CN103713217B - 一种直流偏磁条件下电力变压器运行状态的在线监测方法 - Google Patents

一种直流偏磁条件下电力变压器运行状态的在线监测方法 Download PDF

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上海交通大学
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Abstract

本发明公开了一种直流偏磁条件下电力变压器运行状态的在线监测方法,包括下列步骤:采集变压器箱壁的振动信号、变压器三相电压信号、变压器三相电流信号和中性点直流电流;基于K‑means聚类分析法建立变压器振动聚类模型;将测得的变压器箱壁振动信号100Hz分量的幅值与变压器振动聚类模型的输出量进行比较,若二者的相对误差小于一阈值,则判断变压器运行状态正常;若二者的相对误差大于等于该阈值,则判断变压器运行状态异常。该方法能有效地、高灵敏度地在线监测出直流偏磁条件下变压器的运行状态,从而可及时采取有效的变压器直流偏磁有效措施或检修变压器,避免大的故障的发生。

Description

一种直流偏磁条件下电力变压器运行状态的在线监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种信号检测方法,尤其涉及一种直流偏磁条件下电力变压器运行状 态的在线监测方法。
背景技术
[0002] 在国家“西电东送、南北互供”的战略方针下,高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)以其输送容量大、输送距离远等优势在我国西电东送的远距离电能 输送中发挥了十分重要的作用,得到了广泛的应用。
[0003] 直流输电系统的运行方式主要有单极、双极和同极三种,我国直流输电系统大部 分是双极中性点接地方式的系统。但当高压直流输电采用单极大地回路运行方式或双极不 平衡运行方式时,会有高达几千安培的电流从直流接地极注入大地,进而引起变电站接地 网地电位的变化。若两个变电站接地网之间存在电位差,会有直流电流经变压器中性点、变 压器绕组及输电线路的回路流通,发生变压器直流偏磁现象。此外,地磁暴发生时,与工频 电流相比,若将变化频率在〇· OOlHz-O. IHz之间的地磁感应电流(Geomagnetically Induced Current,GIC)视为准直流,也会发生变压器直流偏磁现象。直流偏磁时,变压器铁 芯出现半周饱和,励磁电流发生畸变,漏磁增加,振动加剧和噪声增大,引起绕组温升超过 限值,金属结构件和油箱发生局部过热现象。局部过热将使绝缘老化并使变压器油分解,影 响变压器的寿命,对变压器的正常运行产生严重影响。此外,直流偏磁使得变压器成了电力 系统中的谐波源,不仅增加了变压器的无功消耗,而且可能引起保护继电器误动作,所以如 何在直流偏磁条件下准确地对变压器的工作状态进行监测是电力输送的关键环节。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种直流偏磁条件下电力变压器运行状态的在线监测方法, 能够实现变压器的工作状态的高效、准确判断,保障电力变压器的安全稳定运行。
[0005] 本发明采用下述技术方案:
[0006] —种直流偏磁条件下电力变压器运行状态的在线监测方法,包括一种直流偏磁条 件下电力变压器运行状态的在线监测方法,包括以下几个步骤:
[0007] (1):通过将振动传感器设置在变压器的箱壁上,实时采集变压器箱壁的振动信 号;通过电压互感器和电流互感器分别采集变压器的三相电压信号和三相电流信号;通过 直流电流互感器采集变压器中性点的直流电流;
[0008] (2):将步骤(1)中采集到的振动信号进行抗混迭数字滤波和高速缓存,然后与电 压互感器、电流互感器和直流电流互感器分别采集到的变压器的三相电压信号、三相电流 信号和中性点直流电流一起通过高速总线传输至数据分析模块;
[0009] (3):数据分析模块对接收到的信号数据通过K-means聚类分析法建立变压器振动 聚类模型;
[0010] ⑷:在采集的变压器箱壁上的振动信号中选取与变压器振动聚类模型的输出量Y 时间相对应的振动信号,对此振动信号进行傅里叶变换,得到该振动信号的IOOHz (Z轴)分 量的幅值Y’;
[0011] (5):将Y’与变压器振动聚类模型的输出量Y进行比较,若二者的相对误差小于 15%,则判断变压器运行状态正常;若二者的相对误差大于等于15%,则判断变压器运行状 态异常。
[0012] 所述的通过K-means聚类分析法建立变压器振动聚类模型具体包括以下几个步 骤:
[0013] 3a:通过下列公式对中性点电流为某一定值时的振动信号、三相电压信号和三相 电流信号分别进行归一化处理:
[0014]
Figure CN103713217BD00051
[0015] 式中,X (t)、u⑴和i⑴分别为振动信号、三相电压信号和三相电流信号;χη_ (t)、U_n⑴和i_n⑴为归一化后的振动信号、三相电压信号和三相电流信号;Xmax⑴为振 动信号的最大值;Umax (t)和Umin (t)分别为三相电压信号的最大值和最小值;imax (t)和imin (t)分别为三相电流信号的最大值和最小值;
[0016] 3b:在归一化后的三相电压信号、三相电流信号和振动信号100Hz (Z轴)分量构成 的三维空间中任选Kc1个振动信号作为初始聚类中心,Kc1个类集的初始聚类中心在三维空 间的位置分别为Xo (i,j,k),其中I〈i,j,kSN,此处N为三相电压信号或三相电流信号的长 度;计算其余振动信号与这Kq个振动信号的欧氏距离,按照距离最近的原则将其余振动信 号归入到这Kc1个类集中;
[0017] 3c:计算Kc1个类集中所有振动信号的平均中心位置,作为Kc1个类集的在三维空间 的新的聚类中心,记新的聚类中心为X’ 0 (i,j,k),其中l〈i,j,k彡N;
[0018] 3d:利用下述公式计算新聚类的中心X’Q(i,j,k)相对于原有聚类中心X〇(i,j,k)的 偏移比例BP (Bias Proportion),当偏移比例BP小于1 %时,可认为类集的位置中心X’Q(i, j,k)是稳定的;当偏移比例BP大于1%时,可认为类集的位置中心X’Q(i,j,k)是不稳定的, 重复步骤3a、步骤3b和步骤3c,直至得到Kq个稳定的新的聚类中心位置;偏移比例BP的计算 公式为:
[0019]
Figure CN103713217BD00052
[0020] 3e:根据确定的Kc1个新的聚类中心X’(i,j,k),重新计算其余振动信号相对于Kc1 个类集的聚类中心X’〇(i J,k)的欧氏距离,按照距离最近的原则将其余振动信号归入到这 Kci个聚类中;
[0021] 3f:计算每个聚类的总体距离;
[0022] 3g:令Kc = Kq+1,重复步骤3a〜步骤3f,得到Kc个聚类的总体距离,记为J’(C);计 算总体距离的减小速率(Decreasing Rate,DRKc),当减小速率小于5%时,可认为总体距离 的减小速率基本稳定,此时即为所求的聚类中心的数目,X’〇(i,j,k)即为Kc个聚类中心的位 置坐标,其中l〈i J,k〈Kc;否则重复步骤3a〜步骤3f,直至总体距离的减小速率基本稳定, 此时对应的Kc即为所求的聚类中心的数目;所述的减小速率的计算公式为:
Figure CN103713217BD00061
[0023] 所述的步骤3f计算每个聚类的总体距离具体包括以下两个步骤:
[0024] 3fl:利用公式’
Figure CN103713217BD00062
分别计算 Kq个类集的聚类中心与属于该聚类的各个振动信号的距离;
[0025] 3f2:将每个聚类中心与属于该类集的振动信号的距离累加,得到该聚类的总体距 离,其计算公式为:
[0026]
Figure CN103713217BD00063
[0027] 本发明通过对变压器箱壁的振动以及中性点电流、电压、电流和振动信号的实时 监控,直接判断变压器的工作状态,进而采取有效的变压器直流偏磁抑制措施,并根据异常 情况对变压器进行及时地检修,大大降低了变压器的故障损坏率。该判断方法高效、准确, 且易于实施,便于操作人员及时发现直流偏磁条件下变压器的异常运行状态。
附图说明
[0028] 图1为本发明显示了本技术方案的实施例中变压器的实测电压、电流和振动信号;
[0029] 图2为本发明实施例一段时间内的变压器振动信号实测结果与变压器振动聚类计 算结果及其相对误差曲线图;
[0030] 图3为本发明实施例一段时间内的变压器振动信号实测结果与变压器振动聚类计 算结果及其绝对误差差值的曲线图;
[0031] 图4为本发明的流程图。
具体实施方式
[0032] 如图4所示,一种直流偏磁条件下电力变压器运行状态的在线监测方法,包括以下 几个步骤:下述步骤按照对一台220kV电力变压器直流偏磁时的运行状态进行监测诊断举 例说明:
[0033] (1):通过将振动传感器设置在变压器的箱壁上,实时采集变压器箱壁的振动信 号;通过电压互感器和电流互感器分别采集变压器的三相电压信号和三相电流信号;通过 直流电流互感器采集变压器中性点的直流电流;
[0034] (2):将步骤(1)中采集到的振动信号进行抗混迭数字滤波和高速缓存,然后与电 压互感器、电流互感器和直流电流互感器分别采集到的变压器的三相电压信号、三相电流 信号和中性点直流电流一起通过高速总线传输至数据分析模块;
[0035] (3):数据分析模块对接收到的信号数据通过K-means聚类分析法建立变压器振动 聚类模型:所述的通过K-means聚类分析法建立变压器振动聚类模型具体包括以下几个步 骤:
[0036] 3a:通过下列公式对中性点电流为5A时的振动信号、三相电压信号和三相电流信 号分别进行归一化处理:
[0037]
Figure CN103713217BD00071
[0038] 式中,X (t)、u(t)和i (t)分别为振动信号、三相电压信号和三相电流信号;Xncirm (t)、U_n⑴和i_n⑴为归一化后的振动信号、三相电压信号和三相电流信号;Xmax⑴为振 动信号的最大值;Umax (t)和Umin (t)分别为三相电压信号的最大值和最小值;imax (t)和imin (t)分别为三相电流信号的最大值和最小值;
[0039] 3b:在归一化后的三相电压信号、三相电流信号和振动信号100Hz (Z轴)分量构成 的三维空间中任选Kclf振动信号作为初始聚类中心,此处Kc1 = HLKc1个初始聚类的类集 的聚类中心在三维空间的位置分别为Xo(i,j,k),其中l〈i,j,
Figure CN103713217BD00072
此处N为三相电压信号 或三相电流信号的长度,有N=1440。计算其余振动信号与这Kci个振动信号的欧氏距离,按 照距离最近的原则将其余振动信号归入到这Kci个类集中;欧氏距离是求得两点距离的常用 值数学方法,其是本领域内的普通技术人员均所熟知的,故本文在此不再进行列式表达。
[0040] 3c:计算Kc1个类集中所有振动信号的平均中心位置,作为Kc1个类集的在三维空间 的新的聚类中心,记新的聚类中心为X’Q(i,j,k),其中l〈i,j,
Figure CN103713217BD00073
[0041] 3d:利用下述公式计算新聚类的中心X’o (i,j,k)相对于原有聚类中心Xo (i,j,k)的 偏移比例BP (Bias Proportion),当偏移比例BP小于1 %时,可认为类集的位置中心X’Q(i, j,k)是稳定的;当偏移比例BP大于1%时,可认为类集的位置中心X’Q(i,j,k)是不稳定的, 重复步骤3a、步骤3b和步骤3c,直至得到Kq个稳定的新的聚类中心位置;偏移比例BP的计算 公式为:
[0042]
Figure CN103713217BD00074
[0043] 3e:根据确定的Kc1个新的聚类中心X’(i,j,k),重新计算其余振动信号相对于Kc1 个类集的聚类中心X’〇(i J,k)的欧氏距离,按照距离最近的原则将其余振动信号归入到这 Kci个聚类中;
[0044] 3f:计算每个聚类的总体距离;所述的步骤3f计算每个聚类的总体距离具体包括 以下两个步骤:
[0045] 所述的步骤3f计算每个聚类的总体距离具体包括以下两个步骤:
[0046] 3fl:利用公式
Figure CN103713217BD00075
分别计算 Kq个类集的聚类中心与属于该聚类的各个振动信号的距离;
[0047] 3f2:将每个聚类中心与属于该类集的振动信号的距离累加,得到该聚类的总体距 离,其计算公式为
Figure CN103713217BD00076
[0048] 3g:令Kc = Kq+1,重复步骤3a〜步骤3f,得到Kc个聚类的总体距离,记为J’(C);计 算总体距离的减小速率(Decreasing Rate,DR),当减小速率小于5%时,可认为总体距离的 减小速率基本稳定,此时Kc即为所求的聚类中心的数目,为以=72<^’()(^1〇即为Kc个聚 类中心的位置坐标。否则重复步骤3a〜步骤3f,直至总体距离的减小速率基本稳定,此时对 应的Kc即为所求的聚类中心的数目;所述的减小速率的计算公式为:
[0049]
Figure CN103713217BD00081
[0050] (4):在采集的变压器箱壁的振动信号中选取与变压器振动聚类模型的输出量Y时 间相对应的振动信号,对此振动信号进行傅里叶变换,得到该振动信号的100Hz (Z轴)分量 的幅值Y’,X,Y轴分别为电压和电流;其是本领域内的普通技术人员均所熟知的,故本文在 此不再进行列式表达;
[0051] (5):将Υ’与变压器振动聚类模型的输出量Y进行比较,若二者的相对误差小于 15%,则判断变压器运行状态正常;若二者的相对误差大于等于15%,则判断变压器运行状 态异常。此时需要及时进行处理,采取有效的变压器直流偏磁抑制措施,避免形成重大故 障。
[0052] 本实施例中根据K-means聚类算法得到的振动聚类中心分布如图1所示。图中,X轴 为归一化后的三相电压信号,y轴为归一化后的三相电流信号。图2和图3显示了本实施例中 根据上述方法得到的一段时间内的变压器振动信号实测结果与变压器振动聚类计算结果 及其相对误差曲线,从图3中可以看出,相对误差均小于10%,说明此时变压器绕组处于正 常状态。
[0053] 变压器是电力系统中最重要的设备之一,其运行的稳定性对电力系统安全影响重 大。对运行中的变压器来说,其本体振动主要由铁芯振动和绕组振动组成。铁芯振动主要由 硅钢片磁滞伸缩及硅钢片间的电磁力引起,与变压器的工作电压关系密切。变压器绕组在 漏磁场及电流的相互作用下,将会受到随着电流及磁场强度的脉动而变化的电动力的作 用,使绕组产生振动,即绕组振动与绕组电流密切相关。变压器本体机械特性的改变如绕组 松动和变形、绕组崩塌、铁芯松动、铁芯歪曲或变形等故障都可以从其振动特性表现出现。 发生直流偏磁现象时,励磁电流的畸变及漏磁的增加会改变变压器绕组和铁芯的振动特 性,且其振动特性随外加直流分量的不同即变压器直流偏磁程度的不同而变化,因此,通过 监测变压器箱壁表面的振动信号可有效地分析直流偏磁时变压器振动特性及绕组和铁芯 状态的变化情况;只要绕组和铁芯的机械特性发生变化,都可以从它的振动特性及振动信 号变化上得到反映,不仅大大提高了检测的灵敏度,而且可及时发现不同直流分量对变压 器的影响程度,进而采取有效的变压器直流偏磁抑制措施,确保其安全可靠运行。此外,将 振动传感器置于箱壁上的振动检测与整个强电系统没有直接的连接,对于整个电气系统的 正常运行没有任何影响,因此,可发展成为一种较准确、便捷、安全的在线监测方法。
[0054] 以上列举的仅为本发明的具体实施例,显然本发明不限于以上实施例。本领域的 技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的方法变形,均应属于本发明的保护 范围。

Claims (2)

  1. I. 一种直流偏磁条件下电力变压器运行状态的在线监测方法,其特征在于:包括以下 几个步骤: (1) :通过将振动传感器设置在变压器的箱壁上,实时采集变压器箱壁的振动信号;通 过电压互感器和电流互感器分别采集变压器的三相电压信号和三相电流信号;通过直流电 流互感器采集变压器中性点的直流电流; (2) :将步骤(1)中采集到的振动信号进行抗混迭数字滤波和高速缓存,然后与电压互 感器、电流互感器和直流电流互感器分别采集到的变压器的三相电压信号、三相电流信号 和中性点直流电流一起通过高速总线传输至数据分析模块; (3) :数据分析模块对接收到的信号数据通过K-means聚类分析法建立变压器振动聚类 丰旲型; 所述的通过K-means聚类分析法建立变压器振动聚类模型具体包括以下几个步骤: 3a:通过下列公式对中性点电流为某一定值时的振动信号、三相电压信号和三相电流 信号分别进行归一化处理:
    Figure CN103713217BC00021
    式中,x(t)、u(t)和i (t)分别为振动信号、三相电压信号和三相电流信号;xn_(t)、un_ (t)和inorm (t)为归一化后的振动信号、三相电压信号和三相电流信号;Xmax (t)为振动信号 的最大值;Umax⑴和Umin⑴分别为三相电压信号的最大值和最小值;imM⑴和imin (t)分别 为三相电流信号的最大值和最小值; 3b:在归一化后的三相电压信号、三相电流信号和振动信号IOOHz在Z轴分量构成的三 维空间中任选Kc1个振动信号作为初始聚类中心,Kclf类集的初始聚类中心在三维空间的 位置分别为X〇(i,j,k),其中
    Figure CN103713217BC00022
    ,此处N为三相电压信号或三相电流信号的长度; 计算其余振动信号与这Kq个振动信号的欧氏距离,按照距离最近的原则将其余振动信号归 入到这Kci个类集中; 3c:计算Kc1个类集中所有振动信号的平均中心位置,作为Kc1个类集的在三维空间的新 的聚类中心,记新的聚类中心为X’ 〇 (i,j,k),其中
    Figure CN103713217BC00023
    3d:利用下述公式计算新的聚类中心X’o(i,j,k)相对于原有聚类中心Xo(i,j,k)的偏移 比例BP (Bias Proportion),当偏移比例BP小于1 %时,可认为类集的位置中心X’ο (i,j,k) 是稳定的;当偏移比例BP大于1%时,可认为类集的位置中心X’o(i,j,k)是不稳定的,重复 步骤3a、步骤3b和步骤3c,直至得到Kq个稳定的新的聚类中心位置;偏移比例BP的计算公式 为:
    Figure CN103713217BC00024
    3e:根据确定的Kci个新的聚类中心X’o(i,j,k),重新计算其余振动信号相对于Kq个类 集的聚类中心X’〇(i,j,k)的欧氏距离,按照距离最近的原则将其余振动信号归入到这Kclf 聚类中; 3f:计算每个聚类的总体距离; 3g:令Kc = Kq+1,重复步骤3a〜步骤3f,得到Kc个聚类的总体距离,记为J’(C);计算Kc个 聚类的总体距离的减小速率(Decreasing Rate,DRKc),当减小速率小于5%时,可认为总体 距离的减小速率基本稳定,此时即为所求的聚类中心的数目,X’〇(i,j,k)即为Kc个聚类中心 的位置坐标其中l〈i J,k〈Kc;否则重复步骤3a〜步骤3f,直至总体距离的减小速率基本稳 定,此时对应的Kc即为所求的聚类中心的数目;所述的减小速率的计算公式为:
    Figure CN103713217BC00031
    实中J (C)为该聚类的总体距离; ⑷:在采集的变压器箱壁上的振动信号中选取与变压器振动聚类模型的输出量Y时间 相对应的振动信号,对此振动信号进行傅里叶变换,得到该振动信号的IOOHz分量的幅值 V ., (5):将Y’与变压器振动聚类模型的输出量Y进行比较,若二者的相对误差小于15%,则 判断变压器运行状态正常;若二者的相对误差大于等于15%,则判断变压器运行状态异常。
  2. 2.根据权利要求1所述的直流偏磁条件下电力变压器运行状态的在线监测方法,其特 征在于:所述的步骤3f计算每个聚类的总体距离具体包括以下两个步骤: 3Π :利用公式4
    Figure CN103713217BC00032
    分别计算Kq个类 集的聚类中心与属于该聚类的各个振动信号的距离,式中X’〇(i J,k)为第m个类集的聚类 中心位置:
    Figure CN103713217BC00033
    X’(i,j,k)为属于第m个类集的振动信号位置; 3f2:将每个聚类中心与属于该类集的振动信号的距离累加,得到该聚类的总体距离, 其计算公式为
    Figure CN103713217BC00034
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