CN107632234B - 一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，其特征是：根据录波数据所包含的电气信息，计算短路漏抗作为特征量，得到短路漏抗突变量，将该突变量根据剩余安全运行时间分阶段设置门槛值，以突变量与门槛值的比较差值作为变压器绕组状态是否异常的判别依据。本发明相比传统直接使用短路漏抗做判据的方法，提出了剩余安全使用寿命的概念，同时关注变压器渐进和突变两种健康状态恶化方式，更加符合工程实际。

Description

一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法。

背景技术

变压器是电力系统中重要的电气主设备之一，它在整个电力系统中起着能量传递的作用。随着超高压、特高压输电技术的不断发展和全国互联电网的逐渐形成，大型变压器的作用日益突出，提高变压器工作的可靠性对保障整个电力系统的安全稳定运行具有十分重要的意义。

在电力变压器运行期间，其各部件，特别是变压器绕组和绝缘将承受高电压，强电场和很大的机械负载及热负荷的作用，因此变压器绕组等部件要求必须有足够的电绝缘强度，机械强度和耐热性，并能承受短路造成的过电压、过电流及很大电动力。当变压器经受外部短路冲击时，特别是近区出口短路时，绕组某段的一匝或多匝可能会变形，错位等。即使绕组变形不一定立即引起事故，但是变压器运行中因电磁力产生的振动会使铁芯螺栓松动，绕组绝缘距离变化进而导致突发性的绝缘故障甚至发生绝缘击穿；同时还会引起绕组变形的机械强度下降，再次遭受短路的冲击时，将难以承受短路电流造成的电动力的冲击。因此，对变压器绕组状态进行检测有助于提高变压器的运行可靠性。

而现有的变压器绕组状态检测与评估方法存在以下缺点：

需要投入新的检测设备，设备投资较大，比如现有的基于电气量的评估方法需要额外的电流互感器及数据传输处理系统。

计算过程受励磁支路的影响，造成状态评估结果不准确。现有的变压器绕组监测算法中计算短路阻抗时一般忽略了励磁支路的存在，近似认为一二次侧的电流相等，实际上一次侧电流为二次侧电流和励磁电流的和，这种简化计算必然会对计算结果带来一定的误差。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，本发明根据录波数据所包含的电气信息，计算短路漏抗作为特征量，进而得出短路漏抗突变量与剩余安全运行时间作为变压器绕组状态是否异常的判别依据。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，根据录波数据所包含的电气信息，计算短路漏抗作为特征量，得到短路漏抗突变量，将该突变量根据剩余安全运行时间分阶段设置门槛值，以突变量与门槛值的比较差值作为变压器绕组状态是否异常的判别依据。

一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，具体包括以下步骤：

(1)对录波数据进行预处理，得到所包含的电气信息；

(2)检测暂态过程中冲击量的大小与冲击前后端口电气量的差异，若满足设定条件则转到步骤(3)，否则转到步骤(4)；

(3)利用录波数据中的两组独立端口数据量，进行完全参数识别，计算出短路阻抗的电阻分量与漏抗分量；

(4)进行部分参数识别，利用变压器单次的端口数据与本次冲击之前完全参数识别得到的电阻分量，计算出变压器短路阻抗的漏抗分量；

(5)按照时间顺序统计步骤(3)或步骤(4)得到的变压器短路阻抗的漏抗分量，确定变压器状态的渐变特征与受到冲击后的突变信息；

(6)根据步骤(5)的分析结果，结合短路漏抗突变量越限预警与剩余安全运行时间构建判据，判断变压器的当前状态，确定变压器绕组是否变形。

进一步的，所述步骤(1)中，预处理具体包括对录波文件中变压器各侧的电压量和电流量进行傅里叶分解，提取其工频分量，并归算到高压侧。

进一步的，所述步骤(2)中，检测冲击量以及冲击前后的端口数据独立性，以此进行特征量计算，并检测冲击电流的大小，当特征量和冲击电流都满足设定阈值后，启动完全辨识模型。

进一步的，所述步骤(2)中，完全辨识模型启动依据：

式中上标⁽¹⁾表示了暂态过程之前的稳态电气量，上标⁽²⁾表示了暂态过程之后的稳态电气量；M为负载变化量的阈值；I_max为冲击电流的最大峰值；K为设定的限制系数；I_N为变压器的额定电流值。

所述步骤(3)中，当完全辨识模型启动条件满足时，计算短路阻抗，根据两组独立存在的端口变量，求解出变压器短路阻抗中的电阻分量与漏抗分量。

所述步骤(4)中，当完全辨识模型启动条件不满足时，此时只存在一组端口变量，将短路阻抗的电阻分量设置为缺省值，以求得变压器短路阻抗的漏抗分量。

所述步骤(5)中，变压器的健康状态变化分析包括因较大冲击而产生的突变和因为长期运行而产生的渐进变化分析。

所述步骤(5)中，通过分析冲击大小与变压器短路漏抗变化量，统计出冲击与变压器运行状态变化以及变压器运行时间的联系，进而评估变压器在不同的健康状况下所能抵御冲击的大小。

进一步的，在短路前后分别选取多个数据，并分别进行相减形成差值，计算差值的均值和方差，根据均值和方差确定筛选区间，筛选出筛选区间范围内的点作为正常点，剔除其余非正常点，去除异常点后重新计算值均值，并根据重新计算的均值确定变化幅值。

所述步骤(5)中，对变压器的未来运行状态做出预测，以求出变压器的剩余正常使用寿命，具体过程包括：

(5-1)寻找变压器短路漏抗原始信号的所有极大值点与极小值点，并对其分别进行分段Spline插值，得到短路漏抗分布的上下边界；

(5-2)计算得到上下边界值的均值，并计算出原曲线与上下边界均值的差值；

(5-3)若差值的极值点数目与零点数目相差少于一个切其均值为0，则将差值作为原始信号的第一个IMF分量；否则将差值代替原始信号，重复步骤(5-1) 和步骤(5-2)；

(5-4)将原始信号与分离出的IMF信号作差，得到新的差值信号；

(5-5)若得到新的差值信号不是非单调函数时，将新的差值信号代替原始信号，重复步骤(5-1)至步骤(5-4)，直到第n次计算，得到一个单调的新的差值信号时为止，此时原始信号可表示为n个IMF分量和多个余项的和；

(5-6)利用求得的余项，进行多项式拟合，得到变压器状态的变化趋势；将预估的告警状态所对应的短路组漏抗值代入拟合后的函数，得到对应的时间，用其减去当前时刻，求得变压器剩余安全使用时间。

所述步骤(6)中，当变压器剩余安全使用时间小于设定值或/和变压器受到冲击时短路漏抗变化量超过阈值时进行告警。

所述步骤(6)中，变压器的渐变过程和突变过程是 相互影响的，将变压器短路漏抗的突变量判据设置成分段的形式，各分段的门槛值由变压器录波数据的历史信息中统计确认。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用现有的录波数据而不需要其他额外的检测设备，减少了设备投资；计算过程不受励磁支路的影响。并且本发明所提的评估方法充分考虑了现场电磁干扰以及各类随机误差对测量结果的影响，相比传统直接使用短路漏抗做判据的方法，提出了剩余安全使用寿命的概念，同时关注变压器渐进和突变两种健康状态恶化方式，更加符合工程实际。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明所提评估方法的流程图；

图2为本发明所提方法中短路漏抗参数突变识别的流程图；

图3为本发明所提方法中剩余安全运行时间计算的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在计算过程受励磁支路的影响不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于录波数据的变压器绕组状态监测方法。本发明根据录波数据所包含的电气信息，计算短路漏抗作为特征量，进而得出短路漏抗突变量C_M与剩余安全运行时间t_s作为变压器绕组状态是否异常的判别依据。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，包括以下步骤：

(1)数据预处理；

(2)检测暂态过程中冲击量的大小与冲击前后端口电气量的差异，若符合要求转到步骤(3),否则转到步骤(4)；

(3)利用录波数据中的两组独立端口数据量，计算出短路阻抗的电阻分量R与漏抗分量X，此步骤称为完全参数识别；

(4)利用变压器单次的端口数据与本次冲击之前完全参数识别得到的电阻分量R，计算出变压器短路阻抗的漏抗分量X，此步骤称为部分参数识别；

(5)按照时间顺序统计步骤(3)或步骤(4)得到的变压器短路阻抗的漏抗分量X，分析变压器状态的渐变特征与受到冲击后的突变信息；

(6)根据步骤(5)的分析结果，结合相关判据，给出变压器的当前信息并在变压器处于不安全状态时给出报警，包括短路漏抗突变量C_M越限预警与剩余安全运行时间t_s。

步骤(1)中的数据预处理指的是对录波文件中变压器各侧的电压量和电流量进行傅里叶分解，提取它们的工频分量，并将其归算到高压侧。由于高电压等级变压器低压侧一般只提供无功补偿和站用电，在本处仅以三绕组变压器高- 中绕组为例进行说明，高-低绕组与中-低绕组的计算原理相同。从录波文件中提取的信息为：分别为变压器高压侧的电压与电流相量；分别为变压器中压侧的电压与电流相量；待求参数为：变压器高压侧阻抗分量Z₁，变压器中压侧压侧阻抗分量Z₂；由各侧短路漏抗可合成特征量：高-中压侧短路漏抗X₁₂：

Z₁＝R₁+jX₁

Z₂＝R₂+jX₂

X₁₂＝X₁+X₂′

上标’表示归算到高压侧后的参数值。

步骤(2)是对冲击量以及冲击前后的端口数据独立性做检测，用来选择合适的特征量计算方式。暂态过程前后的两组数据必须具有一定的独立性，也就是说负载发生了明显变化，需要对负载的变化量进行检测；另一方面，为了保证扰动前后绕组的状态不发生改变，必须对冲击电流的大小进行检测。以上述两个条件作为小扰动情况下的完全辨识模型启动依据：

式中上标⁽¹⁾表示了暂态过程之前的稳态电气量，上标⁽²⁾表示了暂态过程之后的稳态电气量；M为负载变化量的阈值；I_max为冲击电流的最大峰值；K为设定的限制系数；I_N为变压器的额定电流值。

步骤(3)中的方法是录波数据满足步骤(2)中所述判据的情况下启动的短路阻抗计算方式，因为此时存在两组独立端口变量，可以求解出变压器短路阻抗中的电阻分量R与漏抗分量X。

步骤(4)中的方法是录波数据无法满足步骤(2)中所述判据的情况下启动的短路阻抗计算方式，因为只存在一组端口变量，故需将短路阻抗的电阻分量R设置为缺省值，直接代入计算，求得变压器短路阻抗的漏抗分量X。

步骤(5)指的是对步骤(3)和步骤(4)中所求得短路漏抗的统计与分析。因为变压器运行所处环境的电磁环境复杂、测量元件本身的误差以及其它的一些干扰，所以变压器短路漏抗的识别会存在一定的随机性，故无法直接将其作为评价变压器状态的特征量。变压器的健康状态变化可以分为两类，一类是因较大冲击而产生的突变，另一类是长期运行而产生的渐进变化，对变压器状态的评估也要从这两个方面进行分析：

㈠变压器在受到近区短路电流等大的冲击时，健康状态可能会发生突变，即便其引起的短路漏抗的变化不足以达到告警值，但是可能会使变压器在之后的运行过程中损耗速度加快，造成隐性的安全隐患。此外，通过分析冲击大小与变压器短路漏抗变化量，可以统计与梳理出冲击与变压器运行状态变化以及变压器运行时间的联系，进而评估变压器在不同的健康状况下所能抵御冲击的大小。为应对变压器短路漏抗识别值所存在随机性，本发明提出的短路漏抗突变检测方法，利用历史数据自动确定门槛值，能够满足灵敏性和准确性的要求。具体过程如下：

①短路前后分别选取N个数据，并分别相减形成差值△C：

ΔC(g)＝C_a(g)-C_b(g)(g＝1,...,N)

式中，C_a代表冲击后的短路漏抗数据，C_b代表冲击前的短路漏抗数据。

②计算△C的均值M_DC，方差D_DC：

并以[M_DC-2D_DC，M_DC+2D_DC]为区间，筛选出范围内的点作为正常点，剔除其余非正常点，所剩的N’个数据，用△C’表示。

③去除异常点后重新计算值均值E_DC。

④计算变化幅度C_M：

其中θ为突变的门槛值，利用历史数据自适应确定。通过统计无冲击下的历史数据相邻两组参数的变化均值E_DC，得到其绝对值的最大值和次最大值分别为E_Dmax和E’_Dmax，考虑一定的裕度计算出突变的门槛值θ。

θ＝K·E_Dmax

如图2所示，㈡变压器长时间的运行可能会导致自身性能不断劣化，因此仅仅得到变压器的当前短路漏抗值是不够的，需要对变压器的未来运行状态做出预测，以求出变压器的剩余正常使用寿命。由于变压器短路漏抗的识别存在一定的随机性，变压器短路路漏抗序列曲线会出现波动的情况，难以直接预测其变化趋势。本发明提出了一种基于经验模态分解的变压器状态变化趋势预测方法，这种方法能够去除短路漏抗序列中的波动分量，最终得到一组单调变化的序列，从而有利于进行变压器变化趋势的拟合。具体方法如下：

①寻找变压器短路漏抗X原始信号x(t)的所有极大值点与极小值点，并对其分别进行分段Spline插值，得到短路漏抗分布的上下边界。

②计算上一步求出的上下边界值的均值a(t)，并计算出原曲线与上下边界均值a(t)的差值b₁(t)。

x(t)-a(t)＝b₁(t)

③若b₁(t)满足IMF的条件：b₁(t)的极值点数目与零点数目相差少于一个切其均值为0，则将b₁(t)作为原始信号x(t)的第一个IMF分量；若不满足IMF的条件，则将b₁(t)代替x(t)，重复步骤①～②。直到第k次计算得到的信号b_1k(t)满足IMF的条件，将其作为原始信号x(t)的第一个IMF分量 c₁(t)。

b_1(k-1)(t)-a_k(t)＝b_1k(t)

④将原始信号x(t)与分离出的IMF信号c₁(t)作差，得到差值信号r₁(t)。

r₁(t)＝x(t)-c₁(t)

⑤若得到的差值信号r_k(t)不是非单调函数时，将r_k(t)代替原始信号x (t)，重复步骤①～④，直到第n次计算，得到一个单调的差值信号r_n(t)时为止，此时原始信号可表示为n个IMF分量和多个余项的和。

⑥利用步骤⑤求得的余项r_n(t)，进行多项式拟合，得到变压器状态的变化趋势。将预估的告警状态所对应的短路组漏抗值X_w代入拟合后的函数，得到对应的时间t_w，用其减去当前时刻t₀，就可以求得变压器剩余安全使用时间t_s。

t_s＝t_w-t₀

如图3所示，步骤(6)是利用步骤(5)得出的结论，判断变压器的当前状态，给出告警提示。一方面给出变压器剩余安全使用时间t_s，以供检修参考，另一方面，当变压器受到冲击时短路漏抗变化量C_M过大时，也要给出告警。变压器的渐变过程和突变过程是 相互影响的。一方面在因短路而发生冲击时，可能会造成变压器之后的损耗加剧，因此应重新评估变压器的渐变过程；另一方面，在变压器状态会发生渐变，当变压器状态变化时，承受冲击的能力也会发生改变，因此变压器短路漏抗的突变量判据设置成分段的形式：

式中C_N1>C_N2>...>C_Nk；t₁>t₂>...>t_k。判据的各个门槛值可由变压器录波数据的历史信息中统计获得。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，其特征是：具体包括以下步骤：

(1)对录波数据进行预处理，得到所包含的电气信息；

(2)检测暂态过程中冲击量的大小与冲击前后端口电气量的差异，若满足设定条件则转到步骤(3)，否则转到步骤(4)；

所述步骤(2)中，检测冲击量以及冲击前后的端口数据独立性，以此进行特征量计算，并检测冲击电流的大小，当特征量和冲击电流都满足设定阈值后，启动完全辨识模型；完全辨识模型启动依据：

式中上标(1)表示了暂态过程之前的稳态电气量，上标(2)表示了暂态过程之后的稳态电气量；M为负载变化量的阈值；I_max为冲击电流的最大峰值；K为设定的限制系数；I_N为变压器的额定电流值；

(3)利用录波数据中的两组独立端口数据量，进行完全参数识别，计算出短路阻抗的电阻分量与漏抗分量；

(4)进行部分参数识别，利用变压器单次的端口数据与本次冲击之前完全参数识别得到的电阻分量，计算出变压器短路阻抗的漏抗分量；

(5)按照时间顺序统计步骤(3)或步骤(4)得到的变压器短路阻抗的漏抗分量，确定变压器状态的渐变特征与受到冲击后的突变信息；

(6)根据步骤(5)的分析结果，结合短路漏抗突变量越限预警与剩余安全运行时间构建判据，判断变压器的当前状态，确定变压器绕组是否变形。

2.如权利要求1所述的一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，其特征是：所述步骤(3)中，当完全辨识模型启动条件满足时，计算短路阻抗，根据两组独立存在的端口变量，求解出变压器短路阻抗中的电阻分量与漏抗分量。

3.如权利要求1所述的一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，其特征是：所述步骤(4)中，当完全辨识模型启动条件不满足时，此时只存在一组端口变量，将短路阻抗的电阻分量设置为缺省值，以求得变压器短路阻抗的漏抗分量。

4.如权利要求1所述的一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，其特征是：

所述步骤(5)中，通过分析冲击大小与变压器短路漏抗变化量，统计出冲击与变压器运行状态变化以及变压器运行时间的联系，进而评估变压器在不同的健康状况下所能抵御冲击的大小。

5.如权利要求1所述的一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，其特征是：在短路前后分别选取多个数据，并分别进行相减形成差值，计算差值的均值和方差，根据均值和方差确定筛选区间，筛选出筛选区间范围内的点作为正常点，剔除其余非正常点，去除异常点后重新计算均值，并根据重新计算的均值确定变化幅值。

6.如权利要求1所述的一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，其特征是：所述步骤(6)中，对变压器的未来运行状态做出预测，以求出变压器的剩余安全运行时间，具体过程包括：

(6-1)寻找变压器短路漏抗原始信号的所有极大值点与极小值点，并对其分别进行分段Spline插值，得到短路漏抗分布的上下边界；

(6-2)计算得到上下边界值的均值，并计算出原曲线与上下边界均值的差值；

(6-3)若差值的极值点数目与零点数目相差少于一个且其均值为0，则将差值作为原始信号的第一个IMF分量；否则将差值代替原始信号，重复步骤(6-1)和步骤(6-2)；

(6-4)将原始信号与分离出的IMF信号作差，得到新的差值信号；

(6-5)若得到新的差值信号不是非单调函数时，将新的差值信号代替原始信号，重复步骤(6-1)至步骤(6-4)，直到第n次计算，得到一个单调的新的差值信号时为止，此时原始信号可表示为n个IMF分量和多个余项的和；

(6-6)利用求得的余项，进行多项式拟合，得到变压器状态的变化趋势；将预估的告警状态所对应的短路组漏抗值代入拟合后的函数，得到对应的时间，用其减去当前时刻，求得变压器剩余安全运行时间。

7.如权利要求1所述的一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，其特征是：所述步骤(6)中，当变压器剩余安全运行时间小于设定值或/和变压器受到冲击时短路漏抗变化量超过阈值时进行告警。

8.如权利要求1所述的一种基于录波数据的变压器绕组变形评估方法，其特征是：所述步骤(6)中，变压器的渐变过程和突变过程是 相互影响的，将变压器短路漏抗的突变量判据设置成分段的形式，各分段的门槛值由变压器录波数据的历史信息中统计确认。