CN108489717B - 变压器有载分接开关机械状态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器有载分接开关机械状态监测方法及系统。本发明包括：采集有载分接开关切换过程中的振动信号；对振动信号进行相空间重构，计算延迟时间；根据延迟时间对振动信号进行粗粒化处理；对粗粒化后得到的振动信号矩阵进行归一化；使用拉格朗日法计算归一化后的振动信号矩阵的基矩阵；计算振动信号的低维系数矩阵及其统计量；计算统计量的元素平均值及统计量的控制限值；根据统计量的元素平均值对分接开关的机械状态进行判断。本发明能对变压器有载分接开关的机械状态进行诊断，有效地、准确地检测出分接开关机械状态是否发生变化，从而可对分接开关及时采取有效措施，提高其运行可靠性。

Description

变压器有载分接开关机械状态监测方法及系统

技术领域

本发明涉及分接开关机械监测领域，尤其是一种变压器有载分接开关机械状态监测方法及系统。

背景技术

变压器是电力系统中最为重要的设备之一，其运行稳定性对电力系统的安全稳定运行影响极大。有载分接开关是有载变压器的唯一可动部件，通常在负载条件下通过改变电压变比来实现电力系统的不间断电压调节，起着补偿电压波动、调节功率、提高系统性能及改善电能质量等重要作用。但是，随着有载分接开关调压次数的增多，其故障率也随之增加。有载分接开关的故障主要包括电气故障和机械故障，且机械故障为主要故障类型，约占有载分接开关总故障的90％以上。此外，部分电气故障也是由机械故障引起的。因此，如何及时有效地监测和分析有载分接开关机械状态的变化，尤其是早期机械故障隐患，进而采取有效的运维措施就显得十分重要，这是保障有载分接开关及变压器安全运行的重要手段。

有载分接开关主要由选择开关、切换开关、电动机构和快速机构等部分组成，其变换过程如下：选择开关在无电流下预选下一个相邻分接，然后切换开关中动静触头依次动作切换至预选分接，整个过程经弹簧储能上紧动作完成后驱动切换开关快速操作循环完成。在该过程中，动静触头等机构零部件之间的碰撞或摩擦会引起机械振动，不同振动事件产生的机械振动信号在时域上形成一个振动信号的时间序列，而振动信号中包含了大量的分接开关机械状态信息，因此，基于振动分析法的有载分接开关机械状态检测日益引起了国内外研究人员的关注。该方法的最大优点是可以通过放置在变压器油箱上的振动传感器来获取分接开关切换过程中的振动信号。只要分接开关切换过程中的机械特性发生变化，都可以从振动信号中得到反映，从而大大提高了检测的灵敏度。此外，将振动传感器置于变压器箱壁上的振动检测手段安全便捷，便于实现在线监测，提高变压器有载分接开关的运行可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种变压器有载分接开关机械状态监测方法，其对有载分接开关切换过程中的振动信号进行实时监测，以实现对变压器有载分接开关机械状态的高效、准确地判断。

为此，本发明采用如下的技术方案：变压器有载分接开关机械状态监测方法，其包括：

步骤1)，采集有载分接开关切换过程中的振动信号；

步骤2)，对振动信号进行相空间重构，计算延迟时间；

步骤3)，根据延迟时间对振动信号进行粗粒化处理，写成矩阵形式；

步骤4)，对粗粒化后得到的振动信号矩阵按列进行归一化处理；

步骤5)，使用拉格朗日算法迭代计算归一化后的振动信号矩阵的基矩阵；

步骤6)，根据基矩阵计算振动信号的低维系数矩阵及其统计量；

步骤7)，计算统计量的元素平均值及统计量的控制限值；

步骤8)，根据统计量的元素平均值对有载分接开关机械状态进行判断。

本发明通过计算分析有载分接开关切换过程中振动信号基于延迟时间经粗粒化处理后的统计量的元素均值，从而对有载分接开关的机械状态进行判断。

本发明的监测方法能对变压器有载分接开关的机械状态进行诊断，有效地、准确地检测出分接开关机械状态是否发生变化，从而可对分接开关及时采取有效措施，提高其运行可靠性。

本发明的步骤2)和步骤3)中，根据振动信号重构相空间中延迟时间对信号进行粗粒化处理，充分利用了振动信号各坐标分量的排列信息，对信号的非线性扭曲具有良好的鲁棒性。

本发明的步骤4)中，对测量数据进行了归一化处理，实现了数据的无量纲化，简便了计算。

本发明的步骤5)中，基于拉格朗日优化算法将数据矩阵分解为具有一定稀疏度的非负矩阵，增强了部分基向量占整体数据的比重，进而能用极少维度的向量表征数据的突出特征。

本发明的步骤8)中，给出了变压器有载分接开关机械状态诊断的定量评判标准，为有载分接开关的检修维护提供了依据。

进一步地，步骤2)中，对振动信号x(t)进行相空间重构的公式为：

式中，m为嵌入维数，τ为延迟时间，N为振动信号x(t)的长度。

进一步地，步骤3)中，根据计算得到的延迟时间τ，对振动信号x(t)进行粗粒化处理，得到N-τ+1个序列y_j，所述y_j的表达式为：

为整数；

若b＝N/τ为非整数，令b₁为b＝N/τ取整后的结果，则有：

将N-τ+1个序列y_j写成矩阵的形式，记为A，所述矩阵A的行数为P＝N-τ+1，列数为Q，其中，当N/τ为整数时，有Q＝N/τ，否则，有Q＝N/τ+1，矩阵A的表达式为：

进一步地，步骤4)中，对矩阵A_P×Q按列进行归一化处理，得到归一化矩阵B_P×Q，所述的归一化计算公式为：

式中，j＝1,2,…,Q。

进一步地，步骤5)中，所述基矩阵W的计算过程为：

5a)初始化矩阵B_P×Q，其主对角线上的元素为1，其它元素均为零；

5b)建立基矩阵W的求解模型，为：

s.t.W≥0；

式中，G为目标函数；||B-WW^TB||_F表示矩阵的Frobenius范数；W为基矩阵；min下面的W与等式右边的W的含义相同；

5c)使用拉格朗日算法求解基矩阵W的最优解，定义拉格朗日函数L为

式中，λ为拉格朗日乘子；tr表示矩阵的迹，指的是矩阵主对角线上各个元素之和；

对拉格朗日函数L求偏导，有：

其Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件为：

(-BB^TW+WW^TBB^TW)_ijW_ij＝λ_ijW_ij＝0，

对每个元素W_ij和其对应的拉格朗日乘子λ_ij进行迭代计算，若满足KKT条件，则迭代结束，得到基矩阵W。

进一步地，步骤6)中，振动信号的低维系数矩阵及的统计量T²的计算公式分别为：

式中：T²(j)和分别为T²和的第j列元素。

进一步地，步骤7)中，统计量T²的元素平均值及T²的控制限值ε²的计算公式为：

式中，N₁表示统计量T²的维数；表示自由度为α的卡方分布。

进一步地，步骤8)中，当元素平均值高于统计量T²的控制限值ε²时，判定有载分接开关的机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理，以避免形成重大故障。

更进一步地，步骤2)中，所述延迟时间τ的计算过程为：

2a.计算振动信号x(t)的标准差σ；

2b.将振动信号x(t)分成t个不相交的子序列，每个子序列的长度l为l＝N/t；

2c.对每个子序列，计算三个统计量和S_cor(t)，为

ΔS(m,r,t)＝max[S(m,N,r_i,t)]-min[S(m,N,r_j,t)],i≠j，

d_ij＝||X(i)-X(j)||，

式中，H(r)为Heaviside阶跃函数；r为半径(计算中所取的搜索半径)，通常在[σ/2,2σ]之间变化，此处，σ为振动信号x(t)的标准差；X(i)表示相空间中的第i个行向量；X(j)表示相空间中的第j个行向量；d_ij表示相空间中两相点之间的欧氏距离；M₁为相空间的嵌入点数，满足M₁＝N-(m-1)τ，此处，m为嵌入维数，在2到5之间变化；r_j表示第j个半径。

另外，C_s(m,r,t)为关联积分公式中N为无穷大的情形、为关联积分公式中N为无穷大、m＝1的情形，C_s(m,N/t,r,t)为关联积分公式中N变为N/t的情形、为关联积分公式中m＝1的情形；

2d.寻找的第一个零点，对应的时间即为延迟时间τ。

本发明还提供一种变压器有载分接开关机械状态监测系统，其包括：

采集单元：采集有载分接开关切换过程中的振动信号；

延迟时间计算单元：对振动信号进行相空间重构，计算延迟时间；

粗粒化处理单元：根据延迟时间对振动信号进行粗粒化处理，写成矩阵形式；

归一化处理单元：对粗粒化后得到的振动信号矩阵按列进行归一化处理；

基矩阵计算单元：使用拉格朗日算法迭代计算归一化后的振动信号矩阵的基矩阵；

第一计算单元：根据基矩阵计算振动信号的低维系数矩阵及其统计量；

第二计算单元：计算统计量的元素平均值及统计量的控制限值；

判断单元：根据统计量的元素平均值对有载分接开关机械状态进行判断。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过放置在变压器箱壁上的振动传感器对有载调压变压器分接开关切换过程中的振动信号进行监测，提取得到有载分接开关切换过程中的振动信号，从而根据振动信号准确、高效地判断有载分接开关的机械状态，以便于能够及时发现问题，对有载分接开关的隐患进行及时检修，提高有载分接开关及变压器的可靠性。

附图说明

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明实施例1中所述方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1中实际测到的变压器有载分接开关切换过程中的振动信号图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种变压器有载分接开关机械状态监测方法，以某电力公司220kV变压器分接开关为测试对象进行分接开关机械状态监测分析。图1为分接开关机械状态监测方法的流程示意图。

有载分接开关机械状态监测方法包括如下步骤：

(1)在变电站现场，在变压器分接开关顶部放置振动传感器，连接至振动信号采集系统，采集得到包含分接开关切换过程中的一段振动信号。如图2所示。

(2)对振动信号x(t)进行相空间重构，为

式中，m为嵌入维数，τ为延迟时间。

所述的延迟时间τ的计算过程为：

2a.计算振动信号x(t)的标准差σ；

2b.将振动信号x(t)分成t个不相交的子序列，每个子序列的长度l为l＝N/t，此处有t＝6；

2c.对每个子序列，计算三个统计量和S_cor(t)，为

ΔS(m,r,t)＝max[S(m,N,r_i,t)]-min[S(m,N,r_j,t)],i≠j，

d_ij＝||X(i)-X(j)||，

式中，H(r)为Heaviside阶跃函数；r为半径(计算中所取的搜索半径)，通常在[σ/2,2σ]之间变化，此处，σ为振动信号x(t)的标准差，具体来说取值范围为1～4；X(i)表示相空间中的第i个行向量；X(j)表示相空间中的第j个行向量；d_ij表示相空间中两相点之间的欧氏距离；M₁为相空间的嵌入点数，满足M₁＝N-(m-1)τ，此处，m为嵌入维数，在2到5之间变化；r_j表示第j个半径；

另外，C_s(m,r,t)为关联积分公式中N为无穷大的情形、为关联积分公式中N为无穷大、m＝1的情形，C_s(m,N/t,r,t)为关联积分公式中N变为N/t的情形、为关联积分公式中m＝1的情形；

2d.寻找的第一个零点，对应的时间即为延迟时间τ；此处，有τ＝11。

(3)根据计算得到的延迟时间τ，对振动信号x(t)进行粗粒化处理，得到N-τ+1个序列y_j，所述的y_j的表达式为

为整数；

若b＝N/τ为非整数，令b₁为b＝N/τ取整后的结果，则有：

将N-τ+1个序列y_j写成矩阵的形式，记为A，所述矩阵A的行数为P＝N-τ+1，列数为Q，其中，当N/τ为整数时，有Q＝N/τ，否则，有Q＝N/τ+1，矩阵A的表达式为：

(4)对矩阵A_P×Q按列进行归一化处理，得到归一化矩阵B_P×Q，所述的归一化计算公式为

(5)计算归一化矩阵B_P×Q的基矩阵W，所述的基矩阵W的计算过程为

5a.初始化矩阵B_P×Q，其主对角线上的元素为1，其它元素均为零；

5b.建立基矩阵W的求解模型，为

s.t.W≥0

式中，G为目标函数；||B-WW^TB||_F表示矩阵的Frobenius范数；W为基矩阵；min下面的W与等式右边的W的含义相同；

5c.使用拉格朗日算法求解基矩阵W的最优解，定义拉格朗日函数L为

式中，λ为拉格朗日乘子；tr表示矩阵的迹，指的是矩阵主对角线上各个元素之和；

对拉格朗日函数L求偏导，有

其KKT条件为

(-BB^TW+WW^TBB^TW)_ijW_ij＝λ_ijW_ij＝0

对每个元素W_ij和其对应的拉格朗日乘子λ_ij进行迭代计算，若满足KKT条件，则迭代结束，得到基矩阵W。

(6)分别计算归一化矩阵B_P×Q的低维系数矩阵及的统计量T²，所述的计算公式分别为：

式中：T²(j)和分别为T²和的第j列元素。

(7)计算统计量T²的元素平均值及T²的控制限值ε²，所述的的计算公式为

式中，N₁表示统计量T²的维数；表示自由度为α的卡方分布。此处，α＝4，ε²＝4.729。

(8)根据变压器有载分接开关振动信号统计量T²的元素平均值对分接开关的机械状态进行判断，当高于统计量T²的控制限值ε²时，判定分接开关的机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理，避免形成重大故障。此处，分接开关振动信号的为3.716，小于统计量T²的控制限值ε²为4.729，说明分接开关的机械状态为正常。现场分接开关的检修结果也印证了这一结论，说明了本发明方法的有效性与准确性。

实施例2

本实施例提供一种变压器有载分接开关机械状态监测系统，其包括：

采集单元：采集有载分接开关切换过程中的振动信号；

延迟时间计算单元：对振动信号进行相空间重构，计算延迟时间；

粗粒化处理单元：根据延迟时间对振动信号进行粗粒化处理，写成矩阵形式；

归一化处理单元：对粗粒化后得到的振动信号矩阵按列进行归一化处理；

基矩阵计算单元：使用拉格朗日算法迭代计算归一化后的振动信号矩阵的基矩阵；

第一计算单元：根据基矩阵计算振动信号的低维系数矩阵及其统计量；

第二计算单元：计算统计量的元素平均值及统计量的控制限值；

判断单元：根据统计量的元素平均值对有载分接开关机械状态进行判断。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.变压器有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，包括：

步骤1)，采集有载分接开关切换过程中的振动信号；

步骤2)，对振动信号进行相空间重构，计算延迟时间；

步骤3)，根据延迟时间对振动信号进行粗粒化处理，写成矩阵形式；

步骤4)，对粗粒化后得到的振动信号矩阵按列进行归一化处理；

步骤5)，使用拉格朗日算法迭代计算归一化后的振动信号矩阵的基矩阵；

步骤6)，根据基矩阵计算振动信号的低维系数矩阵及其统计量；

步骤7)，计算统计量的元素平均值及统计量的控制限值；

步骤8)，根据统计量的元素平均值对有载分接开关机械状态进行判断；

步骤2)中，对振动信号x(t)进行相空间重构的公式为：

式中，m为嵌入维数，τ为延迟时间，N为振动信号x(t)的长度；

步骤3)中，根据计算得到的延迟时间τ，对振动信号x(t)进行粗粒化处理，得到N-τ+1个序列y_j，所述y_j的表达式为：

b＝N/τ为整数；

若b＝N/τ为非整数，令b₁为b＝N/τ取整后的结果，则有：

将N-τ+1个序列y_j写成矩阵的形式，记为A，所述矩阵A的行数为P＝N-τ+1，列数为Q，其中，当N/τ为整数时，有Q＝N/τ，否则，有Q＝N/τ+1，矩阵A的表达式为：

步骤4)中，对矩阵A_P×Q按列进行归一化处理，得到归一化矩阵B_P×Q，所述的归一化计算公式为：

式中，j＝1,2,…,Q；

步骤5)中，所述基矩阵W的计算过程为：

5a)初始化矩阵B_P×Q，其主对角线上的元素为1，其它元素均为零；

5b)建立基矩阵W的求解模型，为：

s.t.W≥0；

式中，G为目标函数；||B-WW^TB||_F表示矩阵的Frobenius范数；W为基矩阵；min下面的W与等式右边的W的含义相同；

5c)使用拉格朗日算法求解基矩阵W的最优解，定义拉格朗日函数L为

式中，λ为拉格朗日乘子；Tr表示矩阵的迹；

对拉格朗日函数L求偏导，有：

其KKT条件为：

(-BB^TW+WW^TBB^TW)_ijW_ij＝λ_ijW_ij＝0，

对每个元素W_ij和其对应的拉格朗日乘子λ_ij进行迭代计算，若满足KKT条件，则迭代结束，得到基矩阵W。

2.根据权利要求1所述的变压器有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤6)中，振动信号的低维系数矩阵及的统计量T²的计算公式分别为：

式中：T²(j)和分别为T²和的第j列元素。

3.根据权利要求2所述的变压器有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤7)中，统计量T²的元素平均值及T²的控制限值ε²的计算公式为：

式中，N₁表示统计量T²的维数；表示自由度为α的卡方分布。

4.根据权利要求3所述的变压器有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤8)中，当元素平均值高于统计量T²的控制限值ε²时，判定有载分接开关的机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理。

5.根据权利要求1所述的变压器有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤2)中，所述延迟时间τ的计算过程为：

2a.计算振动信号x(t)的标准差σ；

2b.将振动信号x(t)分成t个不相交的子序列，每个子序列的长度l为l＝N/t；

2c.对每个子序列，计算三个统计量和S_cor(t)，为

ΔS(m,r,t)＝max[S(m,N,r_i,t)]-min[S(m,N,r_j,t)],i≠j，

d_ij＝||X(i)-X(j)||，

式中，H(r)为Heaviside阶跃函数；r为半径，在[σ/2,2σ]之间变化，此处，σ为振动信号x(t)的标准差，选择4个独立的有代表性的r_i，r_i表示第i个半径，1≤i≤4；X(i)表示相空间中的第i个行向量；X(j)表示相空间中的第j个行向量；d_ij表示相空间中两相点之间的欧氏距离；M₁为相空间的嵌入点数，满足M₁＝N-(m-1)τ，此处，m为嵌入维数，在2到5之间变化；r_j表示第j个半径，1≤j≤4；

另外，C_s(m,r,t)为关联积分公式中N为无穷大的情形、为关联积分公式中N为无穷大、m＝1的情形，C_s(m,N/t,r,t)为关联积分公式中N变为N/t的情形、为关联积分公式中m＝1的情形；

2d.寻找的第一个零点，对应的时间即为延迟时间τ。