{\mathrm{kj}}^i=\frac{r_{\mathrm{kj}}^i-r_{\mathrm{kj}}^b}{r_{\mathrm{kj}}^b}\×100\%\\ \mathrm{\δ}{L}_{\mathrm{kj}}^i=\frac{L_{\mathrm{kj}}^i-L_{\mathrm{kj}}^b}{L_{\mathrm{kj}}^b}\×100\%\end{array}\right.---\left(1\right)$

式（1）中，

分别为第i次在线辨识得到的j相绕组等值电阻、漏电感值，

分别为j相绕组等值电阻、漏电感的基准值；

对于新投运的变压器，基准值可由变压器铭牌参数获取或采用首次参数辨识结果，对于已长期运行过的变压器，基准值的确定应参考变压器上次短路试验结果或重新投运后首次参数辨识结果；

(F)当大于阈值δL时，诊断出变压器绕组存在变形并根据

值发出不同等级告警信号；当大于阈值δr时，诊断出变压器存在接触不良缺陷并发出告警信号；无变形和接触不良缺陷时，返回步骤(B)；

(G)根据

计算值调整绕组状态监测策略，当

超过阈值时采用连续监测，当接近阈值时则改变定时启动时间缩短监测时间间隔。

2.使用如权利要求1所述在线监测装置进行检测的方法，其特征在于，所述步骤(G)是指：

设定三个阈值δL_k1=1%、δL_k2=2%、δL_k3=4%，

a：

绕组无变形，返回(B)；

b: $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;}{L}_{k1}\&le;\mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{kj}}^i<\mathrm{\&delta;}{L}_{k2}\\ \mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{kj}}^i\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{kj}}^{i-1}\end{array}\right.,$ 绕组轻微变形，监控策略调整为缩短监控周期加强监督返回(B)；

c: $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;}{L}_{k2}\&le;\mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{kj}}^i<\mathrm{\&delta;}{L}_{k3}\\ \mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{kj}}^i\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{kj}}^{i-1}\&GreaterEqual;\mathrm{\&delta;}{L}_{\mathrm{kj}}^{i-2}\end{array}\right.,$ 绕组中度变形，发出告警信号，监控策略调整为连续监控，在适当时机安排变压器退出运行进行维护检修，返回(B)；

d:

绕组严重变形，在线监测装置发出严重警告信号，马上停运变压器，并打印报告。

Images