CN103399255B - 一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法 - Google Patents

Abstract

一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法，包括采用伪随机序列中的M序列作为信号源，对绕组系统激励后，用双通道数字采集设备采集输入、输出信号，根据输入、输出信号计算得到绕组系统的脉冲响应传递函数，然后经过对输入、输出信号的相关函数计算，得到绕组系统的脉冲响应，然后根据衍生参数和频响曲线来描述绕组状态，判断变压器绕组是否发生变形。本发明的测试方法对检测变压器绕组的幅频响应曲线对比，具有一致性。且本发明能直接得到绕组的脉冲响应传递函数、具有测量时间短等特点，另外本发明可以根据传递函数的具体参数如，极点、零点等变化来判断变压器绕组的状态，克服了现有技术中技术人员易误判的问题。

Description

一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法

技术领域

本发明属于高电压技术领域，具体涉及一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法。

背景技术

随着电网的不断增长，系统中短路电流、短路容量加大，在运的电力变压器、电抗器等设备发生短路类型的故障所经受的情况时有发生，它们的绕组也必将更加容易遇到变形等故障，绕组状态即绕组与正常状态下是否发生变形，它是变压器运行状态的一个基本标志。在现有的变压器绕组检测方法有，短路阻抗法、低压脉冲法、频率响应法等，其中短路阻抗法相对操作简单，有成型设备用于现场，但可应用范围窄，灵敏度欠佳。低压脉冲法反应灵敏，准确度高，但在现场使用时抗干扰能力不足，重复性不好，且还没有形成国家标准和广泛应用的设备。频率响应法相对低压脉冲法的灵敏度有所降低，但稳定性好，可重复性高，国内外也依据频率响应法的原理生产了多种型号的专门测试仪器可供变压器运行和生产单位选购使用，目前频率响应法被认为是最可靠的绕组变形测试技术。

然而频率响应法（FRA法）在使用时依然存在问题：1）FRA测试系统的信号源在单频输出时，一般连续输出多个周波，并用中间部分激励和响应信号来分析；然后在下一个频点上测试分析；这导致一次FRA法的测量时间长，这样不利于数据的快速处理。2）分析及诊断技术需要大量的历史频率响应图形。当两条幅值有较大差别而曲线形状很近似的频响曲线，依据相关系数进行判定时很容易产生错判，除此之外，有些工程技术人员面对频率响应法获得的数据可以依靠自身的经验提高判断的可靠性，但依靠专业人员的经验判断缺点显而易见，此法对于人员要求很高，若无丰富现场经验很难做出判断，而不同的技术人员的判断会存在差异，确定是否变形难于设定统一标准。对部分频段及全频段进行分析，用相关系数和均方差值作为检测变压器绕组变形的特征量。占用的存储空间大。而且对有微小局部差异的图形数据，可得出相同的特征量值和判断，若这微小局部差异反应绕组状况和趋势，则可能造成误判和错判，也即是说，基于图形的分析技术较不敏感。因此，提出一种新的能够更加快速准确的绕组变形检测技术是有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法，其具有测量时间短，易于准确判断电力变压器绕组状态的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明包括以下步骤：

1）采用伪随机序列中的M序列作为信号源，对绕组系统激励后，用双通道数字采集设备采集输入、输出信号；

2）根据输入、输出信号计算得到绕组系统的脉冲响应传递函数；

3）根据绕组系统的脉冲响应传递函数以及脉冲响应传递函数的衍生参数来描述绕组状态，进而判断变压器绕组是否发生变形。

所述步骤1）中M序列的时钟频率为500kHz到6MHz，级数为7阶到13阶。

所述步骤2）中脉冲响应传递函数通过以下过程计算得到：根据维纳-霍夫积分方程，通过输入信号的自相关函数、输入与输出函数的互相关函数计算，得到脉冲响应采样瞬时的信息序列，进而得到脉冲响应传递函数。

所述步骤2）中脉冲响应传递函数G(s)表示为：

$G\left(s\right)=\frac{c_1}{s-s_1}+\frac{c_2}{s-s_2}+...+\frac{c_n}{s-s_n}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{c_i}{s-s_1}---\left(4\right)$

式中，s₁,s₂,…s_n和c₁,c₂,…,c_n为待求的2n个未知数。

所述步骤3）中衍生参数为零极点和脉冲响应传递函数系数。

相对于现有技术，本发明具有的有益效果：本发明由于采用伪随机序列中的M序列作为信号源，检测电力变压器、电抗器等绕组类设备的状态，能够直接得到系统脉冲响应传递函数，并利用它以及它的衍生参数和图形来描述绕组状态，可判断是否发生变形，同时可根据脉冲响应传递函数包含的零极点可得到脉冲响应传递函数的频响曲线辅助判断，能更全面可靠地反映测量对象的真实信息，具有测量时间短，易于准确判断电力变压器绕组状态的特点。

附图说明

图1为本发明M序列发生装置框图；

图2为本发明测试注入的M序列波形；

图3为本发明采集输入、输出信号；图3（a）为输入信号，图3（b）为输出信号；

图4为绕组信号注入-检测的接线方式；

图5为单绕组M序列注入信号测试接线图；

图6为铁芯单柱上的双绕组M序列注入信号测试接线图；

图7为本发明测试绕组得到的幅频响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括以下步骤：

1）变压器的绕组看作一类待辨识对象，通过运用系统辨识理论中的方法，采用伪随机序列中的M序列作为信号源（如图2所示），其中，M序列的时钟频率为500kHz到6MHz，级数为7阶到13阶；对绕组系统激励后，用双通道数字采集设备采集输入、输出信号；

2）根据输入、输出信号计算得到系统的脉冲响应传递函数。

具体过程如下：

在绕组系统的输入端，输入由伪随机序列发生装置产生的M序列信号x(k)（如图3（a）所示），在输出端利用双通道数字采集设备采集输出信号y(k)（如图3（b）所示）；根据维纳-霍夫积分方程，脉冲响应采样瞬时的信息序列g(nT)，通过输入信号的自相关函数、输入与输出函数的互相关函数计算得到。

设产生M序列的时钟脉冲间隔为Δ，可得到离散的维纳-霍夫方程：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δg}\left(\mathrm{k\Δ}\right)R_x(\mathrm{\μ\Δ}-\mathrm{k\Δ})---(2-7)$

此时，有：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{xy}}=\mathrm{Rg\Δ}\\ g=\frac{1}{\mathrm{\Δ}}{R}^{-1}{R}_{\mathrm{xy}}\end{array}\right.---(2-8)$

式中：

R_xyT是输入与输出的互相关函数

$R=\left[\begin{array}{cccccc}{R}_x\left(0\right)& R_x(-1)& .& .& .& R_x(-N+1)\\ R_1\left(1\right)& R_x\left(0\right)& .& .& .& R_x(-N+2)\\ .& .& & & & .\\ .& .& & & & .\\ .& .& & & & .\\ R_x(N-1)& R_x(N-2)& .& .& .& R_x\left(0\right)\end{array}\right]$

$g=\left[\begin{array}{c}g\left(0\right)\\ g\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ g(N-1)\end{array}\right],$ $R_{\mathrm{xy}}=\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{xy}}\left(0\right)\\ R_{\mathrm{xy}}\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ R_{\mathrm{xy}}(N-1)\end{array}\right],$

由于M序列是二位式序列，计算R^-1很容易，它的自相关函数为：

$R_x\left(k\right)=\left\{\begin{array}{c}{a}^2,k=0\\ -\frac{a^2}{N},1\≤k\≤N-1\end{array}\right.---(2-9)$

可以得到脉冲响应函数g：

$g=\frac{1}{a^{2}r(N+1)\mathrm{\Δ}}\left[\begin{array}{cccccc}2& 1& .& .& .& 1\\ 1& 2& .& .& .& 1\\ .& & & & & .\\ .& & & & & .\\ .& & & & & .\\ 1& 1& .& .& .& 2\end{array}\right]\mathrm{XY}---(2-10)$

式中：

$Y=\left[\begin{array}{c}y\left(0\right)\\ y\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ y(\mathrm{rN}-1)\end{array}\right]$

$R_{\mathrm{xy}}=\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{xy}}\left(0\right)\\ R_{\mathrm{xy}}\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ R_{\mathrm{xy}}(N-1)\end{array}\right]$

$X=\left[\begin{array}{cccccc}x\left(0\right)& x\left(1\right)& .& .& .& x(\mathrm{rN}-1)\\ x(-1)& x\left(0\right)& .& .& .& x(\mathrm{rN}-2)\\ .& .& & & & .\\ .& .& & & & .\\ .& .& & & & .\\ x(-N+1)& x(-N+2)& & & & x(\mathrm{rN}-N)\end{array}\right]$

变压器绕组系统可以用差分方程表示为：

g(t₀)+a₁g(t₀+Δ)+"+a_ng(t₀+nΔ)=0（3）

将时间依次延迟Δ，可写出n个方程，联立求解它们，可得差分方程的n个系数，得到变压器绕组系统的差分方程。

对一个线性定常系统，若脉冲响应传递函数G(s)的特征方程的根为s₁,s₂,…,s_n，则其脉冲响应传递函数G(s)可表示为：

$G\left(s\right)=\frac{c_1}{s-s_1}+\frac{c_2}{s-s_2}+...+\frac{c_n}{s-s_n}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{c_i}{s-s_1}---\left(4\right)$

式中，s₁,s₂,…,s_n和c₁,c₂,…,c_n为待求的2n个未知数。

对G(s)进行拉普拉斯反变换，可得系统的脉冲响应函数g(t)：

$g\left(t\right)=c_1{e^{s_1}}^t+c_2{e^{s_2}}^t+...+c_n{e^{s_n}}^t---\left(5\right)$

联立t+Δ,t+2Δ,…,t+nΔ时刻的脉冲响应函数和公式（3），经过计算即可得到系统的脉冲响应传递函数G(s)。

3）从而，辨识出系统的数学模型，并利用脉冲响应传递函数G(s)以及它的衍生参数和图形来描述绕组状态，进而判断绕组是否发生变形；其中，衍生参数为零极点和脉冲响应传递函数系数。

参见图4所示，在绕组系统中，由于取中性点电流作为响应信号的接线方式易于检测绕组变形，本发明采用如图4所示的接线方式，向电力变压器高压侧绕组注入测试源信号即M序列信号，低压侧绕组采集信号。

为准确测量绕组变形，对测试输入信号有严格要求，因此本发明同时基于反馈移位寄存及异或计算的原理提出了一种伪随机序列发生装置，该装置包含提供M序列、隔离驱动、电压输出部分，工作时由伪随机序列源产生M序列，产生的M序列经高速光电耦合的电气隔离、MOS对管驱动电路和MOS对管电压输出部分，提供M序列信号源。

参见图1所示，绕组M序列注入信号测试接线：由伪随机序列源产生M序列，产生的M序列经高速光电耦合的电气隔离、MOS对管驱动电路和MOS对管电压输出部分，注入待测绕组，然后利用双通道数字采集设备，同时采集输入、输出信号，然后计算、判别。

参见图5和图6所示，本发明中实验接线既可以采用单绕组M序列注入信号测试接线，也可以采用铁芯单柱上的双绕组M序列注入信号测试接线。

参见图7，本发明可根据脉冲响应传递函数包含的零极点得到脉冲响应传递函数的频响曲线，利用此频响曲线可进行辅助判断，能更全面可靠地反映测量对象的真实信息。

Claims (5)

1.一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用伪随机序列中的M序列作为信号源，对绕组系统激励后，用双通道数字采集设备采集输入、输出信号；

2)根据输入、输出信号计算得到绕组系统的脉冲响应传递函数G(s)；

3)根据绕组系统的脉冲响应传递函数G(s)以及脉冲响应传递函数G(s)的衍生参数来描述绕组状态，进而判断变压器绕组是否发生变形。

2.根据权利要求1所述的一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法，其特征在于，所述步骤1)中M序列的时钟频率为500kHz到6MHz，级数为7阶到13阶。

3.根据权利要求1所述的一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法，其特征在于，所述步骤2)中脉冲响应传递函数G(s)通过以下过程计算得到：根据维纳-霍夫积分方程，通过输入信号的自相关函数、输入与输出函数的互相关函数计算，得到脉冲响应采样瞬时的信息序列，进而得到脉冲响应传递函数G(s)。

4.根据权利要求1所述的一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法，其特征在于，所述步骤2)中脉冲响应传递函数G(s)表示为：

$G\left(s\right)=\frac{c_1}{s-s_1}+\frac{c_2}{s-s_2}+...+\frac{c_n}{s-s_n}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{c_i}{s-s_i}---\left(4\right)$

式中，s₁,s₂,…,s_n和c₁,c₂,…,c_n为待求的2n个未知数。

5.根据权利要求1所述的一种用伪随机序列辨识电力变压器绕组状态的方法，其特征在于，所述步骤3)中衍生参数为零极点和脉冲响应传递函数G(s)系数。