CN109507554B - 一种电气设备绝缘状态评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电气设备绝缘状态评估方法,根据电气设备时域介电响应的极化去极化电流,利用矩阵束算法对其扩展Debye模型等效电路参数进行辨识,再计算其介损等绝缘状态参量以评估电气设备绝缘状态。本方法首先测得电气设备极化、去极化电流,再以去极化电流为参数构建Hankel矩阵;然后对Hankel矩阵进行奇异值分解,根据奇异值曲线中奇异值大小判断信号子空间与噪声子空间以确定扩展迪拜模型驰豫支路数及驰豫参数。最后利用确定的驰豫支路构建电气设备绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损等绝缘状态参量,从而为电气设备绝缘状态评估提供了准确可靠的诊断方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种电气设备绝缘状态评估方法,具体涉及一种基于矩阵束算法的电气设备绝缘状态评估方法。
背景技术
伴着我国社会经济的飞速发展,我国的电力基础设施也得到了飞速的发展。用量的增大使得电网的容量不断扩大,运行电压等级也逐渐提高,电力系统安全可靠的运行成为了电力行业的重要任务,一旦电网出现事故,导致大面积的停电,必将会给社会经济发展带来巨大的冲击,影响人民日常生活。
近年来,因电气设备故障而导致电网输电系统停运的事故时有发生。电气设备往往会随着使用年份的增加而导致其绝缘状态的劣化。从各个事故发生的原因进行分析,电气设备绝缘性能下降而导致的故障是导致电气设备故障的主要原因。因此,有必要提出一种适用于电力设备绝缘状态评估的方法。
当前,用于诊断电气设备绝缘状态的方法还不够成熟完善,大多数绝缘状态诊断方法都存在着效率低、准确率不高、有损伤等缺点。因此,寻找并利用更加高效的电气设备绝缘状态评估的手段就显得十分有必要,只要有了快速且准确的检测手段,通过人为定期的检测与维护,就能降低事故发生的概率。
发明内容
本发明提供了解决上述问题的一种电气设备绝缘状态评估方法。
本发明通过下述技术方案实现:
一种电气设备绝缘状态评估方法,主要包括以下步骤:
S1、根据时域介电谱法测得电气设备去极化电流;
S2、以去极化电流为参数构建Hankel矩阵Y;
S3、对Hankel矩阵Y进行奇异值分解,根据奇异值大小确定有效信号子空间与噪声子空间,滤除噪声子空间,并根据有效信号子空间确定扩展Debye模型驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi;
S4、利用确定的驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi构建电气设备绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损频谱,以判断电介质绝缘状态。
通过采用电介质时域介电响应法,因此只需施加低直流电压,一般远小于额定电压,测得电介质的极化去极化电流,以判断其绝缘状态;而传统方法采用施加额定电压测量工频介损的电压高,对试验电源要求高;由此,采用本方法对于试验设备无损伤,降低了对试验电源的要求,也提高了试验安全性。
进一步的,步骤S1中测得电气设备去极化电流的方法是:
对被测电气设备施加一个直流电压Uc进行充电,充电完成后对被测电气设备进行短路处理,利用皮安表测得去极化电流。
进一步的,步骤S2中以去极化电流为参数构建Hankel矩阵的方法是:
使用矩阵束算法,利用实测的去极化电流y(k)(k=1,2,3,…,N;N为去极化电流采样数)作为采样信号,构造Hankel矩阵如下
式中:L为矩阵束参数,选择范围为N/4~N/3。
利用电气设备绝缘介质扩展Debye模型,用R-C等效电路表示。即电气设备去极化电流可以表示为n个衰减指数函数的线性叠加。
式中:x(t)为无噪声源信号;Uc为所施加直流电压;n(t)为测试时所含的噪声分量,本发明仅考虑n(t)为高斯白噪声的情况;Ai、τi分别为第i条支路指数分量的系数和衰减系数。
扩展Debye模型等效电路是通过介质响应函数建立,从中可以提取反映电气设备绝缘状态的特征量,即现有介质响应函数参数辨识方法存在的支路数及驰豫参数。为此引入矩阵束算法对扩展Debye模型进行参数辨识。通过去极化电流构建Hankel矩阵的奇异值个数获取扩展Debye模型等效电路的驰豫支路数,在此基础上获得各支路的幅值和衰减时间常数。同时,考虑到测试过程中存在的噪声,考虑噪声存在对辨识结果的影响。
进一步的,步骤S3中对Hankel矩阵进行奇异值分解的方法如下:
对Hankel矩阵进行奇异值分解,即对矩阵Y进行奇异值分解:
Y=SVDT
式中:S为(N-L)×(N-L)的正交矩阵;D为(L+1)×(L+1)的正交矩阵;V为(N-L)×(L+1)的对角阵,其对角元素σi即为Hankel矩阵Y的第i个奇异值。
进一步的,步骤S3中根据奇异值曲线中奇异值大小判断信号子空间与噪声子空间并确定扩展Debye模型驰豫支路数的方法如下:
对于不含噪声的信号,Y有p个非零奇异值σi(i=1,2,3,…,p),其对角元素σi即为Hankel矩阵Y的第i个奇异值,这些奇异值按照从大到小的顺序排列,其中p为信号的阶数,及扩展Debye模型的驰豫支路数;
对于含有噪声的信号,V中为零的奇异值会由于噪声的影响变为非零值;噪声较小,该非零值也较小,因此,根据奇异值与最大奇异值的比值表征噪声强度,并利用该比值确定信号的有效阶数;
对于含噪信号的奇异值σi(i=1,2,3,…,L+1),按下标顺序满足:
则可记信号阶数为n-1,记为M;式中ε为设定的阈值。
进一步的,步骤S3中各支路指数分量的系数和衰减系数确定方法如下:
保留V中前M列,构成新的对角矩阵V′,剔除部分为噪声数据;取Y=SVDT中D的前M个主要的右奇异向量构成矩阵D′,去掉D′中的最后一行记为D1,去掉D′中的第一行记为D2;由Y=SVDT可得到2个(N-L)×L的矩阵,即:
所述信号Y1、Y2已不受噪声影响,矩阵Y1、Y2由真实信号x(k)构成:
由Y1和Y2构成矩阵束Y2-λY1,并求其广义特征值为G=Y1 +Y2;其中Y1 +为Y1的伪逆矩阵;G存在M个特征值记为λi(i=1,2,…,M);当λi和M已知后,信号复幅值Zi可由下式由最小二乘法求得:
最终,在求得Zi后,即可求出各支路指数分量的系数Ai和衰减常数τi;
Ai=|Zi|
其中Ts为采样间隔;Re表示实部。
进一步的,步骤S4中确定驰豫支路构建的电气设备绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损频谱,以判断电介质绝缘状态参量的方法如下:
首先根据首先根据去极化电流极化参数:各支路指数分量的系数Ai和衰减常数τi;求取扩展Debye模型中驰豫参数:弛豫支路电阻Ri、弛豫支路电容Ci,如下式:
Ci=τi/Ri
式中:tp为极化时间;Uc为被测电气设备施加的电压值;
再进一步求取电气设备介损频谱,从而对电气设备绝缘状态进行评估;求取公式如下:
ω为电压角频率。
一种电气设备绝缘状态评估装置,包括
去极化电流采集单元,用于采集被测电气设备的去极化电流;
Hankel矩阵构建单元,根据去极化电流为参数构建Hankel矩阵Y;
参数计算单元,用于对Hankel矩阵Y进行奇异值分解,得到一系列的奇异值,根据奇异值大小判断有效信号子空间与噪声子空间,然后滤除噪声子空间,根据有效信号子空间确定扩展Debye模型驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi;
Debye模型构建单元,用于将参数计算单元确定的驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi构建成电气设备的绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损频谱,以判断电介质绝缘状态。
一种电气设备绝缘状态评估装置,其特征在于,包括处理器、存储器以及一个或多个模块,所述一个或多个模块被存储在所述存储器中,并被配置成由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个模块包括用于执行上述一种电气设备绝缘状态评估方法中各个步骤的指令。本发明具有如下的优点和有益效果:
1、本发明通过采用电介质时域介电响应法,因此只需施加低直流电压,一般远小于额定电压,测得电介质的极化去极化电流,以判断其绝缘状态;而传统方法采用施加额定电压测量工频介损的电压高,对试验电源要求高;由此,采用本方法对于试验设备无损伤,降低了对试验电源的要求,也提高了试验安全性;
2、本发明通过测量极化去极化电流判断绝缘状态灵敏度高,能够在电气设备绝缘裂化初期准确检测,提高了电气设备安全性;
3、本发明采用的矩阵束算法能够有效抑制现场测试的干扰,提高了该方法的现场适用性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的电气设备去极化电流扩展Debye模型。
图3为本发明实施例提供的电容器去极化电流奇异值曲线。
图4为本发明实施例提供的电容器介质损耗曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示,一种电气设备绝缘状态评估方法,步骤如下:
S1、根据时域介电谱法测得电气设备极化以及去极化电流;
S2、以去极化电流为参数构建Hankel矩阵;
S3、对Hankel矩阵进行奇异值分解,根据奇异值曲线中奇异值大小判断信号子空间与噪声子空间并确定扩展Debye模型驰豫支路数及驰豫参数;
S4、利用确定的驰豫支路构建电气设备绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损等绝缘状态参量。
实施时,利用时域介电谱法的极化去极化电流测试方法作为一种新型的电气设备绝缘老化评估方法,利用矩阵束算法对其扩展Debye模型等效电路参数进行辨识,并计算其介损等绝缘状态参量。其步骤如下:
首先为了验证矩阵束算法的可行性,采用电气设备实验样品为12kV/0.6uF的电容器,对其进行测试模拟实验。
在本发明的一个实施例中,此次模拟测试参数设置为所加直流电压为500V,充电时间设置为90s(即极化去极化电流时间)。
如图2,图3所示,利用皮安表测试获得电容器去极化电流曲线及其奇异值曲线。
将上述实测的去极化电流曲线作为采样信号,构建Hankel矩阵。
然后对矩阵Y进行奇异值分解:
Y=SVDT
式中:S为(N-L)×(N-L)的正交矩阵;D为(L+1)×(L+1)的正交矩阵;V为(N-L)×(L+1)的对角阵,其对角元素σi即为Hankel矩阵Y的第i个奇异值。
如图2所示,可知所测信号含有噪声,即V中为零的奇异值会由于噪声的影响变为非零值。根据奇异值与最大奇异值的比值表征噪声强度,并利用该比值确定信号的有效阶数。令ε=0.2,可得n=5,即有4个大的奇异值。由此可判断出其模态阶数为4,则对应扩展Debye模型等效电路共存在4条驰豫支路。
奇异值与最大奇异值的比值如下式:
则可记信号阶数为n-1,记为M,式中ε为设定的阈值。
再次,对被测电容器去极化电流极化参数进行辨识,保留V中前M列,构成新的对角矩阵V′,剔除部分为噪声数据;取Y=SVDT中D的前M个主要的右奇异向量构成矩阵D′,去掉D′中的最后一行记为D1,去掉D′中的第一行记为D2。由Y=SVDT可得到2个(N-L)×L的矩阵,即:通过处理后的信号Y1、Y2已不受噪声影响,由Y1和Y2构成矩阵束Y2-λY1,并求其广义特征值为G=Y1 +Y2。其中Y1 +为Y1的伪逆矩阵。G存在M个特征值记为λi(i=1,2,…,M)。当λi和M已知后,信号复幅值Zi可由下式由最小二乘法求得:
由所求Zi值,即可求出各个指数分量的系数Ai和衰减常数τi,
Ai=|Zi|
其中Ts为采样间隔;Re表示实部。
此例中,被测电容器去极化电流极化参数实际辨识值如下表所示。
表1去极化电流极化参数
最后,根据上述实际去极化电流极化参数:指数分量的系数Ai和衰减常数τi,求取扩展Debye模型中驰豫参数:弛豫支路电阻Ri、弛豫支路电容Ci,如下式:
Ci=τi/Ri
式中:tp为极化时间。
即R1=0.2141*1012,C1=2.1028*10-12;R2=0.0655*1012,C2=20.0464*10-12;R3=1.204*1012,C3=5.609*10-12;R4=1.0578*1012,C4=39.8685*10-12。
再利用上述所求的扩展Debye模型驰豫参数:弛豫支路电阻Ri、弛豫支路电容Ci进行电容器绝缘评估。根据下式求得所测试电容器的介质损耗如图4。
例如,设置频率=0.1Hz,即角频率ω=0.628rad/s,C0=600nF,R0=2.85MΩ,带入表1数据得该电容器tanσ(0.628)=0.0752。
实施例2
一种电气设备绝缘状态评估装置,包括
去极化电流采集单元,用于采集被测电气设备的去极化电流;
Hankel矩阵构建单元,根据去极化电流为参数构建Hankel矩阵Y;
参数计算单元,用于对Hankel矩阵Y进行奇异值分解,根据奇异值大小确定有效信号子空间与噪声子空间,滤除噪声子空间,根据有效信号子空间确定扩展Debye模型驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi;
Debye模型构建单元,用于根据参数计算单元确定的驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi构建电气设备的绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损频谱,以判断电介质绝缘状态。
实施例3
一种电气设备绝缘状态评估装置,包括处理器、存储器以及一个或多个模块,所述一个或多个模块被存储在所述存储器中,并被配置成由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个模块包括用于执行实施例1所述方法中各个步骤的指令。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种电气设备绝缘状态评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、根据时域介电谱法测得电气设备去极化电流;
S2、以去极化电流为参数构建Hankel矩阵Y;
S3、对Hankel矩阵Y进行奇异值分解,根据奇异值大小确定有效信号子空间与噪声子空间,滤除噪声子空间,并根据有效信号子空间确定扩展Debye模型驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi;
S4、利用确定的驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi构建电气设备绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损频谱,以判断电介质绝缘状态;
步骤S2中以去极化电流为参数构建Hankel矩阵的方法是:
使用矩阵束算法,利用实测的去极化电流y(k)(k=1,2,3,…,N)作为采样信号,N为去极化电流采样数,构造Hankel矩阵Y如下
式中:L为矩阵束参数,选择范围为N/4~N/3;
步骤S3中对Hankel矩阵Y进行奇异值分解的方法如下:
对Hankel矩阵Y进行奇异值分解:
Y=SVDT
式中:S为(N-L)×(N-L)的正交矩阵;D为(L+1)×(L+1)的正交矩阵;V为(N-L)×(L+1)的对角阵,N为去极化电流采样数,L为矩阵束参数,选择范围为N/4~N/3;
步骤S3中根据奇异值大小确定有效信号子空间与噪声子空间,滤除噪声子空间,并根据有效信号子空间确定扩展Debye模型驰豫支路数p的方法如下:
对于不含噪声的信号,Y有p个非零奇异值σi(i=1,2,3,…,p),其对角元素σi为Hankel矩阵Y的第i个奇异值,这些奇异值按照从大到小的顺序排列,其中p为信号的阶数;
对于含有噪声的信号,V中为零的奇异值由于噪声的影响变为非零值;根据奇异值与最大奇异值的比值表征噪声强度,并利用该比值确定信号的有效阶数p;
对于含噪信号的奇异值σi(i=1,2,3,…,L+1),按下标顺序满足:
信号阶数为n-1,记为M;式中ε为设定的阈值,L为矩阵束参数;
步骤S3中各支路指数分量的系数和衰减系数确定方法如下:
保留V中前M列,构成新的对角矩阵V′,剔除部分为噪声数据;取Y=SVDT中D的前M个右奇异向量构成矩阵D′,去掉D′中的最后一行记为D1,去掉D′中的第一行记为D2;由Y=SVDT可得到2个(N-L)×L的矩阵,
所述矩阵Y1、Y2已不受噪声影响,矩阵Y1、Y2由真实信号x(k)构成:
由Y1和Y2构成矩阵束Y2-λY1,并求其广义特征值为G=Y1 +Y2;其中Y1 +为Y1的伪逆矩阵;G存在M个特征值记为λi(i=1,2,…,M);当λi和M已知后,信号复幅值Zi由下式求得:
在求得Zi后,求出各支路指数分量的系数Ai和衰减常数τi;
Ai=|Zi|
其中Ts为采样间隔;Re表示实部;
步骤S4中利用确定的驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi构建电气设备绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损频谱,以判断电介质绝缘状态的方法如下:
根据去极化电流极化参数、各支路指数分量的系数Ai和衰减常数τi,求取扩展Debye模型中驰豫参数:弛豫支路电阻Ri、弛豫支路电容Ci,如下式:
Ci=τi/Ri
式中:tp为极化时间;Uc为被测电气设备施加的电压值;
再进一步求取电气设备介损频谱,从而对电气设备绝缘状态进行评估;求取公式如下:
ω为电压角频率。
2.根据权利要求1所述的一种电气设备绝缘状态评估方法,其特征在于,步骤S1中测得电气设备去极化电流的方法是:
对被测电气设备施加一个直流电压Uc进行充电,充电完成后对被测电气设备进行短路处理,利用皮安表测得去极化电流。
3.一种电气设备绝缘状态评估系统,其特征在于,包括
去极化电流采集单元,用于采集被测电气设备的去极化电流;
Hankel矩阵构建单元,用于以去极化电流为参数构建Hankel矩阵Y;
参数计算单元,用于对Hankel矩阵Y进行奇异值分解,根据奇异值大小确定有效信号子空间与噪声子空间,滤除噪声子空间,根据有效信号子空间确定扩展Debye模型驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi;
Debye模型构建单元,用于根据参数计算单元确定的驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi构建电气设备的绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损频谱,以判断电介质绝缘状态;
Hankel矩阵构建单元中以去极化电流为参数构建Hankel矩阵的方法是:
使用矩阵束算法,利用实测的去极化电流y(k)(k=1,2,3,…,N)作为采样信号,N为去极化电流采样数,构造Hankel矩阵Y如下
式中:L为矩阵束参数,选择范围为N/4~N/3;
参数计算单元中对Hankel矩阵Y进行奇异值分解的方法如下:
对Hankel矩阵Y进行奇异值分解:
Y=SVDT
式中:S为(N-L)×(N-L)的正交矩阵;D为(L+1)×(L+1)的正交矩阵;V为(N-L)×(L+1)的对角阵,N为去极化电流采样数,L为矩阵束参数,选择范围为N/4~N/3;
参数计算单元中根据奇异值大小确定有效信号子空间与噪声子空间,滤除噪声子空间,并根据有效信号子空间确定扩展Debye模型驰豫支路数p的方法如下:
对于不含噪声的信号,Y有p个非零奇异值σi(i=1,2,3,…,p),其对角元素σi为Hankel矩阵Y的第i个奇异值,这些奇异值按照从大到小的顺序排列,其中p为信号的阶数;
对于含有噪声的信号,V中为零的奇异值由于噪声的影响变为非零值;根据奇异值与最大奇异值的比值表征噪声强度,并利用该比值确定信号的有效阶数p;
对于含噪信号的奇异值σi(i=1,2,3,…,L+1),按下标顺序满足:
信号阶数为n-1,记为M;式中ε为设定的阈值,L为矩阵束参数;
参数计算单元中各支路指数分量的系数和衰减系数确定方法如下:
保留V中前M列,构成新的对角矩阵V′,剔除部分为噪声数据;取Y=SVDT中D的前M个右奇异向量构成矩阵D′,去掉D′中的最后一行记为D1,去掉D′中的第一行记为D2;由Y=SVDT可得到2个(N-L)×L的矩阵,
所述矩阵Y1、Y2已不受噪声影响,矩阵Y1、Y2由真实信号x(k)构成:
由Y1和Y2构成矩阵束Y2-λY1,并求其广义特征值为G=Y1 +Y2;其中Y1 +为Y1的伪逆矩阵;G存在M个特征值记为λi(i=1,2,…,M);当λi和M已知后,信号复幅值Zi由下式求得:
在求得Zi后,求出各支路指数分量的系数Ai和衰减常数τi;
Ai=|Zi|
其中Ts为采样间隔;Re表示实部;
Debye模型构建单元中利用确定的驰豫支路数p、各支路指数分量的系数Ai和衰减系数τi构建电气设备绝缘扩展Debye模型,并根据此模型计算介损频谱,以判断电介质绝缘状态的方法如下:
根据去极化电流极化参数、各支路指数分量的系数Ai和衰减常数τi,求取扩展Debye模型中驰豫参数:弛豫支路电阻Ri、弛豫支路电容Ci,如下式:
Ci=τi/Ri
式中:tp为极化时间;Uc为被测电气设备施加的电压值;
再进一步求取电气设备介损频谱,从而对电气设备绝缘状态进行评估;求取公式如下:
ω为电压角频率。
4.一种电气设备绝缘状态评估装置,其特征在于,包括处理器、存储器以及一个或多个模块,所述一个或多个模块被存储在所述存储器中,并被配置成由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个模块包括用于执行权利要求1-2中任一所述方法中各个步骤的指令。
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