CN105699839A - 一种变压器绕组工作状态检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种变压器绕组工作状态检测方法及系统，通过对变压器绕组进行扫频激振试验能够准确地得到各个测点的当前振动频响曲线，并转换成矩阵的形式，综合考虑所有频率点数据，提高检测精度，而且变压器绕组的微小形变也能够反映在当前振动频响曲线中，具有很高的灵敏度；继而对振动频响矩阵进行归一化处理，实现数据无量纲化，提高计算效率；然后，对由历史振动频响曲线矩阵计算得到的协方差矩阵进行特征值分解，并确定主元个数；接着，对协方差矩阵进行主元分解，再根据分解得到的矩阵对当前振动频响曲线矩阵按列进行变换；最后，通过计算统计量的平均值和控制限，定量地判定所述变压器绕组是否发生变形等异常，具有极高准确性。

Description

一种变压器绕组工作状态检测方法及系统

技术领域

本发明涉及信号监测技术领域，特别是涉及一种变压器绕组工作状态检测方法及系统。

背景技术

电力变压器是电能传输的枢纽元件，直接决定电力系统运行的稳定性和可靠性。随着我国电网容量的不断增大，短路容量相应增加；变压器出口一旦形成短路，较大的短路电流流过变压器绕组，产生巨大的电磁作用力；在所述电磁作用力的作用下，变压器绕组很容易发生松动或变形，从而造成变压器故障，甚至导致电力系统崩溃。因此，对变压器绕组工作状态进行检测以及时发现绕组变形，是保障变压器安全运行的重要措施。

目前，技术人员通常采用频响分析法对变压绕组状态进行检测。所述频响分析法是将根据电路的网络理论，将变压器绕组看作是由电阻、电感和电容元件组成的线性无源二端口网络，其特性在时域上可用单位冲激响应或在频域上用传递函数描述，传递函数是单位冲激响应的傅里叶变换。具体地，在所述频响分析法实施时，将一稳定的正弦扫描电压信号施加到变压器绕组的一端，同时记录该端和其他端点上的电压幅值及相角，从而获得所述变压器绕组的一组频响特性即得到所述传递函数；如果变压器绕组发生变形，所述传递函数会在某种程度上发生变化，通过对所述传递函数中得到的激励信号波形和响应信号波形进行分析，可以对变压器绕组的工作状态做出判断。所述频响分析法法具有灵敏度高、抗干扰能力强的特点，广泛应用于变压器绕组状态检测领域。

然而，在使用所述频响分析法检测变压器绕组状态时，所述频响分析法没有形成简明、可量化的判据，需要技术人员根据现场的波形通过经验进行判断，对技术人员的专业水平有很高的要求，实用性较差；而且，在所述频响分析法操作过程中，频响波形往往非常复杂，对变压器绕组工作状态的检测需要依赖于人的经验判断，很容易造成误判，准确性差。

发明内容

本发明实施例中提供了一种变压器绕组工作状态检测方法及系统，以解决现有技术中的变压器绕组工作状态检测实用性差和准确性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明实施例公开了一种变压器绕组工作状态检测方法，包括以下步骤：

对变压器绕组进行扫频激振试验，获取变压器绕组的当前振动频响曲线；

根据所述当前振动频响曲线，获取当前振动频响矩阵Y_N×M；

将所述当前振动频响矩阵Y_N×M归一化；

根据历史变压器绕组振动频响曲线，获得历史振动频响曲线的归一化历史振动频响矩阵X_N×M，并根据所述归一化历史振动频响矩阵X_N×M获得协方差矩阵S，对所述协方差矩阵S进行特征值分解，计算获得所述协方差矩阵S的特征值及特征向量；

根据所述特征值，确定特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，并根据所述特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，确定主元个数；

根据所述特征值、所述特征向量以及所述主元个数，对所述协方差矩阵进行主元分解，得到矩阵P、矩阵对角矩阵Λ以及对角矩阵

根据所述矩阵P和所述矩阵将所述当前振动频响矩阵的每一列y_j进行分解变换；

根据矩阵P、对角矩阵Λ以及经分解变换后的向量y_j，计算统计量、所述统计量的元素平均值和控制限；

判断所述元素平均值与所述控制限的大小，如果所述元素平均值大于或等于所述控制限，则判断变压器绕组异常；或者，如果所述元素平均值小于所述控制限，则判断变压器绕组正常。

优选地，所述对变压器进行扫频激振试验，获取变压器绕组的当前振动频响曲线，包括：

在变压器箱壁上设置多个振动传感器；

将变压器的低压绕组短接；

向变压器的高压绕组注入恒流变频激励信号，并将所述恒流变频激励信号的频率从一预设初始频率扫频至一预设终止频率；

根据所述振动传感器采集获取的振动信号，获得与所述振动传感器位置对应的当前振动频响曲线。

优选地，将所述当前振动频响矩阵归一化，包括：

通过如下归一化公式，对所述当前振动频响矩阵Y_N×M归一化：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{y}_{ij}$

${\mathrm{\σ}}_i=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{(y_{ij}-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}$

$y_{ij}=\frac{y_{ij}-{\mathrm{\μ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_i}$

其中，y_ij为所述当前振动频响矩阵Y_N×M的第i行第j列。

优选地，所述根据所述特征值，确定特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，并根据所述特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，确定主元个数，包括：

根据如下公式计算所述特征值方差贡献率a_i：

$a_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i},i=1,2,...,N$

其中，λ_i为第i个特征值；

根据如下公式计算所述特征值累计方差贡献率A_k：

$A_k=\underset{i-1}{\overset{k}{\Σ}}{a}_i,k=1,2,...,N$

判断A_k是否大于一预设累计方差贡献率阈值；如果所述A_k大于所述累计方差贡献率阈值，取所述A_k对应的最小的k值作为主元个数l。

优选地，根据所述特征值、所述特征向量以及所述主元个数，对所述协方差矩阵进行主元分解，得到矩阵P、矩阵对角矩阵Λ以及对角矩阵包括：

对所述协方差矩阵S进行主元分解，所述主元分解公式为：

$S=\[\begin{array}{cc}P& \tilde{P}\end{array}\]\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Λ}& 0\\ 0& \widetilde{\mathrm{\Λ}}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}P& \tilde{P}\end{array}\right]}^T$

其中，矩阵P为N行l列矩阵，由矩阵S前l个特征值所对应的特征向量构成；矩阵为N行N-l列矩阵，由矩阵S后N-l个特征值所对应的特征向量构成；对角矩阵Λ的元素为矩阵S的前l个特征值；对角矩阵的元素为矩阵S的后N-l个特征值。

优选地，根据所述矩阵P和所述矩阵对所述当前振动频响矩阵的每一列进行分解，并得到变换后的矩阵Y_N×M，包括：

根据如下公式，将当前振动频响矩阵Y_N×M的每一列进行分解：

$y_j={\hat{y}}_j+{\tilde{y}}_j$

y_j＝PP^Ty_j

$y_j=\tilde{P}{\tilde{P}}^T{y}_j$

式中，j＝1,2,...,M。

优选地，根据矩阵P、对角矩阵Λ以及经分解变换后的向量y_j，计算统计量T²、所述统计量的元素平均值和控制限，包括以下计算公式：

T_j ²＝y_j ^TPΛ^-1P^Ty_j

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{T_j}^2$

τ＝χ_α ²(l)

式中，T_j ²为统计量T²的第j个元素，为χ_α ²()为自由度α的卡方分布。

本发明实施例还公开了一种变压器绕组工作状态检测系统，包括振动频响测试系统和变压器绕组工作状态检测装置，其中：

所述振动频响测试系统，包括电流传感器、振动传感器、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；所述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；所述升压变压器与待测变压器相连接，将恒流变频激励信号施加至变压器的高压绕组；所述电流传感器和所述终端传感器设置于所述待测变压器的箱壁上，采集变压器绕组的注入电流信号和变压器箱壁的振动信号并发送至数据采集模块；所述数据采集模块与所述电流传感器和所述终端传感器均相连接，接收所述振动信号和所述注入电流信号，并将所述振动信号和所述注入电流信号传送至测控分析模块；所述测控分析模块对采集到的所述振动信号和所述注入电流信号进行分析计算，并传送至所述信号分析显示终端，并显示；

所述变压器绕组工作状态检测装置包括：

振动频响矩阵获取模块，用于根据所述当前振动频响曲线，获取当前振动频响矩阵Y_N×M；

矩阵归一化模块，用于将所述当前振动频响矩阵Y_N×M归一化；

特征值及特征向量计算模块，用于根据历史变压器绕组振动频响曲线，获得历史振动频响曲线的归一化历史振动频响矩阵X_N×M，并根据所述归一化历史振动频响矩阵X_N×M获得协方差矩阵S，将所述协方差矩阵S进行特征值分解，计算获得分解后所述协方差矩阵S的特征值及特征向量；

主元个数确定模块，用于根据所述特征值，确定特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，并根据所述特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，确定主元个数；

协方差矩阵主元分解模块，用于根据所述特征值、所述特征向量以及所述主元个数，对所述协方差矩阵进行主元分解，得到矩阵P、矩阵对角矩阵Λ以及对角矩阵

当前振动频响矩阵分解模块，用于根据所述矩阵P和所述矩阵将所述当前振动频响矩阵Y_N×M的每一列y_j进行分解变换；

元素平均值和控制限计算模块，用于根据矩阵P、对角矩阵Λ以及向量y_j，算统计量、所述统计量的元素平均值和控制限；

判断模块，用于判断所述元素平均值与所述控制限的大小，如果所述元素平均值大于或等于所述控制限，则判断变压器绕组异常；或者，如果所述元素平均值小于所述控制限，则判断变压器绕组正常。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的变压器绕组工作状态检测方法及系统，通过对变压器绕组进行扫频激振试验能够准确地得到各个测点的当前振动频响曲线，并转换成矩阵的形式，综合考虑所有频率点数据，提高检测精度，而且变压器绕组的微小形变也能够反映在当前振动频响曲线中，具有很高的灵敏度；继而对振动频响矩阵进行归一化处理，实现数据无量纲化，提高计算效率；然后，对由历史振动频响曲线矩阵计算得到的协方差矩阵进行特征值分解，并确定主元个数；接着，对协方差矩阵进行主元分解，再根据分解得到的矩阵对当前振动频响曲线矩阵按列进行变换；最后，通过计算统计量的平均值和控制限，定量地判定所述变压器绕组是否发生变形等异常，具有极高准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种变压器绕组工作状态检测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的变压器绕组振动频响曲线图；

图3为本发明实施例提供的一种变压器绕组工作状态检测装置的系统示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

电力变压器主要由铁心、绕组、分接开关、油箱和附属装置等部件构成。其中，所述铁心是由高磁导率的硅钢片及夹紧装置等组成，夹紧装置是硅钢片彼此连接在一起组成完整的铁心结构，铁心作为电力变压器的磁路部分，是电能转换的媒介；所述绕组是变压器的电路部分，是由带绝缘的绕组导线按一定排列规律和绕向，经绕制、整形、浸烘和套装而成；所述分接开关，可以增减绕组匝数进而调节所述电力变压器的变压比；为了加强绝缘和冷却性能，一般将所述绕组和所述铁心浸入油箱中的绝缘油中，防止铁心和绕组因温度过高或绝缘受损而损坏；所述附属部件包括冷却器风扇、油泵、散热器、吸湿器、绝缘套管等部件。电力变压器一般由两个绕组组成，即一次绕组和二次绕组构成，所述一次绕组和所述二次绕组通过铁心发生耦合；所述一次绕组和所述二次绕组的电压大小与绕组的匝数成正比，如果一次绕组的匝数大于二次绕组的匝数，则所述电力变压器为降压变压器；如果一次绕组的匝数小于二次绕组的匝数，则所述电力变压器为升压变压器。

在电力变压器运行时，硅钢片的磁致伸缩使得铁心随着磁力磁通的变化而周期性的振动，同时绕组中的负载电流产生漏磁引起绕组的振动。在变压器内部，由绕组和铁心组成的本体带动夹紧装置等结构做复杂的机械振动，尤其是在发生超载或短路等大电流情况下，振动尤为剧烈。另外，运行中的冷却器风扇、油泵和分接开关的动作也会产生振动。电力变压器箱体内的振动通过变压器的绝缘油传递到箱体表面，机械振动是构件松动、变形的最直接表现，即若将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。在本发明实施例中，以220KV变压器作为检测对象进行详细说明，具体地在电力变压器停电状态下，给绕组注入频率和幅值已知的正弦激励信号，通过设置振动传感器采集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。

参见图1，为本发明实施例提供的一种变压器绕组工作状态检测方法的流程示意图，所述检测方法包括以下步骤：

步骤S101：对变压器绕组进行扫频激振试验，获取变压器绕组的当前振动频响曲线。

所述当前振动频响曲线为，横坐标为频率值，纵坐标为VRFR(VibrationFrequencyResponseFunction，振动频响函数)值的曲线。如图2所示，为本发明实施例提供的变压器绕组振动频响曲线图。

为了获得所述当前振动频响曲线，需要进行扫频激振试验，在具体实施时，所述扫频激振试验包括：

在变压器箱壁上设置多个振动传感器。在本发明实施例中，对应8个测试点设置8个振动传感器；其中，所述测试点的设置位置以及个数在本发明实施例中均不做限制，本领域技术人员可以根据具体的试验需求在任意位置设置任意多个所述振动传感器。

将变压器的低压绕组短接。

向变压器的高压绕组注入恒流变频激励信号，并将所述恒流变频激励信号的频率从一预设初始频率扫频至一预设终止频率。一般使用恒流扫频电源向所述高压绕组输出已知幅值和频率的恒流变频激励信号，在本发明实施例中，所述恒流扫频电源的输出电流设置为8A，所述恒流扫频电源从起始频率45Hz，以频率间隔1Hz为步长，扫描至终止频率310Hz，向所述高压绕组注入恒流变频激励信号。当然，本领域技术人员可以根据实际测试需求，任意设置所述恒流扫频电源的输出参数。

根据所述振动传感器采集获取的振动信号，获得与所述振动传感器位置对应的当前振动频响曲线。所述振动传感器采集相应测点的振动信号，在本发明实施例中每个振动传感器对应一条当前振动频响曲线，而且，在每条所述当前振动频响曲线中包括264个频率点以及所述频率点对应的振动频响函数值。

步骤S102：根据所述当前振动频响曲线，获取当前振动频响矩阵。

在步骤S101获得的当前振动频响曲线中，对应8个测点设置有8个振动传感器，每个振动传感器采集一条当前振动频响曲线，每条所述振动频响曲线中包括264频率点以及相应频响函数值，从而可以据此建立264行8列的当前振动频响矩阵Y_N×M，其中N＝264，M＝8。

步骤S103：将所述当前振动频响矩阵Y_N×M归一化。

对所述当前振动频响矩阵Y_N×M进行归一化处理，具体地归一化公式如下所示：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{y}_{ij}$

${\mathrm{\σ}}_i=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{j-1}{\overset{M}{\Σ}}{(y_{ij}-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}$

$y_{ij}=\frac{y_{ij}-{\mathrm{\μ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_i}$

其中，y_ij为所述当前振动频响矩阵Y_N×M的第i行第j列的元素。

步骤S104：根据历史变压器绕组振动频响曲线，获得历史振动频响曲线的归一化历史振动频响矩阵，并根据所述归一化历史振动频响矩阵获得协方差矩阵，对所述协方差矩阵进行特征值分解，计算获得分解后所述协方差矩阵的特征值及特征向量。

所述历史变压器绕组振动频响曲线，可以理解为定期对变压器进行步骤S101中的扫频激振试验而得到的振动频响曲线，并且将定期测试得到的振动频响曲线组成历史振动频响数据库，以作为判断当前振动频响曲线是否异常的依据。在具体实施时，可以从历史振动频响数据库中选择一组历史振动频响曲线，并将所述历史振动频响曲线按照步骤S102和步骤S103的方式，组织成历史振动频响矩阵，并对所述历史振动频响矩阵进行归一化处理，得到归一化历史振动频响矩阵X_N×M，其中N＝264，M＝8。

根据如下公式以及所述归一化历史振动频响矩阵获X_N×M，计算获得所述协方差矩阵S：

$S=\frac{1}{M-1}{\mathrm{XX}}^T$

其中，M为所述归一化历史振动频响矩阵X的列数。

对所述协方差矩阵S进行特征值分解，计算获得所述协方差矩阵的特征值λ_i(i＝1,2,...,N)及特征向量ν_i(i＝1,2,...,N)，其中λ₁≥λ₂…≥λ_N。本步骤中的特征值分解是本领域常用的数学方法，在此不再赘述。

步骤S105：根据所述特征值，确定特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，并根据所述特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，确定主元个数。

分别计算所述协方差矩阵S第i个特征值的方差贡献率a_i(i＝1,2,...,N)和矩阵S前k(k＝1,2,...,N)个特征值的累计方差贡献率A_k(k＝1,2,...,N)，具体的计算公式如下所示：

$a_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i},i=1,2,...,N$

$A_k=\underset{i-1}{\overset{k}{\Σ}}{a}_i,k=1,2,...,N$

判断A_k是否大于一预设累计方差贡献率阈值；如果所述A_k大于所述累计方差贡献率阈值，取所述A_k对应的最小的k值作为主元个数l。在本发明实施例中，所述累计方差贡献率阈值可以设定为0.85，根据所述累计方差贡献率阈值确定的主元个数l为7。

步骤S106：根据所述特征值、所述特征向量以及所述主元个数，对所述协方差矩阵S进行主元分解。

对所述协方差矩阵S进行主元分解，所述主元分解公式为：

$S=\[\begin{array}{cc}P& \tilde{P}\end{array}\]\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Λ}& 0\\ 0& \widetilde{\mathrm{\Λ}}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}P& \tilde{P}\end{array}\right]}^T$

其中，矩阵P为N行l列矩阵，由矩阵S前l个特征值所对应的特征向量构成；矩阵为N行N-l列矩阵，由矩阵S后N-l个特征值所对应的特征向量构成；对角矩阵Λ的元素为矩阵S的前l个特征值；对角矩阵的元素为矩阵S的后N-l个特征值。

步骤S107：对所述当前振动频响矩阵的每一列进行分解。

根据所述矩阵P和所述矩阵对当前振动频响矩阵Y_N×M的每一列进行分解，分解公式为：

$y_j={\hat{y}}_j+{\tilde{y}}_j$

y_j＝PP^Ty_j

$y_j=\tilde{P}{\tilde{P}}^T{y}_j$

式中，j＝1,2,...,M。

步骤S108：计算统计量、以及所述统计量的元素平均值和控制限。

在具体实施时，根据矩阵P、对角矩阵Λ以及经分解变换后的向量y_j，计算统计量T_j ²、以及统计量T_j ²的元素平均值和控制限τ，具体的计算公式如下所示：

T_j ²＝y_j ^TPΛ^-1P^Ty_j

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{T_j}^2$

τ＝χ_α ²(l)

式中，T_j ²为统计量T²的第j个元素，为χ_α ²()为自由度α的卡方分布；需要说明的是，所述经分解变换后的向量y_j为经过步骤S107分解又重新变换组合后的向量y_j。在本发明实施例中，所述自由度α的取值为4。

在本发明实施例中，根据图2所述的当前振动频响曲线以及历史振动频响曲线，通过上述步骤的计算，最终得到所述元素平均值的计算结果为1.520，所述控制限τ的计算结果为0.8641。

步骤S109：判断所述元素平均值是否大于或等于所述控制限。

根据步骤S108中获得的所述元素平均值和所述控制限τ的计算结果，比较所述元素平均值和所述控制限τ的大小；如果所述元素平均值大于或等于所述控制限τ，则判断变压器绕组异常，如果所述元素平均值小于所述控制限τ，则判断变压器绕组正常。在本发明实施例中，所述元素平均值1.520大于所述控制限τ0.8641，从而判断变压器绕组异常。通过对变压器绕组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，验证了本检测方法的有效性与准确性。

在本发明对应的方法实施例中，对变压器绕组进行扫频激振试验，获取变压器绕组的当前振动频响曲线；将所述当前振动频响曲线表示为矩阵形式；对所述矩阵进行归一化处理；根据由历史变压器绕组振动频响曲线表示的矩阵对协方差矩阵进行计算，并对其进行特征值分解；确定矩阵分解时需要的主元个数；对协方差矩阵进行主元分解；对实测矩阵的每一列进行分解；计算统计量，并计算统计量的元素平均值及其控制限；根据变压器绕组振动频响曲线的统计量的元素平均值和控制限，对绕组工作状态进行判别。该方法能对变压器绕组工作状态进行诊断，有效地、准确地检测出变压器绕组是否发生变化，而且通过定量计算的方式不但具有很高的准确性而且具有很强的可操作性；同时，由于对各测点的振动频率响应曲线进行了综合考虑，且将测量数据矩阵进行了降维分解，进而能用较少的局部特征量准确地反映数据的整体变化情况，简化计算的同时提高了检测准确度，从而可对变压器及时采取有效措施，提高其运行可靠性。

与本发明提供的变压器绕组工作状态检测方法的方法实施例相对应，本发明还提供了一种变压器绕组工作状态检测装置。

参见图3，为本发明实施例提供的一种变压器绕组工作状态检测系统的结构示意图，所述检测系统包括振动频响测试系统210和变压器绕组工作状态检测装置310，通过所述检测系统对待测变压器110进行绕组工作状态检测，其中：

所述振动频响测试系统210包括电流传感器211、振动传感器212、数据采集模块213、测控分析模块214、恒流变频激振电源215、升压变压器216和信号分析显示终端217；所述恒流变频激振电源215与测控分析模块214相连接，设置恒流扫频电源的输出参数包括输出电流、起始频率以及终止频率等，并将恒流变频激励信号传送至升压变压器216；所述升压变压器216与待测变压器110相连接，将恒流变频激励信号施加至待测变压器110的高压绕组；所述电流传感器211和所述振动传感器212设置于所述待测变压器110的箱壁上，采集变压器绕组的注入电流信号和变压器箱壁的振动信号并发送至数据采集模块213；所述数据采集模块213与所述电流传感器211和所述振动传感器212均相连接，接收所述振动信号和所述注入电流信号，并将所述振动信号和所述注入电流信号传送至测控分析模块214；所述测控分析模块214对采集到的所述振动信号和所述注入电流信号进行分析计算，并将分析计算结果传送至所述信号分析显示终端217，并显示振动频响曲线；

所述变压器绕组工作状态检测装置310包括：

振动频响矩阵获取模块311，用于根据所述当前振动频响曲线，获取当前振动频响矩阵Y_N×M；具体地，从所述振动频响测试系统获得所述当前振动频响曲线；

矩阵归一化模块312，用于将所述当前振动频响矩阵归一化；去除所述当前振动频响曲线的量纲，方便进行计算处理；

特征值及特征向量计算模块313，用于根据历史变压器绕组振动频响曲线，获得历史振动频响曲线的归一化历史振动频响矩阵X_N×M，并根据所述归一化历史振动频响矩阵X_N×M获得协方差矩阵S，将所述协方差矩阵S进行特征值分解，计算获得分解后所述协方差矩阵S的特征值及特征向量；

主元个数确定模块314，用于根据所述特征值，确定特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，并根据所述特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，确定主元个数；

协方差矩阵主元分解模块315，用于根据所述特征值、所述特征向量以及所述主元个数，对所述协方差矩阵进行主元分解，得到矩阵P、矩阵对角矩阵Λ以及对角矩阵

当前振动频响矩阵分解模块316，用于根据所述矩阵P和所述矩阵将所述当前振动频响矩阵Y_N×M的每一列y_j进行分解变换；

元素平均值和控制限计算模块317，用于根据矩阵P、对角矩阵Λ以及向量y_j，计算统计量、所述统计量的元素平均值和控制限；

判断模块318，用于判断所述元素平均值与所述控制限的大小，如果所述元素平均值大于或等于所述控制限，则判断变压器绕组异常；或者，如果所述元素平均值小于所述控制限，则判断变压器绕组正常。

由上述实施例可见，本发明实施例提供的变压器绕组工作状态检测系统，通过所述振动频响测试系统210对待测变压器的绕组进行扫频激振试验，获取变压器绕组的当前振动频响曲线；将所述当前振动频响曲线表示为矩阵形式；对所述矩阵进行归一化处理；根据由历史变压器绕组振动频响曲线表示的矩阵对协方差矩阵进行计算，并对其进行特征值分解；确定矩阵分解时需要的主元个数；对协方差矩阵进行主元分解；对实测矩阵的每一列进行分解；计算统计量，并计算统计量的元素平均值及其控制限；根据变压器绕组振动频响曲线的统计量的元素平均值和控制限，对绕组工作状态进行判别。该方法通过定量计算的方式对变压器绕组工作状态进行诊断，排除人为经验的影响不但保证了准确性，而且具有很强的可操作性和实用性；同时，由于对各测点的振动频率响应曲线进行了综合考虑，且将测量数据矩阵进行了降维分解，进而能用较少的局部特征量准确地反映数据的整体变化情况，简化计算的同时提高了检测准确度，从而可对变压器及时采取有效措施，提高其运行可靠性。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

对变压器绕组进行扫频激振试验，获取变压器绕组的当前振动频响曲线；

根据所述当前振动频响曲线，获取当前振动频响矩阵Y_N×M；

将所述当前振动频响矩阵Y_N×M归一化；

根据历史变压器绕组振动频响曲线，获得历史振动频响曲线的归一化历史振动频响矩阵X_N×M，并根据所述归一化历史振动频响矩阵X_N×M获得协方差矩阵S，对所述协方差矩阵S进行特征值分解，计算获得所述协方差矩阵S的特征值及特征向量；

根据所述特征值，确定特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，并根据所述特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，确定主元个数；

根据所述特征值、所述特征向量以及所述主元个数，对所述协方差矩阵进行主元分解，得到矩阵P、矩阵对角矩阵Λ以及对角矩阵

根据所述矩阵P和所述矩阵将所述当前振动频响矩阵Y_N×M的每一列y_j进行分解变换；

根据矩阵P、对角矩阵Λ以及经分解变换后的向量y_j，计算统计量、所述统计量的元素平均值和控制限；

判断所述元素平均值与所述控制限的大小，如果所述元素平均值大于或等于所述控制限，则判断变压器绕组异常；或者，如果所述元素平均值小于所述控制限，则判断变压器绕组正常。

2.根据权利要求1所述的变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，所述对变压器进行扫频激振试验，获取变压器绕组的当前振动频响曲线，包括：

在变压器箱壁上设置多个振动传感器；

将变压器的低压绕组短接；

向变压器的高压绕组注入恒流变频激励信号，并将所述恒流变频激励信号的频率从一预设初始频率扫频至一预设终止频率；

根据所述振动传感器采集获取的振动信号，获得与所述振动传感器位置对应的当前振动频响曲线。

3.根据权利要求1所述的变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，将所述当前振动频响矩阵归一化，包括：

通过如下归一化公式，对所述当前振动频响矩阵Y_N×M归一化：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{y}_{ij}$

${\mathrm{\σ}}_i=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{(y_{ij}-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}$

$y_{ij}=\frac{y_{ij}-{\mathrm{\μ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_i}$

其中，y_ij为所述当前振动频响矩阵Y_N×M的第i行第j列。

4.根据权利要求1所述的变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，所述根据所述特征值，确定特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，并根据所述特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，确定主元个数，包括：

根据如下公式计算所述特征值方差贡献率a_i：

$a_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_i},i=1,2,...,N$

其中，λ_i为第i个特征值；

根据如下公式计算所述特征值累计方差贡献率A_k：

$A_k=\underset{i-1}{\overset{k}{\Σ}}{a}_i,k=1,2,...,N$

判断A_k是否大于一预设累计方差贡献率阈值；如果所述A_k大于所述累计方差贡献率阈值，取所述A_k对应的最小的k值作为主元个数l。

5.根据权利要求1所述的变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，根据所述特征值、所述特征向量以及所述主元个数，对所述协方差矩阵进行主元分解，得到矩阵P、矩阵对角矩阵Λ以及对角矩阵包括：

对所述协方差矩阵S进行主元分解，所述主元分解公式为：

$S=\left[\begin{array}{cc}P& \tilde{P}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Λ}& 0\\ 0& \widetilde{\mathrm{\Λ}}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}P& \tilde{P}\end{array}\right]}^T$

其中，矩阵P为N行l列矩阵，由矩阵S前l个特征值所对应的特征向量构成；矩阵为N行N-l列矩阵，由矩阵S后N-l个特征值所对应的特征向量构成；对角矩阵Λ的元素为矩阵S的前l个特征值；对角矩阵的元素为矩阵S的后N-l个特征值。

6.根据权利要求1所述的变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，根据所述矩阵P和所述矩阵对所述当前振动频响矩阵的每一列进行分解，并得到变换后的矩阵Y_N×M，包括：

根据如下公式，将当前振动频响矩阵Y_N×M的每一列进行分解：

$y_j={\hat{y}}_j+{\tilde{y}}_j$

y_j＝PP^Ty_j

$y_j=\tilde{P}{\tilde{P}}^T{y}_j$

式中，j＝1,2,...,M。

7.根据权利要求1所述的变压器绕组工作状态检测方法，其特征在于，根据矩阵P、对角矩阵Λ以及经分解变换后的向量y_j，计算统计量T²、所述统计量的元素平均值和控制限，包括以下计算公式：

T_j ²＝y_j ^TPΛ^-1P^Ty_j

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{T_j}^2$

τ＝χ_α ²(l)

式中，T_j ²为统计量T²的第j个元素，为χ_α ²()为自由度α的卡方分布。

8.一种变压器绕组工作状态检测系统，其特征在于，包括振动频响测试系统和变压器绕组工作状态检测装置，其中：

所述振动频响测试系统，包括电流传感器、振动传感器、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；所述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；所述升压变压器与待测变压器相连接，将恒流变频激励信号施加至变压器的高压绕组；所述电流传感器和所述终端传感器设置于所述待测变压器的箱壁上，采集变压器绕组的注入电流信号和变压器箱壁的振动信号并发送至数据采集模块；所述数据采集模块与所述电流传感器和所述终端传感器均相连接，接收所述振动信号和所述注入电流信号，并将所述振动信号和所述注入电流信号传送至测控分析模块；所述测控分析模块对采集到的所述振动信号和所述注入电流信号进行分析计算，并传送至所述信号分析显示终端，并显示；

所述变压器绕组工作状态检测装置包括：

振动频响矩阵获取模块，用于根据所述当前振动频响曲线，获取当前振动频响矩阵Y_N×M；

矩阵归一化模块，用于将所述当前振动频响矩阵Y_N×M归一化；

特征值及特征向量计算模块，用于根据历史变压器绕组振动频响曲线，获得历史振动频响曲线的归一化历史振动频响矩阵X_N×M，并根据所述归一化历史振动频响矩阵X_N×M获得协方差矩阵S，将所述协方差矩阵S进行特征值分解，计算获得分解后所述协方差矩阵S的特征值及特征向量；

主元个数确定模块，用于根据所述特征值，确定特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，并根据所述特征值方差贡献率和特征值累计方差贡献率，确定主元个数；

协方差矩阵主元分解模块，用于根据所述特征值、所述特征向量以及所述主元个数，对所述协方差矩阵进行主元分解，得到矩阵P、矩阵对角矩阵Λ以及对角矩阵

当前振动频响矩阵分解模块，用于根据所述矩阵P和所述矩阵将所述当前振动频响矩阵Y_N×M的每一列y_j进行分解变换；

元素平均值和控制限计算模块，用于根据矩阵P、对角矩阵Λ以及向量y_j，计算统计量、所述统计量的元素平均值和控制限；

判断模块，用于判断所述元素平均值与所述控制限的大小，如果所述元素平均值大于或等于所述控制限，则判断变压器绕组异常；或者，如果所述元素平均值小于所述控制限，则判断变压器绕组正常。