CN106405317B - 一种电力变压器绕组故障在线监测装置及诊断方法 - Google Patents

一种电力变压器绕组故障在线监测装置及诊断方法 Download PDF

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Abstract

一种电力变压器绕组故障在线监测装置及诊断方法，属于电力变压器故障诊断技术领域。装置：电压和电流传感器输出端连接同步信号采样电路输入端，同步信号采样电路和超高频传感器输出端连接信号调理电路输入端，信号调理电路输出端经A/D转换电路连接DSP输入端，DSP输出端经CPLD与PC机相连，PC机与报警器相连。方法：采集变压器油箱壁上超声波信号，经过信号调理、A/D转换，再经DSP去噪，最后得出局部放电坐标；采集电压、电流信号，对信号进行处理，建立在线短路电抗模型，得出各相绕组短路电抗值，与历史无故障短路电抗值进行比较，得出短路电抗变化率，判断变化率在上限阀值和下限阀值的什么范围内，判定绕组工作状态。

Description

一种电力变压器绕组故障在线监测装置及诊断方法
技术领域
本发明属于电力变压器故障诊断技术领域，特别是涉及一种电力变压器绕组故障在线监测装置及诊断方法。
背景技术
电力变压器作为电力系统最重要的枢纽之一，它的安全可靠运行直接关系到发电及供电系统的安全和可靠性，因此，对变压器的故障检测、维护及维修是保障供电系统正常运行的重要工作。各种电力设备中，电力变压器的绕组是导致电力变压器故障较多的部件之一，并且变压器的结构和电磁环境尤为复杂，其局放监测问题显得也较为突出，因此，深入研究变压器故障的检测和诊断方法，对提高变压器生产水平，保证电网安全运行有着积极的意义。
电力变压器在运行过程中，短路电抗的变化直接反应电力变压器绕组的变化，即通过在线监测电力变压器的短路电抗值的变化就能够预知绕组变形的程度，从而避免了绕组变形导致的变压器机械故障。目前使用的局部放电在线监测方法也有很多，例如利用超声波检测定位法在线监测电力变压器局部放电定位置，该方法有一定的局限性：当放电源位于变压器绕组表层时测试是有效的，当放电源位于变压器绝缘深处时，信号将难以收到；对于同时出现的多点放电，如何判断超声信号的大小，如何区分其超声信号，仍需要做进一步的工作；此外，此法在具有强电磁干扰的现场定位中准确度不高。其原因主要有：变压器内部绝缘结构复杂，各种声介质对声波的衰减及对声速的影响都不一样。目前使用的局部放电监测超声波传感器抗电磁干扰能力较差，灵敏度也不很高；各种计算定位法中的算法也不尽完善。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种电力变压器绕组故障在线监测装置及诊断方法，其实现了变压器多故障信息的同时监测，大大提高了采样精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电力变压器绕组故障在线监测装置，包括超高频传感器、电压传感器、电流传感器、同步信号采样电路、信号调理电路、A/D转换电路、DSP、CPLD、USB、PC机及语音报警器；电压传感器和电流传感器的输出端连接同步信号采样电路的输入端，同步信号采样电路和超高频传感器的输出端连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接DSP的输入端，DSP的输出端与CPLD的输入端相连接，CPLD的输出端与PC机通过USB相连接，PC机与语音报警器相连接。
所述同步信号采样电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容及第三电容，第一运算放大器的负输入端与其输出端相连接，正输入端与第一电阻、第一电容的一端相连接，第一电容的另一端接地，第一电阻的另一端为同步信号采样电路的输入端；第一运算放大器的输出端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接第二电容、第四电阻的一端及第二运算放大器的正输入端，第二电容的另一端接地，第四电阻的另一端连接第二运算放大器的输出端，第二运算放大器的负输入端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接地；第二运算放大器的输出端连接第五电阻和第三电容的一端，第五电阻的另一端连接电源，第三电容的另一端接地，第二运算放大器的输出端为同步信号采样电路的输出端。
所述信号调理电路包括第三运算放大器、第四运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第一二极管及第二二极管，第三运算放大器的正输入端连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端连接第一二极管的正极；第三运算放大器的负输入端连接第六电阻和第十电阻的一端，第六电阻的另一端与第八电阻的一端相连接后，与信号输入端Vi相连接，第八电阻的另一端与第四运算放大器的负输入端相连接；第十电阻的另一端与第十二电阻的一端和第三运算放大器的输出端相连接，第十二电阻的另一端与第一二极管的负极相连接后，与信号输出端Vo2相连接；第四运算放大器的正输入端与第九电阻和第十一电阻的一端相连接，第九电阻的另一端与第二二极管的正极相连接并接地，第十一电阻的另一端与第十三电阻的一端和第四运算放大器的输出端相连接，第十三电阻的另一端与第二二极管的负极相连接后，与信号输出端Vo1相连接。
采用所述的电力变压器绕组故障在线监测装置的诊断方法，包括如下步骤：
步骤一：超高频传感器采集变压器内部的超声波信号，电压传感器和电流传感器分别通过变电站的电压互感器和电流互感器的二次侧采集三相一次侧、二次侧的电压和电流信号；
步骤二：同步信号采样电路将步骤一中采集的电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压和电流信号进行滤波、过零比较、限幅处理，使其满足A/D转换电路的输入范围；
步骤三：信号调理电路将步骤一中采集的超声波信号及经过步骤二中同步信号采样电路处理后的各相一次侧、二次侧的电压和电流信号进行双极性处理；
步骤四：A/D转换电路将经过步骤三处理后的超声波信号和各相一次侧、二次侧的电压、电流信号进行模数转换，得到超声波和各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号；
步骤五：通过电压传感器和电流传感器采集第二组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压和电流信号，并将该信号通过同步信号采样电路进行滤波、过零比较、限幅处理，再经信号调理电路进行双极性处理，最后经A/D转换电路进行模数转换，得到第二组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号；同时将两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号和超声波的数字信号传输至DSP；
步骤六：DSP采用互补集合经验模态分解法将超声波的数字信号进行去噪处理，并且对两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号进行有效值、相角处理，进而得到两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号的相量值；建立电力变压器的在线短路电抗模型，将两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号的相量值作为电力变压器的在线短路电抗模型的输入，计算出电力变压器各相绕组的短路电抗值；
所述的电力变压器的在线短路电抗模型为：
XK＝Im{Z1+Z′2+Z′3}
式中，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，Im{}为取复数的虚部值，XK为电力变压器的短路电抗值；
步骤七：将步骤六中得出的电力变压器各相绕组的短路电抗值和去噪处理后的超声波的数字信号通过USB传输至PC机；
步骤八：PC机将经过去噪处理后的超声波数字信号进一步处理，得出局部放电坐标，判断局部放电位置，并显示在屏幕上；在PC机上设定短路电抗变化率的上限阀值和下限阀值，并且将电力变压器各相绕组的短路电抗值与历史无故障的电力变压器各相绕组的短路电抗值进行比较，进而得出短路电抗变化率；通过将上述得出的短路电抗变化率与设定好的短路电抗变化率的上限阀值和下限阀值进行比较，进而判定变压器绕组的工作状态，并将判定结果与各相一次侧、二次侧的电压、电流数字信号的相量、相角和有效值显示在屏幕上；若短路电抗变化率小于下限阀值，则PC机显示的结果为正常；若短路电抗变化率在上限阀值与下限阀值之间，则PC机显示存在故障隐患；若短路电抗变化率大于上限阀值，则PC机显示故障并发送信号给语音报警器，发出警报通知相关检修人员进行检修。
步骤六中所述的建立电力变压器的在线短路电抗模型的方法，具体包括如下步骤：
应用基尔霍夫电压定律，由变压器等效模型得出：
式中，为变压器高压侧电压，/>为变压器中压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器高压侧电流，/>为变压器中压侧电流在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电流在高压侧的折算值，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值；
根据进一步整理公式(4)得：
式中，为变压器高压侧电压，/>为变压器中压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器高压侧电流，/>为变压器中压侧电流在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电流在高压侧的折算值，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，k12为高压与中压的变比，k13为高压与低压的变比，/>为变压器中压侧电压，/>为变压器低压侧电压，/>为变压器中压侧电流，/>为变压器低压侧电流；
在额定范围内改变变压器的负载，测量不同负载情况下的两组待测变压器的高压侧、中压侧及低压侧的电压和电流，并将测得的两组电压和电流带入公式(5)得出：
式中，k12为高压与中压的变比，k13为高压与低压的变比，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，为第一组获得的变压器高压侧电压，/>为第二组获得的变压器高压侧电压，/>为第一组获得的变压器中压侧电压，/>为第二组获得的变压器中压侧电压，/>为第二组获得的变压器低压侧电压，/>为第一组获得的变压器高压侧电流，/>为第二组获得的变压器高压侧电流，/>为第一组获得的变压器中压侧电流，/>为第二组获得的变压器中压侧电流，/>为第二组获得的变压器低压侧电流；
将公式(6)进一步求解，得出高、中、低的短路阻抗计算公式：
式中，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，k12为高压与中压的变比，k13为高压与低压的变比，为第一组获得的变压器高压侧电压，/>为第二组获得的变压器高压侧电压，为第一组获得的变压器中压侧电压，/>为第二组获得的变压器中压侧电压，/>为第一组获得的变压器低压侧电压，/>为第二组获得的变压器低压侧电压，/>为第一组获得的变压器高压侧电流，/>为第二组获得的变压器高压侧电流，/>为第一组获得的变压器中压侧电流，/>为第二组获得的变压器中压侧电流，/>为第一组获得的变压器低压侧电流，/>为第二组获得的变压器低压侧电流；
由公式(7)得出电力变压器的在线短路电抗模型：
XK＝Im{Z1+Z′2+Z′3} (8)
式中，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，Im{}为取复数的虚部值，XK为电力变压器的短路电抗值。
步骤八中所述的PC机将经过去噪处理后的超声波数字信号进一步处理，得出局部放电坐标，判断局部放电位置，并显示在屏幕上，具体包括如下步骤：
在PC机中建立局部放电在线监测数学模型，将经过去噪处理后的超声波数字信号作为该模型的输入，得出局部放电坐标的最优解，从而判断变压器内部具体局部放电位置，并显示在屏幕上；
所述的建立局部放电在线监测数学模型的方法，如下：
设M(x，y，z)为变压器内部具体局部放电位置坐标，吸附在变压器的油箱外壁上的三个超高频传感器的坐标分别为N0(x0，y0，z0)、N1(x1，y1，z1)、N2(x2，y2，z2)，超声波信号到达三个超高频传感器所需要的时间分别为T0、T1、T2，其距离分别为L0、L1、L2，其等效声速为v，由坐标方程得：
采用声-声定位法确定T0、T1、T2之间的时间差t1、t2，其中：
将时间差引入方程(9)得：
推广到一般形式得：
式(12)中，i＝0，1，2...n，当i＝0时，t0＝0；
将式(12)进行重构求解，重构函数为：
使fi最小，此时：
式(14)也必须为最小，则得出局部放电在线监测数学模型：
本发明的工作原理：
本发明一方面采集电力变压器油箱壁上若干点的超声波信号，将所述超声波信号经过信号调理、A/D转换，再经DSP进行去噪处理，最后在PC机上计算出局部放电坐标，判断局部放电位置；另一方面采集电力变压器的三相一次侧、二次侧的电压、电流信号，对信号进行处理，建立电力变压器的在线短路电抗模型，计算出电力变压器各相绕组的短路电抗值，将计算的短路电抗值与历史无故障的短路电抗值进行比较，得出短路电抗变化率，判断短路电抗变化率在预先设定的上限阀值和下限阀值的什么范围内，进而判定变压器绕组的工作状态，实现电力变压器绕组故障的在线监测。
与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明在对电力变压器绕组故障在线监测的同时，采用超高频传感器对变压器内部局部放电产生的声波信号进行采集，经过信号处理分析，得出局部放电坐标，再根据局部放电坐标判断变压器内部绝缘故障的位置，实现了变压器多故障信息的同时监测；
2、本发明采用了电流和电压的同步信号采样电路，减小了系统与变压器两侧电流、电压的相位误差，大大提高了采样精度；
3、本发明的A/D转换电路采用AD7656转换芯片，AD7656转换芯片是六通道的16-bit逐次逼近型ADC，功耗比同类双极型ADC降低了60％，在每通道250KS/s采样率下精度是同类产品的2倍；AD7656转换芯片的六路模拟输入分为三组，每个输入端都有一个跟踪保持放大器来实现通道的同时采样与转换功能，非常适合多路采集系统的需要；
4、本发明对数字信号处理的DSP芯片采用TMS320F2812芯片，此芯片具有高性能、多功能、高性价比的特点，并且其采用哈佛总线结构，具有密码保护机制，可进行16*16乘加和32*32乘加操作，因而具有快速运算的功能；
5、本发明采用CEEMD去噪法对声波信号进行去噪，CEEMD在抑制分解中产生的端点效应方面具有更好的效果，一定程度上减小了端点效应引起的误差，降低了其对于分解结果的影响，提高了重构信号的精细度与准确度；
6、本发明的USB总线具有传输速度快、结构简单、可靠性高的接口优势，运用于系统可使得系统简单，通用性好，性价比高。
附图说明
图1为本发明的监测装置的一个实施例在实际应用中的连接图；
图2为本发明的监测装置的一个实施例中电力变压器的三相三绕组单相的等效模型简图；
图3为本发明的电力变压器绕组故障在线监测装置的电路原理框图；
图4为本发明的监测装置的一个实施例的同步信号采样电路的电路原理图；
图5为本发明的监测装置的一个实施例的信号调理电路的电路原理图；
图6为本发明的监测装置的一个实施例的A/D转换电路与DSP的电路连接图；
图7为本发明的监测装置的一个实施例的USB(CY7C68013)芯片的电路连接图；
图8为本发明的监测装置的一个实施例的DSP(TMS320F2812)、CPLD和USB(CY7C68013)的电路连接图；
图9为变压器的等效模型图；
图10为本发明的局部放电在线监测数学模型图；
图11为本发明的诊断方法的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图3所示，一种电力变压器绕组故障在线监测装置，包括超高频传感器、电压传感器、电流传感器、同步信号采样电路、信号调理电路、A/D转换电路、DSP、CPLD、USB、PC机及语音报警器；电压传感器和电流传感器的输出端连接同步信号采样电路的输入端，同步信号采样电路和超高频传感器的输出端连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接DSP的输入端，DSP的输出端与CPLD的输入端相连接，CPLD的输出端与PC机通过USB相连接，PC机与语音报警器相连接。
本实施例中，所述超高频传感器采用的是带有磁铁的压电式声波传感器。
如图4所示，所述同步信号采样电路用于将采集的电信号进行滤波、过零比较和限幅处理，其由两部分组成，包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3，第一运算放大器A1的负输入端与其输出端相连接，正输入端与第一电阻R1、第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端接地，第一电阻R1的另一端为同步信号采样电路的输入端；第一运算放大器A1的输出端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接第二电容C2、第四电阻R4的一端及第二运算放大器A2的正输入端，第二电容C2的另一端接地，第四电阻R4的另一端连接第二运算放大器A2的输出端，第二运算放大器A2的负输入端连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端接地；第二运算放大器A2的输出端连接第五电阻R5和第三电容C3的一端，第五电阻R5的另一端连接电源，第三电容C3的另一端接地，第二运算放大器A2的输出端为同步信号采样电路的输出端。
本实施例中，电阻R1＝R2＝R3＝1kΩ，R4＝1MΩ，R5＝10kΩ，电容C1＝C2＝C3＝0.1μF，第一运算放大器A1采用LM124，第二运算放大器A2采用LM311。
如图5所示，所述信号调理电路是把模拟信号进行双极性处理，其包括第三运算放大器A3、第四运算放大器A4、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第一二极管D1及第二二极管D2；第三运算放大器A3的正输入端连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端连接第一二极管D1的正极；第三运算放大器A3的负输入端连接第六电阻R6和第十电阻R10的一端，第六电阻R6的另一端与第八电阻R8的一端相连接后，与信号输入端Vi相连接，第八电阻R8的另一端与第四运算放大器A4的负输入端相连接；第十电阻R10的另一端与第十二电阻R12的一端和第三运算放大器A3的输出端相连接；第十二电阻R12的另一端与第一二极管D1的负极相连接后，与信号输出端Vo2相连接；第四运算放大器A4的正输入端与第九电阻R9和第十一电阻R11的一端相连接，第九电阻R9的另一端与第二二极管D2的正极相连接并接地，第十一电阻R11的另一端与第十三电阻R13的一端和第四运算放大器A4的输出端相连接，第十三电阻R13的另一端与第二二极管D2的负极相连接后，与信号输出端Vo1相连接。
本实施例中，电阻R6＝R7＝R8＝R9＝R11＝R12＝R13＝1kΩ，R10＝2kΩ；第三运算放大器A3和第四运算放大器A4采用运算放大芯片OPA227，该电路的双极性输入范围为±5V。
所述A/D转换电路包括三个A/D转换芯片，且三个A/D转换芯片级联；选用的A/D转换芯片型号为AD7656，每片AD7656芯片可以实现六路信号的同步采集，三片AD7656芯片可实现十八路信号的同步采集，实现了模数转换电路的功能，并将转换后的数字信号发送给DSP。
如图6所示为AD7656与TMS320F2812的接口电路图，AD7656的VDR、RST、CON[ABC]、RD、CS、BUSY引脚分别连接TMS320F2812的DVDD、ADC_RST、PWM1、RE、IS、INT1_BIO引脚，AD7656的D[0]～D[15]引脚连接TMS320F2812的D0～D15引脚，AD7656的DGND引脚连接TMS320F2812的VSS引脚并接地，AD7656的WR、STDBY引脚与+3.3V电源相连接，AD7656的H/SSEL、SER、RANGE、W/B引脚相连并接地。
AD7656有两种工作模式：串行接口模式和高速的并行接口模式，这里主要介绍并行接口模式，并行接口模式可以1个宇的形式来操作(W/B＝0)也可采用宇节的形式(W/B＝1)。
当从并行总线上读数据时，信号SER应被置为低电平。当CS和RD均为低电平时，数据线D[0]～D[15]将不再是高阻状态，CS信号可以被永久的置为低电平，RD用来访问转换的结果，BUSY信号为低电平时开始读操作。
所述DSP采用的型号为TMS320F2812，DSP用于对所述A/D转换电路发送的变压器的电气参量数字信号进行有效值、相角、有功功率、无功功率、功率因数和变压器短路电抗计算，并对超声波数字信号进行去噪处理。型号为TMS320F2812的DSP芯片的读写信号地址线经过CPLD译码后连接到USB上。
图7为USB(CY7C68013)芯片的电路连接图，图8为DSP(TMS320F2812)、CPLD和USB(CY7C68013)的电路连接图。TMS320F2812依靠CPLD与CY7C68013实现连接，CY7C68013的标志位(FLAGA、FLAGB、FLAGC)也经过CPLD与TMS320F2812相连，具体的连接方式如图8所示，TMS320F2812的XA[0]、XA[1]、XZCSOAND1、XZCSOAND7、XWE、XRD引脚分别与CPLD的AA0、AA1、XCS1、XCS2、WE、RD引脚相连，CPLD的SLWR、SLRD、SLOE、FLAGA、FLAGB、FLAGC、FLAGCS、BA0、BA1引脚分别与CY7C68013的SLWR、SLRD、SLOE、FLAGA、FLAGB、FLAGC、FLAGCS、BA0、BA1引脚相连。当对CY7C68013进行读操作时，TMS320F2812的XRD、XZCSOAND1、XA[0]、XA[1]控制读信号SLRD，当对CY7C68013进行写操作时，TMS320F2812的XZCSOAND1、XA[0]、XA[1]控制写信号SLWR。
所述PC机是将计算的短路电抗、正常的短路电抗、采样的电压和电流的有效值与相角、有功功率、无功功率、功率因数显示在屏幕上，并把计算的短路电抗与正常的短路电抗进行比较，判断短路电抗的变化量在预先设定阀值的哪个范围内，并在屏幕上显示结果；一旦超过阀值上限，立刻发送信号给语音报警器，提醒工作人员进行检修；并且对多个超声波信号进行处理计算，得出局部放电位置坐标，使其显示在屏幕上。
使用时，将本发明的监测装置连接于电力变压器与变电站的监控平台之间，如图1所示。将若干超高频传感器吸附在变压器的油箱外壁上，所述电压传感器和电流传感器分别连接变电站的电压互感器二次侧和电流互感器二次侧。
本发明的电力变压器绕组故障在线监测装置在进行工业实施时，为了让其运行结果更加可靠，应采取下述措施：
1、隔离和屏蔽措施，
输入、输出电路通过光耦合器进行有效隔离，二次回路布线时将强、弱电信号线分开，实现隔离，避免了回路间相互感应和互扰影响，印刷电路板的布线信号线与电源线分开、数字电路与模拟电路分开，起到很好的电路隔离效果；
2、电源电路的处理，
在电源正、负极间并接大容量的电容，且所有插件和芯片的电源和地之间都有退耦电容，电源零线采取浮空的方式，可以尽量减少电源线的机壳之间的分布电容，避免干扰。
采用所述的电力变压器绕组故障在线监测装置的诊断方法，如图11所示，包括如下步骤：
步骤一：超高频传感器采集变压器内部的超声波信号，电压传感器和电流传感器分别通过变电站的电压互感器和电流互感器的二次侧采集三相一次侧、二次侧的电压和电流信号。
步骤二：同步信号采样电路将步骤一中采集的电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压和电流信号进行滤波、过零比较、限幅处理，使其满足A/D转换电路的输入范围。
步骤三：信号调理电路将步骤一中采集的超声波信号及经过步骤二中同步信号采样电路处理后的各相一次侧、二次侧的电压和电流信号进行双极性处理，使A/D转换电路对负信号也能正常采集，保证了信号的完整性。
步骤四：A/D转换电路将经过步骤三处理后的超声波信号和各相一次侧、二次侧的电压、电流信号进行模数转换，得到超声波和各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号。
步骤五：通过电压传感器和电流传感器采集第二组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压和电流信号，并将该信号通过同步信号采样电路进行滤波、过零比较、限幅处理，再经信号调理电路进行双极性处理，最后经A/D转换电路进行模数转换，得到第二组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号；同时将两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号和超声波的数字信号传输至DSP。
步骤六：DSP采用互补集合经验模态分解法(CEEMD)将超声波的数字信号进行去噪处理，并且对两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号进行有效值、相角处理，进而得到两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号的相量值；建立电力变压器的在线短路电抗模型，将两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号的相量值作为电力变压器的在线短路电抗模型的输入，计算出电力变压器各相绕组的短路电抗值，将电力变压器各相绕组的短路电抗值作为电力变压器各相绕组的电气特征。
所述的互补集合经验模态分解法(CEEMD)的信号去噪原理：
超声波的数字信号经CEEMD分解得到的第j个IMF分量cj是根据频率从高到低排列的，高频的噪声大部分出现在靠前的分量中。对于如何划清分量中噪声与分量中噪声与真实信号的界限，这里设定了一个判定标准：白噪声的各阶IMF分量的能量密度和其对应的平均周期的乘积近似为2，即：
Cui＝EnTn≈2 (1)
式中，Cui为白噪声的各阶IMF分量的能量密度和其对应的平均周期的乘积，表示白噪声的第n阶IMF分量的能量密度，N为该分量的数据长度，Tn＝N/Nmax，表示白噪声的第n阶IMF分量的能量密度对应的平均周期，Nmax为该分量中的极大值点的个数，imfn(i)为数据长度为i的分量的第n个IMF分量。
令
Ccj＝EnTn (2)
cj的En和Tn按照上述公式计算，Ccj为所得的各cj的能量密度与平均周期的乘积。
设置如下评估系数：
若a接近0，则可认为cj分量包含有大部分的噪声，可以直接截取掉；若a较大，则其包含的信号成分更多，应保留。以此结论对得到的cj分量进行截取，剩余的cj分量相加即得到去噪后的信号。
这里以三相三绕组降压变压器为例，如图9所示，一次侧称为高压侧，二次侧分别称为中压侧和低压侧。变压器短路阻抗是当负载阻抗为零时变压器的等效阻抗，短路阻抗的电抗分量即是短路电抗，就是绕组的漏电抗；短路电抗与绕组的相对位置和几何尺寸有关，通过监测变压器的短路电抗来检查绕组的变形情况，漏磁场的变化直接影响到绕组漏感的变化，即影响漏电抗的变化，进而短路电抗也就发生变化。图中：Z1、R1、X1分别为变压器高压侧的阻抗、电阻、电抗，Z1＝R1+jX1；Z2、R2、X2分别为变压器中压侧的阻抗、电阻、电抗，Z2＝R2+jX2；Z′2、R′2、X′2分别为变压器中压侧的阻抗、电阻、电抗在高压侧的折算值，Z′2＝R′2+jX′2；Z3、R3、X3分别为变压器低压侧的阻抗、电阻、电抗，Z3＝R3+jX3；Z′3、R′3、X′3分别为变压器低压侧的阻抗、电阻、电抗在高压侧的折算值，Z′3＝R′3+jX′3；Zm、Rm、Xm分别为变压器励磁支路的阻抗、电阻、电抗，Zm＝Rm+jXm；为变压器高压侧电压，/>为变压器中压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电压在高压侧的折算值；/>为变压器的励磁电流，/>为变压器高压侧电流，/>为变压器中压侧电流在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电流在高压侧的折算值。图2为电力变压器的三相三绕组单相的等效模型简图。
所述的建立电力变压器的在线短路电抗模型的方法，具体包括如下步骤：
应用基尔霍夫电压定律(KVL)，由图9所示的变压器等效模型可以得出：
式中，为变压器高压侧电压，/>为变压器中压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器高压侧电流，/>为变压器中压侧电流在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电流在高压侧的折算值，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值；
根据进一步整理公式(4)得：
式中，为变压器高压侧电压，/>为变压器中压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器高压侧电流，/>为变压器中压侧电流在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电流在高压侧的折算值，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，k12为高压与中压的变比，k13为高压与低压的变比，/>为变压器中压侧电压，/>为变压器低压侧电压，/>为变压器中压侧电流，/>为变压器低压侧电流；
在额定范围内改变变压器的负载，测量不同负载情况下的两组待测变压器的高压侧、中压侧及低压侧的电压和电流，并将测得的两组电压和电流带入公式(5)得出：
式中，k12为高压与中压的变比，k13为高压与低压的变比，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，为第一组获得的变压器高压侧电压，/>为第二组获得的变压器高压侧电压，为第一组获得的变压器中压侧电压，/>为第二组获得的变压器中压侧电压，/>为第二组获得的变压器低压侧电压，/>为第一组获得的变压器高压侧电流，/>为第二组获得的变压器高压侧电流，/>为第一组获得的变压器中压侧电流，/>为第二组获得的变压器中压侧电流，/>为第二组获得的变压器低压侧电流；
将公式(6)进一步求解，得出高、中、低的短路阻抗计算公式：
式中，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，k12为高压与中压的变比，k13为高压与低压的变比，为第一组获得的变压器高压侧电压，/>为第二组获得的变压器高压侧电压，为第一组获得的变压器中压侧电压，/>为第二组获得的变压器中压侧电压，/>为第一组获得的变压器低压侧电压，/>为第二组获得的变压器低压侧电压，/>为第一组获得的变压器高压侧电流，/>为第二组获得的变压器高压侧电流，/>为第一组获得的变压器中压侧电流，/>为第二组获得的变压器中压侧电流，/>为第一组获得的变压器低压侧电流，/>为第二组获得的变压器低压侧电流；
由公式(7)得出电力变压器的在线短路电抗模型：
XK＝Im{Z1+Z′2+Z′3} (8)
式中，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，Im{}为取复数的虚部值，三个虚部值都是电抗，XK为电力变压器的短路电抗值。
步骤七：将步骤六中得出的电力变压器各相绕组的短路电抗值和去噪处理后的超声波的数字信号通过USB传输至PC机。
步骤八：PC机将经过去噪处理后的超声波数字信号进一步处理，得出局部放电坐标，判断局部放电位置，并显示在屏幕上；在PC机上设定短路电抗变化率的上限阀值和下限阀值，并且将电力变压器各相绕组的短路电抗值与历史无故障的电力变压器各相绕组的短路电抗值进行比较，进而得出短路电抗变化率；通过将上述得出的短路电抗变化率与设定好的短路电抗变化率的上限阀值和下限阀值进行比较，进而判定变压器绕组的工作状态，并将判定结果与各相一次侧、二次侧的电压、电流数字信号的相量、相角和有效值显示在屏幕上；若短路电抗变化率小于下限阀值，则PC机显示的结果为正常；若短路电抗变化率在上限阀值与下限阀值之间，则PC机显示存在故障隐患；若短路电抗变化率大于上限阀值，则PC机显示故障并发送信号给语音报警器，发出警报通知相关检修人员进行检修。
所述的PC机将经过去噪处理后的超声波数字信号进一步处理，得出局部放电坐标，判断局部放电位置，并显示在屏幕上，具体包括如下步骤：
在PC机中建立局部放电在线监测数学模型，将经过去噪处理后的超声波数字信号作为该模型的输入，得出局部放电坐标的最优解，从而判断变压器内部具体局部放电位置，并显示在屏幕上；
所述的建立局部放电在线监测数学模型的方法，如下：
如图10所示，设M(x，y，z)为变压器内部具体局部放电位置坐标，吸附在变压器的油箱外壁上的三个超高频传感器的坐标分别为N0(x0，y0，z0)、N1(x1，y1，z1)、N2(x2，y2，z2)，超声波信号到达三个超高频传感器所需要的时间分别为T0、T1、T2，其距离分别为L0、L1、L2，其等效声速为v，由坐标方程得：
采用声-声定位法无法直接得到T0、T1、T2，但是可以得到他们之间的时间差t1、t2，其中：
将时间差引入方程(9)得：
推广到一般形式得：
式(12)中，i＝0，1，2...n，当i＝0时，t0＝0；要求解得出局部放电坐标，需要将式(12)进行重构求解，重构函数为：
使fi最小，此时：
式(14)也必须为最小，则局部放电超声波定位方法就变成了一个约束性最优化的问题，局部放电在线监测数学模型为：
将上述方法编入PC机中的MATLAB中，利用MATLAB求解出局部放电坐标的最优解，并把坐标显示在PC机的屏幕上，从而实现变压器内部局部放电位置的在线监测。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请的保护范围。

Claims (1)

1.一种电力变压器绕组故障在线监测装置，其特征在于包括超高频传感器、电压传感器、电流传感器、同步信号采样电路、信号调理电路、A/D转换电路、DSP、CPLD、USB、PC机及语音报警器；电压传感器和电流传感器的输出端连接同步信号采样电路的输入端，同步信号采样电路和超高频传感器的输出端连接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接DSP的输入端，DSP的输出端与CPLD的输入端相连接，CPLD的输出端与PC机通过USB相连接，PC机与语音报警器相连接；所述同步信号采样电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容及第三电容，第一运算放大器的负输入端与其输出端相连接，正输入端与第一电阻、第一电容的一端相连接，第一电容的另一端接地，第一电阻的另一端为同步信号采样电路的输入端；第一运算放大器的输出端连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接第二电容、第四电阻的一端及第二运算放大器的正输入端，第二电容的另一端接地，第四电阻的另一端连接第二运算放大器的输出端，第二运算放大器的负输入端连接第三电阻的一端，第三电阻的另一端接地；第二运算放大器的输出端连接第五电阻和第三电容的一端，第五电阻的另一端连接电源，第三电容的另一端接地，第二运算放大器的输出端为同步信号采样电路的输出端；
所述信号调理电路包括第三运算放大器、第四运算放大器、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第一二极管及第二二极管，第三运算放大器的正输入端连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端连接第一二极管的正极；第三运算放大器的负输入端连接第六电阻和第十电阻的一端，第六电阻的另一端与第八电阻的一端相连接后，与信号输入端Vi相连接，第八电阻的另一端与第四运算放大器的负输入端相连接；第十电阻的另一端与第十二电阻的一端和第三运算放大器的输出端相连接，第十二电阻的另一端与第一二极管的负极相连接后，与信号输出端Vo2相连接；第四运算放大器的正输入端与第九电阻和第十一电阻的一端相连接，第九电阻的另一端与第二二极管的正极相连接并接地，第十一电阻的另一端与第十三电阻的一端和第四运算放大器的输出端相连接，第十三电阻的另一端与第二二极管的负极相连接后，与信号输出端Vo1相连接；
采用前述的电力变压器绕组故障在线监测装置的诊断方法，包括如下步骤：
步骤一：超高频传感器采集变压器内部的超声波信号，电压传感器和电流传感器分别通过变电站的电压互感器和电流互感器的二次侧采集三相一次侧、二次侧的电压和电流信号；
步骤二：同步信号采样电路将步骤一中采集的电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压和电流信号进行滤波、过零比较、限幅处理，使其满足A/D转换电路的输入范围；
步骤三：信号调理电路将步骤一中采集的超声波信号及经过步骤二中同步信号采样电路处理后的各相一次侧、二次侧的电压和电流信号进行双极性处理；
步骤四：A/D转换电路将经过步骤三处理后的超声波信号和各相一次侧、二次侧的电压、电流信号进行模数转换，得到超声波和各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号；
步骤五：通过电压传感器和电流传感器采集第二组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压和电流信号，并将该信号通过同步信号采样电路进行滤波、过零比较、限幅处理，再经信号调理电路进行双极性处理，最后经A/D转换电路进行模数转换，得到第二组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号；同时将两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号和超声波的数字信号传输至DSP；
步骤六：DSP采用互补集合经验模态分解法将超声波的数字信号进行去噪处理，并且对两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号进行有效值、相角处理，进而得到两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号的相量值；建立电力变压器的在线短路电抗模型，将两组电力变压器的各相一次侧、二次侧的电压、电流的数字信号的相量值作为电力变压器的在线短路电抗模型的输入，计算出电力变压器各相绕组的短路电抗值；
所述的电力变压器的在线短路电抗模型为：
XK＝Im{Z1+Z′2+Z′3}
式中，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，Im{}为取复数的虚部值，XK为电力变压器的短路电抗值；
步骤七：将步骤六中得出的电力变压器各相绕组的短路电抗值和去噪处理后的超声波的数字信号通过USB传输至PC机；
步骤八：PC机将经过去噪处理后的超声波数字信号进一步处理，得出局部放电坐标，判断局部放电位置，并显示在屏幕上；在PC机上设定短路电抗变化率的上限阀值和下限阀值，并且将电力变压器各相绕组的短路电抗值与历史无故障的电力变压器各相绕组的短路电抗值进行比较，进而得出短路电抗变化率；通过将上述得出的短路电抗变化率与设定好的短路电抗变化率的上限阀值和下限阀值进行比较，进而判定变压器绕组的工作状态，并将判定结果与各相一次侧、二次侧的电压、电流数字信号的相量、相角和有效值显示在屏幕上；若短路电抗变化率小于下限阀值，则PC机显示的结果为正常；若短路电抗变化率在上限阀值与下限阀值之间，则PC机显示存在故障隐患；若短路电抗变化率大于上限阀值，则PC机显示故障并发送信号给语音报警器，发出警报通知相关检修人员进行检修；
步骤六中所述的建立电力变压器的在线短路电抗模型的方法，具体包括如下步骤：
应用基尔霍夫电压定律，由变压器等效模型得出：
式中，为变压器高压侧电压，/>为变压器中压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器高压侧电流，/>为变压器中压侧电流在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电流在高压侧的折算值，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值；
根据进一步整理公式(4)得：
式中，为变压器高压侧电压，/>为变压器中压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电压在高压侧的折算值，/>为变压器高压侧电流，/>为变压器中压侧电流在高压侧的折算值，/>为变压器低压侧电流在高压侧的折算值，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，k12为高压与中压的变比，k13为高压与低压的变比，/>为变压器中压侧电压，/>为变压器低压侧电压，/>为变压器中压侧电流，/>为变压器低压侧电流；
在额定范围内改变变压器的负载，测量不同负载情况下的两组待测变压器的高压侧、中压侧及低压侧的电压和电流，并将测得的两组电压和电流带入公式(5)得出：
式中，k12为高压与中压的变比，k13为高压与低压的变比，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，为第一组获得的变压器高压侧电压，/>为第二组获得的变压器高压侧电压，/>为第一组获得的变压器中压侧电压，/>为第二组获得的变压器中压侧电压，/>为第二组获得的变压器低压侧电压，/>为第一组获得的变压器高压侧电流，/>为第二组获得的变压器高压侧电流，/>为第一组获得的变压器中压侧电流，/>为第二组获得的变压器中压侧电流，/>为第二组获得的变压器低压侧电流；将公式(6)进一步求解，得出高、中、低的短路阻抗计算公式：
式中，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，k12为高压与中压的变比，k13为高压与低压的变比，为第一组获得的变压器高压侧电压，/>为第二组获得的变压器高压侧电压，/>为第一组获得的变压器中压侧电压，/>为第二组获得的变压器中压侧电压，/>为第-组获得的变压器低压侧电压，/>为第二组获得的变压器低压侧电压，/>为第-组获得的变压器高压侧电流，/>为第二组获得的变压器高压侧电流，/>为第一组获得的变压器中压侧电流，/>为第二组获得的变压器中压侧电流，/>为第一组获得的变压器低压侧电流，为第二组获得的变压器低压侧电流；
由公式(7)得出电力变压器的在线短路电抗模型：
xK＝Im{Z1+Z′2+Z′3} (8)
式中，Z1为变压器高压侧的阻抗，Z′2为变压器中压侧的阻抗在高压侧的折算值，Z′3为变压器低压侧的阻抗在高压侧的折算值，Im{}为取复数的虚部值，XK为电力变压器的短路电抗值；
步骤八中所述的PC机将经过去噪处理后的超声波数字信号进一步处理，得出局部放电坐标，判断局部放电位置，并显示在屏幕上，具体包括如下步骤：
在PC机中建立局部放电在线监测数学模型，将经过去噪处理后的超声波数字信号作为该模型的输入，得出局部放电坐标的最优解，从而判断变压器内部具体局部放电位置，并显示在屏幕上；
所述的建立局部放电在线监测数学模型的方法，如下：
设M(x，y，z)为变压器内部具体局部放电位置坐标，吸附在变压器的油箱外壁上的三个超高频传感器的坐标分别为N0(x0，y0，z0)、N1(x1，y1，z1)、N2(x2，y2，z2)，超声波信号到达三个超高频传感器所需要的时间分别为T0、T1、T2，其距离分别为L0、L1、L2，其等效声速为v，由坐标方程得：
采用声-声定位法确定T0、T1、T2之间的时间差t1、t2，其中：
。
将时间差引入方程(9)得：
推广到一般形式得：
式(12)中，i＝0，1，2...n，当i＝0时，t0＝0；
将式(12)进行重构求解，重构函数为：
使fi最小，此时：
式(14)也必须为最小，则得出局部放电在线监测数学模型：
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