CN104749519A - 一种基于相关性分析的有载调压变压器分接开关运行状态判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相关性分析的有载调压变压器分接开关运行状态判断方法，属于电力系统设备监测领域。在对电力系统中有载调压变压器分接开关动作过程中驱动电机电流信号和动作振动信号的在线或离线监测数据处理应用中，选取能反映有载调压变压器分接开关运行状态的指标量，对不同量纲的指标量进行基于数学期望值的标准化；以每次监测获得的一组指标量为一个样本，通过采集样本与正常样本间的相关性分析，及两组以上的样本中某两个关注样本之间的偏相关性分析，得到相关系数及偏相关系数作为有载调压变压器分接开关运行状态评价的参考指标，判断设备运行的正常与否及劣化程度。

Description

一种基于相关性分析的有载调压变压器分接开关运行状态判断方法

技术领域

本发明涉及一种基于相关性分析的有载调压变压器分接开关运行状态判断方法，属于电力系统设备监测技术领域。

背景技术

有载调压变压器是保证电网供电质量的有效设备，可以联络电网、稳定负荷中心电压、调节电网潮流分布，在有载调压变压器中，分接开关(OLTC)又是关键装置，且故障发生率较高。在有载调压变压器的运行维护中，主要的工作量也集中在OLTC上。OLTC的性能包含电气性能和机械性能两个方面，电气性能主要指触头接触电阻，当触头接触电阻增大时，会引起触头过热，甚至烧损；OLTC的机械性能指OLTC操作过程中选择开关和切换开关等部件的动作顺序和时间配合，以及切换过程中是否存在卡塞和触头切换不到位等，OLTC的机械故障也能够导致触头、过渡电阻甚至变压器绕组烧损的严重故障。针对OLTC的故障特性，如何在长期运行中及时发现其故障或潜在故障，保证其正常运行，是对有载调压开关进行有效管控的重要问题。

目前针对OLTC的运行状态的检测主要通过停电测试其接触电阻、过渡电阻、切换时间来判断其是否正常运行，而针对日常运行的管理则没有有效的手段，尤其针对在线的状态。一种可行的方法是监测变压器有载调压开关切换过程中的振动信号及驱动电机电流信号，在OLTC处于正常运行、异常运行、故障状态时，从监测信息中提取的重要指标量具有丰富的相关信息，对减少OLTC故障，保证有载调压变压器正常运行具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于监测指标量相关性分析的有载调压变压器分接开关运行状态判断方法。

本发明的技术方案是：一种基于相关性分析的有载调压变压器分接开关运行状态判断方法，在对电力系统中有载调压变压器分接开关(OLTC)动作过程中驱动电机电流信号和动作振动信号的在线或离线监测数据处理应用中，选取能反映OLTC运行状态及反映OLTC发生潜在故障或直接故障的指标量，初选量值为驱动电机电流信号的持续时间、驱动电机电流信号稳定功率输出阶段的幅值、OLTC振动包络信号中弹簧储能阶段的幅值、OLTC振动包络信号中切换动作的持续时间、OLTC振动包络信号中切换动作的振动幅值；以已测的至少10次同一台设备相同档位间正常切换动作的历史数据的数学期望值作为基准值，将监测所得指标量值除以各自对应的基准值，得到指标量不同量纲基于基准值的相对值作为标准化后的指标量值；以每次监测获得的一组指标量为一个样本，通过采集样本与正常样本间的相关性分析，或两组以上的样本中某两个关注样本之间的偏相关性分析，得到相关系数或偏相关系数作为OLTC运行状态评价的参考指标，判断设备运行的正常与否及劣化程度。

具体步骤如下：

(1)在对电力系统中有载调压变压器分接开关(OLTC)切换动作过程的监测中，测得电动机构中驱动电机的A相电流信号和切换动作过程中产生的振动信号并经过处理形成各自的包络信号。从包络信号中提取可以明显反映OLTC运行状态及反映OLTC发生潜在故障或直接故障的指标量，根据相关研究，初选量为显著关联OLTC运行状态的驱动电机电流信号的持续时间、驱动电机电流信号稳定功率输出阶段的幅值、OLTC振动包络信号中弹簧储能阶段的幅值、OLTC振动包络信号中切换动作的持续时间、OLTC振动包络信号中切换动作的振动幅值，指标量个数可根据后续研究并关联运行状态和故障及潜在故障增加。

(2)从同一台有载调压变压器的分接开关动作监测历史数据中选择至少10次相同档位间经验证结果为正常切换动作的指标量数据，分别求取各个指标量的数学期望值作为对应的档位切换相关的单个指标量的基准值，将一次监测结果中提取的指标量值除以各自对应的基准值，得到指标量不同量纲基于基准值的相对值作为一组标准化后的指标量值形成的一个样本。相应的样本定义及计算公式如下：

X_N＝(x_i1,x_i2,x_i3,x_i4,x_i5)，X_j＝(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅)，

$X^{*}=(x_1^{*},x_2^{*},x_3^{*},x_4^{*},x_5^{*}),$

(其中i＝1,2,…n；j＝1,2,3,4,5)

其中X_N为监测历史数据中正常运行的任意一个指标量样本，E(X_N)是X_N的数学期望值，p_i是x_ij的分布概率，X_j为某次测量的一个指标量样本，X^*为指标量基于基准值标准化后无量纲的相对值样本，为依次对应步骤(1)中的监测指标量。

(3)以步骤(2)中标准化的指标量形成样本X，以一组正常运行的相对值标准化样本为Y，计算其相关系数，以新采集样本和正常运行样本之间的相关关系的密切程度，即相关系数评价OLTC的运行状态的安全与否及其安全程度。相关系数越大，即表示OLTC越接近已知的正常运行状态；相关系数越小，则表示OLTC运行异常或存在弹簧老化、触头磨损等相关潜在故障或直接故障，相应的计算公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_1={\mathrm{\ρ}}_1(X,Y)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{X})(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{X})}^2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}^2}}$ (公式中X为一标准化后的正常样本，Y为标准化后的待评价样本)

其中ρ₁为相关系数，|ρ₁|≤1，当|ρ₁|的值越大，说明X和Y之间的相关程度越大或称越相似，即OLTC运行趋于正常；当|ρ₁|的值越小，说明X和Y越不相关或称越不相似，即OLTC运行状态为异常或故障；

利用相关系数ρ₁判断相关关系的密切程度标准定义如下：

若相关系数|ρ₁|＝0，则相关程度为完全不相关；

若相关系数0＜|ρ₁|≤0.5，则相关程度为低度相关；

若相关系数0.5＜|ρ₁|≤0.9，则相关程度为显著相关；

若相关系数0.9＜|ρ₁|＜1，则相关程度为高度相关；

若相关系数|ρ₁|＝1，则相关程度为完全相关。

(4)在对OLTC的运行管控中，需要对OLTC的相同档位切换在某一时期内的运行状态趋势变化进行比较分析，则选取这一时期内的同一档位切换的多组样本，进行偏相关性分析，即应用最近一次的样本和之前某一时间点的一个样本，求取它们之间的偏相关系数作为评价这两个档位之间切换动作的状态变化趋势的标准。相关系数越小，表示跟这一时期内其它样本相关的两个样本间的相关密切程度越低，则相关档位切换动作的状态变化较大；相关系数越大，表示跟这一时期内其它样本相关的两个样本间的相关密切程度越高，则相关档位切换动作的状态变化较小。如选取的之前样本为故障或潜在故障时的样本，则最近一次的样本也类似于之前样本时的状态；如选取的之前样本为正常状态时的样本，则最近一次的样本也接近于正常运行状态，即其相关功能良好，状态劣化不明显。相应的计算公式如下：

$S=\left(\begin{array}{ccc}{S}_{11}& S_{12}& S_1^T\\ S_{21}& S_{22}& S_2^T\\ S_1& S_2& S_{22}\end{array}\right)$

${\mathrm{\ρ}}_2={\mathrm{\ρ}}_2(Y_1,Y_2,X_1,X_2,...,X_p)=\frac{S_{12}-S_1^T{S}_{22}^{-1}{S}_2}{\sqrt{S_{11}-S_1^T{S}_{22}^{-1}{S}_1}\sqrt{S_{22}-S_2^T{S}_{22}^{-1}{S}_2}}$

其中S为标准化后的样本组Y₁,Y₂,X₁,X₂,Λ,X_p的样本协方差矩阵的分块矩阵形式，Y₁,Y₂为样本组中的两个关注变量，X₁,X₂,Λ,X_p为样本组中除Y₁,Y₂的其余样本，ρ₂为Y₁与Y₂跟样本组中其余样本相关联的偏相关系数，|ρ₂|≤1，当|ρ₂|越小，表示Y₁与Y₂的相关密切程度越低，则相关档位切换动作的状态变化较大；当|ρ₂|越大，表示Y₁与Y₂的相关密切程度越高，则相关档位切换动作的状态变化较小。

本发明的原理是：

1、相关性分析判断OLTC运行状态的方法

有载调压变压器分接开关(OLTC)档位切换操作中，驱动电机电流信号和OLTC振动信号中包含可以反映OLTC运行状态正常与否的信息，通过提取的反映OLTC运行状态的5个指标量进行标准化后的数据形成一个样本。通过待判断样本和已知正常样本的相关性分析，求取相关系数判断OLTC的运行状态正常与否，相关系数越大，则表示待判断样本和正常样本越相似，定义不同的相关系数值域范围代表待判断样本正常与否及异常程度。利用一段时间内的多组样本进行偏相关分析，求取偏相关系数判断一段时间内OLTC运行状态的变化趋势大小，从而可以代表一段时间内设备的劣化程度。

2、相关系数的求取

${\mathrm{\ρ}}_1={\mathrm{\ρ}}_1(X,Y)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{X})(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{X})}^2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}^2}}$ (公式中X为一标准化后的正常样本，Y为标准化后的待评价样本)

3、偏相关系数的求取

$S=\left(\begin{array}{ccc}{S}_{11}& S_{12}& S_1^T\\ S_{21}& S_{22}& S_2^T\\ S_1& S_2& S_{22}\end{array}\right)$

${\mathrm{\ρ}}_2={\mathrm{\ρ}}_2(Y_1,Y_2,X_1,X_2,...,X_p)=\frac{S_{12}-S_1^T{S}_{22}^{-1}{S}_2}{\sqrt{S_{11}-S_1^T{S}_{22}^{-1}{S}_1}\sqrt{S_{22}-S_2^T{S}_{22}^{-1}{S}_2}}$

其中S为标准化后的样本组Y₁,Y₂,X₁,X₂,Λ,X_p的样本协方差矩阵的分块矩阵形式，Y₁,Y₂为样本组中的两个关注变量，X₁,X₂,Λ,X_p为样本组中除Y₁,Y₂的其余样本。

本发明的有益效果是：

1、本发明方法中，提出将OLTC振动信号和驱动电机电流信号中提取的指标量进行标准化的方法，解决了不同量纲的指标量对反映OLTC运行状态的统一量化问题，可以直观的反映OLTC运行状态正常、异常或故障的程度；

2、本发明中采用的将一次采集指标量进行标准化后形成的无量纲的指标量作为一个独立样本，并对新采集样本和正常样本的相关性分析，从而得出相关系数作为OLTC运行状态的判断依据的方法，对准确判断OLTC运行状态提供了量化标准；

3、本发明中采用了对一段时期内同一OLTC同一档位切换的多个样本中的两个关注样本进行偏相关分析的方法，对OLTC的全过程寿命管理提供了有效的量化判断依据，同时对OLTC相关部件的劣化问题可以提供判断的量化判断依据。

附图说明

图1为OLTC驱动电机电流信号和振动信号的原始图形，上半部分为电流信号，下半部分为振动信号。

图2为图1处理后的OLTC包络图形，图中范围1为驱动电机电流信号稳定功率输出阶段，范围2为OLTC振动包络信号中弹簧储能阶段，范围3为OLTC振动包络信号中切换动作阶段。

图3为一典型异常的OLTC包络图形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

以某台有载调压变压器分接开关一段时期内的同一档位切换振动信号和驱动电机电流信号中提取的监测指标量的相关性分析为例。具体实施过程根据本发明的实施步骤如下：

(1)通过监测本台设备OLTC切换动作(2档升3档)的振动信号及驱动电机电流信号，得到原始图形如图1所示，对其进行处理后形成包络图形如图2所示，从包络图形中提取监测指标量：驱动电机电流信号的持续时间为6.032s、驱动电机电流信号稳定功率输出阶段(即图2中的范围1)的幅值为1.876A、OLTC振动包络信号中弹簧储能阶段(即图2中的范围2)的幅值为0.457g、OLTC振动包络信号中切换动作阶段(即图2中的范围3)的持续时间为0.135s、OLTC振动包络信号中切换动作阶段的振动幅值为3.185g。

(2)在10次经验证为OLTC正常切换切换动作(2档升3档)的历史数据中提取步骤(1)中提出的5个指标量，并分别求取它们各自的数学期望值作为基准值，将(1)中的监测指标量分别除以各自的基准值，得到一组标准化后无量纲的相对值X^*＝(1.045,0.989,0.975,1.121,0.953)。

(3)对OLTC的运行状态进行评价时，以步骤(2)中标准化的指标量形成样本X＝(1.045,0.989,0.975,1.121,0.953)，以一组正常运行的相对值标准化样本为Y＝(1.011,1.005,0.996,1.056,0.989)，计算其相关系数ρ₁＝ρ₁(X,Y)＝0.9695。可知X与Y的相关密切程度很高，本次监测的档位切换动作为正常运行。

(4)因OLTC的运行管控需要对OLTC的此次档位切换在一年内的运行状态趋势变化进行比较分析，以本次样本为Y₁＝(1.045,0.989,0.975,1.121,0.953)，一年前的第一次正常运行样本为Y₂＝(1.005,0.996,0.986,1.015,0.991)，以一年内的其它一个样本为X＝

(1.011,1.005,0.996,1.056,0.989)，计算偏相关系数ρ₂＝ρ₂(Y₁,Y₂,X)＝0.6846。可知

本次监测指标量考虑年内一个样本较一年前有一定程度的差别，即有一定的劣化，应当在

随后的运行管控中对此档位切换进行持续关注。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于相关性分析的有载调压变压器分接开关运行状态判断方法，其特征在于：在对电力系统中有载调压变压器分接开关动作过程中驱动电机电流信号和动作振动信号的在线或离线监测数据处理应用中，选取能反映OLTC运行状态及反映OLTC发生潜在故障或直接故障的指标量；以已测的至少10次同一台OLTC相同档位间正常切换动作的历史数据的数学期望值作为基准值，对监测所得指标量值进行标准化，得到指标量不同量纲基于基准值的相对值作为标准化后的指标量值；以每次监测获得的一组指标量为一个样本，通过采集样本与正常样本间的相关性分析，及两组以上的样本中某两个关注样本之间的偏相关性分析，得到相关系数或偏相关系数作为OLTC运行状态评价的参考指标，判断设备运行的正常与否及劣化程度。

2.根据权利要求1所述的基于相关性分析的有载调压变压器分接开关运行状态判断方法，其特征在于具体步骤为：

(1)在对电力系统中有载调压变压器分接开关切换动作过程的监测中，测得电动机构中驱动电机的A相电流信号和切换动作过程中产生的振动信号并经过处理形成各自的包络信号；从包络信号中提取可以反映OLTC运行状态及反映OLTC发生潜在故障或直接故障的指标量，初选的指标量为关联OLTC运行状态的驱动电机电流信号的持续时间、驱动电机电流信号稳定功率输出阶段的幅值、OLTC振动包络信号中弹簧储能阶段的幅值、OLTC振动包络信号中切换动作的持续时间、OLTC振动包络信号中切换动作的振动幅值；

(2)从同一台有载调压变压器的分接开关动作监测历史数据中选择至少10次相同档位间经验证结果为正常切换动作的数据，数据内容为步骤(1)中定义的5个指标量，分别求取各个指标量的数学期望值作为对应的档位切换相关的单个指标量的基准值，将一次监测结果中提取的指标量值除以各自对应的基准值，得到指标量不同量纲基于基准值的相对值作为一组标准化后的指标量值形成的一个样本，相应的样本定义及计算公式如下：

X_N＝(x_i1,x_i2,x_i3,x_i4,x_i5)，X_j＝(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅)，

$X^{*}=(x_1^{*},x_2^{*},x_3^{*},x_4^{*},x_5^{*}),$

(其中i＝1,2,…n；j＝1,2,3,4,5)

其中，X_N为监测历史数据中正常运行的任意一个指标量样本，E(X_N)是X_N的数学期望值，p_i是x_ij的分布概率，X_j为某次测量的一个指标量样本，X^*为指标量基于基准值标准化后无量纲的相对值样本，x_ij,x_j,为依次对应步骤(1)中的监测指标量；

(3)以步骤(2)中标准化的指标量形成样本X，以一组正常运行的相对值标准化样本为Y，计算其相关系数，以新采集样本和正常运行样本之间的相关关系的密切程度，即相关系数评价OLTC的运行状态的安全与否及其安全程度；相关系数越大，即表示OLTC越接近已知的正常运行状态；相关系数越小，则表示OLTC运行异常或存在弹簧老化、触头磨损等相关潜在故障或直接故障，相应的计算公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_1={\mathrm{\ρ}}_1(X,Y)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(x_i-\stackrel{\‾}{X})(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{X})}^2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}^2}}$ (公式中X为一标准化后的正常样本，Y为标准化后的待评价样本)

其中ρ₁为相关系数，|ρ₁|≤1，当|ρ₁|的值越大，说明X和Y之间的相关程度越大或称越相似，即OLTC运行趋于正常；当|ρ₁|的值越小，说明X和Y越不相关或称越不相似，即OLTC运行状态为异常或故障。

利用相关系数ρ₁判断相关关系的密切程度标准定义如下：

若相关系数|ρ₁|＝0，则相关程度为完全不相关；

若相关系数0＜|ρ₁|≤0.5，则相关程度为低度相关；

若相关系数0.5＜|ρ₁|≤0.9，则相关程度为显著相关；

若相关系数0.9＜|ρ₁|＜1，则相关程度为高度相关；

若相关系数|ρ₁|＝1，则相关程度为完全相关；

(4)在对OLTC的运行管控中，需要对OLTC的相同档位切换在一年内的运行状态趋势变化进行比较分析，则选取这一时期内的同一档位切换的多组样本，进行偏相关性分析，即应用最近一次的样本和之前某一时间点的一个样本，求取它们之间的偏相关系数作为评价这两个档位之间切换动作的状态变化趋势的标准。相关系数越小，表示跟这一时期内其它样本相关的两个样本间的相关密切程度越低，则相关档位切换动作的状态变化较大；相关系数越大，表示跟这一时期内其它样本相关的两个样本间的相关密切程度越高，则相关档位切换动作的状态变化较小；相应的计算公式如下：

$S=\left(\begin{array}{ccc}{S}_{11}& S_{12}& S_1^T\\ S_{21}& S_{22}& S_2^T\\ S_1& S_2& S_{22}\end{array}\right)$

${\mathrm{\ρ}}_2={\mathrm{\ρ}}_2(Y_1,Y_2,X_1,X_2,...,X_p)=\frac{S_{12}-S_1^T{S}_{22}^{-1}{S}_2}{\sqrt{S_{11}-S_1^T{S}_{22}^{-1}{S}_1}\sqrt{S_{22}-S_2^T{S}_{22}^{-1}{S}_2}}$

其中S为样本组Y₁,Y₂,X₁,X₂,Λ,X_p的样本协方差矩阵的分块矩阵形式，Y₁,Y₂为样本组中的两个关注变量，X₁,X₂,Λ,X_p为样本组中除Y₁,Y₂的其余样本，ρ₂为Y₁与Y₂跟样本组中其余样本相关联的偏相关系数，|ρ₂|≤1，当|ρ₂|越小，表示Y₁与Y₂的相关密切程度越低，则相关档位切换动作的状态变化较大；当|ρ₂|越大，表示Y₁与Y₂的相关密切程度越高，则相关档位切换动作的状态变化较小。