CN104677485A - 配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法，首先，在变压器空载时利用配电变压器振动信号采集装置，采集配电变压器不同状态时的铁芯振动信号；将采集到的铁芯振动信号采用直接法进行双谱估计后，得到初始特征矩阵 ；由于得到的矩阵内的元素全部为复数，因此进行奇异值分解前需对矩阵的所有元素取模，即计算出所有元素的幅值，从而构造出一个双谱幅值矩阵的实矩阵，最后对进行奇异值分解，将二维双谱幅值矩阵降为一维；根据求得的前20个主奇异值构造判断铁芯状态的特征向量。本发明旨在准确有效地诊断出配电变压器运行过程中铁芯的运行状态，从而更加合理地制定配电变压器的状态检修策略，提高配电变压器运行可靠性与稳定性。

Description

配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法

技术领域

本发明涉及涉及配电网变压器故障诊断技术领域，具体涉及一种利用双谱奇异值分解法的配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法，进而实现配电变压器铁芯的故障诊断，特别是一种配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法。

背景技术

配电变压器的维护方式可划分为事后检修、计划检修和状态检修三种。由于国内电力公司早期对配电网的重视度较低，对于配电变压器的维护工作采用的是事后检修和计划检修相结合的管理模式。这种检修管理模式有一定的科学合理性，在一定程度上能保障供电可靠性。但事后检修受制于客观原因，随机性较强，只能被动抢修；计划检修则按照规程定期维护，到期必修，忽略了个体设备的实际情况，存在盲目性和强制性，极易造成人力物力的巨大损失。统计表明，铁芯作为配电变压器主体，故障率较高，因此展开配电变压器铁芯故障诊断方法的研究，为配电变压器铁芯运行状态的在线监测、故障诊断以及状态检修工作的展开都具有指导性意义。

目前多采用油色谱分析（DGA）和电气测量这两种传统方法对变压器铁芯故障进行诊断，主要用于判断运行中的变压器是否存在两点或两点以上接地故障。而近年来研究学者提出的利用振动信号实现变压器铁芯的故障检测，已成为目前的研究热点。

1．油色谱分析法（DGA）

油浸式变压器主要利用油来实现绝缘和散热的功能，变压器油在运行过程中，会由于电热作用逐渐老化分解，并产生少量CO、CO2气体以及低分子烃类。当变压器内部发生故障时，局部过热和局部放电现象随之产生，使得油和绝缘纸产生氢气（H2）、甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）等气体。DGA即是通过分析变压器油中溶解气体的成份含量来判断变压器是否发生故障。

2．电气测量法

（1）测量铁芯绝缘电阻。将变压器停电，并断开引至油箱外部的铁芯接地线及夹件接地片，使用2500V兆欧表，分别测量铁芯和夹件的对地绝缘电阻，若测得的绝缘电阻大于10000MΩ并且与以前的测试结果无显著差异，则表明铁芯没有发生多点接地故障；反之则有可能发生多点接地故障。

（2）测量接地线中的环流。变压器正常接地时，即铁芯单点接地情况下，并无电流回路，此时接地线上的电流几近为零；当铁芯发生多点接地故障后，短路匝内将产生环流流通。因此可使用高精度钳形电流表，直接测量运行状态下变压器铁芯接地引出线处接地电流值，一般大于0.1A即可判断铁芯存在多点接地。

3．振动分析法

配电变压器油箱表面的的振动主要是由绕组和铁芯的振动引起的。而稳态运行的配变铁芯的振动原因可归纳为：由硅钢片磁致伸缩效应引起的铁芯振动；由铁芯硅钢片缝隙间的漏磁产生的电磁吸引力引起的振动。随着铁芯制造工艺的提高，例如堆叠方式的改良（采用阶梯接缝）、采用环氧玻璃粘带绑扎铁芯柱和铁轭等，使得铁芯硅钢片缝隙间的漏磁产生的电磁吸引力引起的振动要比硅钢片磁致伸缩效应引起的铁芯振动要小的多，因此配变铁芯的振动主要成分可认为是硅钢片磁致伸缩效应引起的铁芯振动。

铁磁性物质在外磁场作用下，引起其尺寸伸缩，而撤去外磁场后，又可恢复原状的现象即为磁致伸缩现象。配电变压器铁芯振动主要就是由硅钢片磁致伸缩现象引起的。铁芯在励磁电流作用下产生在铁芯内部流通的主磁场，使得硅钢片沿磁力线方向尺寸增加，而垂直于磁力线方向尺寸缩小。由磁致伸缩引起的铁芯振动加速度可表示为

式中：为硅钢片最大伸缩量；为硅钢片原始尺寸；为铁芯横截面积；为饱和磁感应强度；为磁通变化的角频率，；为变压器一次侧电压峰值，N ₁为变压器原边绕组匝数。在变压器施加电源电压不变的条件下，可知道铁芯振动的强弱主要取决于磁致伸缩效应。而铁芯磁致伸缩效应主要影响因素包括：磁感应强度、硅钢片表层绝缘厚度、材质、温度以及制造工艺等。因此铁芯多点接地、铁芯压紧的变化、铁芯变形以及硅钢片表层受损等情形都会造成铁芯振动加速度信号的改变。

中国发明专利(申请号为201210193931.9，申请日为2012年6月13日，公开日为2012年10月10日)公开了一种“电力变压器铁芯松动故障诊断与故障初步定位系统及方法”，该发明的故障诊断与故障初步定位系统由振动传感器、信号采集仪和计算机系统组成。故障诊断与故障初步定位方法利用安装在变压器顶面的3个振动传感器测量振动信号，对信号进行傅立叶分析，得到铁芯松动故障特征量，分别为50Hz分量、150Hz分量和300Hz分量，以300Hz为主要特征量，当某一位置的这些分量的幅值增加到一定值，说明该位置发生铁芯松动故障，通过比较3个位置信号特征量的不同可进行故障定位。

油色谱分析（DGA）和电气测量这两种传统方法对于判断铁芯多点接地故障具有良好的效果，但对于铁芯夹件松动、变形等有可能诱发变压器机械结构上的缺陷则无能为力。并且电气测量需要变压器停电检测，属于离线检测，实时性不高。发明专利公开的“电力变压器铁芯松动故障诊断与故障初步定位系统及方法”也仅能针对铁芯的松动故障进行判断，无法识别铁芯其余类型故障。故而本发明提出一种能准确反映铁芯松动的故障特征，可有效的检测电力变压器铁芯松动故障的铁芯振动信号特征量提取方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法，旨在准确有效地诊断出配电变压器运行过程中铁芯的运行状态，从而更加合理地制定配电变压器的状态检修策略，提高配电变压器运行可靠性与稳定性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法，包括如下步骤，

步骤S1：在变压器空载时利用配电变压器振动信号采集装置，采集配电变压器不同状态时的铁芯振动信号；

步骤S2：将采集到的铁芯振动信号采用直接法进行双谱估计后，得到初始特征矩阵；

步骤S3：由于步骤S2得到的矩阵内的元素全部为复数，因此进行奇异值分解前需对矩阵的所有元素取模，即计算出所有元素的幅值，从而构造出一个双谱幅值矩阵的实矩阵，最后对进行奇异值分解，将二维双谱幅值矩阵降为一维；

步骤S4：选取步骤S3求得的前20个主奇异值构造判断铁芯状态的特征向量，及铁芯振动信号特征量为

                                          （1）。

在本发明实施例中，所述步骤S2中，按如下方法对各个铁芯振动信号进行双谱分析处理：

步骤S21：将长度为N的时间序列铁芯振动信号分成K段，每段有M个数据，即N=KM，同时每段样本再减去自身的均值；可将新分段的数据记作，，…，，其中；允许两段相邻的数据间存在重叠；

步骤S22：计算第段的离散傅里叶变换（DFT）系数，

                                         （2）

式中：；；

步骤S23：计算DFT系数的三重相关，即

           （3）

式中：，为待估计信号的采样频率；，和的选择需满足条件：；

步骤S24：的双谱估计值即由K段的平均值求出，即

                                              （4）

式中：。

在本发明实施例中，所述步骤S3中，按如下方法对各个铁芯振动信号的双谱幅值矩阵进行奇异值分解：

假设一个实矩阵，且秩，那么必定存在两个正交矩阵、和一个对角矩阵使得下式成立：

                                                    （5）

式中：，且；，且；，且；为、的特征值，分别为、对应于的特征矢量；即为矩阵奇异值；

定义奇异值贡献率为

                                                              （6）

式中：；表示各个奇异值在所有奇异值总和中所占能量的相对关系；通常可选取累积贡献率达到85%后的前个奇异值作为特征向量，从而达到减小计算量又不失准确性之目的，即

                                                       （7）。

在本发明实施例中，所述配电开关振动信号采集装置由压电式加速度传感器、信号调理模块、数据采集卡和波形显示存储平台组成。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：经过实验验证，本发明所选取的特征量能准确反映铁芯松动、铁芯两点接地、铁芯接地不良的故障特征，可有效的检测配电变压器铁芯松动、铁芯两点接地、铁芯接地不良故障，并且通过采集计算3个位置信号特征量，提高故障诊断准确率。

附图说明

图1为本发明配电变压器箱体振动信号监测位置示意图。

图2为本发明测点1铁芯正常及其故障状态的双谱等高图。

图3为本发明测点2铁芯正常及其故障状态的双谱等高图。

图4为本发明测点3铁芯正常及其故障状态的双谱等高图。

图5为本发明测点1铁芯正常及其故障状态的双谱奇异值曲线图。

图6为本发明选取主奇异值后各测点铁芯正常及其故障状态的双谱奇异值曲线图。

图7为本发明利用双谱奇异值分解法提取配变铁芯振动信号的特征量实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图7所示，本发明的一种配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法，包括如下步骤：

步骤1:在变压器空载时利用配电变压器振动信号采集装置（所述配电开关振动信号采集装置由压电式加速度传感器、信号调理模块、数据采集卡和波形显示存储平台组成），采集配电变压器不同状态时的铁芯振动信号；

步骤2：将采集到的铁芯振动信号采用直接法进行双谱估计后，得到初始特征矩阵；

步骤3：由于步骤2得到的矩阵内的元素全部为复数，因此进行奇异值分解前需对矩阵的所有元素取模，即计算出所有元素的幅值，从而构造出一个实矩阵（双谱幅值矩阵），最后对进行奇异值分解，将二维双谱幅值矩阵降为一维。

步骤4：选取步骤3求得的前20个主奇异值构造判断铁芯状态的特征向量，及铁芯振动信号特征量为

                                          （1）。

在步骤2中，按如下方法对各个铁芯振动信号进行双谱分析处理：

（1）将长度为N的时间序列振动信号分成K段，每段有M个数据，即N=KM，同时每段样本再减去自身的均值；可将新分段的数据记作，，…，，其中；允许两段相邻的数据间存在重叠。

（2）计算第段的离散傅里叶变换（DFT）系数，即

                                      （2）

式中：；。

（3）计算DFT系数的三重相关，即

               （3）

式中：，为待估计信号的采样频率；，和的选择需满足条件：。

（4）的双谱估计值即由K段的平均值求出，即

                                              （4）

式中：。

在步骤3中，按如下方法对各个铁芯振动信号的双谱幅值矩阵进行奇异值分解：

矩阵的奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）实质是一种正交变换，可实现矩阵的对角化。假设一个实矩阵，且秩，那么必定存在两个正交矩阵、和一个对角矩阵使得下式成立。

                                                      （5）

式中：，且；，且；，且；为、的特征值，分别为、对应于的特征矢量；即为矩阵奇异值。

定义奇异值贡献率为

                                                             （6）

式中：。表示各个奇异值在所有奇异值总和中所占能量的相对关系。通常可选取累积贡献率达到85%后的前个奇异值作为特征向量，从而达到减小计算量又不失准确性之目的，即

                                                     （7）。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明验证实验的配电变压器振动信号采集中传感器均放置在低压侧对应于A、B、C三相绕组且距离顶部1/2位置的油箱表面，如图1所示。图中编码1、2、3即为传感器安放位置，并分别定义为测点1、测点2、测点3。

本次选取两台型号为S11-M-315/10的配电变压器作为试验变压器进行振动试验测试，试验变压器参数如表1所示。配电变压器空载试验主要采集铁芯在正常（无故障）运行、两点接地、铁芯松动以及接地不良四种情况下试验变压器油箱表面的振动信号。

将空载试验获取的铁芯不同测点、不同状态下的振动信号采用直接法进行双谱估计。由此计算得到的双谱等高图如图2~图4所示，图中，每个点代表双谱幅值，其值等于。

由图2~图4可见，双谱等高图很直观地显示出铁芯正常状态与故障状态的差异性，但是双谱等高图并不适合用于不同双谱矩阵间的比较分析。因此提出利用奇异值分解法实现双谱幅值矩阵的降维，减小运算量，可通过对比提取出的奇异值进行铁芯运行状态的判断。

测点1铁芯正常及其故障状态的双谱奇异值曲线如图5所示，图中横轴为奇异值阶数，纵轴为奇异值的大小。从图中可以看出，前面的若干个奇异值较大，可反映信号中的特征成分，第32个之后的奇异值变小，基本为零，属于信号中的噪声成分。

经过大量样本计算发现，不同测点、不同状态下，铁芯振动信号双谱奇异值累积贡献率达到85%时取得的前个奇异值数量并不相同，分布在10~20个之间。因此本发明统一选取前20个奇异值构造判断铁芯状态的特征向量。选取主奇异值后各测点铁芯正常及故障状态的双谱奇异值曲线如图6所示，由图6的（a）、（b）、（c）图可以看出采用双谱奇异值法提取铁芯的状态特征的具有明显的可区分性，分类效果较为显著。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤S1：在变压器空载时利用配电变压器振动信号采集装置，采集配电变压器不同状态时的铁芯振动信号；

步骤S2：将采集到的铁芯振动信号采用直接法进行双谱估计后，得到初始特征矩阵                                                ；

步骤S3：由于步骤S2得到的矩阵内的元素全部为复数，因此进行奇异值分解前需对矩阵的所有元素取模，即计算出所有元素的幅值，从而构造出一个双谱幅值矩阵的实矩阵，最后对进行奇异值分解，将二维双谱幅值矩阵降为一维；

步骤S4：选取步骤S3求得的前20个主奇异值构造判断铁芯状态的特征向量，及铁芯振动信号特征量为

                                             （1）。

2.根据权利要求1所述的配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法，其特征在于：所述步骤S2中，按如下方法对各个铁芯振动信号进行双谱分析处理：

步骤S21：将长度为N的时间序列铁芯振动信号分成K段，每段有M个数据，即N=KM，同时每段样本再减去自身的均值；可将新分段的数据记作，，其中；允许两段相邻的数据间存在重叠；

步骤S22：计算第段的离散傅里叶变换（DFT）系数，

                                          （2）

式中：；

步骤S23：计算DFT系数的三重相关，即

             （3）

式中：，为待估计信号的采样频率；，和的选择需满足条件：；

步骤S24：的双谱估计值即由K段的平均值求出，即

                                                （4）

式中：。

3.根据权利要求1所述的配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法，其特征在于：所述步骤S3中，按如下方法对各个铁芯振动信号的双谱幅值矩阵进行奇异值分解：

假设一个实矩阵，且秩，那么必定存在两个正交矩阵、和一个对角矩阵使得下式成立：

                                                 （5）

式中：，且；，且；，且；为、的特征值，分别为、对应于的特征矢量；即为矩阵奇异值；

定义奇异值贡献率为

                                                             （6）

式中：；表示各个奇异值在所有奇异值总和中所占能量的相对关系；通常可选取累积贡献率达到85%后的前个奇异值作为特征向量，从而达到减小计算量又不失准确性之目的，即

                                                   （7）。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的配电变压器铁芯振动信号特征量提取方法，其特征在于：所述配电开关振动信号采集装置由压电式加速度传感器、信号调理模块、数据采集卡和波形显示存储平台组成。