CN104764985A - 一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法 - Google Patents

Abstract

一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介方法，首先采用XY模型模拟变压器油纸绝缘系统极化特性，建立油纸绝缘系统XY模型等值电路，并建立XY模型等值电路参数与特征量复电容和介质损耗因数的关系式；然后采用频域介电谱法测量现场变压器油纸绝缘系统的复电容和介质损耗因数；利用测量的高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，建立参数估计的数学优化模型；利用改进的粒子群优化算法辨识出具有四条极化支路的XY模型等值电路参数值；最后利用辨识出的XY模型等值电路参数值计算出油纸绝缘系统低频段的复电容和介损值，得到较宽范围的频域介电谱。本发明可实现基于频域介电谱方法快速评估大型电力变压器油纸绝缘状态。

Description

一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法

技术领域

本发明涉及电气设备绝缘老化与寿命预测技术领域，特别涉及一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法。

背景技术

电力设备的安全运行是保证电网安全的第一道防线，油浸式电力变压器是电力传输和分配的核心和枢纽,是电网中最重要、最昂贵的设备之一。变压器的严重事故既会导致自身的损坏，还会中断电力供应，造成巨大的经济损失。由内绝缘问题引发的故障占据变压器事故的重要部分，历年来受到电力运行部门和研究学者的关注。变压器内绝缘的主要组成部分是油-纸绝缘，其在长期运行过程中受到电、热等因素的影响会发生老化，引起变压器绝缘性能下降。因此，利用现代测试技术和分析手段，深入研究能有效反映电力变压器内部油纸绝缘老化状态的特征参量，进而对变压器预期寿命进行评估，减小事故发生率，已经成为电力行业和相关研究部门关注的热点和迫切需要解决的技术难题。

近年来频域介电谱法开始受到国内外许多研究机构和学者的关注，作为一种油纸绝缘老化诊断的无损检测手段，它具有抗干扰能力强、测量频率范围广、携带信息丰富等特点。它可以检测变压器的老化程度、纸中水分等重要信息，同时也可以方便地用于变压器的现场检测。该方法使用交流低压电源，通过改变其测量频率，获取不同频率下的复电容和介质损耗，并获取这些特征量随频率变化的函数曲线。研究表明，复电容、介电常数、介电损耗等曲线的不同部分包含着绝缘油和绝缘纸的不同信息，通过分析不同条件下曲线各段的变化情况，确定各段与油纸绝缘系统状态信息的关系，就可以对变压器油纸绝缘状态进行诊断。

但频域介电谱法测量频域范围较广，在此频域段内测量时间非常长，并且1Hz以下频域段数据测量难度非常大，容易受到现场因素的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法，引入XY模型模拟变压器油纸绝缘系统的极化特性，建立油纸绝缘系统的介质响应等值电路，利用测量的高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，建立参数估计的数学优化模型；利用有限的测量数据辨识等效电路参数，用辨识得到的等效电路参数计算低频段频域介电谱，仅需要测量高频段的频域介电特征量，有效减少了频域介电谱法测量时间。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法，其包括以下步骤:

步骤1:首先采用XY模型模拟变压器油纸绝缘系统等值电路，建立油纸绝缘系统XY模型等值电路参数与特征量复电容和介质损耗因数的关系式：

$C^{\′}\left(w\right)=\mathrm{Re}\left(C^{*}\right)=C_s^{\′}+(C_0^{\′}(C_b^{\′2}+C_b^{\′\′2})+C_b^{\′}(C_0^{\′2}+C_0^{\′\′2}))/({(C_0^{\′}+C_b^{\′})}^2+{(C_0^{\′\′}+C_b^{\′\′})}^2)---\left(1\right)$

$C^{\′\′}\left(w\right)=\mathrm{Im}\left(C^{*}\right)=C_s^{\′\′}+(C_0^{\′\′}(C_b^{\′2}+C_b^{\′\′2})+C_b^{\′\′}(C_0^{\′2}+C_0^{\′\′2}))/({(C_0^{\′}+C_b^{\′})}^2+{(C_0^{\′\′}+C_b^{\′\′})}^2)---\left(2\right)$

tgδ＝C″(w)/C′(w)            (3)

式中 $\begin{array}{ccc}{C}_s^{\′}{C}_{\mathrm{sg}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C_{\mathrm{si}}}{1+{\left(w{R}_{\mathrm{si}}{C}_{\mathrm{si}}\right)}^2}& C_s^{\′\′}=\frac{1}{w{R}_{\mathrm{sg}}}+\frac{w{R}_{\mathrm{si}}{C_{\mathrm{si}}}^2}{1+\left(w{R}_{\mathrm{si}}{C}_{\mathrm{si}}\right)}& C_0^{\′}=C_0\end{array}$

$\begin{array}{ccc}{C}_b^{\′}{C}_{\mathrm{bg}}+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{C_{\mathrm{bi}}}{1+{\left(w{R}_{\mathrm{bi}}{C}_{\mathrm{bi}}\right)}^2}& C_b^{\′\′}=\frac{1}{w{R}_{\mathrm{bg}}}+\frac{w{R}_{\mathrm{bi}}{C_{\mathrm{bi}}}^2}{1+\left(w{R}_{\mathrm{bi}}{C}_{\mathrm{bi}}\right)}& C_0^{\′\′}=\frac{1}{w{R}_0}\end{array}$

C_sg、R_sg分别为撑条的几何电容和绝缘电阻；C_bg和R_bg分别为纸板的几何电容和绝缘电阻；C₀、R₀分别为油隙的几何电容和绝缘电阻。其余参数中，下标s代表撑条极化值，b代表纸板极化值。

步骤2:然后采用频域介电谱法测量现场变压器油纸绝缘系统的复电容和介质损耗因数；利用测量的高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，建立参数估计的数学优化模型；步骤3:利用改进的粒子群优化算法辨识出具有四条极化支路的XY模型等值电路参数值；

步骤4:利用辨识出的XY模型等值电路参数值计算油纸绝缘系统低频段的复电容和介损值，得到较宽频段的频域介电谱。对一台变压器试验研究表明，通过本方法估计的频域介电谱与测量值相吻合，在频率<1Hz时，测量值与计算值之间的相对误差控制在2％之内。

所述的一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法,其特征在于:油纸绝缘老化状态是根据油纸绝缘系统的特征量来判断；

所述的一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法,其特征在于:将关系式中等效电路参数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

所述的基于频域介质响应的油纸绝缘老化状态评估方法，其特征在于:辨识出的XY模型等值电路是n＝1，m＝3的具有四条极化支路的等值电路，共有14个等效电路参数。

本发明的优点在于:本方法估计的频域介电谱与测量值相吻合，说明计算得到的频域介电谱可准确评估变压器油纸绝缘老化状态，证实了XY模型的有效性和参数的准确性；在频率<1Hz时，测量值与计算值之间存在有一定的误差，但相对误差控制在2％之内，验证了本发明方法的可行性；本发明不需要测量低频复电容和介损数据特征量，可有效减少了频域介电谱法测量时间，该发明成果可实现基于频域介电谱方法快速评估大型电力变压器油纸绝缘状态。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中:

图1为本发明一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法流程图；

图2为本发明的采用XY模型对变压器油纸绝缘系统进行等效的等值电路示意图；

图3为本发明的所测变压器介质损耗因数频域谱计算值与测量值的对比图；

图4为本发明的所测变压器介质损耗因数频域谱计算值与测量值的误差曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

图1为本发明实施例提供的一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法流程图，如图所示:本发明提供的一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法，包括以下步骤：

步骤1:首先采用XY模型模拟变压器油纸绝缘系统等值电路，建立油纸绝缘系统XY模型等值电路参数与特征量复电容和介质损耗因数的关系式：

$C^{\&prime;}\left(w\right)=\mathrm{Re}\left(C^{*}\right)=C_s^{\&prime;}+(C_0^{\&prime;}(C_b^{\&prime;2}+C_b^{\&prime;\&prime;2})+C_b^{\&prime;}(C_0^{\&prime;2}+C_0^{\&prime;\&prime;2}))/({(C_0^{\&prime;}+C_b^{\&prime;})}^2+{(C_0^{\&prime;\&prime;}+C_b^{\&prime;\&prime;})}^2)---\left(1\right)$

$C^{\&prime;\&prime;}\left(w\right)=\mathrm{Im}\left(C^{*}\right)=C_s^{\&prime;\&prime;}+(C_0^{\&prime;\&prime;}(C_b^{\&prime;2}+C_b^{\&prime;\&prime;2})+C_b^{\&prime;\&prime;}(C_0^{\&prime;2}+C_0^{\&prime;\&prime;2}))/({(C_0^{\&prime;}+C_b^{\&prime;})}^2+{(C_0^{\&prime;\&prime;}+C_b^{\&prime;\&prime;})}^2)---\left(2\right)$

tgδ＝C″(w)/C′(w)              (3)

式中 $\begin{array}{ccc}{C}_s^{\&prime;}{C}_{\mathrm{sg}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{C_{\mathrm{si}}}{1+{\left(w{R}_{\mathrm{si}}{C}_{\mathrm{si}}\right)}^2}& C_s^{\&prime;\&prime;}=\frac{1}{w{R}_{\mathrm{sg}}}+\frac{w{R}_{\mathrm{si}}{C_{\mathrm{si}}}^2}{1+\left(w{R}_{\mathrm{si}}{C}_{\mathrm{si}}\right)}& C_0^{\&prime;}=C_0\end{array}$

$\begin{array}{ccc}{C}_b^{\&prime;}{C}_{\mathrm{bg}}+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{C_{\mathrm{bi}}}{1+{\left(w{R}_{\mathrm{bi}}{C}_{\mathrm{bi}}\right)}^2}& C_b^{\&prime;\&prime;}=\frac{1}{w{R}_{\mathrm{bg}}}+\frac{w{R}_{\mathrm{bi}}{C_{\mathrm{bi}}}^2}{1+\left(w{R}_{\mathrm{bi}}{C}_{\mathrm{bi}}\right)}& C_0^{\&prime;\&prime;}=\frac{1}{w{R}_0}\end{array}$

C_sg、R_sg分别为撑条的几何电容和绝缘电阻；C_bg和R_bg分别为纸板的几何电容和绝缘电阻；C₀、R₀分别为油隙的几何电容和绝缘电阻。其余参数中，下标s代表撑条极化值，b代表纸板极化值。

步骤2:然后采用频域介电谱法测量现场变压器油纸绝缘系统的复电容和介质损耗因数；利用测量的高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，建立参数估计的数学优化模型；步骤3:利用改进的粒子群优化算法辨识出具有四条极化支路的XY模型等值电路参数值；

步骤4:利用辨识出的XY模型等值电路参数值计算油纸绝缘系统低频段的复电容和介损值，得到较宽频段的频域介电谱。

图2为本发明实施例提供的油纸绝缘XY等值电路模型示意图，本实施例中的多层油纸绝缘结构可用一系列电阻与电容串并联组成的XY模型等值电路表示，如图2，C_sg、R_sg分别为撑条的几何电容和绝缘电阻；C_bg和R_bg分别为纸板的几何电容和绝缘电阻；C₀、R₀分别为油隙的几何电容和绝缘电阻；R_sn、C_sn分别代表撑条电路分支的电阻和电容，R_bm、C_bm分别代表纸板电路分支的电阻和电容。本发明实施例辨识出的XY模型等值电路是n＝1，m＝3的具有四条极化支路的等值电路。

图3为本发明实施例提供的对某变电站主变压器采用频域介电谱法进行测量，利用本发明方法得到介质损耗因数曲线计算值与测量值的对比图，从图中可以看出二者良好的吻合，说明计算得到的频域介电谱是准确有效的，证实了XY模型的有效性和参数的准确性。

图4为本发明实施例提供的变压器介质损耗因数频域谱计算值与测量值的误差曲线图,结果表明在频率<1Hz时，测量值与计算值之间存在有一定的误差，但相对误差控制在2％之内，可知误差曲线图也在要求范围之内，可以得出本文计算模型的可行性。

等效电路参数的获得将有助于分析随着绝缘状态的变化引起介电响应特征量的变化，为评估变压器提供了研究的理论基础，它能有效地分析特征量与绝缘参数之间的关系，具有重要的意义。

Claims (5)

1.一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：首先采用XY模型模拟变压器油纸绝缘系统等值电路，建立油纸绝缘系统XY模型等值电路参数与特征量复电容和介质损耗因数的关系式；

步骤2：然后采用频域介电谱法测量现场变压器油纸绝缘系统的复电容和介质损耗因数；利用测量的高频段的复电容和介损特征量参数化等值电路模型，建立参数估计的数学优化模型；

步骤3：利用改进的粒子群优化算法辨识出具有四条极化支路的XY模型等值电路参数值；

步骤4:利用辨识出的XY模型等值电路参数值计算油纸绝缘系统低频段的复电容和介损值，得到较宽频段的频域介电谱。

2.根据权利要求1所述的一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法，其特征在于:油纸绝缘老化状态是根据油纸绝缘系统的特征量来判断。

3.根据权利要求1所述的一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法，其特征在于:油纸绝缘试品XY模型等值电路参数与特征量复电容和介质损耗因数的关系式为:

$C^{\&prime;}\left(w\right)=\mathrm{Re}\left(C^{*}\right)=C_s^{\&prime;}+(C_0^{\&prime;}(C_b^{\&prime;2}+C_b^{\&prime;\&prime;2})+C_b^{\&prime;}(C_0^{\&prime;2}+C_0^{\&prime;\&prime;2}))/({(C_0^{\&prime;}+C_b^{\&prime;})}^2+{(C_0^{\&prime;\&prime;}+C_b^{\&prime;\&prime;})}^2)---\left(1\right)$

$C^{\&prime;\&prime;}\left(w\right)=-\mathrm{Im}\left(C^{*}\right)=C_s^{\&prime;\&prime;}+(C_0^{\&prime;\&prime;}(C_b^{\&prime;2}+C_b^{\&prime;\&prime;2})+C_b^{\&prime;\&prime;}(C_0^{\&prime;2}+C_0^{\&prime;\&prime;2}))/({(C_0^{\&prime;}+C_b^{\&prime;})}^2+{(C_0^{\&prime;\&prime;}+C_b^{\&prime;\&prime;})}^2)---\left(2\right)$

tgδ＝C″(w)/C′(w)   (3)

式中 $C_s^{\&prime;}=C_{\mathrm{sg}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{C_{\mathrm{si}}}{1+{\left({\mathrm{wR}}_{\mathrm{si}}{C}_{\mathrm{si}}\right)}^2}$ $C_s^{\&prime;\&prime;}=\frac{1}{{\mathrm{wR}}_{\mathrm{sg}}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{wR}}_{\mathrm{si}}{C_{\mathrm{si}}}^2}{1+{\left({\mathrm{wR}}_{\mathrm{si}}{C}_{\mathrm{si}}\right)}^2}$ C′₀＝C₀

$C_b^{\&prime;}=C_{\mathrm{bg}}+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{C_{\mathrm{bi}}}{1+{\left({\mathrm{wR}}_{\mathrm{bi}}{C}_{\mathrm{bi}}\right)}^2}$ $C_b^{\&prime;\&prime;}=\frac{1}{{\mathrm{wR}}_{\mathrm{bg}}}+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\mathrm{wR}}_{\mathrm{bi}}{C_{\mathrm{bi}}}^2}{1+{\left({\mathrm{wR}}_{\mathrm{bi}}{C}_{\mathrm{bi}}\right)}^2}$ $C_0^{\&prime;\&prime;}=\frac{1}{{\mathrm{wR}}_0}$

C_sg、R_sg分别为撑条的几何电容和绝缘电阻；C_bg和R_bg分别为纸板的几何电容和绝缘电阻；

C₀、R₀分别为油隙的几何电容和绝缘电阻；其余参数中，下标s代表撑条极化值，b代表纸板极化值。

4.根据权利要求1所述的一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法，其特征在于:将关系式中等效电路参数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

$J=\min \{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\mathrm{tg\&delta;}\left(w\right)-\mathrm{tg}{\mathrm{\&delta;}}_i\left(w\right))}^2+{(C^{\&prime;}\left(w\right)-C_i^{\&prime;}\left(w\right))}^2\}.$

5.根据权利要求1所述的一种基于参数辨识估计油纸绝缘系统低频介损方法,其特征在于:辨识出的XY模型等值电路是n＝1，m＝3的具有四条极化支路的等值电路，共有14个等效电路参数。