CN103558482A - 一种变压器套管剩余寿命检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种变压器套管剩余寿命检测装置及方法，属于变压器绝缘技术领域。采集经过变压器套管的电流、变压器绝缘支撑的污秽度、变压器绝缘支撑所处环境的温度和湿度；预测变压器套管的寿命，将预测的使用寿命与实际的额定寿命进行比较，维修人员根据结果继续使用或进行维修。本发明首先对输入变量的筛选上，更接近实际工程的需要，能随时方便的提取需要的变量。其次在只运用神经网络的基础上，提出了神经网络和归一化相结合的算法，并对神经网络进行改进，能够更好的对使用寿命进行预测。利用上述方法，可以解决变压器套管易老化影响电力系统的安全运行的问题，通过对变压器套管的检测，方便检修人员及时及早发现问题，从而避免事故的发生。

Description

一种变压器套管剩余寿命检测装置及方法

技术领域

本发明属于变压器绝缘技术领域，特别涉及一种变压器套管剩余寿命检测装置及方法。

背景技术

长期以来，国内对电力变压器健康水平和运行状态好坏的判断主要是依靠定期检修的方式来实现的，经常出现“过修”和“欠修”情况，造成巨大人力、物力资源浪费，还降低了供电可靠性。因此，开展变压器状态检修，“应修必修”、“修必修好”是变压器检修发展的必然趋势。而如何做到防患于未然，正确把握变压器的运行状态、实施状态评估和进行有效的故障诊断是状态检修成功与否的关键。变压器的支撑对变压器的使用寿命起着不可忽视的作用，如何正确对支撑的绝缘性做出判断，在现在手段中还不完善。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种变压器套管剩余寿命检测装置及方法，以有效地解决对绝缘支撑的损坏程度的精确预测。

本发明的技术方案是这样实现的：一种变压器套管剩余寿命检测装置，包括：

传感器：用于采集经过变压器套管的电流、变压器绝缘支撑的污秽度、变压器绝缘支撑所处环境的温度和湿度；

数据采集芯片：用于将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，提供给中央处理器；

触发器：用于对中央处理器输出的信号进行二倍频，作为数据采集芯片的脉冲源信号；

中央处理器：用于根据数据采集芯片的输出信号，确定变压器套管剩余寿命；

通信模块：用于将中央处理器输出的数据传递给计算机；

计算机：用于接受通信模块的数据，对变压器套管剩余寿命与实际的额定寿命进行比较，提供继续使用或维修信息给维修人员。

传感器采集经过变压器套管的电流、变压器绝缘支撑的污秽度、变压器绝缘支撑所处环境的温度和湿度传递给数据采集芯片，数据采集芯片进行模数转换后传递给中央处理器，中央处理器计算变压器套管剩余寿命，并将结果传递给计算机。

所述的数据采集芯片的时钟脉冲由触发器提供。

在所述的传感器与中央处理器之间还设置有滤波电路，该滤波电路主要由电感、电容和放大器组成，放大器的正向输入端连接第二电感一端、第七电感一端，第七电感的另一端接电源，第二电感的另一端接地；放大器的反相输入端连接第一电感的一端和第五电感的一端，第一电感的另一端连接放大器的输出端，放大器的输出端连接第四电感的一端，第五电感的另一端连接第三电感的一端和第六电感的一端，第三电感的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接第四电感的另一端和中央处理器。

一种变压器套管剩余寿命检测方法，包括以下步骤：

步骤1：采集经过变压器套管的电流、变压器绝缘支撑的污秽度、变压器绝缘支撑所处环境的温度和湿度；

步骤2：预测变压器套管的寿命，具体为：

步骤2.1：对步骤1采集的数据进行归一化处理，使各数据具有相同的量纲，公式为：

$x_i=x_i\left(t\right)/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(t\right)---\left(1\right)$

式中，x_i表示第i个无量纲输入数据，x_i(t)表示t时刻采集的数据，i表示输入量的个数，且有i＝1，2，...，m，其中，m为正整数，t表示时间；

步骤2.2：建立神经网络模型，来预变压器套管的寿命，具体为：

(1)首先要建立三层神经网络模型，包括输入层，神经网络中间层和输出层；

输入层输入的数据为：变压器套管的污秽度，经过变压器套管的电流，变压器套管所处环境的温度和湿度；

输出层输出为：变压器套管的寿命；

(2)计算神经网络的权值和阈值，过程为：

A：确定中间层的输出，公式为：

$b_r=f(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ir}}{x}_i-{\mathrm{\θ}}_r)---\left(2\right)$

式中，r表示节点个数，且有r＝1，2，...n₂，n₂为正整数；w_ir为输入层的第i个节点与中间层的第r个节点的连接权值；θ_r为中间层的第r个节点的阈值；f(·)选用S型函数；

B：确定输出层节点的输出值，公式为：

式中，y为输出层的输出，即变压器绝缘支撑的寿命；为中间层的第r个节点与输出层的节点的连接权值；Θ₁为输出层的节点的阈值；f(·)选用S型函数；

C：输入历史数据，计算输出层节点输出y与期望输出值y′的输出层误差，公式为：

d₁＝y(1-y)(y′-y)  (4)

判断d₁是否为0，若为0，则结束；否则，执行D；

D：调整中间与输出层节点连接权值

及输出层节点阀值Θ₁，即

式中

Θ₁′分别为调整之后的权值和阈值；

E：在利用误差d₁求得中间层误差

再求得输入层和中间层的权值和阈值，公式如下：

w_ir＝w_ir+e_rx_i

θ_r′＝θ_r+e_r

式中，w_ir′，θ_r′分别为调整之后的权值和阈值；

返回C，直至输出y与期望值之间误差为0，停止；确定输入层与中间层之间的权值和阈值，中间层与输出层之间的权值和阈值；

步骤3：将步骤2预测的使用寿命与实际的额定寿命进行比较，维修人员根据结果继续使用或进行维修。

本发明的有益效果：本发明首先对输入变量的筛选上，更接近实际工程的需要，能随时方便的提取需要的变量。其次在只运用神经网络的基础上，提出了神经网络和归一化相结合的算法，并对神经网络进行改进，能够更好的对使用寿命进行预测。利用上述方法，可以解决变压器套管易老化影响电力系统的安全运行的问题，通过对变压器套管的检测，方便检修人员及时及早发现问题，从而避免事故的发生。

附图说明

图1为本发明实施方式变压器套管剩余寿命检测装置结构框图；

图2为本发明实施方式无线通信过程示意图；

图3为本发明实施方式变压器套管滤波电路图；

图4为本发明实施方式数据采集芯片与中央处理单元的电路原理图；

图5为本发明实施方式变压器套管剩余寿命预测方法流程图；

图6为本发明实施方式变压器套管剩余寿命神经网络图；

图7为本发明实施方式预测变压器套管剩余寿命曲线与实际剩余寿命曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

本实施方式给出变压器套管剩余寿命检测装置，包括有传感器、滤波电路、数据采集芯片、触发器、中央处理器、通信模块和计算机，其中，传感器主要由电流互感器、温湿度传感器和污秽监测仪组成。所述的电流互感器型号为LZJC-10Q1000/5型号，用于测量流经变压器套管上的电流。所述的温湿传感器型号为PCMini70，用于测量变压器套管所处环境的温度和湿度。所述的污秽监测仪的型号为SC-YHM，用于测量变压器套管的污秽度。其连接关系如图1所示。污秽监测仪经第一滤波电路连接数据采集芯片，电流互感器经第二滤波电路连接数据采集芯片，温湿度传感器经第三滤波电路连接数据采集芯片，数据采集芯片经中央处理器，再连接至计算机。

触发器连接在中央处理器与数据采集芯片之间，

本实施方式中的三个滤波电路结构均相同，如图3所示。滤波电路用于将传感器采集到的信号限定在ADC0809允许输入的范围内，并对信号进行滤波。滤波电路是一个以LM358为主要核心芯片组成的信号放大电路。在LM3581脚和2脚之间接入一个由C₁＝1uF的电容和R₃＝10K的电感组成的滤波电路，能有效的滤去杂波，增加信号的准确性。LM358的4脚接地，8脚接+5V工作电源。2脚接传感器的输出端，1脚接数据采集芯片的输入端。在信号输入前加入2个10K的限流电感。R1作为反馈电感接在2脚和1脚处，该电感的取值为1K。

中央处理器采用单片机芯片，如图4所示。单片机芯片为8051系列数字信号处理器，时钟频率是6MHz，接口电源为5V。数据采集芯片采用ADC0809，8通道16位数据采集芯片进行采样和模数转换，由±5V供电。由于ADC0809芯片内部没有时钟脉冲源，本实施方式在中央处理器与数据采集芯片之间连接触发器，利用单片机8051提供的地址锁存控制输入信号ALK经D触发器二分频后，将中央处理器产生的1MHZ的频率变成ADC0809可以使用的500khz的频率(单片机8051的ALK端以1/6的时钟振荡频率固定地输出正脉冲。因ADC0809的时钟频率有一定的范围10～1280kHz.故本实施方式取单片机的时钟频率为6MHz。ALK端输出的频率为1MHz，再经二分频后为500kHz。符合ADC0809对时钟的要求)，作为ADC0809的时钟输入。

本实施方式的数据采集芯片与触发器及单片机连接的电路原理图，如图4所示。污秽监测仪、温湿度传感器、电流传感器输出端经过滤波电路连接数据采集芯片ADC0809的IN-0端到IN-2端。变压器套管经由电流互感器、温湿度传感器和污秽监测仪进行同步采样、保持、A/D转换成数字信号，送入单片机进行分类的计算和数据处理，并通过无线通信模块输送到远方，以备工作人员检修；

通信模块选用KYL-500U。通过无线通讯的方式将结果通知维修人员，如图2所示。

本实施方式利用上述变压器套管剩余寿命检测装置对变压器套管的寿命进行预测的方法，如图5所示，包括如下步骤：

步骤1：采集变压器套管所在环境的温度和湿度，流经变压器套管上的电流，变压器套管烦人污秽，如表1所示：

表1为采集到的变压器套管信息

采集样本	采样值
		温度	22℃
湿度	45％rh
		电流	0.2A
污秽度	0.2mg/cm2

步骤2：预测变压器套管的寿命，具体为：

步骤2.1：对步骤1采集的数据进行归一化处理，使各数据具有相同的量纲，公式为：

$x_i=x_i\left(t\right)/\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(t\right)i=\mathrm{1,2},...,4,$

式中，x₁，x₂，x₃，x₄分别表示为温度、湿度、电流和污秽度；x₁(t)表示t时刻采集的温度。

步骤2.2建立神经网络模型，如图6所示，来预测变压器套管的寿命，具体为：

(1)首先要建立三层神经网络模型，包括输入层，神经网络中间层和输出层；

输入层输入的数据为：污秽度，电流，温度和湿度；

输出层输出为：变压器绝缘支撑的寿命；

(2)计算神经网络的权值和阈值，过程为：

A：确定中间层的输出，公式为：

$b_r=f(\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ir}}{x}_i-{\mathrm{\θ}}_r)$

式中，r＝1，2，...8，w_ir为输入层的第i个节点与中间层的第r个节点的连接权值；θ_r为中间层的第r个节点的阈值；分别随机选取w_ir和θ_r。

B：确定输出层节点的输出值，公式为：

式中，y为输出层的输出；

为中间层的第r个节点与输出层的节点的连接权值；Θ₁为输出层的节点的阈值；f(·)选用S型函数；分别随机选取

和Θ₁。

C：输入历史数据，计算输出层节点输出y与期望输出值y′的输出层误差，

输出层误差d₁＝y(1-y)(y′-y)，判断d₁是否为0，若为0，则结束；否则，执行D；

D：调整中间与输出层节点连接权值

及输出层节点阀值Θ₁，即

Θ₁′＝Θ₁+d₁

式中，Θ₁′分别为调整之后的权值和阈值。

E：在利用误差d₁求得中间层误差

在求得输入层和中间层的权值和阈值，即：

w_ir′＝w_ir+e_rx_i

θ_r′＝θ_r+e_r

式中，w_ir′，θ_r′分别为调整之后的权值和阈值。

返回C，直至输出y与期望值之间误差为0，停止；确定输入层与中间层之间的权值和阈值，中间层与输出层之间的权值和阈值。

步骤3：若步骤2预测的使用寿命与实际的额定寿命进行比较，以便维修人员根据判断是继续使用或进行维修。

本实施方式得到的结果如图7所示，由图7可知预测剩余寿命指数与实际剩余寿命指数曲线，预测误差在±8％以内。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种变压器套管剩余寿命检测装置，其特征在于：

包括：传感器：用于采集经过变压器套管的电流、变压器绝缘支撑的污秽度、变压器绝缘支撑所处环境的温度和湿度；

数据采集芯片：用于将传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，提供给中央处理器；

触发器：用于对中央处理器输出的信号进行二倍频，作为数据采集芯片的脉冲源信号；

中央处理器：用于根据数据采集芯片的输出信号，确定变压器套管剩余寿命；

通信模块：用于将中央处理器输出的数据传递给计算机；

计算机：用于接受通信模块的数据，对变压器套管剩余寿命与实际的额定寿命进行比较，提供继续使用或维修信息给维修人员。

2.根据权利要求1所述的变压器套管剩余寿命检测装置，其特征在于：

所述的传感器采集经过变压器套管的电流、变压器绝缘支撑的污秽度、变压器绝缘支撑所处环境的温度和湿度传递给数据采集芯片，数据采集芯片进行模数转换后传递给中央处理器，中央处理器计算变压器套管剩余寿命，并将结果传递给计算机。

3.根据权利要求1所述的变压器套管剩余寿命检测装置，其特征在于：所述的数据采集芯片的时钟脉冲由触发器提供。

4.根据权利要求1所述的变压器套管剩余寿命检测装置，其特征在于：在所述的传感器与中央处理器之间还设置有滤波电路，该滤波电路主要由电感、电容和放大器组成，放大器的正向输入端连接第二电感一端、第七电感一端，第七电感的另一端接电源，第二电感的另一端接地；放大器的反相输入端连接第一电感的一端和第五电感的一端，第一电感的另一端连接放大器的输出端，放大器的输出端连接第四电感的一端，第五电感的另一端连接第三电感的一端和第六电感的一端，第三电感的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接第四电感的另一端和中央处理器。

5.一种变压器套管剩余寿命检测方法，采用变压器套管剩余寿命检测装置实现，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采集经过变压器套管的电流、变压器绝缘支撑的污秽度、变压器绝缘支撑所处环境的温度和湿度；

步骤2：预测变压器套管的寿命，具体为：

步骤2.1：对步骤1采集的数据进行归一化处理，使各数据具有相同的量纲，公式为：

$x_i=x_i\left(t\right)/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(t\right)---\left(1\right)$

式中，x_i表示第i个无量纲输入数据，x_i(t)表示t时刻采集的数据，i表示输入量的个数，且有i＝1，2，...，m，其中，m为正整数，t表示时间；

步骤2.2：建立神经网络模型，来预变压器套管的寿命，具体为：

(1)首先要建立三层神经网络模型，包括输入层，神经网络中间层和输出层；

输入层输入的数据为：变压器套管的污秽度，经过变压器套管的电流，变压器套管所处环境的温度和湿度；

输出层输出为：变压器套管的寿命；

(2)计算神经网络的权值和阈值，过程为：

A：确定中间层的输出，公式为：

$b_r=f(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{ir}}{x}_i-{\mathrm{\θ}}_r)---\left(2\right)$

式中，r表示节点个数，且有r＝1，2，...n₂，n₂为正整数；w_ir为输入层的第i个节点与中间层的第r个节点的连接权值；θ_r为中间层的第r个节点的阈值；f(·)选用S型函数；

B：确定输出层节点的输出值，公式为：

式中，y为输出层的输出，即变压器绝缘支撑的寿命；

为中间层的第r个节点与输出层的节点的连接权值；Θ₁为输出层的节点的阈值；f(·)选用S型函数；

C：输入历史数据，计算输出层节点输出y与期望输出值y′的输出层误差，公式为：

d₁＝y(1-y)(y′-y)   (4)

判断d₁是否为0，若为0，则结束；否则，执行D；

D：调整中间与输出层节点连接权值

及输出层节点阀值Θ₁，即

式中

Θ₁′分别为调整之后的权值和阈值；

E：在利用误差d₁求得中间层误差

再求得输入层和中间层的权值和阈值，公式如下：

w_ir＝w_ir+e_rx_i

θ_r′＝θ_r+e_r

式中，w_ir′，θ_r′分别为调整之后的权值和阈值；

返回C，直至输出y与期望值之间误差为0，停止；确定输入层与中间层之间的权值和阈值，中间层与输出层之间的权值和阈值；

步骤3：将步骤2预测的使用寿命与实际的额定寿命进行比较，维修人员根据结果继续使用或进行维修。

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