CN104034289B - 一种电力变压器绕组状态监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供的电力变压器绕组状态监测方法，应用于正在运行的电力变压器，该电力变压器上布置有多个振动传感器，以在预设时间段内采集该电力变压器中绕组的多组振动信号，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量，并以所述各个绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型，进而对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态。与现有技术相比，本申请提供的方法并不需要停止电力变压器的运行，通过采集并分析其正常运行过程中的振动数据即可获知绕组状态，实现了在线监测，对整个电力系统的运行影响较小。

Description

一种电力变压器绕组状态监测方法及装置

技术领域

本申请涉及电力变压器故障检测技术领域，尤其涉及一种电力变压器绕组状态监测方法及装置。

背景技术

电力变压器，是电力系统中的重要设备，其连接发电厂与变电所，可以升高电压将电能送往用电区，也能将电压降低为各级可使用电压，以满足不同的用电需求。如果电力变压器出现故障，会中断输电网络并造成严重的经济损失与严重的社会影响。因此，需要对电力变压器进行监测，以及时发现并排除故障，保证电力系统的正常运行。

变压器包括绕组与铁芯，其中，绕组发生故障的频率较高且危害也更大。绕组故障的表现形式为绕组变形，具体地，分为径向变形与轴向倾斜。绕组变形后，抗短路冲击力急剧下降，且容易造成绕组匝间短路的严重后果。因此，对电力变压器绕组故障的监测，主要是判断绕组是否存在变形。

目前，常用的绕组变形监测方法包括频率响应法，该方法是在绕组一端注入扫频信号，在另一端测量绕组传递过来的信号，根据测量到的信号计算绕组的传递函数，最后根据绕组在受到冲击前后传递函数的变化判断绕组是否变形。然而，该方法需要停止变压器的工作过程，不能实现在线监测。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种电力变压器绕组状态监测方法及装置，用以解决现有监测方法不能实现在线监测的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种电力变压器绕组状态监测方法，应用于正在运行的电力变压器，所述电力变压器中每个绕组对应的箱体表面上均布置有至少两个振动传感器，该方法包括：

获取每个所述振动传感器在预设时间段内各自采集的一组振动信号；

提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，获得多组振动幅值；其中，所述目标振动信号是根据预设采样间隔确定的振动信号；

针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量；

以各个所述绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型；

对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态；其中，所述绕组状态包括正常状态或变形状态。

上述方法，优选地，所述振动信号中包含绕组振动及铁芯振动；

相应地，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，包括：

利用下述式(1)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中绕组振动的预设基频振动幅值；

α_w∝I² (1)

其中，α_w为绕组振动的预设基频振动幅值，I为预设基频对应的电流；

利用下述式(2)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中铁芯振动的预设基频振动幅值；

α_c＝f(U) (2)

其中，α_c为铁芯振动的预设基频振动幅值，f(U)为预设基频对应电压的函数。

上述方法，优选地，所述针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量，包括：

利用下述式(3)，依据所述绕组振动的预设基频振动幅值，及所述铁芯振动的预设基频振动幅值，获取总体预设基频振动幅值；

其中，α_t为总体预设基频振动幅值，为绕组振动与铁芯振动之间的矢量夹角；

利用下述式(4)，针对每组总体预设基频振动幅值，获取该组内每两个相邻所述总体预设基频振动幅值之间的绕组振动变化量；

$\mathrm{\Δw}=\sqrt{{\mathrm{\α}}_{t1}^2+{\mathrm{\α}}_{t2}^2-{2\mathrm{\α}}_{t1}{\mathrm{\α}}_{t2}\cos \mathrm{\β}}---\left(4\right)$

其中，Δw为绕组振动变化量，α_t1、α_t2为两个相邻的总体预设基频振动幅值，β为电流相位对齐情况下所述两个总体预设基频振动幅值之间的相位夹角。

上述方法，优选地，所述生成的振动相关性模型为相关矩阵X，且

其中，所述Δw_nm为相邻两个振动幅值对应的绕组振动变化量，n为绕组振动变化量的序号，m为振动传感器的序号。

上述方法，优选地，所述对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态，包括：

对所述相关矩阵X进行归一化处理；

利用下述式(5)，获取所述归一化处理后的相关矩阵X对应的协方差矩阵C_xx的特征值；

$C_{\mathrm{xx}}=\frac{1}{m-1}{X}^{T}X=\mathrm{U\Λ}{U}^T---\left(5\right)$

其中，U矩阵中包含的列为所述协方差矩阵的特征向量，Λ为取对角元素运算，获得每个所述特征向量各自对应的特征值λ₁ λ₂…λ_m，且所述各个特征值满足λ₁≥λ₂≥…≥λ_m；

利用下述式(6)，依据所述特征值，获取所述电力变压器的绕组振动相关性参数MPC；

$\mathrm{MPC}={\mathrm{\λ}}_1/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i---\left(6\right)$

当所述绕组振动相关性参数MPC超过预设参数阈值时，确定所述绕组为正常状态；其中，所述预设参数阈值为大于0小于1的数值；

当所述绕组振动相关性参数MPC未超过所述预设参数阈值时，确定所述绕组为变形状态。

本申请还提供了一种电力变压器绕组状态监测装置，应用于正在运行的电力变压器，所述电力变压器中每个绕组对应的箱体表面上均布置有至少两个振动传感器，该装置包括：

振动信号获取单元，用于获取每个所述振动传感器在预设时间段内各自采集的一组振动信号；

振动幅值提取单元，用于提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，获得多组振动幅值；其中，所述目标振动信号是根据预设采样间隔确定的振动信号；

振动变化量获取单元，用于针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量；

相关性模型生成单元，用于以各个所述绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型；

绕组状态确定单元，用于对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态；其中，所述绕组状态包括正常状态或变形状态。

上述装置，优选地，所述振动信号中包含绕组振动及铁芯振动，所述振动幅值提取单元包括：

绕组振动幅值提取子单元，用于利用下述式(1)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中绕组振动的预设基频振动幅值；

α_w∝I² (1)

其中，α_w为绕组振动的预设基频振动幅值，I为预设基频对应的电流；

铁芯振动幅值提取子单元，用于利用下述式(2)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中铁芯振动的预设基频振动幅值；

α_c＝f(U) (2)

其中，α_c为铁芯振动的预设基频振动幅值，f(U)为预设基频对应电压的函数。

上述装置，优选地，所述振动变化量获取单元包括：

总体振动幅值获取子单元，用于利用下述式(3)，依据所述绕组振动的预设基频振动幅值，及所述铁芯振动的预设基频振动幅值，获取总体预设基频振动幅值；

其中，α_t为总体预设基频振动幅值，为绕组振动与铁芯振动之间的矢量夹角；

振动变化量获取子单元，用于利用下述式(4)，针对每组总体预设基频振动幅值，获取该组内每两个相邻所述总体预设基频振动幅值之间的绕组振动变化量；

$\mathrm{\Δw}=\sqrt{{\mathrm{\α}}_{t1}^2+{\mathrm{\α}}_{t2}^2-{2\mathrm{\α}}_{t1}{\mathrm{\α}}_{t2}\cos \mathrm{\β}}---\left(4\right)$

其中，Δw为绕组振动变化量，α_t1、α_t2为两个相邻的总体预设基频振动幅值，β为电流相位对齐情况下所述两个总体预设基频振动幅值之间的相位夹角。

上述装置，优选地，所述相关性模型生成单元生成的振动相关性模型为相关矩阵X，且

其中，所述Δw_nm为相邻两个振动幅值对应的绕组振动变化量，n为绕组振动变化量的序号，m为振动传感器的序号。

上述装置，优选地，所述绕组状态确定单元包括：

归一化处理子单元，用于对所述相关矩阵X进行归一化处理；

矩阵特征值获取子单元，用于利用下述式(5)，获取所述归一化处理后的相关矩阵X对应的协方差矩阵C_xx的特征值；

$C_{\mathrm{xx}}=\frac{1}{m-1}{X}^{T}X=\mathrm{U\Λ}{U}^T---\left(5\right)$

其中，U矩阵中包含的列为所述协方差矩阵的特征向量，Λ为取对角元素运算，获得每个所述特征向量各自对应的特征值λ₁ λ₂…λ_m，且所述各个特征值满足λ₁≥λ₂≥…≥λ_m；

相关性参数获取子单元，用于利用下述式(6)，依据所述特征值，获取所述电力变压器的绕组振动相关性参数MPC；

$\mathrm{MPC}={\mathrm{\λ}}_1/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i---\left(6\right)$

绕组正常确定子单元，用于当所述绕组振动相关性参数MPC超过预设参数阈值时，确定所述绕组为正常状态；其中，所述预设参数阈值为大于0小于1的数值；

绕组变形确定子单元，用于当所述绕组振动相关性参数MPC未超过所述预设参数阈值时，确定所述绕组为变形状态。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

由以上方案可知，本发明提供的电力变压器绕组状态监测方法，应用于正在运行的电力变压器，该电力变压器上布置有振动传感器，获取每个所述振动传感器在预设时间段内各自采集的一组振动信号，并提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，获得多组振动幅值；其中，所述目标振动信号是根据预设采样间隔确定的振动信号，针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量，并以所述各个绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型，进而对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态。与现有技术相比，本发明实施例提供的方法并不需要停止电力变压器的运行，通过采集并分析其正常运行过程中的振动数据即可获知绕组状态，实现了在线监测，对整个电力系统的运行影响较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电力变压器绕组状态监测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的振动传感器的布置示意图；

图3为本发明实施例提供的电力变压器绕组状态监测方法的又一流程图；

图4为本发明实施例提供的绕组基频振动、铁芯基频振动与总体基频振动三者之间的关系模型图；

图5为本发明实施例提供的两个样本的总体基频振动幅值与绕组振动变化量三者之间的关系模型图；

图6为本发明实施例提供的不同电力变压器对应的绕组振动相关性系数示意图；

图7为本发明实施例提供的绕组振动相关性系数与预设采样间隔之间的关系示意图；

图8为本发明实施例提供的测试实验中振动传感器的布置示意图；

图9为本发明实施例提供的正常绕组的振动信号示意图；

图10为本发明实施例提供的异常绕组的振动信号示意图；

图11为本发明实施例提供的正常绕组对应的绕组振动变化量示意图；

图12为本发明实施例提供的异常绕组对应的绕组振动变化量示意图；

图13为本发明实施例提供的电力变压器绕组状态监测装置的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，其示出了本发明实施例提供的电力变压器绕组状态监测方法的流程，该方法应用于正在运行的电力变压器，所述电力变压器中每个绕组对应的箱体表面上均布置有至少两个振动传感器，如图2所示，电力变压器包含有三个绕组，且每个绕组分别对应两个振动传感器，具体地，绕组A对应#1号及#2号振动传感器，绕组B对应#3号及#4号振动传感器，绕组C对应#5号及#6号振动传感器。其中，该方法包括以下步骤：

步骤S101：获取每个所述振动传感器在预设时间段内采集到的一组振动信号。

其中，电力变压器在不同的负载电流下，会有不同幅度的振动。所述振动信号是振动传感器采集的所述电力变压器在不同负载电流下的振动，在预设时间段如一天内，每个振动传感器依据自身的采样频率可连续采集到一组振动信号。

步骤S102：提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，获得多组振动幅值；其中，所述目标振动信号是根据预设采样间隔确定的振动信号。

其中，针对每个振动传感器采集到的一组振动信号，每隔预设采样间隔，选取一个振动信号作为采样点，将该采样点确定为目标振动信号。可选地，所述预设采样间隔为5分钟。在中国的电力系统中，绕组电流为50Hz的正弦波，振动信号的预设基频是100Hz。在各个目标振动信号中，通过傅里叶变换，提取预设基频的振动幅值。

步骤S103：针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量。

其中，每一个振动传感器均对应一组振动幅值，每一组振动幅值中包含多个预设基频的振动幅值，则在每组幅值中，获取每两个相邻的振动幅值之间的绕组变化量。需要说明的是，绕组振动变化量指的是相邻两个振动幅值之间振动幅值的变化量。例如，一组振动幅值中包含振动幅值1、振动幅值2、振动幅值3、振动幅值4，每两个相邻的振动幅值指的是：振动幅值1与2，振动幅值2与3，振动幅值3与4。

步骤S104：以所述各个绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型。

其中，每个绕组对应两个振动传感器，也就是说，两个振动传感器可以采集同一绕组的振动信号，振动信号之间具有相关性。另外，振动变化量是相连两个采样点的之间的变化量，所述变化量表征前后两个相邻时间点的振动相关性。

步骤S105：对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态；其中，所述绕组状态包括正常状态或变形状态。

其中，所述主成分分析是指判断振动相关性模型中是否存在一个主成分分量，若是，说明振动相关性模型的振动能量集中，电力变压器的各个绕组处于正常振动状态，否则，说明振动能量分散，变压器中存在变形的绕组。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的电力变压器绕组状态监测方法，应用于正在运行的电力变压器，该电力变压器上布置有多个振动传感器，以在预设时间段内采集该电力变压器中绕组的多组振动信号，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，获得多组振动幅值，针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量，并以所述各个绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型，进而对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态。与现有技术相比，本申请提供的方法并不需要停止电力变压器的运行，通过采集并分析其正常运行过程中的振动数据即可获知绕组状态，实现了在线监测，对整个电力系统的运行影响较小。

同时，本发明实施例并不需要与变压器进行任何电气连接，利用绕组振动机械原理实现对绕组状态的监测，即使轻度变形也能准确检测，精确度较高。

需要说明的是，电力变压器的主体部分设置有绕组与铁芯，铁芯柱上套装有绕组，电力变压器的振动可以认为是由绕组与铁芯两部分的振动形成的，因此，振动信号中包含有绕组振动信号，也包含有铁芯振动信号。

参见图3，其示出了本发明实施例提供的电力变压器绕组状态监测方法的又一流程，可选地，上述方法实施例中的步骤S102提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值可以通过以下方式实现：

步骤S202：利用下述式(1)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中绕组振动的预设基频振动幅值；

α_w∝I² (1)

其中，α_w为绕组振动的预设基频振动幅值，I为预设基频对应的电流。

具体地，绕组是变压器的电路部分，铁芯是变压器的磁路部分，绕组振动是由电磁力产生的，且电磁力的大小与绕组中通过电流的平方成正比。在中国的电力系统中，绕组电流是50Hz的正弦波，因而，电磁力是100Hz的正弦激励力，相应地，预设基频为100Hz。如果把绕组等效为质量弹簧系统，则绕组的稳态振动频率为100Hz，同时，预设基频的振动幅值与电流有效值平方成正比，具体表现形式见上文(1)式。

步骤S203：利用下述式(2)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中铁芯振动的预设基频振动幅值；

α_c＝f(U) (2)

其中，α_c为铁芯振动的预设基频振动幅值，f(U)为预设基频对应电压的函数。

具体地，铁芯振动是由铁磁材料的磁致伸缩现象造成。磁致伸缩现象可以简单表述为：随磁场的变化铁磁材料改变形状及大小。电力变压器磁场与绕组两端的电压直接相关，由于电压保持基本恒定的50Hz频率，则铁芯在预设基频(100Hz)下的振动幅值是与电压相关的函数，具体表现形式见上文(2)式。

相应地，上述方法实施例中的步骤S103针对每个所述振动传感器，依据预设采样间隔，获得每相邻两个振动幅值对应的绕组振动变化量可以通过下述方式实现：

步骤S204：利用下述式(3)，依据所述绕组振动的预设基频振动幅值，及所述铁芯振动的预设基频振动幅值，获取总体预设基频振动幅值；

其中，α_t为总体预设基频振动幅值，为绕组振动与铁芯振动之间的矢量夹角。

具体的，电力变压器表面的振动可以认为主要来自于绕组与铁芯，因此，建立绕组基频振动、铁芯基频振动与总体基频振动三者之间的关系，所述关系如上文(3)式，三者的关系模型可参见图4。

步骤S205：利用下述式(4)，针对每组总体预设基频振动幅值，获取该组内每两个相邻所述总体预设基频振动幅值之间的绕组振动变化量；

$\mathrm{\Δw}=\sqrt{{\mathrm{\α}}_{t1}^2+{\mathrm{\α}}_{t2}^2-{{2\mathrm{\α}}_{t1}\mathrm{\α}}_{t2}\cos \mathrm{\β}}---\left(4\right)$

其中，Δw为绕组振动变化量，α_t1、α_t2为两个相邻的总体预设基频振动幅值，β为电流相位对齐情况下所述两个总体预设基频振动幅值之间的相位夹角。

具体地，电力变压器在正常运行时，绕组上的电压基本维持不变，电流与电压之间的相位角(功率因素角)也基本保持不变。以预设采样间隔，如5分钟，确定采样的预设基频振动幅值。由于采样的时间间隔较小，可以认为与电压相关的铁芯振动是不变的，且绕组振动与铁芯振动之间的矢量夹角也保持不变，从而根据上述(3)式获得每个采样点对应的总体预设基频振动幅值。进一步地，依据上述(4)式获得相邻两个总体预设基频振动幅值之间的变化量，即是相邻两个采样点之间的绕组振动变化量。两个样本的总体预设基频振动幅值与振动变化量三者之间的关系如上文式(4)，三者的关系模型可参见图5。

可选地，上述方法实施例步骤S104中生成的振动相关性模型为相关矩阵X，且

其中，所述Δw_nm为相邻两个振动幅值对应的绕组振动变化量，n为绕组振动变化量的序号，m为振动传感器的序号。

具体地，针对每一个振动传感器，依据预设采样间隔，会获得与该振动传感器对应的相邻两个总体预设基频振动幅值对应的绕组振动变化量，将所述绕组振动变化量生成上述相关矩阵X，其中，n表示以预设采样间隔采集到的绕组振动变化量的个数，m表示振动传感器的总个数。

根据绕组振动产生原理，每个绕组振动变化量与电流有效值的平方的变化量成正比，具体的表现形式为：

从上述相关矩阵可以看出，该矩阵的每一列之间具有相关性。因此，相应地，上述方法实施例步骤S105对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态可以通过以下方式实现：

步骤S207：对所述相关矩阵X进行归一化处理；

步骤S208：利用下述式(5)，获取所述归一化处理后的相关矩阵X对应的协方差矩阵C_xx的特征值；

$C_{\mathrm{xx}}=\frac{1}{m-1}{X}^{T}X=\mathrm{U\Λ}{U}^T---\left(5\right)$

其中，U矩阵中包含的列为所述协方差矩阵的特征向量，Λ为取对角元素运算，获得每个所述特征向量各自对应的特征值λ₁ λ₂…λ_m，且所述各个特征值满足λ₁≥λ₂≥…≥λ_m。

在本实施中，Λ＝diag{λ₁ λ₂…λ_m}，为对U矩阵进行取对角元素运算，从而获得各个特征值，将所述各个特征值进行降序排列，也就是说，λ₁为最大的特征值。

步骤S209：利用下述式(6)，依据所述特征值，获取所述电力变压器的绕组振动相关性参数MPC；

$\mathrm{MPC}={\mathrm{\λ}}_1/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i---\left(6\right)$

其中，首先将各个λ相加求得和值，然后将λ₁除以所述和值求得所述绕组振动相关性参数，该式用以表示最大主成分能量λ₁占总体能量的比重。

步骤S210：当所述绕组振动相关性参数MPC超过预设参数阈值时，确定所述绕组为正常状态；其中，所述预设参数阈值为大于0小于1的数值。

步骤S211：当所述绕组振动相关性参数MPC未超过所述预设参数阈值时，确定所述绕组为变形状态。

其中，预设参数阈值为大于0小于1的数值，优选地，该预设参数阈值为0.8。MPC的值可以表征绕组状态，当该值超过预设参数阈值，越接近于1时，说明绕组状态越好，当该值未超过预设参数阈值时，说明绕组存在变形。

下面对绕组振动相关性系数MPC可以代表绕组状态的原理进行介绍：

对于电力变压器中处于正常状态的绕组，根据质量弹簧阻尼模型得出结论：α_w∝I²，即绕组振动的预设基频振动幅值与电流有效值的平方成正比。当绕组出现变形等异常情况时，振动信号会出现不确定性，因此，绕组振动对应的预设基频振动幅值也就不再符合上述规律。

根据绕组振动产生原理得出结论：即绕组振动变化量与电流有效值平方的变化量成正比，从上述相关矩阵X的角度看，该相关矩阵X中的每一列都是成比例的。因此，在绕组正常状态下，该矩阵中只有一个主成分分量，进而，获得的绕组振动相关性系数MPC的值也就越大，且越接近于1。反之，若是绕组处于变形异常状态，该矩阵的主成分分量不唯一，进而获得的绕组振动相关性系数MPC的值比较小。由此可见，该绕组振动相关性系数可以表征相关矩阵的主成分分量是否唯一，进而反映绕组是否处于正常状态。

由以上技术方案可知，本发明实施例通过绕组振动的预设基频振动幅值及铁芯振动的预设基频振动幅值获得总体预设基频振动幅值，生成每相邻的两个总体预设基频振动幅值之间的绕组振动变化量，进而生成相关矩阵，对该相关矩阵进行主成分分析后获得绕组振动相关性参数，将所述绕组振动相关性系数与预设参数阈值进行比较后最终确定电力变压器绕组的状态。

需要说明的是，关于上述各个方法实施例中的预设参数阈值，发明人统计多次实验结果，获得图6所示的统计表，从该图中可以看出，对于不同类型的电力变压器，处于正常状态绕组的振动相关性系数几乎都超过阈值0.8，因此，优选地，预设参数阈值为0.8。

另外，上述绕组振动相关性系数MPC的准确性受预设采样间隔的影响，发明人经过试验发现如图7所示的两者之间的关系。参见图7所示，监测总时长为300s，当预设采样间隔过小，如小于1s时，正常绕组的绕组振动相关性系数并未趋向于1，且异常绕组的绕组振动相关性系数并不稳定，这样，会导致测量的较大误差。因此，需要选择适合的预设采样间隔，可选地，可以选择大于等于1s的数值。当然，在实际监测过程中，可以根据监测时间的长短相应选择预设采样间隔，如监测时间为一天，可以设定为5分钟。

下面通过一组完整的实验过程，对本发明提供的电力变压器绕组状态监测方法进行介绍。

为了验证方法的有效性，将同一绕组在正常情况与故障情况下的振动特征进行比对。其中，故障绕组是将正常绕组进行短路冲击实现的。具体地，变压器短路试验是一种专门针对绕组的测试方法，其通过低压端短路，并在高压端加电压，使变压器绕组电流达到额定值。

实验对象为一台110KV的三相油浸式电力变压器，选用灵敏度较高的振动传感器，并且，为了保证振动传感器在采样滤波频带之内的振动响应，通过磁座吸附或者胶水粘接的方式将振动传感器固定在电力变压器油箱侧壁上。具体地，振动传感器包括前置放大、抗混叠滤波、AD采样等模块，其中，AD采样位数至少12位，抗混叠滤波器截止频率为2000Hz。在实验中，采样频率为10000Hz，AD采样位数为16位，并采用连续采样模式来记录下实验的全过程。

(1)布置振动传感器作为振动测点。

如图8所示，在电力变压器油箱表面布置7个测点。由于变压器的每个绕组均需要被至少两个振动传感器覆盖，图8所示的布置方式并不能保证绕组C被覆盖，因此，在一次测试完成后，调整振动传感器的位置至绕组C处，以测量绕组C的振动信号。具体地，见图8，A相绕组是被短路破坏后作为异常状态的绕组，该相绕组对应的油箱壁上布置有五个振动传感器，B相绕组布置有两个，以作为A相异常绕组的对比绕组。

(2)采集异常绕组与正常绕组的振动信号。

首先，对电力变压器进行短路实验：逐步提高高压侧的电压以增加绕组上的电流，且每次电流增大的比例为10％，直至额定值。另外，电流每次增大后，保持30s稳定不变。振动传感器利用连续采样模式，记录下各个绕组的振动信号。如图9所示，振动传感器#4采集到绕组在正常状态下的振动信号。

然后，对A相绕组进行短路冲击以使其产生变形，并再次对电力变压器进行上述过程的短路实验，同样记录下各个绕组的振动信号。如图10所示，振动传感器#4采集到绕组在异常(变形)状态下的振动信号。

(3)获得各个振动传感器中样本间的绕组振动变化量。

针对各个传感器采集到的振动信号，利用图4所示的关系模型，获得总体预设基频(100Hz)的振动幅值。进而，依据预设采样间隔如1s，在所述各个总体预设基频振动幅值中确定采样点，并利用图5所示的关系模型，获得相邻两个采样之间的绕组振动变化量。需要说明的是，在短路实验中，由于没有铁芯振动，图5所示的β夹角为0。

上述步骤(2)中共采集300秒内的振动信号，预设采样间隔为1s，可以获得299个绕组振动变化量，选取其中的50个进行分析统计。见图11，其示出了正常绕组对应的50个绕组振动变化量，见图12，其示出了异常绕组对应的50个绕组振动变化量。通过比对图11及图12可以看出，在正常状态下，各个测点获得的绕组振动变化量一致性较好，在异常状态下，绕组振动变化量一致性较差。

(4)利用各个绕组振动变化量，计算绕组振动相关性系数。

首先，将上述各个绕组振动变化量生成相关矩阵，并对该矩阵进行零均值及归一化处理。然后，对归一化处理后的矩阵进行主成分分析，获得协方差矩阵的特征值，具体地，各个成分之间的特征值如下表表1所示。利用所述特征值计算振动相关性系数。

表1

	λ1	λ2	λ3	λ4	λ5	λ6	λ7
								正常绕组	109	3.1	0.58	0.23	0.09	0.03	0
异常绕组	76.6	20.9	10.6	2.4	1.2	0.72	0.56

虽然从上述图11及图12中，可以直观地看出正常状态与异常状态的绕组振动情况，但步骤(4)计算获得的绕组振动相关性系数以量化的形式呈现实验结果。

下面对本发明实施例提供的电力变压器绕组状态监测装置进行介绍，需要说明的是，有关电力变压器绕组状态监测装置的说明请参见上述电力变压器绕组状态方法，在此不做赘述。

参见图13，其示出了本发明实施例提供的电力变压器绕组状态监测装置的结构，该装置应用于正在运行的电力变压器，所述电力变压器中每个绕组对应的箱体表面上均布置有至少两个振动传感器，如图2所示，电力变压器包含有三个绕组，且每个绕组分别对应两个振动传感器，具体地，绕组A对应#1号及#2号振动传感器，绕组B对应#3号及#4号振动传感器，绕组C对应#5号及#6号振动传感器。该装置包括：

振动信号获取单元100，用于获取每个所述振动传感器在预设时间段内各自采集的一组振动信号；

振动幅值提取单元200，用于提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，获得多组振动幅值；其中，所述目标振动信号是根据预设采样间隔确定的振动信号；

振动变化量获取单元300，用于针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量；

相关性模型生成单元400，用于以各个所述绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型；

绕组状态确定单元500，用于对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态；其中，所述绕组状态包括正常状态或变形状态。

本发明实施例提供的电力变压器绕组状态监测装置，应用于正在运行的电力变压器，该电力变压器上布置有多个振动传感器，以在预设时间段内采集该电力变压器中绕组的多组振动信号，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，获得多组振动幅值，针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量，并以所述各个绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型，进而对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态。与现有技术相比，本申请提供的装置并不需要停止电力变压器的运行，通过采集并分析其正常运行过程中的振动数据即可获知绕组状态，实现了在线监测，对整个电力系统的运行影响较小。

可选地，所述振动信号中包含绕组振动及铁芯振动，所述振动幅值提取单元包括：

绕组振动幅值提取子单元，用于利用下述式(1)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中绕组振动的预设基频振动幅值；

α_w∝I² (1)

其中，α_w为绕组振动的预设基频振动幅值，I为预设基频对应的电流；

铁芯振动幅值提取子单元，用于利用下述式(2)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中铁芯振动的预设基频振动幅值；

α_c＝f(U) (2)

其中，α_c为铁芯振动的预设基频振动幅值，f(U)为预设基频对应电压的函数。

可选地，所述振动变化量获取单元包括：

总体振动幅值获取子单元，用于利用下述式(3)，依据所述绕组振动的预设基频振动幅值，及所述铁芯振动的预设基频振动幅值，获取总体预设基频振动幅值；

其中，α_t为总体预设基频振动幅值，为绕组振动与铁芯振动之间的矢量夹角；

振动变化量获取子单元，用于利用下述式(4)，针对每组总体预设基频振动幅值，获取该组内每两个相邻所述总体预设基频振动幅值之间的绕组振动变化量；

$\mathrm{\Δw}=\sqrt{{\mathrm{\α}}_{t1}^2+{\mathrm{\α}}_{t2}^2-{{2\mathrm{\α}}_{t1}\mathrm{\α}}_{t2}\cos \mathrm{\β}}---\left(4\right)$

其中，Δw为绕组振动变化量，α_t1、α_t2为两个相邻的总体预设基频振动幅值，β为电流相位对齐情况下所述两个总体预设基频振动幅值之间的相位夹角。

可选地，所述相关性模型生成单元生成的振动相关性模型为相关矩阵X，且

其中，所述Δw_nm为相邻两个振动幅值对应的绕组振动变化量，n为绕组振动变化量的序号，m为振动传感器的序号。

可选地，所述绕组状态确定单元包括：

归一化处理子单元，用于对所述相关矩阵X进行归一化处理；

矩阵特征值获取子单元，用于利用下述式(5)，获取所述归一化处理后的相关矩阵X对应的协方差矩阵C_xx的特征值；

$C_{\mathrm{xx}}=\frac{1}{m-1}{X}^{T}X=\mathrm{U\Λ}{U}^T---\left(5\right)$

其中，U矩阵中包含的列为所述协方差矩阵的特征向量，Λ为取对角元素运算，获得每个所述特征向量各自对应的特征值λ₁ λ₂…λ_m，且所述各个特征值满足λ₁≥λ₂≥…≥λ_m；

相关性参数获取子单元，用于利用下述式(6)，依据所述特征值，获取所述电力变压器的绕组振动相关性参数MPC；

$\mathrm{MPC}={\mathrm{\λ}}_1/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i---\left(6\right)$

绕组正常确定子单元，用于当所述绕组振动相关性参数MPC超过预设参数阈值时，确定所述绕组为正常状态；其中，所述预设参数阈值为大于0小于1的数值；

绕组变形确定子单元，用于当所述绕组振动相关性参数MPC未超过所述预设参数阈值时，确定所述绕组为变形状态。

Claims (6)

1.一种电力变压器绕组状态监测方法，其特征在于，应用于正在运行的电力变压器，所述电力变压器中每个绕组对应的箱体表面上均布置有至少两个振动传感器，该方法包括：

获取每个所述振动传感器在预设时间段内各自采集的一组振动信号；

提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，获得多组振动幅值；其中，所述目标振动信号是根据预设采样间隔确定的振动信号；

针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量；

以各个所述绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型X，且

其中，所述Δw_nm为相邻两个振动幅值对应的绕组振动变化量，n为绕组振动变化量的序号，m为振动传感器的序号；

对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态；其中，所述绕组状态包括正常状态或变形状态；

具体地，所述主成分分析包括：

对所述相关矩阵X进行归一化处理；

利用获取所述归一化处理后的相关矩阵X对应的协方差矩阵C_xx的特征值；

其中，U矩阵中包含的列为所述协方差矩阵的特征向量，Λ为取对角元素运算，获得每个所述特征向量各自对应的特征值λ₁λ₂…λ_m，且所述各个特征值满足λ₁≥λ₂≥…≥λ_m；

利用依据所述特征值，获取所述电力变压器的绕组振动相关性参数MPC；

当所述绕组振动相关性参数MPC超过预设参数阈值时，确定所述绕组为正常状态；其中，所述预设参数阈值为大于0小于1的数值；

当所述绕组振动相关性参数MPC未超过所述预设参数阈值时，确定所述绕组为变形状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动信号中包含绕组振动及铁芯振动；

相应地，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，包括：

利用下述式(1)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中绕组振动的预设基频振动幅值；

α_w∝I² (1)

其中，α_w为绕组振动的预设基频振动幅值，I为预设基频对应的电流；

利用下述式(2)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中铁芯振动的预设基频振动幅值；

α_c＝f(U) (2)

其中，α_c为铁芯振动的预设基频振动幅值，f(U)为预设基频对应电压的函数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量，包括：

利用下述式(3)，依据所述绕组振动的预设基频振动幅值，及所述铁芯振动的预设基频振动幅值，获取总体预设基频振动幅值；

其中，α_t为总体预设基频振动幅值，为绕组振动与铁芯振动之间的矢量夹角；

利用下述式(4)，针对每组总体预设基频振动幅值，获取该组内每两个相邻所述总体预设基频振动幅值之间的绕组振动变化量；

$\mathrm{\Δ}w=\sqrt{{\mathrm{\α}}_{t1}^2+{\mathrm{\α}}_{t2}^2-2{\mathrm{\α}}_{t1}{\mathrm{\α}}_{t2}cos\mathrm{\β}}---\left(4\right)$

其中，Δw为绕组振动变化量，α_t1、α_t2为两个相邻的总体预设基频振动幅值，β为电流相位对齐情况下所述两个总体预设基频振动幅值之间的相位夹角。

4.一种电力变压器绕组状态监测装置，其特征在于，应用于正在运行的电力变压器，所述电力变压器中每个绕组对应的箱体表面上均布置有至少两个振动传感器，该装置包括：

振动信号获取单元，用于获取每个所述振动传感器在预设时间段内各自采集的一组振动信号；

振动幅值提取单元，用于提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中预设基频的振动幅值，获得多组振动幅值；其中，所述目标振动信号是根据预设采样间隔确定的振动信号；

振动变化量获取单元，用于针对每组振动幅值，获取该组内每两个相邻振动幅值之间的绕组振动变化量；

相关性模型生成单元，用于以各个所述绕组振动变化量为依据，生成振动相关性模型X，且

其中，所述Δw_nm为相邻两个振动幅值对应的绕组振动变化量，n为绕组振动变化量的序号，m为振动传感器的序号；

绕组状态确定单元，用于对所述振动相关性模型进行主成分分析，以确定所述电力变压器的绕组状态；其中，所述绕组状态包括正常状态或变形状态；

具体地，所述绕组状态确定单元包括：

归一化处理子单元，用于对所述相关矩阵X进行归一化处理；

矩阵特征值获取子单元，用于利用获取所述归一化处理后的相关矩阵X对应的协方差矩阵C_xx的特征值；

其中，U矩阵中包含的列为所述协方差矩阵的特征向量，Λ为取对角元素运算，获得每个所述特征向量各自对应的特征值λ₁λ₂…λ_m，且所述各个特征值满足λ₁≥λ₂≥…≥λ_m；

相关性参数获取子单元，用于利用依据所述特征值，获取所述电力变压器的绕组振动相关性参数MPC；

绕组正常确定子单元，用于当所述绕组振动相关性参数MPC超过预设参数阈值时，确定所述绕组为正常状态；其中，所述预设参数阈值为大于0小于1的数值；

绕组变形确定子单元，用于当所述绕组振动相关性参数MPC未超过所述预设参数阈值时，确定所述绕组为变形状态。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述振动信号中包含绕组振动及铁芯振动，所述振动幅值提取单元包括：

绕组振动幅值提取子单元，用于利用下述式(1)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中绕组振动的预设基频振动幅值；

α_w∝I² (1)

其中，α_w为绕组振动的预设基频振动幅值，I为预设基频对应的电流；

铁芯振动幅值提取子单元，用于利用下述式(2)，提取每组所述振动信号内各个目标振动信号中铁芯振动的预设基频振动幅值；

α_c＝f(U) (2)

其中，α_c为铁芯振动的预设基频振动幅值，f(U)为预设基频对应电压的函数。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述振动变化量获取单元包括：

总体振动幅值获取子单元，用于利用下述式(3)，依据所述绕组振动的预设基频振动幅值，及所述铁芯振动的预设基频振动幅值，获取总体预设基频振动幅值；

其中，α_t为总体预设基频振动幅值，为绕组振动与铁芯振动之间的矢量夹角；

振动变化量获取子单元，用于利用下述式(4)，针对每组总体预设基频振动幅值，获取该组内每两个相邻所述总体预设基频振动幅值之间的绕组振动变化量；

$\mathrm{\Δ}w=\sqrt{{\mathrm{\α}}_{t1}^2+{\mathrm{\α}}_{t2}^2-2{\mathrm{\α}}_{t1}{\mathrm{\α}}_{t2}cos\mathrm{\β}}---\left(4\right)$

其中，Δw为绕组振动变化量，α_t1、α_t2为两个相邻的总体预设基频振动幅值，β为电流相位对齐情况下所述两个总体预设基频振动幅值之间的相位夹角。