CN106324406A - 一种变压器直流偏磁故障诊断方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器直流偏磁故障诊断方法及装置，该方法首先采集变压器振动信号，对变压器振动信号进行预处理，得到时域波形；然后，将时域波形进行时‑频转换，得到变压器振动信号的瞬时频率特性波形和三维时间‑频率‑幅值谱图；其次，根据瞬时频率特性波形以及时间‑频率‑幅值谱图，提取频率大于1000Hz的幅值特性，以频率对应的幅值特性为特征量；最后，将变压器振动信号的特征量与样本库中对应的特征量进行相关性计算，根据计算结果判断是否存在直流偏磁故障。本发明实现不通过直流接地信号对变压器直流偏磁故障进行检测和判断，提高了变压器故障诊断的准确率和可靠性。

Description

一种变压器直流偏磁故障诊断方法及装置

技术领域

本发明属于高压设备在线监测技术领域，具体涉及一种变压器直流偏磁故障诊断方法及装置。

背景技术

作为电力主干网络的一部分，变压器的可靠运行对电网安全运行意义重大。随着大容量、长距离直流输电的运用，以单极大地回路方式运行的直流输电系统的接地极电流会通过变压器中性点流过变压器绕组，引起变压器直流偏磁，导致变压器噪声增加、铁芯过热等危害，对电网安全运行极为不利。目前，许多超高压、特高压项目对变压器耐受直流偏磁能力提出了明确的要求，为了保证电网系统及产品安全性，有必要开展变压器直流偏磁状态分析研究。

目前对直流偏磁故障的研究，大多是通过对变压器直流接地电流进行监测，经过一定的数据处理与分析，对变压器运行中出现的直流偏磁现象进行预警。本发明通过对变压器振动信号来对直流偏磁故障进行判断。

发明内容

本发明的目的是提供一种变压器直流偏磁故障诊断方法，以实现不通过直流接地信号对变压器直流偏磁故障进行检测和判断。

为解决上述技术问题，本发明提供一种变压器直流偏磁故障诊断方法，方法方案一：包括如下步骤：

1)采集变压器振动信号；

2)将变压器振动信号进行预处理，得到时域波形；

3)将时域波形进行时-频转换，得到变压器振动信号的瞬时频率特性波形和三维时间-频率-幅值谱图；

4)根据瞬时频率特性波形以及时间-频率-幅值谱图，提取频率大于1000Hz的幅值特性，以频率对应的幅值特性为特征量；

5)将变压器振动信号的特征量与样本库中对应的特征量进行相关性计算，根据计算结果判断是否存在直流偏磁故障；样本库中存储直流偏磁故障情况下不同频率对应的幅值特性。

方法方案二：在方法方案一的基础上，还包括预判方法，包括如下步骤：

1)采集步骤：采集变压器直流接地信号和变压器运行参数；

2)阈值判断步骤：对变压器直流接地信号与直流接地信号阈值进行比较，若大于直流接地信号阈值，则进行历史数据比较；

3)历史数据比较步骤：若变压器直流接地信号、运行参数与对应的历史数据相比，差异满足设定条件，则再通过变压器振动信号来进行直流偏磁故障的判断。

方法方案三：在方法方案一的基础上，对于三相分体变压器，还包括预判方法：做纵横比计算，若满足条件，再通过变压器振动信号来进行直流偏磁故障的判断。

方法方案四：在方法方案二的基础上，所述变压器运行参数包括变压器运行电压、负载电流、顶层油温和绕组温度。

方法方案五：在方法方案二的基础上，所述阈值比较公式为：

I_A(t)>I_T

变压器直流接地信号历史数据比较公式为：

$\frac{I_{A\left(t\right)}-I_{A(t-1)}}{I_{A(t-1)}}\×100\%\≥K_1$

其中I_A(t)为本次直流接地信号采样值，I_A(t-1)为上次直流接地信号采样值；

变压器运行参数历史数据比较公式为：

$\left|\frac{M_t-M_{t-1}}{M_{t-1}}\right|\×100\%\≥K_2$

其中M_t为本次运行参数数据采样值，M_t-1为上次运行参数数据采样值。

方法方案六：在方法方案三的基础上，所述纵横比计算公式为：

$\left|\frac{X_t/(Y_t+Z_t)-X_{t-1}/(Y_{t-1}+Z_{t-1})}{X_t/(Y_t+Z_t)}\right|\×100\%\≥K_{tsh}$

其中X_t、Y_t、Z_t分别为三相分体变压器A、B、C三相的同一运行参数的当前采样值，X_t-1、Y_t-1、Z_t-1分别为三相分体变压器对应相同运行参数的上次采样值。

方法方案七：在方法方案一、方法方案二、方法方案三任一方案的基础上，还包括将采集的变压器振动信号经调理、放大、A/D及光电转换，以FT3格式输出待测信号的振动时域波形，并对时域波形采用滤波算法进行降噪处理的步骤，滤波效果采用均方根误差：

$d=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(y\right(n)-f(n\left)\right)}^2}$

来衡量。

方法方案八：在方法方案一、方法方案二、方法方案三任一方案的基础上，所述相关性计算为Pearson相关性计算方法：

${\mathrm{\ρ}}_{X,Y}=\frac{E(X,Y)-E\left(X\right)E\left(Y\right)}{\sqrt{E\left(X^2\right)-E^2\left(X\right)}\sqrt{E\left(Y^2\right)-E^2\left(Y\right)}}$

其中X为待识别变压器数据对应的特征向量，Y为样本库中某一故障类型的特征向量，ρ_X,Y为相关系数；ρ_X,Y的绝对值越大，相关性越强。

方法方案九：在方法方案五的基础上，所述K₁＝30％，K₂＝20％。

方法方案十：在方法方案六的基础上，所述K_tsh＝30％。

本发明还提供一种变压器直流偏磁故障诊断装置，装置方案一：包括如下单元：

1)用于采集变压器振动信号的单元；

2)用于将变压器振动信号进行预处理，得到时域波形的单元；

3)用于将时域波形进行时-频转换，得到变压器振动信号的瞬时频率特性波形和三维时间-频率-幅值谱图的单元；

4)用于根据瞬时频率特性波形以及时间-频率-幅值谱图，提取频率大于1000Hz的幅值特性，以频率对应的幅值特性为特征量的单元；

5)用于将变压器振动信号的特征量与样本库中对应的特征量进行相关性计算，根据计算结果判断是否存在直流偏磁故障的单元；样本库中存储直流偏磁故障情况下不同频率对应的幅值特性。

装置方案二：在装置方案一的基础上，还包括用于预判的单元，包括如下模块：

a)采集模块：采集变压器直流接地信号和变压器运行参数；

b)阈值判断模块：对变压器直流接地信号与直流接地信号阈值进行比较，若大于直流接地信号阈值，则进行历史数据比较；

c)历史数据比较模块：若变压器直流接地信号、运行参数与对应的历史数据相比，差异满足设定条件，则再通过变压器振动信号来进行直流偏磁故障的判断。

装置方案三：在装置方案一的基础上，对于三相分体变压器，还包括预判单元：做纵横比计算，若满足条件，再通过变压器振动信号来进行直流偏磁故障的判断。

装置方案四：在装置方案二的基础上，所述变压器运行参数包括变压器运行电压、负载电流、顶层油温和绕组温度。

装置方案五：在装置方案二的基础上，所述阈值比较公式为：

I_A(t)>I_T

变压器直流接地信号历史数据比较公式为：

$\frac{I_{A\left(t\right)}-I_{A(t-1)}}{I_{A(t-1)}}\×100\%\≥K_1$

其中I_A(t)为本次直流接地信号采样值，I_A(t-1)为上次直流接地信号采样值；

变压器运行参数历史数据比较公式为：

$\left|\frac{M_t-M_{t-1}}{M_{t-1}}\right|\×100\%\≥K_2$

其中M_t为本次运行参数数据采样值，M_t-1为上次运行参数数据采样值。

装置方案六：在装置方案三的基础上，所述纵横比计算公式为：

$\left|\frac{X_t/(Y_t+Z_t)-X_{t-1}/(Y_{t-1}+Z_{t-1})}{X_t/(Y_t+Z_t)}\right|\×100\%\≥K_{tsh}$

其中X_t、Y_t、Z_t分别为三相分体变压器A、B、C三相的同一运行参数的当前采样值，X_t-1、Y_t-1、Z_t-1分别为三相分体变压器对应相同运行参数的上次采样值。

装置方案七，在装置方案一、装置方案二、装置方案三任一方案的基础上，还包括将用于采集的变压器振动信号经调理、放大、A/D及光电转换，以FT3格式输出待测信号的振动时域波形，并对时域波形采用滤波算法进行降噪处理的单元，滤波效果采用均方根误差：

$d=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(y\right(n)-f(n\left)\right)}^2}$

来衡量。

装置方案八，在装置方案一、装置方案二、装置方案三任一方案的基础上，所述相关性计算为Pearson相关性计算方法：

${\mathrm{\ρ}}_{X,Y}=\frac{E(X,Y)-E\left(X\right)E\left(Y\right)}{\sqrt{E\left(X^2\right)-E^2\left(X\right)}\sqrt{E\left(Y^2\right)-E^2\left(Y\right)}}$

其中X为待识别变压器数据对应的特征向量，Y为样本库中某一故障类型的特征向量，ρ_X,Y为相关系数；ρ_X,Y的绝对值越大，相关性越强。

装置方案九，在装置方案五的基础上，所述K₁＝30％，K₂＝20％

装置方案十，在装置方案六的基础上，所述K_tsh＝30％。

本发明的有益效果是：将采集的变压器振动信号进行处理，得到振动信号的时域波形、瞬时频率波形和三维时间-频率-幅值谱图，提取频率大于1000Hz的幅值特性，以频率对应的幅值特性为特征量，将变压器振动信号的特征量与样本库中对应的特征量进行相关性计算，根据计算结果判断是否存在直流偏磁故障。本发明实现不通过直流接地信号对变压器直流偏磁故障进行检测和判断，能够提高变压器故障诊断的准确率和可靠性。

附图说明

图1是本发明的变压器直流偏磁故障诊断方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。

如图1所示为变压器直流偏磁故障诊断方法流程图。

1)变压器投入运行后，采集变压器在实际负载运行工况下的振动信号，以及直流接地信号和变压器运行参数，运行参数包括变压器运行电压、负载电流、顶层油温和绕组温度。

2)将采集的变压器振动信号经信号调理、放大、A/D及光电转换，以FT3格式输出原始及待测信号的振动时域波形。对振动信号时域波形进行降噪处理，滤除随机噪声和尖峰脉冲干扰。例如，可以采用长度为7的直线结构元素进行形态滤波(当然也可以采用其他滤波方法)，滤波效果用均方根误差：

$d=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(y\right(n)-f(n\left)\right)}^2}$

来衡量，d越小越好，可根据需要设定d的阈值。若误差较大，可以调整结构元素的长度进行优选。

3)对变压器直流偏磁故障进行预判：

将变压器直流接地电流采样值I_A(t)与直流接地阈值I_T作比较，若

I_A(t)>I_T

则进一步进行历史数据比较，若

$\frac{I_{A\left(t\right)}-I_{A(t-1)}}{I_{A(t-1)}}\×100\%\≥K_1$

且运行参数存在

$\left|\frac{M_t-M_{t-1}}{M_{t-1}}\right|\×100\%\≥K_2=20\%$

则认为可能存在直流偏磁故障，再通过变压器振动信号对直流偏磁故障进行判断。其中I_A(t)为本次直流接地信号采样值，I_A(t-1)为上次直流接地信号采样值；M_t为本次运行参数数据采样值，M_t-1为上次运行参数数据采样值。当然，可根据实际情况来调整K₁、K₂的值。

4)对三相分体变压器，还可以通过纵横比计算来对直流偏磁故障进行预判：

$\left|\frac{X_t/(Y_t+Z_t)-X_{t-1}/{\mathrm{\α}}_{t-1}+Z_{t-1})}{X_t/(Y_t+Z_t)}\right|\×100\%\≥K_{tsh}=30\%$

则认为可能存在直流偏磁故障，再通过变压器振动信号对直流偏磁故障进行判断。其中X_t、Y_t、Z_t分别为三相分体变压器A、B、C三相的同一运行参数的当前采样值，X_t-1、Y_t-1、Z_t-1分别为三相分体变压器对应相同运行参数的上次采样值。当然，可根据实际情况来调整K_tsh的值。

5)将待测振动信号的时域波形进行归一化处理，将时域信号进行时-频转换，得到待测振动信号的瞬时频率特性波形以及三维时间-频率-幅值谱图。根据瞬时频率特性波形以及时间-频率-幅值谱图，提取频率大于1000Hz的幅值特性，以频率对应的幅值特性为特征量。

在本实施例中，有四路通道。采样频率为10kHz，采样持续1s，采样时间间隔为10s。统计每一个通道每1s的振动数据，每通道为10000个数据，数据处理单元对滤波处理后生成4*10000的二维数组，该数组包含通道编号和采样时刻。对四个通道的数据进行归一化处理，将相同时序的采样数据叠加到一个通道，进行均值化处理，生成一个有10000个数据的一维数组。

对上述时序振动信号进行时频转换，得到振动信号的瞬时频率特性以及三维时间-频率-幅值谱图。针对瞬时频率谱图以及时间-频率-幅值谱图，提取变压器振动数据的6个特征量如表1所示：

表1

6)将上述每种振动频率下变压器振动信号的特征量与样本库中的对应的特征量进行Pearson相关性计算：

${\mathrm{\ρ}}_{X,Y}=\frac{E(X,Y)-E\left(X\right)E\left(Y\right)}{\sqrt{E\left(X^2\right)-E^2\left(X\right)}\sqrt{E\left(Y^2\right)-E^2\left(Y\right)}}$

X为待识别变压器数据对应的特征向量，Y为样本库中某一故障类型的特征向量，ρ_X,Y为相关系数；ρ_X,Y的绝对值越大，相关性越强。其中，样本库中存储直流偏磁故障情况下不同频率对应的幅值特性。只要任一振动频率下的幅值特性对应计算的相关系数的大小在规定范围内，则可以判定为变压器直流偏磁故障。

作为其他实施方式，除了上述的Pearson相关性计算方法，也可以采用其他的验证相关性程度的公式或算法。

在本实施例中，在对变压器的运行参数和直流接地信号进行历史数据判断时，是与上次的运行参数和直流接地信号作比较。作为其他实施方式，还可以与上两次的运行参数和直流接地信号作比较来进行历史数据的比较。

在本实施例中，根据瞬时频率特性波形以及时间-频率-幅值谱图，提取频率大于1000Hz的幅值特性，以频率对应的幅值特性为特征量；将变压器振动信号的特征量与样本库中对应的特征量进行相关性计算，根据计算结果判断是否存在直流偏磁故障之前，通过采集的变压器直流接地信号和变压器运行数据对是否存在直流偏磁故障进行了预判，具体方法是通过直流接地信号阈值判断条件满足的情况下，对历史数据进行比较；或者对于三相分体变压器可以采用三相纵横比判断方法。综合变压器振动信号、直流接地电流信号以及运行参数对变压器直流偏磁故障进行检测和判断，提高了变压器故障诊断的确诊率和可靠性。作为其他实施方式，可以不进行预判，直接采用上述采集变压器振动信号，提取特征量来对直流偏磁故障进行判断。

本发明还提供一种变压器直流偏磁故障诊断装置，包括如下单元：

1)用于采集变压器振动信号的单元；

2)用于将变压器振动信号进行预处理，得到时域波形的单元；

3)用于将时域波形进行时-频转换，得到变压器振动信号的瞬时频率特性波形和三维时间-频率-幅值谱图的单元；

4)用于根据瞬时频率特性波形以及时间-频率-幅值谱图，提取频率大于1000Hz的幅值特性，以频率对应的幅值特性为特征量的单元；

5)用于将变压器振动信号的特征量与样本库中对应的特征量进行相关性计算，根据计算结果判断是否存在直流偏磁故障单元；样本库中存储直流偏磁故障情况下不同频率对应的幅值特性。

上述变压器直流偏磁故障诊断装置，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，上述各单元即为与方法流程相对应的各处理进程或程序。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再对该装置进行详细描述。

Claims (10)

1.一种变压器直流偏磁故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采集变压器振动信号；

2)将变压器振动信号进行预处理，得到时域波形；

3)将时域波形进行时-频转换，得到变压器振动信号的瞬时频率特性波形和三维时间-频率-幅值谱图；

4)根据瞬时频率特性波形以及时间-频率-幅值谱图，提取频率大于1000Hz的幅值特性，以频率对应的幅值特性为特征量；

5)将变压器振动信号的特征量与样本库中对应的特征量进行相关性计算，根据计算结果判断是否存在直流偏磁故障；样本库中存储直流偏磁故障情况下不同频率对应的幅值特性。

2.根据权利要求1所述的变压器直流偏磁故障诊断方法，其特征在于，还包括预判方法，包括如下步骤：

a)采集步骤：采集变压器直流接地信号和变压器运行参数；

b)阈值判断步骤：对变压器直流接地信号与直流接地信号阈值进行比较，若大于直流接地信号阈值，则进行历史数据比较；

c)历史数据比较步骤：若变压器直流接地信号、运行参数与对应的历史数据相比，差异满足设定条件，则再通过变压器振动信号来进行直流偏磁故障的判断。

3.根据权利要求1所述的变压器直流偏磁故障诊断方法，其特征在于，对于三相分体变压器，还包括预判方法：做纵横比计算，若满足条件，再通过变压器振动信号来进行直流偏磁故障的判断。

4.根据权利要求2所述的变压器直流偏磁故障诊断方法，其特征在于，所述变压器运行参数包括变压器运行电压、负载电流、顶层油温和绕组温度。

5.根据权利要求2所述的变压器直流偏磁故障诊断方法，其特征在于，所述阈值比较公式为：

I_A(t)>I_T

变压器直流接地信号历史数据比较公式为：

$\frac{I_{A\left(t\right)}-I_{A(t-1)}}{I_{A(t-1)}}\×100\%\≥K_1$

其中I_A(t)为本次直流接地信号采样值，I_A(t-1)为上次直流接地信号采样值；

变压器运行参数历史数据比较公式为：

$\left|\frac{M_t-M_{t-1}}{M_{t-1}}\right|\×100\%\≥K_2$

其中M_t为本次运行参数数据采样值，M_t-1为上次运行参数数据采样值。

6.根据权利要求3所述的变压器直流偏磁故障诊断方法，其特征在于，所述纵横比计算公式为：

$\left|\frac{X_t/(Y_t+Z_t)-X_{t-1}/(Y_{t-1}+Z_{t-1})}{X_t/(Y_t+Z_t)}\right|\×100\%\≥K_{tsh}$

其中X_t、Y_t、Z_t分别为三相分体变压器A、B、C三相的同一运行参数的当前采样值，X_t-1、Y_t-1、Z_t-1分别为三相分体变压器对应相同运行参数的上次采样值。

7.根据权利要求1～3任一项所述的变压器直流偏磁故障诊断方法，其特征在于，还包括将采集的变压器振动信号经调理、放大、A/D及光电转换，以FT3格式输出待测信号的振动时域波形，并对时域波形采用滤波算法进行降噪处理的步骤，滤波效果采用均方根误差：

$d=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(y\right(n)-f(n\left)\right)}^2}$

来衡量。

8.根据权利要求1～3任一项所述的变压器直流偏磁故障诊断方法，其特征在于，所述相关性计算为Pearson相关性计算方法：

${\mathrm{\ρ}}_{X,Y}=\frac{E(X,Y)-E\left(X\right)E\left(Y\right)}{\sqrt{E\left(X^2\right)-E^2\left(X\right)}\sqrt{E\left(Y^2\right)-E^2\left(Y\right)}}$

其中X为待识别变压器数据对应的特征向量，Y为样本库中某一故障类型的特征向量，ρ_X,Y为相关系数；ρ_X,Y的绝对值越大，相关性越强。

9.根据权利要求5所述的变压器直流偏磁故障诊断方法，其特征在于，所述K₁＝30％，K₂＝20％。

10.一种变压器直流偏磁故障诊断装置，其特征在于，包括如下单元：

1)用于采集变压器振动信号的单元；

2)用于将变压器振动信号进行预处理，得到时域波形的单元；

3)用于将时域波形进行时-频转换，得到变压器振动信号的瞬时频率特性波形和三维时间-频率-幅值谱图的单元；

4)用于根据瞬时频率特性波形以及时间-频率-幅值谱图，提取频率大于1000Hz的幅值特性，以频率对应的幅值特性为特征量的单元；

5)用于将变压器振动信号的特征量与样本库中对应的特征量进行相关性计算，根据计算结果判断是否存在直流偏磁故障的单元；样本库中存储直流偏磁故障情况下不同频率对应的幅值特性。