CN104764984B

CN104764984B - 变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法

Info

Publication number: CN104764984B
Application number: CN201510179547.7A
Authority: CN
Inventors: 张涛; 李小琴; 吕浩云; 马飞林; 张引
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2015-04-16
Publication date: 2018-06-15
Anticipated expiration: 2035-04-16
Also published as: CN104764984A

Abstract

变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法，采用回复电压法测量现场变压器油纸绝缘系统的回复电压峰值、峰值时间和回复电压初始斜率；采用扩展Debye模型模拟变压器油纸绝缘系统等值电路；建立回复电压峰值、峰值时间以及初始斜率特征量求解介质响应等值电路参数的改进数学模型，n条松弛支路的等值模型有2n+2个模型参数待求解，从而需通过多个回复电压测试循环建立相应规模的非线性方程组进行求解；将非线性方程组的求解转化为求解目标函数最小值的优化问题，采用混合PSO的细菌觅食优化算法辨识出等值电路参数并计算回复电压曲线，与回复电压测量曲线比较发现二者主时间常数相同，能够准确判断变压器油纸绝缘状态。

Description

变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法

技术领域

本发明涉及一种变压器油纸绝缘介质响应电路参数辨识方法，特别是一种基于回复电压法的变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法。

背景技术

电力变压器对电网的正常运行十分重要，在运行中，由于受到电气、热和环境应力的作用，其油纸绝缘系统的状态发生变化，变压器的绝缘老化状态诊断是目前国内外研究的热点之一。变压器的寿命主要取决于油纸绝缘系统的老化状态，油纸绝缘的介电特性在运行过程中会发生改变，目前介电测量方法已经广泛应用于评估变压器的油纸绝缘老化状态，通过建立介质响应和介质之间的联系，对介质进行诊断。

传统的绝缘状态评估方法只能给出固体绝缘状态的部分信息，已经不能满足现在电力企业的需求。最近几十年国内外学者提出了一些新的诊断方法,这些方法均是以介电响应为基础的。回复电压方法是一种基于介电响应理论现场诊断电力变压器的非破坏性检测方法，它能够表征介质的绝缘状况及老化状态，已经被广泛应用。

基于回复电压原理，扩展Debye模型的介质响应等值电路参数与油纸绝缘老化状态存在着映射关系。辨识介质响应等值电路参数非常繁琐，需要选择合适的数学模型对参数进行求解。Xu shuzhen选择的数学模型需要积分，过程非常复杂，而且在辨识参数过程中忽略了数学模型中的一些参数，影响了参数辨识的精度；张涛提出利用回复电压初始斜率特征量辨识介质响应等值电路参数的数学模型，取得了良好的参数辨识效果；熊维兵利用回复电压最大值和峰值时间特征量建立了参数辨识数学模型，也取得了较好的参数辨识效果；但上述两种模型测量数据时都需要很长时间，且不能直接辨识出所有未知参数。已有研究表明，利用初始斜率特征量对大型变压器进行绝缘老化状态检测是有效的，但是对小型变压器进行绝缘老化状态检测时效果并不理想。因此需要进一步改进数学模型以达到更好的参数辨识效果，从而使得到的等值电路参数能更好的反映油纸绝缘变压器的油纸绝缘状态。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于回复电压法的变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法，旨在解决特征量测量时间较长、初始斜率测量值不精确对参数辨识造成误差以及初始斜率特征量对小型变压器进行绝缘老化状态检测时效果并不理想的问题。

本发明的技术方案如下：

变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1)：利用RVM5461测量仪器对现场三台变压器油纸绝缘系统低压侧进行特征量测量，所测的变压器等级为110KV及以上，测得的特征量包括最大峰值电压U_rmax、峰值测量时间t_p和回复电压初始斜率dU_r/dt；

步骤(2)：采用扩展Debye模型对变压器油纸绝缘系统进行等效，选取6条松弛支路，共有14个未知量；

步骤(3)：建立利用回复电压峰值、峰值时间以及初始斜率特征量求解介质响应等值电路参数的改进数学模型，通过多个回复电压测试循环建立相应规模的非线性方程组为：

其中U_rmax为回复电压峰值、t_p为峰值测量时间、dU_r/dt为回复电压初始斜率；t_c、t_d分别为充、放电时间，一般取t_d＝1/2t_c，t为回复电压测试时间，n为极化支路数，U₀为直流电源电压；未知参数为极化电阻R_pi、极化电容C_pi、绝缘电阻R_g和几何电容C_g，τ_i＝R_piC_pi。i＝1,…,n；j＝1,…,2n+1；m为其中一个j的数值。

步骤(4)：将非线性方程组的求解转化为求解目标函数最小值的优化问题，采用混合PSO的细菌觅食优化算法辨识等值电路参数；

步骤(5)：根据辨识所得参数计算回复电压曲线，将回复电压计算曲线与回复电压测量曲线比较发现二者主时间常数相同，具有很好的一致性，所以能够正确判断变压器油纸绝缘状态，说明本发明提出的改进方法是可行的；

所述的变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法，对于双绕组变压器，通过测量高压侧—地或低压侧—地得到变压器油纸绝缘系统的特征量；对于三绕组变压器，通过测量高压侧—地、中压侧—地或低压侧—地得到变压器油纸绝缘系统的特征量；

所述的变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法，一组测量数据可以建立两个方程，6条松弛支路共有14个未知量，所以可以通过多个回复电压测试循环建立相应规模的非线性方程组进行求解；

所述的变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法，将非线性方程组的求解转化为求解目标函数最小值的优化问题，目标函数为：

所述的变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法，采用混合PSO的细菌觅食优化算法计算出等值电路参数值，算法的主要参数设计如下：细菌规模s＝100，迁移次数Ned＝2、复制次数Nre＝4、趋化次数Nc＝50，游动次数Ns＝5、迁移概率Ped＝0.25。其中，粒子群算法采用惯性权重ω＝1的线性策略，学习因子c1＝c2＝2，粒子数为100。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：(1)本发明中利用改进数学模型建立的是含有指数函数的非线性方程组，将等值电路参数辨识问题转化为数学优化问题，利用最小二乘法建立数学优化模型，并用混合PSO的细菌觅食优化算法进行求解，能够直接辨识出所有未知量；(2)本发明参数辨识效果良好，优点是一组测量数据可以建立两个方程，可以减少测量点，从而缩短测量时间，具有很好的推广价值，能够广泛应用于各种变压器油纸绝缘介质响应的参数辨识，适合变压器油纸绝缘状态诊断。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为采用扩展Debye模型对变压器油纸绝缘系统进行等效的介质响应等值电路；

图3为1#主变的回复电压测量值与计算值比较；

图4为2#主变的回复电压测量值与计算值比较；

图5为3#主变的回复电压测量值与计算值比较。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清晰，下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的介质响应等值电路参数辨识的改进方法，通过验证根据辨识参数计算获得的回复电压曲线与实际测量曲线主时间常数是否一致，来判断改进数学模型的正确性。若二者一致则说明改进数学模型是可行的，从而解决特征量测量时间较长、短时间充电时初始斜率测量值不精确对参数辨识造成误差，以及对小型变压器参数辨识时效果并不理想的问题。其具体步骤如下：

利用RVM5461测量仪器对现场三台变压器油纸绝缘系统低压侧进行特征量测量，所测的变压器等级为110KV及以上，测得的特征量包括最大峰值电压U_rmax、峰值测量时间t_p和回复电压初始斜率dU_r/dt，充放电时间比例为2，充电电压为2000V，测试温度为30℃；为避免受到残余电荷等因素的影响，测量之前需将绕组的三相引出端短接并通过接地短路放电释放残余电荷，并且尽量保持测量时周围环境温度稳定、空气湿度小。改变充放电时间进行一系列测量，可以得到多个测试循环的特征量。

对于双绕组变压器，通过测量高压侧—地或低压侧—地得到变压器油纸绝缘系统的特征量；对于三绕组变压器，通过测量高压侧—地、中压侧—地或低压侧—地得到变压器油纸绝缘系统的特征量。

采用扩展Debye模型等效变压器油纸绝缘系统，选取6条松弛支路，共有14个未知量，包括极化电阻R_p1～R_p6、极化电容C_p1～C_p6、绝缘电阻R_g和几何电容C_g；

建立利用回复电压峰值、峰值时间以及初始斜率特征量综合求解介质响应等值电路参数的改进数学模型，通过多个回复电压测试循环建立相应规模的非线性方程组进行求解；

非线性方程组的求解非常困难，本发明将非线性方程组的求解转化为求解目标函数最小值的优化问题，采用混合PSO的细菌觅食优化算法计算出等值电路参数值。目标函数为：

混合PSO的细菌觅食算法的主要设计如下：对细菌规模s，趋化次数Nc，游动次数Ns，繁殖次数Nre，迁移次数Ned以及迁移概率Ped进行参数设定；对粒子群算法的参数进行设计，设定每一个细菌的局部极值初始值和全部细菌的全局极值初始值；对细菌位置进行随机初始化，使每一个细菌随机产生任意方向的单位步长向量；趋化循环操作；更新细菌个体的局部极值和细菌群体的全局极值，按照粒子群算法的公式更新细菌的翻转方向；复制操作；迁移操作。主要参数设计如下：细菌规模s＝100，迁移次数Ned＝2、复制次数Nre＝4、趋化次数Nc＝50，游动次数Ns＝5、迁移概率Ped＝0.25。其中，粒子群算法采用惯性权重ω＝1的线性策略，学习因子c1＝c2＝2，粒子数为100。

利用本发明对一台型号为SFSE9-2400的220KV/240MVA某变电站1#主变，一台型号为SFSZ9的220KV/240MVA某变电站2#主变以及一台电压等级为500KV的某变电站3#主变，利用RVM54641测量仪器对三台变压器的低压侧分别进行现场测量，充放电时间比例为2，充电电压为2000V，测试温度为30℃。优化结果表明，目标函数的最小值分别为0.0557，0.0756，0.1096，满足所需精度要求，说明获得最优解是可行的。根据辨识所得参数值计算得到回复电压曲线，将回复电压计算曲线与测量曲线进行比较，二者主时间常数均相同，具有良好的一致性，说明本发明提出的方法可行。回复电压计算曲线与测量曲线的比较如图3、图4、图5所示，可以看出，充电时间较短的情况下，由于仪器测量的初始斜率特征量误差较大，所以得到的回复电压计算值与测量值有一定误差，但是回复电压计算曲线与测量曲线整体具有很好的一致性，主时间常数相同，能够准确诊断变压器油纸绝缘的状态，说明本发明提出的改进方法是可行的，并且能够缩短测量时间，具有很好的推广价值。

本发明的应用仅用于说明本发明，但不限于上述举例，在此基础上进行的改进和等同变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)：利用RVM5461测量仪器对现场三台变压器油纸绝缘系统低压侧进行特征量测量，所测的变压器等级为110KV及以上，测得的特征量包括回复电压峰值U_rmax、峰值测量时间t_p和回复电压初始斜率dU_r/dt；

(2)：采用扩展Debye模型对变压器油纸绝缘系统进行等效，n条松弛支路的等值模型将有2n+2个模型参数待求解；

(3)：建立利用回复电压峰值、峰值时间以及初始斜率特征量求解介质响应等值电路参数的改进数学模型，选取6条松弛支路，共有14个未知量，从而需要通过多个回复电压测试循环建立相应规模的非线性方程组进行求解；

(4)：将非线性方程组的求解转化为求解目标函数最小值的优化问题，采用混合PSO的细菌觅食优化算法辨识等值电路参数值；

(5)：根据辨识所得参数值计算回复电压曲线，将回复电压计算曲线与回复电压测量曲线观察比较发现二者主时间常数相同，具有一致性，能用于正确判断变压器油纸绝缘状态；所述步骤(3)中，建立了利用回复电压峰值、峰值时间以及初始斜率特征量求解介质响应等值电路参数的改进数学模型，多个回复电压测试循环建立相应规模的非线性方程组为：

其中U_rmax为回复电压峰值、t_p为峰值测量时间、dU_r/dt为回复电压初始斜率；t_c、t_d分别为充、放电时间，取t为回复电压测试时间，n为极化支路数，U₀为直流电源电压；未知参数为极化电阻R_pi、极化电容C_pi、绝缘电阻R_g和几何电容C_g，τ_i＝R_piC_pi；i＝1，A，n；j＝1，A，2n+1；m为其中一个j的数值；

所述步骤(4)中，将非线性方程组的求解转化为求解目标函数最小值的优化问题，目标函数为：

所述步骤(4)中，采用混合PSO的细菌觅食优化算法计算出等值电路参数值，算法的主要参数设计如下：细菌规模s＝100，迁移次数Ned＝2、复制次数Nre＝4、趋化次数Nc＝50，游动次数Ns＝5、迁移概率Ped＝0.25；其中，粒子群算法采用惯性权重ω＝1的线性策略，学习因子c1＝c2＝2，粒子数为100。

2.根据权利要求1所述一种变压器油纸绝缘介质响应等值电路参数辨识的改进方法，其特征在于：所述步骤(1)中，对于双绕组变压器，通过测量高压侧-地或低压侧-地得到变压器油纸绝缘系统的特征量；对于三绕组变压器，通过测量高压侧-地、中压侧-地或低压侧-地得到变压器油纸绝缘系统的特征量。