CN109142865A - 考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，在扩展德拜等效模型的基础上考虑油纸界面极化，引入了界面极化支路。根据该电路模型与频域介电谱测试参数，构造出求解电路元件参数的多元方程组；通过建立求解方程组的目标函数，采用人工智能算法可辨识出等效电路中所有元件参数值。本发明提出的一种考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，具有操作过程简单、参数计算结果准确可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法。
背景技术
目前对油纸绝缘状况评估时广泛采用等效电路参数进行分析。已有油纸绝缘等效电路参数辨识方法，主要基于扩展德拜等效模型和时域介电响应法测试数据进行对参数辨识，但其求解过程的推导公式一般较为复杂，且计算工作量也大；同时基于时域介电响应法的测试数据通常会受到电磁环境和其他因素的干扰。相比之下，频域介电响应法在测试过程中具有较强的抗干扰能力、测量频带宽等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，按照如下步骤实现：
步骤S1：对油纸绝缘设备进行现场频域介电谱的测试，获取频域谱测试数据；
步骤S2：在基于扩展德拜等效模型的基础上考虑油纸绝缘界面极化，引入界面极化支路，建立考虑油纸绝缘界面极化等效电路；根据考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数与复电容实部、虚部和介质损耗因数的关系式建立求解等效电路参数的方程组；
步骤S3：根据求解等效电路参数的方程组获取等效电路参数值的全局优化目标函数；
步骤S4：将所述步骤S1测试所得的频域谱测试数据输入求解等效电路参数的方程组中，采用人工智能算法寻优求解，获取含有油纸绝缘界面极化等效电路的所有元件参数值。
在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，根据考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数与复电容实部C’(ω)、虚部C”(ω)和介质损耗因数tanδ(ω)的关系式建立式(1)、(2)和式(3)，并建立求解等效电路参数的方程组，如式(4)所示：
其中，在式(1)、(2)和式(3)中，Rg、Cg分别为考虑油纸绝缘界面极化等效电路中的绝缘电阻和几何电容，n为考虑油纸绝缘界面极化等效电路中RC串联极化支路数，N为考虑油纸绝缘界面极化等效电路中界面极化支路数，Rpi、Cpi分别为第i条RC串联极化支路的电阻和电容，Rh(2i)、Ch(2i)、Rh(2i-1)、Ch(2i-1)分别为第i条界面极化支路的电阻和电容，时间常数τi＝RpiCpi，τ2i＝Rh(2i)Ch(2i)，τ2i-1＝Rh(2i-1)Ch(2i-1)，ω为对应频域谱的测试电压角频率；在式(4)中，C’t(ω)、C”t(ω)和tanδt(ω)分别对应每次频率(ω)的频谱测试值，C’(ω)、C”(ω)和tanδ(ω)是由式(1)至式(3)运算得到的计算表达式。
在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，所述全局优化目标函数如式(5)所示。
其中，tanδ(ωi)、C’(ωi)和C”(ωi)由式(1)至式(3)计算所得；tanδt(ωi)、C’t(ωi)和C”t(ωi)对应第i次实测的频域谱测量值。
在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，首先用遗传算法搜索最优迭代次数，然后采用带压缩因子的粒子群算法进行迭代，直到搜索到最优解为止，即全局优化目标函数的G值趋近于0时，完成含有油纸绝缘界面极化等效电路的所有元件参数值的计算。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的一种考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，基于频域介电谱测试数据，在考虑油纸绝缘界面极化等效模型的基础上，提出一种基于频域谱的电路参数辨识方法；通过实测数据验证，本方法操作过程简单、计算结果准确可靠等优点。本发明提出方法相比于时域特征量辨识方法，具有测试数据受外界干扰小，计算过程简单、参数计算结果更为准确等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中考虑界面极化的油纸绝缘等效电路的电路图。
图2为本发明实施例中介质损耗因数测试结果示意图。
图3为本发明实施例中复电容测试结果示意图。
图4为本发明实施例中介质损耗因数测试值与计算值对比示意图。
图5为本发明实施例中复电容测试值与计算值对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，按照如下步骤实现：
步骤S1：首先对油纸绝缘设备进行现场频域介电谱的测试，获取不同频域谱测试数据，如复电容C*和介质损耗因数tanδ等。
步骤S2：在基于扩展德拜等效模型的基础上考虑油纸绝缘界面极化，引入界面极化支路，建立考虑油纸绝缘界面极化等效电路；根据图1等效电路所示，考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数与复电容实部C’(ω)、虚部C”(ω)和介质损耗因数tanδ(ω)的关系式导出式(1)、(2)和式(3)，建立求解等效电路参数的方程组，如式(4)所示。
其中，在式(1)、(2)和式(3)中，Rg、Cg分别为考虑油纸绝缘界面极化等效电路中几何等值电路的绝缘电阻和几何电容，n为考虑油纸绝缘界面极化等效电路中RC串联极化支路数，N为考虑油纸绝缘界面极化等效电路中界面极化支路数，Rpi、Cpi分别为第i条RC串联极化支路的电阻和电容，Rh(2i)、Ch(2i)、Rh(2i-1)、Ch(2i-1)分别为第i条界面极化支路的电阻和电容，时间常数τi＝RpiCpi，τ2i＝Rh(2i)Ch(2i)，τ2i-1＝Rh(2i-1)Ch(2i-1)，ω为对应频域谱的测试电压角频率；在式(4)中，C’t(ω)、C”t(ω)和tanδt(ω)分别对应每次频率(ω)的频谱测试值，C’(ω)、C”(ω)和tanδ(ω)是由式(1)至式(3)运算得到的计算表达式。
步骤S3：根据方程(4)建立求解等效电路参数值的全局优化目标函数，如式(5)所示。
其中，tanδ(ωi)、C’(ωi)和C”(ωi)是由式(1)至式(3)计算所得；tanδt(ωi)、C’t(ωi)和C”t(ωi)对应第i次实测的频域谱测量值。
步骤S4：将步骤1测试所得的数据代入方程式(4)中，采用人工智能算法寻优求解方程(4)：首先用遗传算法搜索最优迭代次数，然后采用带压缩因子的粒子群算法进行迭代，直到搜索到最优解为止，即式(5)的G值趋近于0时，即可计算出等效电路中所有元件参数值。
为了让本领域技术人员进一步了解本发明提出的技术方案，下面结合具体实施例进行说明。
在本实施例中，对一台已退运搁置较久的油浸式调压器(TSJA-20/0.5)进行频域介电谱测试。测试仪器选用欧姆龙公司DIRANA介电响应分析仪，测量频率范围设置为10-4～103Hz，交流电压幅值为100V，频域采样点为默认点。
采用本发明提出的辨识方法，假设等效电路模型中RC串联极化支路数n＝4，界面极化支路数N＝2。求解模型中所有元件参数的具体分析步骤如下：
步骤S1：首先对油纸绝缘设备进行频域介电谱测试，获取介质损耗因数tanδ、复电容C*的频域谱测试结果，如图2和图3所示。
步骤S2:根据tanδt(ω)、C’t(ω)和C”t(ω)的频域谱测试数据和式(1)至式(3)，建立求解等效模型参数的方程组，如式(4)。
步骤S3:建立求解参数优化目标函数方程式，并将第i次实测的频域谱tanδt(ωi)、C’t(ωi)和C”t(ωi)等数据代入目标函数方程式中。
步骤S4：把测试所得的数据代入方程式(4)中，采用人工智能算法寻优求解，当式(5)的G值趋近于0时，即可计算出等效电路中所有参数值。
根据上述方法和步骤，即可以求出等效电路模型中所有参数值，计算结果如表1所示。
表1等效参数计算结果
为了进一步印证本发明所提方法计算结果的准确性，将表1计算参数值代入式(1)至式(3)可获得对应频域介电谱的计算值，然后与实测曲线进行对比，如图4和图5所示。从图中可以看出，复电容和介质损耗因数的实测值与计算值吻合度极高。表明该方法计算得到的结果是准确可靠的。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，其特征在于，按照如下步骤实现：
步骤S1：对油纸绝缘设备进行现场频域介电谱的测试，获取频域谱测试数据；
步骤S2：在基于扩展德拜等效模型的基础上考虑油纸绝缘界面极化，引入界面极化支路，建立考虑油纸绝缘界面极化等效电路；根据考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数与复电容实部、虚部和介质损耗因数的关系式建立求解等效电路参数的方程组；
步骤S3：根据求解等效电路参数的方程组获取等效电路参数值的全局优化目标函数；
步骤S4：将所述步骤S1测试所得的频域谱测试数据输入求解等效电路参数的方程组中，采用人工智能算法寻优求解，获取含有油纸绝缘界面极化等效电路的所有元件参数值。
2.根据权利要求1所述的考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数与复电容实部C’(ω)、虚部C”(ω)和介质损耗因数tanδ(ω)的关系式建立式(1)、(2)和式(3)，并建立求解等效电路参数的方程组，如式(4)所示：
其中，在式(1)、(2)和式(3)中，Rg、Cg分别为考虑油纸绝缘界面极化等效电路中几何等值电路的绝缘电阻和几何电容，n为考虑油纸绝缘界面极化等效电路中RC串联极化支路数，N为考虑油纸绝缘界面极化等效电路中界面极化支路数，Rpi、Cpi分别为第i条RC串联极化支路的电阻和电容，Rh(2i)、Ch(2i)、Rh(2i-1)、Ch(2i-1)分别为第i条界面极化支路的电阻和电容，时间常数τi＝RpiCpi，τ2i＝Rh(2i)Ch(2i)，τ2i-1＝Rh(2i-1)Ch(2i-1)，ω为对应频域谱的测试电压角频率；在式(4)中，C’t(ω)、C”t(ω)和tanδt(ω)分别对应每次频率(ω)的频谱测试值，C’(ω)、C”(ω)和tanδ(ω)是由式(1)至式(3)运算得到的计算表达式。
3.根据权利要求2所述的考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述全局优化目标函数如式(5)所示。
其中，tanδ(ωi)、C’(ωi)和C”(ωi)由式(1)至式(3)计算所得；tanδt(ωi)、C’t(ωi)和C”t(ωi)对应第i次实测的频域谱测量值。
4.根据权利要求3所述的考虑油纸绝缘界面极化等效电路参数的频域谱辨识方法，其特征在于，在所述步骤S4中，首先用遗传算法搜索最优迭代次数，然后采用带压缩因子的粒子群算法进行迭代，直到搜索到最优解为止，即全局优化目标函数的G值趋近于0时，完成含有油纸绝缘界面极化等效电路的所有元件参数值的计算。
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