CN107037311A - 一种变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法及装置，方法实施步骤包括在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取行波反射信号；针对行波反射信号，计算行波反射信号随故障位置单调变化的故障特征；将变压器绕组以预设的K匝为一组划定定位区间，将所述故障特征输入训练好的遗传神经网络确定故障特征对应的故障区间实现故障定位、并根据故障特征输出故障诊断结果；装置包括FPGA模块、功率放大器、信号放大电路、高速A/D转换电路、DSP处理器、人机交互模块、通讯模块和电源模块。本发明能快速进行匝间短路故障定位，并对严重匝间短路故障进行预测，提示相应的防护措施，实现对于变压器的智能化维护工作。
Description
技术领域
本发明涉及变压器绕组匝间绝缘故障诊断技术，具体涉及一种变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法与装置。
背景技术
随着电力系统的改造升级，电压等级逐步提升。电力变压器是电力系统的重要枢纽，一旦发生故障，将严重影响相关区域电网的安全稳定运行。在故障初期，潜在的匝间绝缘缺陷，特别是轻微的匝间短路故障，发展速度很快，如果处理不及时将会造成很严重的后果，因此及时发现早期轻微的匝间绝缘故障相当重要。
对于变压器绕组的故障诊断，目前采用的主流方式有两种，其一是变压器油中的溶解气体分析(DGA)，其二则是采用局部放电监测技术。(1)基于DGA的变压器故障诊断乃是比较经典的一种方法。其原理乃是考虑到当变压器发生严重的热性故障或者是电气故障时绝缘材料由于受热分解会有多种气体生成并溶解于变压器油中，其中H2、CH4、C2H6、C2H2以及C2H4乃是五种常用的故障特征气体。通过将其含量与正常的变压器油进行对比可以发现变压器所产生的故障类型。并且目前学术界以及工程界对于该法的研究和使用都相对成熟，多种与之相关的智能诊断方式被相继提出。该法实际上是一种综合性的诊断方式，它可以发现包括局部放电、低温过热和高温过热等多种故障形式，但是值得注意的是，它存在两大缺陷，一是故障类型与特征气体之间的关系并不明确，可能多种故障类型导致了类似的气体变化情况，特别是对于轻微匝间故障很难做出准确的诊断，其次即便能够诊断出故障类型，也并不能确定故障的确切位置。(2)基于局部放电检测的变压器故障诊断，乃是通过提取局部放电信号，来进行变压器运行状态的评判。局部放电信号有多种形式，常见的有悬浮放电、内部放电以及匝间绝缘局部击穿等，不同的放电形式对应着不同的故障信号类型。采用这种诊断方式相对于DGA有着更强的针对性，但是由于变压器运行环境比较复杂，存在多种绝缘缺陷类型以及放电种类，这些故障所导致的绝缘破坏现象各不相同，并且现场环境对于局部放电信号的干扰也带来了极大的诊断困难。综上所述，不管是基于DGA还是基于局部放电信号，在对于变压器的匝间短路故障诊断方面，特备是轻微故障方面，都存在明显的局限性。
近年来，行波定位技术因具有原理和操作简单，精确度高的优点被成功应用于电力电缆和发电机绕组故障定位等领域。但是，如何将其应用于变压器绕组匝间绝缘故障诊断，仍然是一项亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够简化电力检修过程，实现变压器匝间故障的准确诊断和定位，预测变压器严重故障的发展趋势，特别是针对比较轻微的变压器匝间故障而言诊断准确性明显提升且操作简便的变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法与装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一方面，本发明提供一种变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法，实施步骤包括：
1)在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取行波反射信号；
2)针对行波反射信号，计算行波反射信号随故障位置单调变化的故障特征，所述故障特征包括当前的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值；
3)将变压器绕组以预设的K匝为一组划定定位区间，将所述故障特征输入训练好的遗传神经网络确定故障特征对应的故障区间实现故障定位、并根据故障特征输出故障诊断结果，所述遗传神经网络包含故障特征和对应故障区间之间的映射关系。
优选地，步骤2)中的行波系数包括电压反射系数Ku和折射系数Hu，且所述电压反射系数Ku的计算函数表达式如式(1)所示，所述折射系数Hu的计算函数表达式如式(2)所示；
式(1)和式(2)中，Z2为输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗，Z1是当前的行波反射信号的阻抗。
优选地，步骤2)中能量比值的计算函数表达式如式(3)所示；
式(3)中，E表示当前的行波反射信号与正常行波反射信号的能量比值，U2为输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的电压值，U1是当前的行波反射信号的电压值。
优选地，步骤3)根据故障特征输出故障诊断结果的详细步骤包括：
3.1)判断输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗Z2和当前的行波反射信号Z1两者相等、电压反射系数Ku的值为零两个条件是否同时满足，如果同时满足则判定并输出变压器绕组线路无故障；否则，跳转执行下一步；
3.2)判断输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗Z2无穷大、电压反射系数Ku的值为1两个条件是否同时满足，如果同时满足则判定并输出变压器绕组线路发生断线故障；否则，跳转执行下一步；
3.2)判断输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗Z2为0、电压反射系数Ku的值为-1两个条件是否同时满足，如果同时满足则判定并输出变压器绕组线路发生短路故障。
优选地，步骤1)的详细步骤包括：
1.1)预先在FPGA芯片中设置状态机的st0～st3四个状态、状态寄存器、脉宽寄存器、计数器以及用于存储行波反射信号的FIFO；
1.2)等待外部输入的重置信号RESET，当外部输入的重置信号RESET有效时，则执行初始化，设置状态机的状态寄存器为st0、计数器清0、脉冲输出为0、脉宽寄存器的脉宽值为count_M，状态机进入st0状态；在st0状态等待外部输入的开始信号START，当开始信号START有效时，跳转执行下一步；
1.3)设置状态机的状态寄存器为st1，状态机进入st1状态；在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号的高电平，开始采样获取行波反射信号、启动AD转换并开始计数，如果计数值大于或等于脉宽值count_M时，跳转执行下一步；
1.4)设置状态机的状态寄存器为st2，状态机进入st2状态，在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号的低电平；检测FIFO是否已经写满，如果FIFO已写满，则跳转执行下一步；
1.5)设置状态机的状态寄存器为st3，状态机进入st3状态，行波反射信号采样结束；跳转执行步骤1.2)。
优选地，步骤2)中遗传神经网络的训练步骤包括：
S1)在无故障的变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取非故障状态下行波反射信号，计算非故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值，将非故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值、无故障区间的映射关系添加至训练样本集；
S2)将变压器绕组以预设的K匝为一组划定定位区间，分别在不同定位区间故障情况下在有故障的变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取有故障状态下行波反射信号，计算有故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值，将有故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值、对应故障区间的映射关系添加至训练样本集；
S3)利用训练样本集完成对遗传神经网络的训练。
另一方面，本发明还提供一种变压器绕组匝间绝缘故障诊断装置，包括FPGA模块、功率放大器、信号放大电路、高速A/D转换电路、DSP处理器、人机交互模块、通讯模块和电源模块，所述FPGA模块的输出端和功率放大器相连，所述功率放大器的输出端为用于和变压器绕组线端相连的激励信号输入端，所述信号放大电路的输入端为用于和变压器绕组线端相连的行波反射信号输入端，所述信号放大电路的输出端通过、高速A/D转换电路和FPGA模块的输入端相连，所述FPGA模块和DSP处理器相互连接，且所述DSP处理器分别与人机交互模块、通讯模块相连，所述电源模块的输出端分别与FPGA模块、功率放大器、信号放大电路、高速A/D转换电路、DSP处理器、人机交互模块、通讯模块相连。
优选地，所述信号放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、稳压管D1、稳压管D2和运放芯片U1，所述电阻R1的一端作为用于和变压器绕组线端相连的行波反射信号输入端、另一端依次通过电阻R2、电容C2和运放芯片U1的正极输入端相连，电容C1和电阻R1并联连接，运放芯片U1的负极输入端接地，电阻R5串接在运放芯片U1的输出端和负极输入端上，运放芯片U1的输出端串接电阻R3后和高速A/D转换电路的输入端，且运放芯片U1的输出端依次串接电阻R3、电阻R4后接地，稳压管D1一端串接在电阻R1和电阻R2两者之间、另一端接地，稳压管D2和稳压管D1并联连接。
优选地，所述高速A/D转换电路包括时钟电路、并转串器件和多条A/D转换支路，所述A/D转换支路包括依次串联的采样保持电路和A/D转换芯片，所述采样保持电路的输入端分别和信号放大电路的输出端以及时钟电路的时钟信号输出端相连，所有A/D转换支路的A/D转换芯片同时与并转串器件的输入端相连，所述并转串器件的输出端和FPGA模块的输入端相连。
本发明变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法具有下述优点：本发明变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法创造性地将行波定位技术引入变压器绕组匝间短路故障定位研究中，通过在绕组线端输入低压脉冲获取行波反射信号，将其作为分析故障的电气量，首先分别采用行波系数法和能量比值法寻找随故障位置单调变化的故障特征，即故障行波与正常行波的行波系数与能量比值；然后将绕组以K匝为一组划定定位区间，利用遗传神经网络确定故障特征和对应故障区域的映射关系，实现故障定位。
本发明变压器绕组匝间绝缘故障诊断装置具有下述优点：本发明变压器绕组匝间绝缘故障诊断装置为本发明变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法对应的装置，包括FPGA模块、功率放大器、信号放大电路、高速A/D转换电路、DSP处理器、人机交互模块、通讯模块和电源模块，通过FPGA模块、功率放大器、信号放大电路、高速A/D转换电路能够完成在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号、采样获取行波反射信号，通过DSP处理器针对行波反射信号进行滤波输出给上位机，通过上位机即可计算行波反射信号随故障位置单调变化的故障特征，所述故障特征包括当前的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值，将变压器绕组以预设的K匝为一组划定定位区间，将所述故障特征输入训练好的遗传神经网络确定故障特征对应的故障区间实现故障定位、并根据故障特征输出故障诊断结果。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例状态机的状态转换原理示意图。
图3为本发明实施例装置的框架结构示意图。
图4为ADS831的时序图。
图5为本发明实施例装置FPGA模块中的数据总线示意图。
图6为本发明实施例装置信号放大电路的电路原理图。
图7为本发明实施例装置高速A/D转换电路的电路原理图。
图8为本发明实施例装置的软件系统框图。
图9为本发明实施例装置的数据处理子系统框图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法的实施步骤包括：
1)在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取行波反射信号；本实施例中，低压窄脉冲信号具体采用4ns左右宽度的低压窄脉冲；
2)针对行波反射信号，计算行波反射信号随故障位置单调变化的故障特征，所述故障特征包括当前的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值；
3)将变压器绕组以预设的K匝为一组划定定位区间，将所述故障特征输入训练好的遗传神经网络确定故障特征对应的故障区间实现故障定位、并根据故障特征输出故障诊断结果，所述遗传神经网络包含故障特征和对应故障区间之间的映射关系。
本实施例变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法是基于变压器绕组的行波定位技术。本实施例变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法的基于行波定位技术进行绝缘故障诊断的原理如下：变压器绕组是由多匝均匀铜导线绕制而成，线匝之间的电气量参数相差不大，电磁边界在线匝换位时不连续，波阻抗在相邻线匝换位处有比较明显的变化，因此可以把每一匝近似的看成一根均匀传输线，即行波理论可应用于变压器匝间故障诊断领域；在对第n匝Zn进行分析时我们会发现：入射波经历n-1次折射和反射后，由第n-1匝Zn-1输出的折射波在第n匝Zn与第n+1匝Zn+1的连接点处分为反射波Ufn和折射波Uzn。反射波Ufn在经过n-1匝返回输入端的过程中，同样先在第n-1匝与第n匝交接处分为反射波Ufnf1和折射波Ufnz1，折射波继续作为下一匝的入射波向输入端口传播。最终反射波Ufn在经历n-1匝的反射和折射后，到达输入端口的Ufnzn才是采集到的第n匝对应的反射特征波。当第n匝被短路时，n匝之后的线匝对应的反射波能量会有一定程度的增大,相应波形也会有一定变化，而n匝之前的线匝反射波基本不受影响，而且短路匝距离行波注入端口距离越近，能量增值越明显，波形变化越大。根据行波在变压器绕组中的传播特性分析可知，当第N匝绕组发生匝间短路故障时，相对于非故障绕组状态，行波在绕组中的传播后反馈回来的反射行波会在第N匝对应位置发生相应能量和波形的变化。因此可使用相似度法和能量比值法进行故障诊断研究。由于不同位置单独发生匝间绝缘故障时候的反射行波与正常状态下的反射行波的相似度与能量比值不同，理论上应该按照故障位置的变化而单调性的变化。因此利用神经网络可进行故障定位。将变压器绕组自上到下均分成K组，取每一组中间的一匝发生匝间短路故障时的反射行波与非故障时反射行波的相关系数和能量比值作为这一组的故障诊断特征量。然后利用仿真软件获取待测绕组的故障特征数据库，并利用故障特征进行神经网络的训练确定故障组和故障特征的映射关系。
本实施例中步骤1)在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取行波反射信号具体是基于FPGA芯片实现的。如图2所示，步骤1)的详细步骤包括：
1.1)预先在FPGA芯片中设置状态机的st0～st3四个状态、状态寄存器、脉宽寄存器、计数器以及用于存储行波反射信号的FIFO；
1.2)等待外部输入的重置信号RESET，当外部输入的重置信号RESET有效时，则执行初始化，设置状态机的状态寄存器为st0、计数器清0、脉冲输出为0、脉宽寄存器的脉宽值为count_M，状态机进入st0状态；在st0状态等待外部输入的开始信号START，当开始信号START有效时，跳转执行下一步；
1.3)设置状态机的状态寄存器为st1，状态机进入st1状态；在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号的高电平，开始采样获取行波反射信号、启动AD转换并开始计数，如果计数值大于或等于脉宽值count_M时，跳转执行下一步；
1.4)设置状态机的状态寄存器为st2，状态机进入st2状态，在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号的低电平；检测FIFO是否已经写满，如果FIFO已写满，则跳转执行下一步；
1.5)设置状态机的状态寄存器为st3，状态机进入st3状态，行波反射信号采样结束；跳转执行步骤1.2)。
本实施例中，步骤2)中的行波系数包括电压反射系数Ku和折射系数Hu，且所述电压反射系数Ku的计算函数表达式如式(1)所示，所述折射系数Hu的计算函数表达式如式(2)所示；
式(1)和式(2)中，Z2为输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗，Z1是当前的行波反射信号的阻抗。往变压器绕组的端口输入单个低压窄脉冲，当电波遇到阻抗不匹配点时，电波会出现反向的现象，通过传输线的理论可以获知，每条传输线都有个特征阻抗Zc，与其长度等信息无关，仅由线路结构决定；假设行波是在均匀传输线中传播，则可得到行波在阻抗不连续点处的电压反射系数Ku如式(1-1)所示、折射系数Hu如式(2-1)所示。
式(1-1)和式(2-1)中，Uf为反射波电压，Ur是入射波电压，Uz表示折射波电压，Z2为入射波阻抗，Z1是出射波阻抗。而Z为均匀传输线的波阻抗，L和C分别表示均匀传输线的单位长度电感和电容，则有均匀传输线的波阻抗Z如式(2-2)所示；
式(2-2)中，Z为均匀传输线的波阻抗，L和C分别为单位长度电感和电容。
根据行波在阻抗不连续点处的电压反射系数Ku如式(1-1)所示、折射系数Hu如式(2-1)，即可得到行波在阻抗不连续点处的电压反射系数Ku如式(1)所示、折射系数Hu如式(2)的计算函数表达式，进而根据上述公式可以算出在传输线波阻抗突变点的反射电压和折射电压。因为在均匀传输线中，行波是按照一定速度传播，所以可以根据入射波和反射波信号的时域波形进行故障诊断。
本实施例中，步骤2)中能量比值的计算函数表达式如式(3)所示；
式(3)中，E表示当前的行波反射信号与正常行波反射信号的能量比值，U2为输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的电压值，U1是当前的行波反射信号的电压值。
因为在均匀传输线中，行波是按照一定速度传播，所以可以根据入射波和反射波信号的时域波形进行故障诊断：(1)线路无故障，此时Z2＝Z1，Ku＝0，无反射；(2)断线故障，Z2＝∞，Ku＝1，发生全反射，且反射波与入射波具有相同极性；(3)短路故障，Z2＝0，Ku＝－1，发生负极性的全反射，反射波与入射波具有相反的极性。本实施例中，步骤3)根据故障特征输出故障诊断结果的详细步骤包括：
3.1)判断输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗Z2和当前的行波反射信号Z1两者相等、电压反射系数Ku的值为零两个条件是否同时满足，如果同时满足则判定并输出变压器绕组线路无故障；否则，跳转执行下一步；
3.2)判断输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗Z2无穷大、电压反射系数Ku的值为1两个条件是否同时满足，如果同时满足则判定并输出变压器绕组线路发生断线故障；否则，跳转执行下一步；
3.2)判断输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗Z2为0、电压反射系数Ku的值为-1两个条件是否同时满足，如果同时满足则判定并输出变压器绕组线路发生短路故障。
本实施例中，步骤2)中遗传神经网络的训练步骤包括：
S1)在无故障的变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取非故障状态下行波反射信号，计算非故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值，将非故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值、无故障区间的映射关系添加至训练样本集；
S2)将变压器绕组以预设的K匝为一组划定定位区间，分别在不同定位区间故障情况下在有故障的变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取有故障状态下行波反射信号，计算有故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值，将有故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值、对应故障区间的映射关系添加至训练样本集；
S3)利用训练样本集完成对遗传神经网络的训练。
如图3所示，本实施例变压器绕组匝间绝缘故障诊断装置包括FPGA模块1、功率放大器2、信号放大电路3、高速A/D转换电路4、DSP处理器5、人机交互模块6、通讯模块7和电源模块8，所述FPGA模块1的输出端和功率放大器2相连，所述功率放大器2的输出端为用于和变压器绕组线端相连的激励信号输入端，所述信号放大电路3的输入端为用于和变压器绕组线端相连的行波反射信号输入端，所述信号放大电路3的输出端通过、高速A/D转换电路4和FPGA模块1的输入端相连，所述FPGA模块1和DSP处理器5相互连接，且所述DSP处理器5分别与人机交互模块6、通讯模块7相连，所述电源模块8的输出端分别与FPGA模块1、功率放大器2、信号放大电路3、高速A/D转换电路4、DSP处理器5、人机交互模块6、通讯模块7相连。
FPGA模块1用于负责产生高频脉冲、控制AD数据采集、存储采样数据以及和DSP处理器5通讯。FPGA模块1产生的脉冲信号电压幅度只有3.3V，驱动能力满足不了系统的发送要求，需要经过功率放大才能发送给被测变压器绕组。
FPGA模块1的主要功能模块包括：
1)产生高频脉冲。
FPGA模块1用于产生高频脉冲，以及在启动发送脉冲的同时需要启动高速A/D转换电路4进行AD采样。本实施例中，FPGA模块1采用了状态机的写法，设有st0，st1，st2，st3四个状态。参见图2，RESET信号若有效，则初始化，状态寄存器为st0，计数器清0，脉冲输出为0，此时如果start＝1,则转入st1，反之在st0循环等待start信号。st1状态表示start信号有效，start2置1启动AD转换，脉冲输出“1”并且计数器开始计数，如果计数值大于等于脉宽寄存器的值count_M,则跳入st2状态,否则继续在st1状态循环等待。st2时脉冲输出“0”，如果FIFO已经写满(wrfull＝‘1’)则跳入st3,反之继续在st2循环等待，直到FIFO写满。st3是一次测量完成后所处的状态，Start2置“0”，结束AD转换。FPGA模块1采用系统时钟50M，经PLL倍频最高可达300M，可以满足4ns左右宽度的低压窄脉冲信号的要求。
2)AD采集逻辑时序控制。
高速A/D转换电路4的AD高速采样由FPGA模块1控制。可以由所用A/D转换电路4的ADC芯片时序图知其采样周期及频率，由其采样频率得到控制频率。例如型号为ADS831的ADC芯片的时序图如图4所示，则其程序分八个步骤控制一次数据采集，故采用频率是AD采样频率(clk_AD)八倍的高频时钟(clk)作为控制时钟。对clk时钟以8为周期计数。
3)FPGA模块1和DSP处理器5通讯。
FPGA模块1和DSP处理器5通讯主要有两个任务：一是DSP处理器5把脉冲宽度和指令传给FPGA，二是DSP处理器5从FPGA模块1读回存储在FIFO中的数据。DSP处理器5向FPGA模块1发送指令是单向的，用导线把其I/O口和对应的FPGA模块1引脚连接起来便可。DSP处理器5和FPGA模块1之间的数据传输是双向的，图5显示了在FPGA模块1中设计的数据总线bidir。数据总线有5个端口，A[7..0]是双向端口(bidir)，连接DSP处理器5；B1连接脉宽寄存器；B2连接FIFO数据输出端；bidir_en是总线使能端，高电平有效；DIR是方向选通端，DIR＝'1',A端到B端,DIR＝'0',B端到A端。
功率放大器2用于将FPGA模块1产生的4ns左右宽度的低压窄脉冲信号进行功率放大输入变压器绕组线端。FPGA产生的脉冲信号电压幅度只有3.3V，驱动能力满足不了系统的发送要求，需要经过功率放大器2进行功率放大才能发送给被测绕组。
信号放大电路3用于对行波反射信号进行放大。低压窄脉冲信号发送待测变压器绕组后，行波传播过程中会发生功率衰减、波形畸变，返回波的幅度和波形可能不能满足检测精度的要求，所以在高速A/D转换电路4前加一级放大，即信号放大电路3。如果回来的信号幅度比较高无需放大，可以把信号放大电路3连接成电压跟随器，但是信号放大电路3不能没有，因为没有信号放大电路3的隔离，FPGA模块1的接收电路会影响发射脉冲的发射功率。此外，FPGA模块1的收发共用同一检测点，发射脉冲的幅度在20V左右，在启动检测后，发射脉冲也会直接窜入接收通道。而接收电路中的信号放大电路3和高速A/D转换电路4的额定输入电压都不超过5.5V，若发射和脉冲直接接入会烧毁信号放大电路3和高速A/D转换电路4。如图6所示，信号放大电路3包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、稳压管D1、稳压管D2和运放芯片U1，所述电阻R1的一端作为用于和变压器绕组线端相连的行波反射信号输入端、另一端依次通过电阻R2、电容C2和运放芯片U1的正极输入端相连，电容C1和电阻R1并联连接，运放芯片U1的负极输入端接地，电阻R5串接在运放芯片U1的输出端和负极输入端上，运放芯片U1的输出端串接电阻R3后和高速A/D转换电路4的输入端，且运放芯片U1的输出端依次串接电阻R3、电阻R4后接地，稳压管D1一端串接在电阻R1和电阻R2两者之间、另一端接地，稳压管D2和稳压管D1并联连接。电容C1和电阻R1的作用是提高传输速度，改善信号边沿特性；稳压管D2和稳压管D1并联来对接收模块的最前端(电阻R1和电阻R2两者之间)起到保护电路的功能，此外保护电路也可以根据实际功率需求采用单个稳压管或者采用更多稳压管并联。
高速A/D转换电路4用于对发射波形和返回波形进行高速采样，采样数据存储于FPGA模块1内嵌FIFO中。根据耐奎斯特采样规则，对于一个有限带宽的信号，必须用等于或高于它最高频率2倍的速率采样，所得的这组采样值才能精确的描述这个原始连续信号。因此在设计高速A/D转换电路4时，必须考虑A/D转换时间。因为越高的采样率能得到越高的故障检测精度，自然成本也随之增长，而且，更高的采样率对系统的时钟及电路的制作工艺提出了更高的要求。因为本实施例装置为了实现较高采样率且为了降低成本(用低速的A/D转换芯片44达到高速采样的目的)，具体方法是用多条A/D转换支路进行并联采样同一信号，但是采样时间上相邻的A/D转换支路滞后半个周期，这样采样率是单独使用某一条A/D转换支路的2倍。如图7所示，高速A/D转换电路4包括时钟电路41、并转串器件42和多条A/D转换支路，所述A/D转换支路包括依次串联的采样保持电路43和A/D转换芯片44，所述采样保持电路43的输入端分别和信号放大电路3的输出端以及时钟电路41的时钟信号输出端相连，所有A/D转换支路的A/D转换芯片44同时与并转串器件42的输入端相连，所述并转串器件42的输出端和FPGA模块1的输入端相连。
DSP处理器5的功能主要是扫描键盘并读取输入的数据和指令，显示操作界面和测量结果。(1)数据处理包括数据的读取、数据归类、数据存贮、数值计算等。数据处理子系统框图如图9所示。(2)软件滤波，由于数据采集环境的影响，发射的行波信号会不同程度地受到各种噪声的干扰。对发射波形和返回波形进行高速采样，采样数据存储于FPGA模块1内嵌FIFO中，其对采集数据应足够密集，并在处理数据之前，先对采样数据进行平滑处理，以消除采样数据带来的随机误差。采样数据的局部平滑，其实也是一种数字滤波的方法，它是通过计算机按照预先编好的程序对等时间间隔中采集到的一组足够密集的数据逐点进行平滑。它按照数据点发展的趋势，根据最小二乘原理推导出平滑公式，对于采集的随时间变化的信号，效果比多次观测实验数据取平均值的方法好的多。
人机交互模块6用于接收外界的指令输入和显示处理的结果，本实施例中人机交互模块6具体包括一个4×4矩阵键盘供指令输入和一个LCD液晶显示器。同时，人机交互模块6还包括一些LED指示电路用于状态指示。
通讯模块7用于实现上位机通讯，本实施例中通讯模块7采用USB接口，通过USB通讯设计与上位机进行数据传输。USB目前已逐渐成为现代数据传输的发展趋势，它为多点数据采集提供了很大的便利，利用USB接口可以实现较传统方式更有效、更经济、点数更多的数据采集。USB支持3种信道速度，其中2.0的高速传输速率可达到480Mb/s，传输速度快，能够采用总线供电，不需外接电源，有4种传输模式(控制传输、同步传输、中断传输、批量传输)以适应不同设备的需要，使用灵活，而且通过使用Hub扩展可拨接多达127个外设，通过Hub或中继器可以使外设距离达到30m，易于扩展，此外还具有低成本，低功耗，容易使用的优点。
电源模块8用于为FPGA模块1、功率放大器2、信号放大电路3、高速A/D转换电路4、DSP处理器5、人机交互模块6、通讯模块7提供所需电源。
本实施例变压器绕组匝间绝缘故障诊断装置的控制模块主要包括FPGA模块1和DSP处理器5，系统软件主要包括FPGA功能设计程序、DSP控制程序、人机交互程序三部分。如图8所示，FPGA功能设计程序包括脉冲发射和数据采集功能，DSP控制程序的数据处理主要包括滤波和数值计算，人机交互程序主要包括数据查询和人机界面，其中人机界面用于系统配置、参数配置和图形显示。系统外围设备检测无故障后，本实施例变压器绕组匝间绝缘故障诊断装置的控制系统进入参数采集程序，将变压器绕组无故障时发射脉冲的返回波形存入数据存储器，即设为初始值，然后等待检测。进入测量环节后，先进行测量数据初始化，主要是对发射信号的幅值、频率以及采集数据的初始化。然后启动信号发生程序发射脉冲，不断采集数据并保存直到数据采集完毕。测量结束后，对测量数据进行放大及去噪处理，DSP控制程序和上位机根据测量的数据进行计算、分析和判断，得出变压器绕组匝间是否发生故障及其故障位置等状态参数并保存。如图9所示，DSP处理器5的数据处理包括：数据读取、采集数据、数值计算、数据分析和数据存储五大功能，数据读取为读取人机交互模块6(键盘)的输入，判断是否已经开始测量；已经开始测量后，则执行采集数据，读取FPGA模块1的FIFO中存储的脉冲返回值；采集结束后，则执行数据计算，比较发射波形及接收波形判断是否发生故障；判断后进行数据分析，根据所得数据判断故障位置；最终将执行数据存储，将发生故障情况、发生故障位置等数据进行存盘。
综上所述，本实施例变压器绕组匝间故障诊断新方案，集数据采集和诊断分析软硬件为一体，能快速进行匝间短路故障定位，并对严重匝间短路故障进行预测，提示相应的防护措施，实现对于变压器的智能化维护工作，能够解决变压器匝间轻微故障难以检测的问题，有利于电力检修以及故障预防。其软硬件系统的配套设计，增加了专利的实用性，实现从行波信号注入，到接收反射波形，以及进行后续的波形对比分析，能量值比对等一系列操作，最终输出诊断结果。对于电力系统的安全经济运行有着重要的意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法，其特征在于实施步骤包括：
1)在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取行波反射信号；
2)针对行波反射信号，计算行波反射信号随故障位置单调变化的故障特征，所述故障特征包括当前的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值；
3)将变压器绕组以预设的K匝为一组划定定位区间，将所述故障特征输入训练好的遗传神经网络确定故障特征对应的故障区间实现故障定位、并根据故障特征输出故障诊断结果，所述遗传神经网络包含故障特征和对应故障区间之间的映射关系。
2.根据权利要求1所述的变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法，其特征在于，步骤2)中的行波系数包括电压反射系数Ku和折射系数Hu，且所述电压反射系数Ku的计算函数表达式如式(1)所示，所述折射系数Hu的计算函数表达式如式(2)所示；
式(1)和式(2)中，Z2为输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗，Z1是当前的行波反射信号的阻抗。
3.根据权利要求2所述的变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法，其特征在于，步骤2)中能量比值的计算函数表达式如式(3)所示；
式(3)中，E表示当前的行波反射信号与正常行波反射信号的能量比值，U2为输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的电压值，U1是当前的行波反射信号的电压值。
4.根据权利要求3所述的变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法，其特征在于，步骤3)根据故障特征输出故障诊断结果的详细步骤包括：
3.1)判断输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗Z2和当前的行波反射信号Z1两者相等、电压反射系数Ku的值为零两个条件是否同时满足，如果同时满足则判定并输出变压器绕组线路无故障；否则，跳转执行下一步；
3.2)判断输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗Z2无穷大、电压反射系数Ku的值为1两个条件是否同时满足，如果同时满足则判定并输出变压器绕组线路发生断线故障；否则，跳转执行下一步；
3.2)判断输入变压器绕组线端的低压窄脉冲信号的阻抗Z2为0、电压反射系数Ku的值为-1两个条件是否同时满足，如果同时满足则判定并输出变压器绕组线路发生短路故障。
5.根据权利要求1所述的变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法，其特征在于，步骤1)的详细步骤包括：
1.1)预先在FPGA芯片中设置状态机的st0～st3四个状态、状态寄存器、脉宽寄存器、计数器以及用于存储行波反射信号的FIFO；
1.2)等待外部输入的重置信号RESET，当外部输入的重置信号RESET有效时，则执行初始化，设置状态机的状态寄存器为st0、计数器清0、脉冲输出为0、脉宽寄存器的脉宽值为count_M，状态机进入st0状态；在st0状态等待外部输入的开始信号START，当开始信号START有效时，跳转执行下一步；
1.3)设置状态机的状态寄存器为st1，状态机进入st1状态；在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号的高电平，开始采样获取行波反射信号、启动AD转换并开始计数，如果计数值大于或等于脉宽值count_M时，跳转执行下一步；
1.4)设置状态机的状态寄存器为st2，状态机进入st2状态，在变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号的低电平；检测FIFO是否已经写满，如果FIFO已写满，则跳转执行下一步；
1.5)设置状态机的状态寄存器为st3，状态机进入st3状态，行波反射信号采样结束；跳转执行步骤1.2)。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的变压器绕组匝间绝缘故障诊断方法，其特征在于，步骤2)中遗传神经网络的训练步骤包括：
S1)在无故障的变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取非故障状态下行波反射信号，计算非故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值，将非故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值、无故障区间的映射关系添加至训练样本集；
S2)将变压器绕组以预设的K匝为一组划定定位区间，分别在不同定位区间故障情况下在有故障的变压器绕组线端输入低压窄脉冲信号，采样获取有故障状态下行波反射信号，计算有故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值，将有故障状态下的行波反射信号与正常行波反射信号的行波系数及能量比值、对应故障区间的映射关系添加至训练样本集；
S3)利用训练样本集完成对遗传神经网络的训练。
7.一种变压器绕组匝间绝缘故障诊断装置，其特征在于：包括FPGA模块(1)、功率放大器(2)、信号放大电路(3)、高速A/D转换电路(4)、DSP处理器(5)、人机交互模块(6)、通讯模块(7)和电源模块(8)，所述FPGA模块(1)的输出端和功率放大器(2)相连，所述功率放大器(2)的输出端为用于和变压器绕组线端相连的激励信号输入端，所述信号放大电路(3)的输入端为用于和变压器绕组线端相连的行波反射信号输入端，所述信号放大电路(3)的输出端通过、高速A/D转换电路(4)和FPGA模块(1)的输入端相连，所述FPGA模块(1)和DSP处理器(5)相互连接，且所述DSP处理器(5)分别与人机交互模块(6)、通讯模块(7)相连，所述电源模块(8)的输出端分别与FPGA模块(1)、功率放大器(2)、信号放大电路(3)、高速A/D转换电路(4)、DSP处理器(5)、人机交互模块(6)、通讯模块(7)相连。
8.根据权利要求7所述的变压器绕组匝间绝缘故障诊断装置，其特征在于：所述信号放大电路(3)包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C1、电容C2、稳压管D1、稳压管D2和运放芯片U1，所述电阻R1的一端作为用于和变压器绕组线端相连的行波反射信号输入端、另一端依次通过电阻R2、电容C2和运放芯片U1的正极输入端相连，电容C1和电阻R1并联连接，运放芯片U1的负极输入端接地，电阻R5串接在运放芯片U1的输出端和负极输入端上，运放芯片U1的输出端串接电阻R3后和高速A/D转换电路(4)的输入端，且运放芯片U1的输出端依次串接电阻R3、电阻R4后接地，稳压管D1一端串接在电阻R1和电阻R2两者之间、另一端接地，稳压管D2和稳压管D1并联连接。
9.根据权利要求7所述的变压器绕组匝间绝缘故障诊断装置，其特征在于：所述高速A/D转换电路(4)包括时钟电路(41)、并转串器件(42)和多条A/D转换支路，所述A/D转换支路包括依次串联的采样保持电路(43)和A/D转换芯片(44)，所述采样保持电路(43)的输入端分别和信号放大电路(3)的输出端以及时钟电路(41)的时钟信号输出端相连，所有A/D转换支路的A/D转换芯片(44)同时与并转串器件(42)的输入端相连，所述并转串器件(42)的输出端和FPGA模块(1)的输入端相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170811 |