CN105182116A - 一种基于加权梯度结构相似度的变压器绕组工作状态检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于加权梯度结构相似度的变压器绕组工作状态检测方法，含下列步骤：1、对变压器绕组进行扫频激振试验，获取变压器绕组的振动频响曲线；2、将变压器绕组振动频响曲线表示成矩阵X，步骤3、将矩阵X划分为M×M的矩阵块，步骤4、计算矩阵X与由历史变压器绕组振动频响曲线表示的矩阵Y的加权梯度结构相似度，步骤5、根据变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度对绕组状态进行判别。本发明可以实现变压器绕组状态诊断，高效、灵敏地检测出变压器绕组的变化情况；同时，通过将不同测点的振动频响曲线进行综合考虑，同时引入加权梯度的概念，可以尽可能地将测量误差对判断结果的影响降到最低。

Description

一种基于加权梯度结构相似度的变压器绕组工作状态检测方法

技术领域

本发明涉及一种信号监测方法，尤其是涉及一种变压器绕组工作状态的检测方法。

背景技术

大型电力变压器是电网中最主要的一次电气设备，其性能直接影响着电力系统的安全稳定运行，对长期运行的电力变压器而言，其可靠性问题至关重要。随着我国电网容量的不断增大，短路容量相应增加，变压器出口短路形成的冲击电流所产生的巨大电磁作用力，会对变压器绕组的机械强度和动稳定性构成严重威胁。若不及时对故障变压器进行维修，不仅会损害变压器，更会对电网的正常运行造成影响，甚至导致电力系统崩溃。

变压器遭受多次短路冲击后，其绕组受力变形，隐藏着绝缘缺陷，一旦遇到电压波动有可能导致绝缘击穿。多年的实践经验表明，变压器绕组变形后，通过一般的绝缘试验及油的试验难以准确进行判断，该故障表现为潜伏性故障。因此，在运行过程中，当变压器经历了外部短路事故或进行常规检修时，如何有效诊断变压器绕组是否存在松动，进而判断变压器是否需要进行检修处理是保障变压器安全运行的重要措施。

变压器绕组变形检测是目前变压器的常规试验项目之一，最常用的检测方法主要有两种：一是短路阻抗法，通过测量和分析变压器绕组在工频电压下的短路阻抗或漏抗，由阻抗或漏抗的变化来判断变压器绕组是否发生了影响安全运行的变化，但该方法灵敏度较低，故障检出率较低，只能在变压器线圈整体变形较为严重时得到较为准确的诊断结果。二是频响分析法，通过测量变压器绕组的传递函数并从频域对其进行描述，从而对变压器绕组是否发生变化进行诊断，但该方法的频响波形较为复杂，对绕组状况进行判断需要较多经验，难以形成明确的定量判据。

若将变压器绕组看作一个机械结构体，则当绕组结构或受力发生任何变化时，都可以从它的机械振动特性变化上得到反映。因此，在变压器停电状态下，给变压器绕组注入频率和幅值已知的激励信号，则可通过测试变压器箱壁上的振动信号获取绕组的振动响应来对绕组的工作状态进行检测。与前述电气测量法相比较，只要绕组的机械特性(如结构变形、预紧力松动等)发生变化，都可以从它的机械振动特性变化上得到反映，从而大大提高了检测的灵敏度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于加权梯度结构相似度的变压器绕组工作状态检测方法，该方法通过对变压器绕组进行扫频激振测试，计算分析变压器绕组振动频响曲线变化，实现对变压器绕组工作状态的高效、准确判断。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于加权梯度结构相似度的变压器绕组工作状态检测方法，包括下列步骤：

(1)对变压器绕组进行扫频激振试验，获取变压器绕组的振动频响曲线，所述的变压器绕组扫频激振试验采用如下试验方法：

1a.在变压器油箱壁上放置M个振动加速度传感器；

1b.将变压器的低压绕组进行短接；

1c.利用变压器绕组振动频响测试系统向高压绕组注入恒流变频激励信号，所述的变压器绕组振动频响测试系统由电流传感器、数据采集模块、测控分析模块、恒流变频激振电源、升压变压器和信号分析显示终端组成，其中，电流传感器采集变压器高压绕组的注入电流，并传送至数据采集模块；

数据采集模块与振动加速度传感器、电流传感器相连接，对采集到的振动信号、电流信号进行采集，并传送至测控分析模块；

测控分析模块对采集到的振动信号、电流信号进行计算分析，并传送至信号分析显示终端；

恒流变频激振电源与测控分析模块相连接，设置恒流扫频电源的输出参数，并传送至升压变压器；

升压变压器与变压器相连接，将恒流变频激励信号施加至变压器的高压绕组。

1d.测控分析模块判断恒流扫频激振电源输出的激励信号的输出频率是否大于终止频率，若是则继续增加频率进行扫频，否则就停止扫频；

1e.测控分析模块根据振动信号计算输出与M个测点对应的变压器绕组振动频响曲线；

(2)将与M个测点对应的变压器绕组振动频响曲线表示成矩阵X，其中，矩阵X的行为测点数目M，矩阵X的列为振动频响曲线的长度，用N表示；

(3)将矩阵X划分为M×M的矩阵块，其中，每个矩阵块为1×Z维子矩阵，且有Z＝N/M；

(4)计算矩阵X与由历史变压器绕组振动频响曲线表示的矩阵Y的加权梯度结构相似度，所述的加权梯度结构相似度的计算方法为：

4a.计算矩阵X和矩阵Y中第(i,j)个子矩阵间的结构比较函数，所述的结构比较函数计算公式为：

$s_{ij}=\frac{2{\mathrm{\δ}}_{XY}+C}{{\mathrm{\δ}}_X{\mathrm{\δ}}_Y+C},i,j=1,2,...,M$

${\mathrm{\δ}}_X=\sqrt{\frac{1}{Z-1}\underset{k=1}{\overset{Z}{\Σ}}{(X_k-{\mathrm{\μ}}_X)}^2}$

${\mathrm{\δ}}_{XY}=\frac{1}{Z-1}\underset{k=1}{\overset{Z}{\Σ}}(X_k-{\mathrm{\μ}}_X)(Y_k-{\mathrm{\μ}}_Y)$

${\mathrm{\μ}}_X=\frac{1}{Z}\underset{k=1}{\overset{Z}{\Σ}}{X}_k$

式中：C为任意较小常数，用以提高函数的稳定性；

4b.计算矩阵X和矩阵Y中第(i,j)个子矩阵间的梯度相似度，所述的梯度相似度计算公式为：

$g_{ij}=\frac{2\underset{i}{\Σ}\underset{j}{\Σ}{G}_X(i,j)G_Y(i,j)+D}{\underset{i}{\Σ}\underset{j}{\Σ}{\[G_X(i,j)\]}^2+\underset{i}{\Σ}\underset{j}{\Σ}{\[G_Y(i,j)\]}^2+D}$

$G_X(i,j)=\left|\frac{\∂v(i,j)}{\∂i}\right|+\left|\frac{\∂h(i,j)}{\∂j}\right|$

$S_v=\left[\begin{array}{ccc}-1& -2& -1\\ 0& 0& 0\\ 1& 2& 1\end{array}\right]S_h=\left[\begin{array}{ccc}-1& 0& 1\\ -2& 0& 2\\ -1& 0& 1\end{array}\right]$

式中：D为任意较小常数，用以避免分母为零的情形；S_v,S_h分别为梯度计算所采用的水平及垂直边缘Sobel算子；分别为水平及垂直边缘算子计算得到的梯度分量；

4c.计算第(i,j)个子矩阵的权重，所述的权重计算公式为：

$W_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}\log \left(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}))& (\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-T)(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j})\&GreaterEqual;0\\ \log \left(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}))& (\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-T)(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j})<0\end{array}\right.$

$T=\sqrt{\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}({\left(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right)}^2+{\left(\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}\right)}^2)}$

4d.计算矩阵X和矩阵Y的加权梯度结构相似度，即为当前变压器绕组振动频响曲线与历史变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度，所述的加权梯度结构相似度计算公式为：

$GWSSIM(X,Y)=\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}{W}_{ij}{g}_{ij}{s}_{ij}$

(5)根据变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度对绕组状态进行判别：当加权梯度结构相似度低于0.8时，判定变压器的绕组发生变化，此时需要及时进行检修处理，避免形成重大故障。

也就是说，本技术方案是通过计算分析扫频激振试验得到的变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度，从而对绕组状态进行判别。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的进一步优化在于：步骤一中对变压器绕组进行扫频激振试验能够较为准确地得到各个测点的振动频响曲线。

本发明的进一步优化在于：步骤二中对各个振动测点的振动频响曲线进行综合考虑，根据振动频响曲线的特点，主要计算分析了曲线的结构相似度，并引入加权梯度的概念进一步提高了诊断的准确性。

本发明的进一步优化在于：步骤三中给出了变压器绕组状态诊断的定量评判标准，为变压器的检修维护提供了依据。

本发明可以实现变压器绕组状态诊断，高效、灵敏地检测出变压器绕组的变化情况；同时，通过将不同测点的振动频响曲线进行综合考虑，同时引入加权梯度的概念，可以尽可能地将测量误差对判断结果的影响降到最低。

附图说明

以下结合附图和具体实施例来对本发明所述的变压器绕组工作状态检测方法做进一步的详细说明；

图1是本发明变压器绕组工作状态检测的流程图；

图2是本实施例中对变压器高压绕组进行扫频激振试验得到的各个振动测点的振动频响曲线。

具体实施方式

参照图1，以一220kV变压器为试验对象进行绕组状态诊断，按照下列步骤判断该变压器绕组的工作状态：

(1)对变压器绕组高压进行扫频激振试验，获取变压器高压绕组的振动频响曲线，所述的变压器绕组扫频激振试验采用如下试验方法：

1a.在变压器油箱壁上放置M个振动加速度传感器；此处，M＝8；

1b.将变压器的低压绕组进行短接；

1c.利用变压器绕组振动频响测试系统向高压绕组注入恒流变频激励信号，所述的变压器绕组振动频响测试系统由电流传感器、数据采集模块、测控分析模块、恒流变频激振电源、升压变压器和信号分析显示终端组成，其中，电流传感器与采集变压器高压绕组的注入电流，并传送至数据采集模块；

数据采集模块与振动加速度传感器、电流传感器相连接，对采集到的振动信号、电流信号进行采集，并传送至测控分析模块；

测控分析模块对采集到的振动信号、电流信号进行计算分析，并传送至信号分析显示终端；

恒流变频激振电源与测控分析模块相连接，设置恒流扫频电源的输出参数，并传送至升压变压器；此处，恒流扫频电源的输出参数为：输出电流为8A，频率范围为45Hz-310Hz，频率间隔为1Hz；

升压变压器与变压器相连接，将恒流变频激励信号施加至变压器的高压绕组。

1d.测控分析模块判断恒流扫频激振电源输出的激励信号的输出频率是否大于终止频率，若是则继续增加频率进行扫频，否则就停止扫频；

1e.测控分析模块根据振动信号计算输出与M个测点对应的变压器绕组振动频响曲线，如图2所示；

(2)将与M个测点对应的变压器绕组振动频响曲线表示成矩阵X，其中，矩阵X的行为测点数目M，此处，M＝8，矩阵X的列为振动频响曲线的长度，用N表示，此处，N＝264；

(3)将矩阵X划分为M×M的矩阵块，其中，每个矩阵块为1×Z维子矩阵，且有Z＝N/M，此处，Z＝33；

(4)计算矩阵X与由历史变压器绕组振动频响曲线表示的矩阵Y的加权梯度结构相似度，所述的加权梯度结构相似度的计算方法为：

4a.计算矩阵X和矩阵Y中第(i,j)个子矩阵间的结构比较函数，所述的结构比较函数计算公式为：

$s_{ij}=\frac{2{\mathrm{\&delta;}}_{XY}+C}{{\mathrm{\&delta;}}_X{\mathrm{\&delta;}}_Y+C},i,j=1,2,...,M$

${\mathrm{\&delta;}}_X=\sqrt{\frac{1}{Z-1}\underset{k=1}{\overset{Z}{\&Sigma;}}{(X_k-{\mathrm{\&mu;}}_X)}^2}$

${\mathrm{\&delta;}}_{XY}=\frac{1}{Z-1}\underset{k=1}{\overset{Z}{\&Sigma;}}(X_k-{\mathrm{\&mu;}}_X)(Y_k-{\mathrm{\&mu;}}_Y)$

${\mathrm{\&mu;}}_X=\frac{1}{Z}\underset{k=1}{\overset{Z}{\&Sigma;}}{X}_k$

式中：C为任意较小常数，用以提高函数的稳定性，此处，C＝0.1；

4b.计算矩阵X和矩阵Y中第(i,j)个子矩阵间的梯度相似度，所述的梯度相似度计算公式为：

$g_{ij}=\frac{2\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}{G}_X(i,j)G_Y(i,j)+D}{\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}{\&lsqb;G_X(i,j)\&rsqb;}^2+\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}{\&lsqb;G_Y(i,j)\&rsqb;}^2+D}$

$G_X(i,j)=\left|\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right|+\left|\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}\right|$

$S_v=\left[\begin{array}{ccc}-1& -2& -1\\ 0& 0& 0\\ 1& 2& 1\end{array}\right]S_h=\left[\begin{array}{ccc}-1& 0& 1\\ -2& 0& 2\\ -1& 0& 1\end{array}\right]$

式中：D为任意较小常数，用以避免分母为零，此处，D＝0.5；S_v,S_h分别为梯度计算所采用的水平及垂直边缘Sobel算子；分别为水平及垂直边缘算子计算得到的梯度分量；

4c.计算第(i,j)个子矩阵的权重，所述的权重计算公式为：

$W_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}\log \left(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}))& (\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-T)(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j})\&GreaterEqual;0\\ \log \left(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}))& (\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-T)(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j})<0\end{array}\right.$

$T=\sqrt{\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}({\left(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right)}^2+{\left(\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}\right)}^2)}$

4d.计算矩阵X和矩阵Y的加权梯度结构相似度，即为当前变压器绕组振动频响曲线与历史变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度，所述的加权梯度结构相似度计算公式为：

$GWSSIM(X,Y)=\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}{W}_{ij}{g}_{ij}{s}_{ij}$

(5)根据变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度对绕组状态进行判别：当加权梯度结构相似度低于0.8时，判定变压器的绕组发生变化，此时需要及时进行检修处理，避免形成重大故障。此处，变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度为0.7215，从而判断变压器绕组发生了变化。通过对变压器进行吊芯检查后发现，变压器A相绕组的2颗压钉全部松动，验证了本方法的有效性与准确性。

Claims (3)

1.一种基于加权梯度结构相似度的变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1、对变压器绕组进行扫频激振试验，获取变压器绕组的振动频响曲线；

步骤2、将变压器绕组振动频响曲线表示成矩阵X，其中，矩阵X的行为测点数目M，矩阵X的列为振动频响曲线的长度，用N表示；

步骤3、将矩阵X划分为M×M的矩阵块，其中，每个矩阵块为1×Z维子矩阵，且有Z＝N/M；

步骤4、计算矩阵X与由历史变压器绕组振动频响曲线表示的矩阵Y的加权梯度结构相似度，即为当前变压器绕组振动频响曲线与历史变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度；

步骤5、根据变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度对绕组状态进行判别：当加权梯度结构相似度低于0.8时，判定变压器的绕组发生变化(此时需要及时进行检修处理，避免形成重大故障)。

2.根据权利要求1所述的一种基于加权梯度结构相似度的变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，所述的步骤1中的变压器绕组扫频激振试验为：

2a.在变压器油箱壁上放置M个振动加速度传感器；

2b.将变压器的低压绕组进行短接；

2c.利用变压器绕组振动频响测试系统向高压绕组注入恒流变频激励信号，所述的变压器绕组振动频响测试系统由电流传感器、数据采集模块、测控分析模块、恒流变频激振电源、升压变压器和信号分析显示终端组成，其中，电流传感器与采集变压器高压绕组的注入电流，并传送至数据采集模块；

数据采集模块与振动加速度传感器、电流传感器相连接，对采集到的振动信号、电流信号进行采集，并传送至测控分析模块；

测控分析模块对采集到的振动信号、电流信号进行计算分析，并传送至信号分析显示终端；

恒流变频激振电源与测控分析模块相连接，设置恒流扫频电源的输出参数，并传送至升压变压器；

升压变压器与变压器相连接，将恒流变频激励信号施加至变压器的高压绕组；

2d.测控分析模块判断恒流扫频电源输出的恒流扫频激励信号的输出频率是否大于终止频率，若是则继续增加频率进行扫频，若否则停止扫频；

2e.测控分析模块根据振动信号计算输出与M个测点对应的变压器绕组振动频响曲线。

3.根据权利要求1所述的一种基于加权梯度结构相似度的变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，所述的步骤4中加权梯度结构相似度的计算为：

3a.计算矩阵X和矩阵Y中第(i,j)个子矩阵间的结构比较函数，所述的结构比较函数计算公式为：

$s_{ij}=\frac{2{\mathrm{\&delta;}}_{XY}+C}{{\mathrm{\&delta;}}_X{\mathrm{\&delta;}}_Y+C},i,j=1,2,...,M$

${\mathrm{\&delta;}}_X=\sqrt{\frac{1}{Z-1}\underset{k=1}{\overset{Z}{\&Sigma;}}{(X_k-{\mathrm{\&mu;}}_X)}^2}$

${\mathrm{\&delta;}}_{XY}=\frac{1}{Z-1}\underset{k=1}{\overset{Z}{\&Sigma;}}(X_k-{\mathrm{\&mu;}}_X)(Y_k-{\mathrm{\&mu;}}_Y)$

${\mathrm{\&mu;}}_X=\frac{1}{Z}\underset{k=1}{\overset{Z}{\&Sigma;}}{X}_k$

式中：C为任意较小常数，用以提高函数的稳定性；

3b.计算矩阵X和矩阵Y中第(i,j)个子矩阵间的梯度相似度，所述的梯度相似度计算公式为：

$g_{ij}=\frac{2\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}{G}_X(i,j)G_Y(i,j)+D}{\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}{\&lsqb;G_X(i,j)\&rsqb;}^2+\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}{\&lsqb;G_Y(i,j)\&rsqb;}^2+D}$

$G_X(i,j)=\left|\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right|+\left|\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}\right|$

$S_v=\left[\begin{array}{ccc}-1& -2& -1\\ 0& 0& 0\\ 1& 2& 1\end{array}\right]$ $S_h=\left[\begin{array}{ccc}-1& 0& 1\\ -2& 0& 2\\ -1& 0& 1\end{array}\right]$

式中：D为任意较小常数，用以避免分母为零；S_v,S_h分别为梯度计算所采用的水平及垂直边缘Sobel算子；分别为水平及垂直边缘算子计算得到的梯度分量；

3c.计算第(i,j)个子矩阵的权重，所述的权重计算公式为：

$W_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}\log \left(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}))& (\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-T)(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j})\&GreaterEqual;0\\ \log \left(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}))& (\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-T)(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}-\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j})<0\end{array}\right.$

$T=\sqrt{\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}({\left(\frac{\&part;v(i,j)}{\&part;i}\right)}^2+{\left(\frac{\&part;h(i,j)}{\&part;j}\right)}^2)}$

3f.计算矩阵X和矩阵Y的加权梯度结构相似度，即为当前变压器绕组振动频响曲线与历史变压器绕组振动频响曲线的加权梯度结构相似度，所述的加权梯度结构相似度计算公式为：

$GWSSIM(X,Y)=\underset{i}{\&Sigma;}\underset{j}{\&Sigma;}{W}_{ij}{g}_{ij}{s}_{ij}.$