CN105203937A - 一种变压器内部放电模式识别方法及故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变压器内部放电模式识别方法，其特征是：通过对已知内部故障的变压器的放电声信号提取信号波形的奇异性指数；收集各类放电模式下对应的信号波形的奇异性指数，建立不同放电模式下的声学信号特征库；对被监测的变压器，监测获取其放电声信号波形，并提取信号波形的奇异性指数；将被监测的变压器放电声信号波形的奇异性指数与声学信号特征库进行比对，与特征库中的奇异性指数相同则判定为相应的放电模式。本发明还提供了基于该方法的变压器内部放电故障诊断系统。本发明通过精确、稳定监测变压器内部放电声信号，准确进行内部放电模式的识别，根据监测声信号进行分析处理可及时发现故障。

Description

一种变压器内部放电模式识别方法及故障诊断系统

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，尤其是涉及一种基于放电声信号分析的变压器内部放电模式识别方法及变压器内部故障诊断系统。

背景技术

电力变压器在电能的持续稳定传输中扮演极其重要的角色，其可靠运行与绝缘状况有直接关系。变压器内部放电为变压器常见故障，变压器内部放电会引发绝缘劣化，内部构件工作失常，进而引发变压器脱离正常运行状态，甚至对周围电力设备造成威胁，造成一系列连环事故。

变压器内部放电故障有引线接头烧熔发生电弧、引线对油箱或夹件放电、引线间或引线对其他电位体电弧放电、匝间放电、层间放电、相间短路放电、火花放电、固体绝缘气隙放电、沿面放电、悬浮电位放电等多种放电模式。在线准确识别变压器内部放电模式对及时发现变压器内部故障隐患、提高现场运维检修效率具有重要意义。

传统的变压器内部放电测试方法包括在线监测和离线检测两种。在线监测主要有介损测量、油色谱监测、超声监测等方法，这些方法实时性较好，但反映绝缘缺陷的宏观特征量太小，易受现场电场与磁场等的干扰，严重影响了测量精度和监测结果准确度；离线检测主要有油色谱检测、空载损耗、短路损耗与耐压等试验，这些方法可以准确发现问题，但检测周期长，不具备实时性，由于绝缘老化非线性和加速性等特点，无法保证两次离线检测之间变压器能安全运行。

综上所述，传统的变压器内部放电测试方法难以同时兼顾监测过程的实时性与监测结果准确性，并且，难以实现变压器内部放电模式的快速识别。各类测试仅仅为孤立的试验手段，难以形成有效的变压器故障诊断系统。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种变压器内部放电模式识别方法，它为一种实时、无损的在线检测方法，通过精确、稳定监测变压器内部放电声信号，准确进行内部放电模式的识别，根据监测声信号进行分析处理可及时发现故障，同时有效避免外界环境中电场、磁场的干扰。

本发明的第二个目的在于提供一种能提高变压器内部放电故障模式识别准确性、利用声波传播特性提高故障定位准确性的变压器内部放电故障诊断系统。

本发明的第一个目的是这样实现的：

变压器在内部放电过程中，总是伴随着声信号的产生。研究表明，内部放电产生的声信号与放电类型有一定的对应关系。通过变压器内部故障声学信号特征的提取，可实现对变压器内部故障模式的有效识别。

奇异性指数从波形光滑性角度量化了信号或函数在波形突变处的特性，采用小波理论分析信号的奇异性特点，以信号波形的奇异性指数作为一种特征参数，可用于识别变压器的放电模式，指导电力变压器故障诊断。

一种变压器内部放电模式识别方法，其特征是：

1.通过对已知内部故障的变压器的放电声信号提取信号波形的奇异性指数。

2.收集各类放电模式下对应的信号波形的奇异性指数，建立不同放电模式下的声学信号特征库。

3.对被监测的变压器，监测获取其放电声信号波形，并提取信号波形的奇异性指数。

4.将被监测的变压器放电声信号波形的奇异性指数与声学信号特征库进行比对，与特征库中的奇异性指数相同则判定为相应的放电模式。

更具体地，对采集到的放电声信号波形提取奇异性指数，其步骤包括：

(1)利用小波变换技术对输入的信号波形进行消噪处理；

(2)对消噪后信号进行数字信号变换以提取其信号包络；

(3)对包络信号进行小波分解与重构，获得各尺度下高频分解系数；

(4)对高频分解系数通过数字信号变换提取其信号包络；

(5)获取各分解尺度下的模极大值；

(6)将各尺度下的模极大值构成序列，对序列经由最小二乘法计算获得信号波形的奇异性指数。

本发明的第二个目的是这样实现的：

一种变压器内部放电故障诊断系统，由1个故障数据收集单元、1台服务器与若干个实时监测工作单元组成，三者之间仅通过网络连接，通过电气隔离有效减少干扰，其中实时监测工作单元数量与被监测主变数量相等。1个故障数据收集单元由1个声信号特征数据采集终端与1台PC上位机组成，两者之间采用无线通信，声信号特征数据采集终端安装于变压器上，PC上位机设置在通讯有效范围内；服务器数量为1台，设置在设备运维部门的任意场所内；每1台需监测主变压器对应1个实时监测工作单元，1个实时监测工作单元由1个放电检测终端与1台PC上位机组成，两者之间采用无线通信，放电检测终端安装于变压器上，上位机设置在通讯有效范围内；所有的PC上位机通过网络与服务器连接。

故障数据收集单元对发生内部放电故障变压器放电声信号进行收集，提取出不同放电模式下的信号波形奇异性指数，并传输存储进服务器；服务器内建立声学信号特征数据库，对故障数据收集单元与实时监测单元提取的放电声信号奇异性指数与放电模式，放电参数进行记录、分类、检索、比较；实时监测工作单元则对运行中的变压器进行监测，实时测试分析放电声信号波形，并将提取的奇异性指数发送至服务器内声学信号特征数据库进行对比，显示反馈结果，并对已判断的故障放电进行故障定位并启动声光报警。

1.所述故障数据收集单元由传感器、模拟滤波器、ADC转换器、读写存储器、通信端口电路、PC上位机、电源电路组成。电源电路将输入的外接电源转换为供传感器、读写存储器、显示屏等部件所需的不同等级的电压；传感器输入端与已知故障变压器相连接，检测变压器内部放电声信号，输出端与模拟滤波器输入端相连；模拟滤波器输入端与传感器输出端相连，将检测的放电声信号滤去背景噪声，其输出端与ADC转换器输入端连接；ADC转换器将滤波后的放电声信号进行AD转换为数字信号，其输出端与读写存储器输入端相连接；读写存储器将数字信号经由通信端口与PC上位机进行无线通讯，将数字信息上传至PC上位机进行波形处理，提取故障波形的奇异性指数；PC上位机与服务器相连接，并将不同类型内部放电声信号的奇异性指数上传至服务器。

2.所述服务器，具有两个输入端与一个输出端。第一输入端接收故障收集单元上传的放电声信号的奇异性指数、放电模式、放电时间等信息，并依此建立声信号特征数据库；第二输入端则接收实时监测单元输入的放电声信号的奇异性指数，并将其与数据库内的数据进行对比，判断奇异性指数是否为故障放电，以及放电故障模式；服务器将判别情况经由输出端反馈回实时监测单元。

3.所述实时监测单元，由放电检测终端与PC上位机组成。实时监测单元实时、在线地对波形监测并提取声信号的奇异性指数，将奇异性指数上传至服务器进行对比与放电模式判别，判定为内部放电后，对放电故障进行定位并在放电检测终端上显示，同时启动声光报警。其组成与具体特征如下：

(1)放电检测终端由3组发声模块、4组传感器、模拟滤波器、ADC转换器、读写存储器、通信端口电路、数据译码电路、显示屏、电源电路、电池、充电接口组成。每组发声模块各与1组传感器放置同一位置。

放电检测终端可针对受监测变压器实际所需监测时间的长短采用电池供电和外部电源供电两种供电模式。对于需长期在线监测的变压器，放电检测终端长期固定在变压器上，采用外接电源供电，由外接电源直接输入电源电路；对于短时监测、巡视检查、诊断性试验等情况，采用电池供电，技术人员将放电检测终端短时贴靠在变压器外壳上进行放电声信号监测与放电模式判别。充电端口可通过外部电源接入对电池进行充电，电池输出端接入电源电路。电源电路对电压进行转换，转换后输出为供传感器、读写存储器、显示屏等部件所需的不同等级的电压。

受监测变压器运行时，4组传感器输入端与受监测变压器相连接，检测变压器内部放电声信号，输出端与模拟滤波器输入端相连；模拟滤波器输入端与传感器输出端相连，将检测的放电声信号根据所需频段滤波，其输出端与ADC转换器输入端连接；ADC转换器将滤波后的放电声信号进行AD转换为数字信号，其输出端与读写存储器第一输入端相连接；读写存储器第一输入端与ADC转换器输出端连接，其第二输入端、第一输出端分别与通信端口连接，用于与上位机进行无线通讯，其第二输出端与3组发声模块相连，第三输出端与声光报警电路相连，第四输出端与数据译码电路相连；PC上位机对通信端口上传的波形信息进行处理，提取波形的奇异性指数并记录4组传感器检测到声信号的不同的起始时间，之后将获取的奇异性指数通过服务器的第二输入端上传至服务器，并将其与数据库内的数据进行对比，判断奇异性指数是否为故障放电；PC上位机接收服务器的输出端反馈结果，并根据反馈结果执行不同的指令。

当获得的奇异性指数不为故障放电时，PC上位机指示放电检测终端继续对后续的波形进行检测；当获得的奇异性指数为故障放电时，则PC上位机继续与服务器连接，识别记录放电模式，并经由通信端口电路给读写存储器发送指令，读写存储器第二输出端输出信号到3组发声模块；每组发声模块各与1组传感器放置同一位置，每一组发声模块发出声波信号，4组传感器分别将测得波形初始时间参数传输至PC上位机，PC上位机计算获得4组传感器的相对位置；之后PC上位机根据初始测得内部故障放电声信号到达4组传感器的时间差计算得出故障放电点到4组传感器之间的相对位置，完成故障定位；PC上位机将故障放电模式与故障定位信息经由通信端口电路发送至读写存储器；读写存储器经由第三输出端发送信号给声光报警电路，声光报警电路启动，提示存在内部放电；同时读写存储器经由数据译码电路将放电模式信息与故障定位信息发送至显示屏。

本发明的优点是：

(1)对变压器内部放电模式判别是基于放电声信号的奇异性指数来进行的，对放电模式判定具有唯一性，判别精度高；根据声信号进行判别，有效避免外界环境中电场、磁场的干扰。

(2)变压器内部放电故障诊断系统由故障数据收集单元、服务器、实时监测工作单元组成，三者之间仅通过网络连接，有效实现电气隔离，可以减少干扰。

(3)在实时监测工作单元内，放电检测终端设有外接电源模式与电池供电模式，可针对长期在线监测或是短时巡检测试的不同工作模式选择供电模式，测试方式灵活。

(4)对4台传感器的初始相对位置的定位是通过发声模块来确定，不需要使用电信号，有效避免运行中变压器产生的电气干扰。

(5)由于有发声模块对传感器初始位置进行定位，在设备巡检中或放电终端的安装中，可以按需求设置传感器的位置，极大提升设备使用、安装的灵活度，同时保证故障定位的准确性。

(6)内部放电经由4台传感器的故障定位后，相关定位信息经PC机处理后可以二维/三维图形在显示屏上显示，使得内部故障的空间位置显示更加直观，便于运维人员针对性开展检修。

附图说明：

图1为本发明的放电声信号的奇异性指数计算方法流程图；

图2为本发明的内部放电故障诊断系统结构框图；

图3为本发明的内部放电故障诊断系统工作流程图；

图4为本发明内部放电故障诊断系统硬件装置示意图。

附图标记所对应的名称为：

1-故障数据收集单元，2-服务器，3-实时监测工作单元，101-声信号特征数据采集终端，102-PC上位机1(故障数据收集单元)，301-放电检测终端，302-PC上位机2(实时监测工作单元)，110-传感器1,111-模拟滤波器1,112-ADC转换器1,113-读写存储器1,114-通信端口电路1,115-电源电路1,310-发声模块1,311-发声模块2,326-发声模块3,312-传感器2,313-传感器3,314-传感器4，325-传感器3，315-模拟滤波器2,316-ADC转换器2,317-读写存储器2,318-通信端口电路2,319-电源电路2,320-声光报警电路，321-数据译码电路，322-显示屏，323-电池，324-充电端口。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。在此说明，这些实施方式的说明仅用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

实施例一：

本发明提供一种变压器内部放电模式识别方法，基本原理是通过对声信号进行检测、处理，获取声信号的奇异性指数来实现的。首先将不同故障放电模式及对应的声信号奇异性指数存储建立数据库，再对受监测变压器声信号波形监测、处理，获得奇异性指数并与数据库对照，判断是否为内部故障，以及放电模式，为设备的状态检修提供参考依据。其步骤为：

1、监测采集故障变压器内部放电声信号；

2、对采集获得的放电声信号处理获取波形的奇异性指数，其步骤包括：

(1)利用小波变换技术对原始信号波形进行消噪处理。

小波基函数可以选择Haar小波、Daubechies(dbN)小波、MexicanHat(mexh)小波、Morlet小波、Meyer小波等，一般选取Daubechies小波(简写为dbN，N为小波的阶数)，。选择确定小波基函数后，输入采集获得的原始放电声信号波形，通过Matlab软件进行小波变换处理即可获得去噪后信号x(t)。

(2)对消噪后信号进行数字信号变换以提取其信号包络

提取信号包络的数字信号变换方法可选Hilbert变换或高斯小波变换，以Hilbert变换为例，根据式(1-1)对去噪后信号x(t)进行数字信号变换。其中为经信号变换后的值，τ为积分变量:

$\hat{x}\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}t}*x\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}\frac{x\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}---(1-1)$

由式(1-2)得到的解析信号g(t)，其中j为虚数单位，x(t)与分别为实部、虚部：：

$g\left(t\right)=x\left(t\right)+j\hat{x}\left(t\right)---(1-2)$

去噪后信号x(t)的包络A(t)为g(t)的幅值，可由式(1-3)计算:

$A\left(t\right)=\sqrt{x^2\left(t\right)+{\hat{x}}^2\left(t\right)}---(1-3)$

(3)采用小波分解技术对包络信号进行分解

对包络分解仍然选取Daubechies小波，以‘db1’小波基函数为例，分解层数设为5层，对式(1-3)中所得包络进行一维小波分解，采用Matlab软件中detcoef函数提取各层高频分解系数。

(4)重构各尺度下高频分解系数

使用Matlab软件中wrcoef函数重构相应各层高频分解系数。

(5)对各层高频分解系数分别提取包络

重复步骤(2)根据式(1-1)、(1-2)和(1-3)对步骤(4)得到的各层高频分解系数分别提取包络。分解的层数为s＝1,2,3…,s取值为从1开始的正整数。

(6)获取各分解尺度下模极大值

取s＝2ⁱ作为进行波形分析的尺度，即分别取分解层数为1,2,4,16…作为波形分析的尺度；在高频分解系数的包络中取放电突变瞬间处的(s0，t0)，即可获取该分解尺度下的模极大值，即局部模极大值点(s0，t0)在t0的某一邻域内的任一点t，式(1-4)都成立

$\left|W_{s_0}f\left(t\right)\right|\≤\left|W_{s_0}f\left(t_0\right)\right|---(1-4)$

之后

(7)将模极大值构成序列

对获取的各尺度2ⁱ上t处的模极大值并将各尺度相应位置处的模极大值可构成序列{Mi}。其中M_i为尺度2ⁱ上的模极大值，为该尺度下波形的幅值，f(t)为波形函数。

(8)计算奇异性指数

对序列{Mi}，根据最小二乘法由式(1-6)计算奇异性指数α：

α＝log₂M_i+1-log₂M_i(1-5)

3、将放电模式与对应的奇异性指数等信息输入数据库，并储存于服务器

将故障变压器声信号信息与奇异性指数整理建立一个长期存储在计算机内的、有共享的、统一管理的数据集合。数据库软件可选用Access，sqlserver，MySQL，oracle等。以MySQL数据库为例，MySQL是一种关联数据库管理系统，具有较高的速度与灵活性；使用的SQL语言是用于访问数据库的最常用标准化语言。

与MySQL数据库匹配的服务器及软件可以选择以下方案Linux作为操作系统，Apache为Web服务器，PHP为服务器端脚本解释器，以上软件均为开放源码或免费软件，可有效降低软件维护难度，大幅降低成本。

4、对被监测的变压器，监测获取其放电声信号波形。

5、重复步骤2，提取被监测变压器放电声信号波形的奇异性指数。

6、将被监测的变压器放电声信号波形的奇异性指数与声学信号特征数据库进行比对，同时将结果反馈。若奇异性指数与数据库中已记录的α值相同，则判别为存在内部放电，反之，则变压器无内部放电故障。

7、对存在内部放电的情况，继续在数据库中导出放电模式等信息，反馈至上位机电脑执行下一步指令。

实施例二：

本发明同时提供一种变压器内部放电故障诊断系统，由一个故障数据收集单元1、一台服务器2与若干个实时监测工作单元3组成。其中要求在每一台待监测主变需设置一个实时监测工作单元，即覆盖N台待监测主变需配置N个实时监测工作单元以上设备可构成一个变压器内部放电故障诊断系统。系统具体组成如下：

1、故障数据收集单元1由声信号特征数据采集终端101与PC上位机-1102组成，声信号特征数据采集终端101安装于变压器上，PC上位机-1102设置在通讯有效范围内。两者通过无线通讯交换信息。

PC上位机-1102要求基本配置为安装有无线通讯模块，安装有Matlab软件并具有计算奇异性指数的程序。

声信号特征数据采集终端101由传感器-1110,模拟滤波器-1111,ADC转换器-1112,读写存储器-1113,通信端口电路-1114,电源电路-1115组成。其中传感器-1110安装在已知故障变压器上，输入端紧贴变压器表面，输出端与模拟滤波器-1111输入端连接，传感器可选用Lancetec公司的ULT2000系列以及POWER公司的PD系列传感器，以ULT2019(V)为例，灵敏度500Mv/g，频率范围0.7-10000HZ，具有低阻抗输出，抗干扰，抗潮湿、抗有害气体、可长电缆传输等优点；模拟滤波器-1111输出端与ADC转换器-1112输入端连接，由于变压器内部放电可听声信号一般小于1000HZ，模拟滤波器-1111用于滤去高频段的信号，模拟滤波器-1111可选用贝塞尔滤波器，有较小的时间延迟特性，适用于传递脉冲型波形信号；ADC转换器-1112输出端与读写存储器-1113连接，ADC转换器-1112用于将模拟信号转换为数字量输入至读写存储器处理，ADC转换器-1112可选用12位ADC574并行转换器或8位ADC0832串行转换器，以ADC574为例，其转换速度为25μs，转换精度0.05％，可广泛应用在数据采集系统中。读写存储器-1113,用于储存与读取数据，其输出端与通信端口电路-1114输入端连接，读写存储器有多种选择，例如可以选用MOTOROLA公司生产的MCM6264或NEC公司生产的μPD41256的RAM存储器。通信端口电路-1114将读写存储器-1113中的数据通过无线传输的方式与PC上位机-1102连接，其中通信端口电路-1114内置通信接口与无线传输模块，例如，可选用RS232通信接口与远距离RS232无线串口模块(POP2033)，发射功率1W，视距可靠传输距离可达1000-4000米，可满足声信号特征数据采集终端101与PC上位机-1102之间的通讯要求。电源电路-1115输入端与外部电源相连，内置整流电路与DC/DC转换模块，一般可选用WISPOWER的DC/DC系列转换模块，其输出端分别与传感器-1110,模拟滤波器-1111,ADC转换器-1112,读写存储器-1113,通信端口电路-1114相连接并提供其需要的工作电压。

2、服务器2接收故障数据收集单元1上传的内部故障放电波形的奇异性指数、放电模式以及其他信息，同时服务器2接收实时监测工作单元3输入的波形信号奇异性指数，并与服务器2上的数据库进行对比、检索，并反馈信息到实时监测工作单元3。服务器2与故障数据收集单元1中的PC上位机-1、实时监测工作单元3中的PC上位机-2均采用有线网络连接，故服务器2可以依据情况设置在公司内部具有网络连接的任意场所。

服务器2，是提供计算服务的设备，其构成包括处理器、硬盘、内存、系统总线等，和通用的计算机架构类似，但是在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面要求更高。本发明中服务器2硬件配置方面可选用IBMSystemx3800数据库服务器；软件配置方面需安装有MySQL数据库，Linux操作系统，ApacheWeb服务器，PHP服务器端脚本解释器等软件。

3、实时监测工作单元3，由放电检测终端301与PC上位机-2302组成。实时监测单元实时、在线地对波形监测并提取声信号的奇异性指数，将奇异性指数上传至服务器进行对比与放电模式判别，判定为内部放电后，对放电故障进行定位并在放电检测终端上显示，同时启动声光报警。具体实现如下：

PC上位机-1102要求基本配置为安装有无线通讯模块，安装有Matlab软件并具有计算奇异性指数的程序以及故障定位的计算程序。

放电检测终端3由发声模块-1310,发声模块-2311,发声模块-3326,传感器-2312,传感器-3313,传感器-4314，传感器-5325,模拟滤波器-2315,ADC转换器-2316,读写存储器-2317,通信端口电路-2318,电源电路-2319,声光报警电路320，数据译码电路321，显示屏322，电池323，充电端口324组成。

受监测变压器运行时，传感器-2312、传感器-3313、传感器-4314、传感器-5325均安装在受监测变压器上，输入端紧贴变压器表面，输出端均与模拟滤波器-2315的输入端相连接，传感器同样可选用Lancetec公司的ULT2000系列以及POWER公司的PD系列；同时，变压器上安装有两组发声模块，其中发声模块-1311与传感器-2312布置在同一位置，发声模块-2310与传感器-3313布置在同一位置，发声模块-2326与传感器-3325布置在同一位置，用于故障确定后的故障定位，发声模块-1311、发声模块-2310、发声模块-3326输出端紧贴变压器表面，输入端与读写存储器-2的第二输出端相连接，发声模块内置发声控制元件、扬声器，一般可选取MSP430G2533作为控制元件控制发声频率，MSP430G2533具有超低电源供电和超低功耗的特点。传感器输出端均与模拟滤波器-2315输入端相连，模拟滤波器-2315根据所需频段进行滤波，可选用较小的时间延迟特性的贝塞尔滤波器，模拟滤波器-2315输出端与ADC转换器-2316输入端连接。ADC转换器-2316将模拟信号转换为数字信号，其输出端与读写存储器-2317第一输入端相连接，可选用12位ADC574并行转换器。读写存储器-2317其第一输入端与ADC转换器-2316输出端连接，其第二输入端、第一输出端分别与通信端口电路-2318连接，用于与PC上位机进行无线通讯，其第二输出端与3组发声模块相连，第三输出端与声光报警电路320相连，第四输出端与数据译码电路321相连，读写存储器-2317可选用MOTOROLA公司生产的MCM6264；通信端口电路-2318内置通信接口与无线传输模块，可选用RS232通信接口与远距离RS232无线串口模块(POP2033)。

受监测变压器的声信号经过滤波与模数转换由通信端口电路-2318无线传输至PC上位机-2，经由PC上位机-2内的程序进行奇异性指数的计算，计算完成后将结果上传至服务器2内的声信号特征数据库进行比对，根据比对结果，PC上位机-2对放电检测终端下达不同的指令。

若计算的奇异性指数与声信号特征数据库中的全部奇异性指数均不相等，对比结果反馈至PC上位机-2，判断受监测变压器不存在内部放电故障，PC上位机-2给读写存储器-2317发送指令，继续对变压器内部声信号进行监测。

若计算的奇异性指数与声信号特征数据库中的某一个指数相等，对比结果反馈至PC上位机-2，判断受监测变压器存在内部放电故障，PC上位机-2继续对声信号特征数据库进行查询，导出放电模式等信息，并对读写存储器-2317发送指令，进行故障定位，具体步骤如下：

(1)确定内部放电故障模式后，PC上位机-2经过通信端口电路-2318向读写存储器-2317发送指令，启动发声模块-1311、发声模块-2310、发声模块-3326，记录4台传感器接收到声波信号的时间，经PC上位机-2302内的程序计算，获得4台传感器的相对位置。计算原理如下：

以传感器-4314位置A为坐标原点，传感器-2312与发声模块-1311位置点为B点，传感器-3313与发声模块-2310为C点，传感器-5325与发声模块-3326为D点。当B点发出声信号时(发声模块-1311工作)，以B点传感器-2312接收到声信号的时间为基准时间，A点接收信号的时间差为t1，C点接收信号的时间差为t2，D点接收信号的时间差为t3，已知声波在变压器油中传输速度为V，因此有BA＝Vt1，BC＝Vt2,BD＝Vt3；同理，当C点发出声信号时(发声模块-2310工作)，可以继续测得CA，CD长度；当D点发出声信号时(发声模块-3326工作)，可以测得DA长度。A、B、C、D两两之间相对位置均可确定，以A为坐标原点，可计算得到B、C、D的三维坐标。

(2)计算获得4台传感器的相对位置后，通过声-声定位法进行故障定位，具体原理为经由PC上位机-2调用4台传感器检测到放电故障声波信号的时间，以传感器-4314为基准计算声信号传播到其他传感器相对于以传感器-4314的相对时差，将相对时差代入满足传感器几何位置关系的方程组求解，可求出内部故障放电点的几何位置坐标(传感器-4314位置A为坐标原点)。计算步骤如下：

根据已经确定的传感器初始相对位置，可得到A、B、C、D四点坐标为(0,0,0)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)、(xd,yd,zd)，已知油中声音传播速度为V，则局部放电点P(x,y,z)到传感器A、B、C、D四点传播时间为：

$t_A=\sqrt{x^2+y^2+z^2}/V---(1-6)$

$t_B=\sqrt{{(x-xb)}^2+{(y-yb)}^2+{(z-zb)}^2}/V---(1-7)$

$t_C=\sqrt{{(x-xc)}^2+{(y-yc)}^2+{(z-zc)}^2}/V---(1-8)$

$t_D=\sqrt{{(x-xd)}^2+{(y-yd)}^2+{(z-zd)}^2}/V---(1-9)$

各传感器相对于传感器-4314的相对时差为：

T_B-A＝t_B-t_A(1-10)

T_C-A＝t_C-t_A(1-11)

T_D-A＝t_D-t_A(1-12)

其中T_B-A，T_C-A，T_D-A均为已知量，联立式(1-6)至(1-12)，可求解放电故障点P的坐标位置(x,y,z)。

(3)由PC上位机-2302计算得到内部故障放电位置后，经由通信端口电路-2向读写存储器-2发送指令，读写存储器-2的第三输出端发送信号给声光报警电路320，声光报警电路320启动提示存在内部放电，声光报警电路320可以选用各类工业声光报警设备，例如MSL-90声光报警器或AESL-150防爆声光报警器；同时读写存储器-2经由数据译码电路-321将放电模式信息与故障定位信息发送至显示屏-322。数据译码电路307可选择7442型二-十进制译码器，显示屏-322可选用3.2英寸TFT液晶模块，+3.3V供电，内置SSD1289液晶控制器，可为液晶显示提供时序信号、驱动和显示数据。

电源电路-2319内置整流电路与DC/DC转换模块，输出端为模拟滤波器、ADC转换器、读写存储器、通信端口电路、声光报警电路、数据译码电路、显示屏提供相匹配的电源，DC/DC转换模块一般可选用WISPOWER的DC/DC系列转换模块；电源电路-2319输入端同时与电池323和外部电源相连接。需长期在线监测的变压器，放电检测终端3采用外接电源供电；对于短时监测、巡视检查、诊断性试验等情况，采用电池323供电，电池一般选用9V充电电池。电池323输入端与充电端口324连接，用于对电池充电。

Claims (10)

1.一种变压器内部放电模式识别方法，其特征是：

1.通过对已知内部故障的变压器的放电声信号提取信号波形的奇异性指数；

2.收集各类放电模式下对应的信号波形的奇异性指数，建立不同放电模式下的声学信号特征库；

3.对被监测的变压器，监测获取其放电声信号波形，并提取信号波形的奇异性指数；

4.将被监测的变压器放电声信号波形的奇异性指数与声学信号特征库进行比对，与特征库中的奇异性指数相同则判定为相应的放电模式。

2.根据权利要求1所述的一种变压器内部放电模式识别方法，其特征是：放电声信号波形的奇异性指数提取步骤包括：

(1)利用小波变换技术对输入的信号波形进行消噪处理；

(2)对消噪后信号进行数字信号变换以提取其信号包络；

(3)对包络信号进行小波分解与重构，获得各尺度下高频分解系数；

(4)对高频分解系数通过数字信号变换提取其信号包络；

(5)获取各分解尺度下的模极大值；

(6)将各尺度下的模极大值构成序列，对序列经由最小二乘法计算获得信号波形的奇异性指数。

3.根据权利要求2所述的一种变压器内部放电模式识别方法，其特征是：小波基函数可以选择Haar小波、Daubechies小波、MexicanHat小波、Morlet小波或Meyer小波；选择确定小波基函数后，输入采集获得的原始放电声信号波形，通过Matlab软件进行小波变换处理即可获得去噪后信号x(t)。

4.根据权利要求2所述的一种变压器内部放电模式识别方法，其特征是：提取信号包络的数字信号变换方法可选Hilbert变换或高斯小波变换，以Hilbert变换为例，根据式(1-1)对去噪后信号x(t)进行数字信号变换,其中为经信号变换后的值，τ为积分变量:

由式(1-2)得到的解析信号g(t)，其中j为虚数单位，x(t)与分别为实部、虚部：

去噪后信号x(t)的包络A(t)为g(t)的幅值，可由式(1-3)计算:

。

5.根据权利要求4所述的一种变压器内部放电模式识别方法，其特征是：对包络分解仍然选取Daubechies小波，对式(1-3)中所得包络进行一维小波分解，采用Matlab软件中detcoef函数提取各层高频分解系数。

6.根据权利要求2、3或4所述的一种变压器内部放电模式识别方法，根据式(1-1)、(1-2)和(1-3)对步骤5得到的各层高频分解系数分别提取包络；分解的层数为s＝1,2,3…,s取值为从1开始的正整数。

7.根据权利要求2、3、4或5所述的一种变压器内部放电模式识别方法，其特征是：取s＝2ⁱ作为进行波形分析的尺度，即分别取分解层数为1,2,4,16…作为波形分析的尺度；在高频分解系数的包络中取放电突变瞬间处的(s0，t0)，即可获取该分解尺度下的模极大值，即局部模极大值点(s0，t0)在t0的某一邻域内的任一点t，式(1-4)都成立

之后获取的各尺度2ⁱ上t处的模极大值并将各尺度相应位置处的模极大值可构成序列{Mi}；其中M_i为尺度2ⁱ上的模极大值，为该尺度下波形的幅值，f(t)为波形函数；

计算奇异性指数：

对序列{Mi}，根据最小二乘法由式(1-6)计算奇异性指数α：

α＝log₂M_i+1-log₂M_i(1-5)。

8.一种变压器内部放电故障诊断系统，其特征在于：由故障数据收集单元、服务器与若干个实时监测工作单元组成，三者之间仅通过网络连接；故障数据收集单元由声信号特征数据采集终端与1台PC上位机组成，两者之间采用无线通信，声信号特征数据采集终端安装于变压器上，PC上位机设置在通讯有效范围内；服务器数量设置在设备运维部门的任意场所内；每个实时监测工作单元由放电检测终端与1台PC上位机组成，两者之间采用无线通信，放电检测终端安装于变压器上，PC上位机设置在通讯有效范围内；所有的上位机通过网络与服务器连接。

9.根据权利要求8所述的变压器内部放电故障诊断系统，其特征在于：放电检测终端包括发声模块、传感器、模拟滤波器、ADC转换器、读写存储器；每组发声模块各与1组传感器放置同一位置，传感器输入端与受监测变压器相连接，输出端与模拟滤波器输入端相连；模拟滤波器输入端与传感器输出端相连，其输出端与ADC转换器输入端连接；ADC转换器输出端与读写存储器与发声模块相连。

10.根据权利要求8或9所述的变压器内部放电故障诊断系统，其特征在于：所述故障数据收集单元由传感器、模拟滤波器、ADC转换器、读写存储器、通信端口电路、PC上位机、电源电路组成；电源电路将输入的外接电源转换为供传感器、读写存储器、显示屏所需的不同等级的电压；传感器输入端与已知故障变压器相连接，输出端与模拟滤波器输入端相连；模拟滤波器输入端与传感器输出端相连，其输出端与ADC转换器输入端连接；ADC转换器输出端与读写存储器输入端相连接；读写存储器将数字信号经由通信端口与PC上位机进行无线通讯，PC上位机与服务器相连接。