CN109357751B - 一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统，包括依次连接的信号采集模块、信号截取模块、信号重组模块、信号特征提取模块以及信号诊断模块；所述信号采集模块用于采集多个振动信号，并将其发送给信号截取模块；所述信号截取模块将每个振动信号进行阀值分割得到振动子信号，然后信号重组模块将其重组生成对应的振动特征信号；所述信号特征提取模块根据多个振动特征信号构建特征矩阵得到反映振动的特征参数；所述信号诊断模块依据所述特征参数对电力变压器绕组进行松动诊断检测，生成松动评价变量。本发明设计的松动缺陷检测系统减少了误判的发生，显著提高了判断准确性以及加快了判断速度，实现了实时对变压器绕组松动故障的监测。

Description

一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统

技术领域

本发明涉及电力设备检测技术领域，特别是一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统。

背景技术

变压器是电网中重要的一次设备，其稳定运行关系到电网安全。据了解，新变压器或大修后变压器出厂前要进行空载实验，在投运之前，也要进行空载合闸实验。空载实验中变压器油箱表面振动信号强烈，因此充分利用返修时、出厂前以及投运前的空载实验进行变压器绕组松动缺陷诊断对于及时发现变压器故障和保障电网安全具有重要意义；现有技术中，多是针对出厂前或投运前通过空载来试验测定，而针对变压器稳定运行时对变压器振动信号的采集实现对运行时电压器绕组松动缺陷监测与预警的研究，缺乏现有的解决手段。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统，其用于监测变压器运行时绕组松动使得变压器表面振动信号发生的变化，进而对振动信号进行处理，实现对变压器绕组是否松动以及松动程度进行评价，以此来实现对变压器绕组松动故障的预测，为变压器检修提供数据支持，进一步保障电网运行的安全稳定。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统，包括依次连接的信号采集模块、信号截取模块、信号重组模块、信号特征提取模块以及信号诊断模块；所述信号采集模块用于采集能够反映变压器绕组松动的变压器表面的多个振动信号，并将其发送给信号截取模块；所述信号截取模块接收多个振动信号，将每个振动信号进行阀值分割得到一系列的振动子信号；所述信号重组模块获取与每个振动信号对应的一系列振动子信号，并将其重组生成与每个振动信号对应的振动特征信号，并将其发送至信号特征提取模块；所述信号特征提取模块接收到多个振动特征信号后，根据多个振动特征信号构建特征矩阵，并通过矩阵变换得到反映振动的特征参数，所述特征参数包括有：振动频率、振型以及振动阻尼比；所述信号诊断模块获取所述特征参数，依据所述特征参数对电力变压器绕组进行松动诊断检测，生成松动评价变量，用于判断变压器绕组松动程度是否可能影响变压器正常运行。

优选地，所述电力变压器绕组松动缺陷检测系统还包括与信号诊断模块连接的预警模块，所述预警模块接收计算得到的松动评价变量，并将其与设定的松动阀值进行比较，若超过所述松动阀值则产生预警信号进行预警。

优选地，所述信号采集模块包括有多个贴片式加速度传感器以及采样参数设置单元；所述多个贴片式加速度传感器依据实际变压器的形状，均匀分布在绕组内铁芯轴向与变压器壳体连接对应的外表面上；所述采样参数设置单元设置采样的频率以及采样点数，所述信号采集模块根据采样频率以及采样点数连续采集所述加速度传感器采集到的多个振动信号。

优选地，对所述每个振动信号进行阀值分割得到一系列的振动子信号的具体过程为：

(1)分割阀值的确定：通过在经过出厂检验绕组合格的变压器上进行测试，首先在电力变压器绕组的正上方布置加速度传感器，设置信号采集模块的采样频率f和采样点数d，其中，f≥3000Hz，d≥0.02f；变压器进行额定电压下的空载运行，加速度传感器检测振动信号；进而整周期截取加速度传感器采样的振动信号；对整周期截取的振动信号依次进行滤波和时频变换，得到加速度传感器检测到的振动信号中100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz的分量幅值；将加速度传感器检测到的振动信号中100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz的分量幅值进行求和平均得到的信号平均幅值，取该信号平均幅值的x倍作为分割阀值S；x为倍率系数，选为1.5；

(2)信号截取分割：根据对变压器绕组松动后运行的先验振动数据进行分析，选取对每个振动信号进行分割截取的分割长度L；在变压器外表面设有M个加速度传感器，这样就可采集到M个对应的振动信号，其中，第i个加速度传感器采集到的振动信号为s_i(t)；提取出该振动信号s_i(t)中信号幅值等于分割阀值S的一系列离散信号点，且得到所述离散信号点对应的时间点序列：t₁，t₂，.....，t_N；N为振动信号s_i(t)中信号幅值等于分割阀值的信号点的个数；以这些离散信号点为起点，向后分割出时间长度为分割长度L的一系列振动子信号s_i(t_k)。

优选地，依据所述特征参数对电力变压器绕组进行松动诊断检测，生成松动评价变量，其中，所述松动评价变量的计算公式为：

式中，S_D为反映所述电力变压器绕组松动的松动评价变量；

为所述特征参数中的振型；f₀为该所述电力变压器绕组正常运行时的标准振动频率；fz为提取到的所述特征参数中的振动频率；γ₀为该所述电力变压器绕组正常运行时的标准振动阻尼比；γ_n为提取到的所述特征参数中的振动阻尼比；θ为所述提取得到的振型对振动频率的影响因子；

为所述提取得到的振型对振动阻尼比的影响因子。

本发明的有益效果为：本发明通过监测变压器表面的振动信号，可以在不拆解变压器的情况下方便地监测变压器在运行状态下绕组是否发生松动；本发明基于对振动信号的处理获取振动特征参数，并依据该特征参数建立松动判断量来进行松动判断，减少了误判的发生，显著提高了判断准确性以及加快了判断速度，实现了实时对变压器绕组松动故障的监测。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的一个优选实施例中的电力变压器绕组松动缺陷检测系统的功能模块图。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例提供了一种提供了一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统，包括依次连接的信号采集模块、信号截取模块、信号重组模块、信号特征提取模块以及信号诊断模块；所述信号采集模块用于采集能够反映变压器绕组松动的变压器表面的多个振动信号，并将其发送给信号截取模块；所述信号截取模块接收多个振动信号，将每个振动信号进行阀值分割得到一系列的振动子信号；所述信号重组模块获取与每个振动信号对应的一系列振动子信号，并将其重组生成与每个振动信号对应的振动特征信号，并将其发送至信号特征提取模块；所述信号特征提取模块接收到多个振动特征信号后，根据多个振动特征信号构建特征矩阵，并通过矩阵变换得到反映振动的特征参数，所述特征参数包括有：振动频率、振型以及振动阻尼比；所述信号诊断模块获取所述特征参数，依据所述特征参数对电力变压器绕组进行松动诊断检测，生成松动评价变量，用于判断变压器绕组松动程度是否可能影响变压器正常运行。

本实施例中，所述电力变压器绕组松动缺陷检测系统还包括与信号诊断模块连接的预警模块，所述预警模块接收计算得到的松动评价变量，并将其与设定的松动阀值进行比较，若超过所述松动阀值则产生预警信号进行预警。

本实施例中，所述信号采集模块包括有多个贴片式加速度传感器以及采样参数设置单元；所述多个贴片式加速度传感器依据实际变压器的形状，均匀分布在绕组内铁芯轴向与变压器壳体连接对应的外表面上；所述采样参数设置单元设置采样的频率以及采样点数，所述信号采集模块根据采样频率以及采样点数连续采集所述加速度传感器采集到的多个振动信号。

本实施例中，对所述每个振动信号进行阀值分割得到一系列的振动子信号的具体过程为：

(1)分割阀值的确定：通过在经过出厂检验绕组合格的变压器上进行测试，首先在电力变压器绕组的正上方布置加速度传感器，设置信号采集模块的采样频率f和采样点数d，其中，f≥3000Hz，d≥0.02f；变压器进行额定电压下的空载运行，加速度传感器检测振动信号；进而整周期截取加速度传感器采样的振动信号；对整周期截取的振动信号依次进行滤波和时频变换，得到加速度传感器检测到的振动信号中100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz的分量幅值；将加速度传感器检测到的振动信号中100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz的分量幅值进行求和平均得到的信号平均幅值，取该信号平均幅值的x倍作为分割阀值S；x为倍率系数，选为1.5；

(2)信号截取分割：根据对变压器绕组松动后运行的先验振动数据进行分析，选取对每个振动信号进行分割截取的分割长度L；在变压器外表面设有M个加速度传感器，这样就可采集到M个对应的振动信号，其中，第i个加速度传感器采集到的振动信号为s_i(t)；提取出该振动信号s_i(t)中信号幅值等于分割阀值S的一系列离散信号点，且得到所述离散信号点对应的时间点序列：t₁，t₂，.....，t_N；N为振动信号s_i(t)中信号幅值等于分割阀值的信号点的个数；以这些离散信号点为起点，向后分割出时间长度为分割长度L的一系列振动子信号s_i(t_k)。

本实施例中，所述信号重组模块将对应的一系列振动子信号重组生成与每个振动信号对应的振动特征信号的具体过程为：将每个振动信号分割得到的振动子信号置于同一坐标下，以时间为横轴、信号幅值为纵轴；再将全部振动子信号进行平移使得其起点与坐标原点重合；即以时间点t_k为起点的振动子信号平移d_k使得对应的起点平移到坐标原点，平移后的信号为s_i(t_k+d_k)；基于平移后的振动子信号，重组求得对应的振动特征信号的计算公式为：

式中，s_i(t_k+d_k)为将振动子信号进行平移到坐标原点后得到的平移后的信号；N代表使振动信号s_i(t)幅值等于分割阀值S的信号点的个数；s_i(t_k+d_k)代表在M个振动信号中，除去第i个振动信号s_i(t)以外，其他的振动信号x_j(t)也以时间点t_k分割得到对应的振动自信号s_j(t_k)，再将其平移到坐标原点后得到的平移后的信号；d_k为将第k个振动子信号起点平移到坐标原点需要的距离。

本实施例中，将振动信号进行阀值分割得到振动子信号，进而对振子信号进行平移重组得到与振动信号对应的振动特征信号；而现有技术中，对振动信号进行处理判断时，需要经过去噪滤波等过程，而去噪滤波处理后的信号仍具有较大的数据量，处理起来计算成本耗费大，相比于现有技术，本申请基于处理得到的振动特征函数来对振动特征参数进行提取，其后续的处理数据量小，提高了计算速度，保证了信号监测的及时性。

本实施例中，所述根据多个振动特征信号构建特征矩阵，并通过矩阵变换计算反映振动的特征参数的具体步骤为：

(1)根据得到的M个振动特征信号T_i，构建Henkel矩阵Z；对矩阵Z进行奇异值分解得到质量矩阵A，频率矩阵F以及阻尼比矩阵B；依据上述矩阵，计算包含有振动特征参数信息的特征值矩阵T_z，其计算公式为：

式中，T_z为计算得到的包含有振动特征参数信息的特征值矩阵；Λ为将中间部分矩阵

进行对角化的可逆矩阵；Z(k)为将矩阵Z进行正时移得到矩阵；Z(-k)为将矩阵Z进行负时移得到矩阵；A为对矩阵Z进行奇异值分解得到的质量矩阵；F为对矩阵Z进行奇异值分解得到的频率矩阵；B为对矩阵Z进行奇异值分解得到的阻尼比矩阵。

(2)在计算得到的特征值矩阵的基础上，计算其对应的模态矩阵：

R＝E*A^-1*B*T_z ^T

式中，所述E为单位矩阵。

考虑到模态矩阵是根据特征值矩阵计算得来，其中存在噪声模态；为辨别出变压器绕组的真实振动模态，需要对该变压器绕组系统进行定阶，通过稳定图的方法对得到的模态矩阵以及特征值进行处理，得到不同系统阶次对应的频率以及阻尼比参数，再将相邻振动系统阶次对应的特征参数(频率以及阻尼比参数)进行比较，如果比较出来的差异小于设定的限值，则认定对应的模态为真实模态，其中，比较判断的公式为：

式中，p为计算出来的比较判断值，f_g,u为从变压器振动系统阶次g为时提取得到的u阶频率特征参数；f_g+1,u为从变压器振动系统阶次为g+1时提取得到的u阶频率特征参数；η_g,u为从变压器振动系统阶次为g时提取得到的u阶阻尼比特征参数；η_g+1,u为从变压器振动系统阶次为g+1时提取得到的u阶阻尼比特征参数。

若计算出来的p大于变压器振动系统设定的限值p_set；则认定为虚假噪声模态进行去除；并在去除噪声模态的基础上，对其他模态进行处理耦合得到反映变压器振动系统振动的特征参数。

本优选实施例中，基于振动特征信号来构建特征值矩阵及计算其模态矩阵，且考虑了噪声模态的问题，设计判别公式进行虚假模态的消除；进而得到振动的特征参数；而现有技术中，多数是从信号的能量强度触发，采用频域法计算激励的功率谱函数，将信号由时域转变为频域，进行大量的数据平均，然后识别振动特征参数；现有技术中进行时频转换后对振动信号的特征提取精度下降，而本申请中采用矩阵变换，计算量小且提取精度高。

本实施例中，依据所述特征参数对电力变压器绕组进行松动诊断检测，生成松动评价变量，其中，所述松动评价变量的计算公式为：

式中，S_D为反映所述电力变压器绕组松动的松动评价变量；

为所述特征参数中的振型；f₀为该所述电力变压器绕组正常运行时的标准振动频率；f_z为提取到的所述特征参数中的振动频率；γ₀为该所述电力变压器绕组正常运行时的标准振动阻尼比；γ_n为提取到的所述特征参数中的振动阻尼比；θ为所述提取得到的振型对振动频率的影响因子；

为所述提取得到的振型对振动阻尼比的影响因子。

本优选实施例中，基于工程实际的数据积累，建立了电力变压器绕组松动时依据表面振动特征参数评价所述变压器绕组系统的松动状态的模型，设计了变压器绕组系统的松动评价变量及其计算公式，其中θ，

为经过大量实际验证选取的经验因子；现有技术中鲜有对变压器绕组系统松动状态进行评价的手段，本申请的该技术手段能够相对准确地监测变压器绕组松动程度是否满足正常运行要求，若发现不满足运行要求则产生触发信号给预警模块。

本发明上述实施例，通过监测变压器表面的振动信号，可以在不拆解变压器的情况下方便地监测变压器在运行状态下绕组是否发生松动；本发明基于对振动信号的处理获取振动特征参数，并依据该特征参数建立松动判断量来进行松动判断，减少了误判的发生，显著提高了判断准确性以及加快了判断速度，实现了实时对变压器绕组松动故障的监测。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统，其特征在于，包括依次连接的信号采集模块、信号截取模块、信号重组模块、信号特征提取模块以及信号诊断模块；所述信号采集模块用于采集能够反映变压器绕组松动的变压器表面的多个振动信号，并将其发送给信号截取模块；所述信号截取模块接收多个振动信号，将每个振动信号进行阀值分割得到一系列的振动子信号；所述信号重组模块获取与每个振动信号对应的一系列振动子信号，并将其重组生成与每个振动信号对应的振动特征信号，并将其发送至信号特征提取模块；所述信号特征提取模块接收到多个振动特征信号后，根据多个振动特征信号构建特征矩阵，并通过矩阵变换得到反映振动的特征参数，所述特征参数包括有：振动频率、振型以及振动阻尼比；所述信号诊断模块获取所述特征参数，依据所述特征参数对电力变压器绕组进行松动诊断检测，生成松动评价变量，用于判断变压器绕组松动程度是否可能影响变压器正常运行；

所述信号重组模块将对应的一系列振动子信号重组生成与每个振动信号对应的振动特征信号的具体过程为：将每个振动信号分割得到的振动子信号置于同一坐标下，以时间为横轴、信号幅值为纵轴；再将全部振动子信号进行平移使得其起点与坐标原点重合；即以时间点t_k为起点的振动子信号平移d_k使得对应的起点平移到坐标原点，平移后的信号为s_i(t_k+d_k)；基于平移后的振动子信号，重组求得对应的振动特征信号的计算公式为：

式中，s_i(t_k+d_k)为将振动子信号进行平移到坐标原点后得到的平移后的信号；N代表使振动信号s_i(t)幅值等于分割阀值S的信号点的个数；x_j(t_k+d_k)代表在M个振动信号中，除去第i个振动信号s_i(t)以外，其他的振动信号x_j(t)也以时间点t_k分割得到对应的振动子信号s_j(t_k)，再将其平移到坐标原点后得到的平移后的信号；d_k为将第k个振动子信号起点平移到坐标原点需要的距离；

所述根据多个振动特征信号构建特征矩阵，并通过矩阵变换计算反映振动的特征参数的具体步骤为：

(1)根据得到的M个振动特征信号T_i，构建Henkel矩阵Z；对矩阵Z进行奇异值分解得到质量矩阵A，频率矩阵F以及阻尼比矩阵B；依据上述矩阵，计算包含有振动特征参数信息的特征值矩阵T_z，其计算公式为：

式中，T_z为计算得到的包含有振动特征参数信息的特征值矩阵；Λ为将中间部分矩阵

进行对角化的可逆矩阵；Z(k)为将矩阵Z进行正时移得到矩阵；Z(-k)为将矩阵Z进行负时移得到矩阵；A为对矩阵Z进行奇异值分解得到的质量矩阵；F为对矩阵Z进行奇异值分解得到的频率矩阵；B为对矩阵Z进行奇异值分解得到的阻尼比矩阵；

(2)在计算得到的特征值矩阵的基础上，计算其对应的模态矩阵：

R＝E*A^-1*B*T_z ^T

式中，所述E为单位矩阵；

考虑到模态矩阵是根据特征值矩阵计算得来，其中存在噪声模态；为辨别出变压器绕组的真实振动模态，需要对该变压器绕组系统进行定阶，通过稳定图的方法对得到的模态矩阵以及特征值进行处理，得到不同系统阶次对应的频率以及阻尼比参数，再将相邻振动系统阶次对应的频率以及阻尼比参数进行比较，如果比较出来的差异小于设定的限值，则认定对应的模态为真实模态，其中，比较判断的公式为：

式中，p为计算出来的比较判断值，f_g,u为从变压器振动系统阶次g为时提取得到的u阶频率特征参数；f_g+1,u为从变压器振动系统阶次为g+1时提取得到的u阶频率特征参数；η_g,u为从变压器振动系统阶次为g时提取得到的u阶阻尼比特征参数；η_g+1,u为从变压器振动系统阶次为g+1时提取得到的u阶阻尼比特征参数；

若计算出来的p大于变压器振动系统设定的限值p_set；则认定为虚假噪声模态进行去除；并在去除噪声模态的基础上，对其他模态进行处理耦合得到反映变压器振动系统振动的特征参数。

2.根据权利要求1所述的一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统，其特征在于，所述电力变压器绕组松动缺陷检测系统还包括与信号诊断模块连接的预警模块，所述预警模块接收计算得到的松动评价变量，并将其与设定的松动阀值进行比较，若超过所述松动阀值则产生预警信号进行预警。

3.根据权利要求1所述的一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统，其特征在于，所述信号采集模块包括有多个贴片式加速度传感器以及采样参数设置单元；所述多个贴片式加速度传感器依据实际变压器的形状，均匀分布在绕组内铁芯轴向与变压器壳体连接对应的外表面上；所述采样参数设置单元设置采样的频率以及采样点数，所述信号采集模块根据采样频率以及采样点数连续采集所述加速度传感器采集到的多个振动信号。

4.根据权利要求1所述的一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统，其特征在于，对所述每个振动信号进行阀值分割得到一系列的振动子信号的具体过程为：

(1)分割阀值的确定：通过在经过出厂检验绕组合格的变压器上进行测试，首先在电力变压器绕组的正上方布置加速度传感器，设置信号采集模块的采样频率f和采样点数d，其中，f≥3000Hz，d≥0.02f；变压器进行额定电压下的空载运行，加速度传感器检测振动信号；进而整周期截取加速度传感器采样的振动信号；对整周期截取的振动信号依次进行滤波和时频变换，得到加速度传感器检测到的振动信号中100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz的分量幅值；将加速度传感器检测到的振动信号中100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz、1000Hz的分量幅值进行求和平均得到的信号平均幅值，取该信号平均幅值的x倍作为分割阀值S；x为倍率系数，选为1.5；

(2)信号截取分割：根据对变压器绕组松动后运行的先验振动数据进行分析，选取对每个振动信号进行分割截取的分割长度L；在变压器外表面设有M个加速度传感器，这样就可采集到M个对应的振动信号，其中，第i个加速度传感器采集到的振动信号为s_i(t)；提取出该振动信号s_i(t)中信号幅值等于分割阀值S的一系列离散信号点，且得到所述离散信号点对应的时间点序列：t₁，t₂，.....，t_N；N为振动信号s_i(t)中信号幅值等于分割阀值的信号点的个数；以这些离散信号点为起点，向后分割出时间长度为分割长度L的一系列振动子信号s_i(t_k)。

5.根据权利要求2所述的一种电力变压器绕组松动缺陷检测系统，其特征在于，依据所述特征参数对电力变压器绕组进行松动诊断检测，生成松动评价变量，其中，所述松动评价变量的计算公式为：

式中，S_D为反映所述电力变压器绕组松动的松动评价变量；

为所述特征参数中的振型；f₀为该所述电力变压器绕组正常运行时的标准振动频率；f_z为提取到的所述特征参数中的振动频率；γ₀为该所述电力变压器绕组正常运行时的标准振动阻尼比；γ_n为提取到的所述特征参数中的振动阻尼比；θ为所述提取得到的振型对振动频率的影响因子；

为所述提取得到的振型对振动阻尼比的影响因子。

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