CN110705003B - 基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高电压与绝缘技术领域，具体公开了一种基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法，包括：获取变压器固体绝缘的频域介电谱；分别提取频域介电响应特性对变压器固体绝缘老化及受潮状态敏感的频段；对提取到的不同频段分别进行积分运算得到FDS曲线的积分值；根据积分值获取介电响应特征指纹；对介电响应特征指纹与其相对应的绝缘状态一一对应，置于同一空间维度中获取介电响应特征指纹变化的规律并进行深度拟合，以建立能够计算任意绝缘状态所对应的介电响应特征指纹的通用模型；利用通用模型建立频域介电响应特征指纹数据库。该方法可以在不制备任何样本的前提下利用模型计算得频域介电响应特征指纹。

Description

基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法
技术领域
本发明属于高电压与绝缘技术领域，特别涉及一种基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法。
背景技术
变压器作为电力系统中的大型关键设备，其固体绝缘性能的优劣关系到整个电力系统的稳定及安全运行。因此，对变压器固体绝缘状态的老化及受潮状态诊断具有十分重要的理论及实践意义。
近年来，基于频域介电响应技术的变压器固体绝缘状态诊断法因其具有对绝缘状态敏感且更适用于现场测试等优点而受到广泛关注。研究指出：传统的基于频域介电谱(FDS)技术的解耦分析法在运用过程中面临着诸多难题，如难以有效区分绝缘老化与受潮单独对FDS造成的影响以及频谱解耦结果由于拟合算法的不同往往不唯一等。为克服上述难题，基于灰色关联度分析的频域介电响应特征指纹数据库匹配法被提出。然而，现有特征指纹数据库匹配法通过预先制备大量具有不同绝缘状态的样本，通过提取其频域介电响应特征指纹进而建立数据库。然而，上述方法不仅费时费力而且扩充困难，不具有灵活性以及通用性。且面临以下缺点而限制了其发展与推广。
①受人员操作水平及样品制备精度的影响，制备一个能够准确代表不同标准绝缘状态的样本是一项十分困难的工作；
②受人工物力以及样品制作周期的影响，构建一个指纹数量充足且种类齐全的数据库也是一项非常困难的工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法，该方法可以在不制备任何样本的前提下利用模型计算得到变压器固体绝缘在任意绝缘状态下所对应的频域介电响应特征指纹，在使用之中更加灵活简便、省时省力。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法，包括：
1)对变压器固体绝缘进行频域介电响应测试以得到其频域介电谱；
2)对所述频域介电谱的FDS曲线进行频谱分析，分别提取频域介电响应特性对变压器固体绝缘老化及受潮状态敏感的频段；
3)对提取到的不同频段分别进行积分运算，得到不同频段范围内的FDS曲线的积分值；
4)对所述积分值进行数值维度变换处理，并将处理后的积分值作为表征变压器固体绝缘老化及受潮状态的介电响应特征指纹；
5)对所述介电响应特征指纹与其相对应的绝缘状态一一对应，并置于同一空间维度中获取介电响应特征指纹的数值随绝缘状态变化的规律；
6)对介电响应特征指纹数值随绝缘状态变化的规律进行深度拟合，以建立能够计算任意绝缘状态所对应的介电响应特征指纹的通用模型；
7)利用所述通用模型建立用于变压器固体绝缘状态综合评估的频域介电响应特征指纹数据库。
优选的，上述技术方案中，步骤1)中的频域介电谱由介电响应测试仪测试得到，其中，测试电压为10～500V，测试频率为1E-4Hz～1E4Hz，测试温度范围为-20℃-120℃，油浸渍绝缘纸/纸板的厚度为0.1mm-6mm且水分为0.5％-7％，油浸渍绝缘纸/纸板的聚合度为250-1400。
优选的，上述技术方案中，步骤2)中所提取的不同频段应包括表征变压器固体绝缘老化状态的特征频段、表征变压器油纸绝缘系统电导率的特征频段以及表征变压器固体绝缘受潮状态的特征频段。
优选的，上述技术方案中，步骤3)中不同频段范围内的FDS曲线积分值是通过公式(1)计算得到的：
Figure GDA0002298018240000021
其中：Si’(i＝1,2,…,n)表在不同频率范围内的FDS曲线对频率轴的积分值，fn表示不同的采样频率点，且fn∈(1E-4Hz，1E4Hz)。
优选的，上述技术方案中，步骤4)中的介电响应特征指纹是由公式(1)计算出的数值经数值维度变换处理后得到的，并将其定义为Si(i＝1,2,3)，公式(2)给出了介电响应特征指纹Si与FDS曲线积分值Si’的数值变换关系：
Figure GDA0002298018240000031
优选的，上述技术方案中，步骤5)中同一空间维度是通过将固体绝缘老化状态表征参量、受潮状态表征参量以及频域介电响应指纹分别设为x，y以及z值并绘制在同一三维空间坐标系中得到的。
优选的，上述技术方案中，步骤6)中深度拟合图3所示空间散点分布规律实现的。在通过深度拟合的基本函数表达式分别如公式(3)～(5)所示：
Figure GDA0002298018240000032
Figure GDA0002298018240000033
Figure GDA0002298018240000034
其中，x为固体绝缘老化状态表征参量，y为受潮状态表征参量，Si为介电指纹数值，其他参数为算法拟合参数；拟合收敛容差设置为1E-10～1E-20；迭代次数设置为10000～100000次；参数的置信区间计算方法为基于渐进对称性。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明中的基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法，可以精确计算变压器固体绝缘在任意绝缘状态下所对应的频域介电响应特征指纹，这将有效避免因样本制备精度不足导致所提取指纹数据不能准确代表其预定的绝缘状态，进而提高了变压器固体绝缘状态诊断的准确性，因此能够致力于变压器固体绝缘综合状态的评估，更为方便且准确的运用于对变压器固体绝缘状态的诊断当中，进而使电力系统运行更加可靠、安全、稳定。
附图说明
图1是本发明的基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法的流程示意图。
图2a-图2d是本发明所涉及的不同绝缘状态下油浸渍绝缘纸板样品的FDS曲线图，其中，图2a中样品mc％＝1％，图2b中样品mc％＝2％，图2c中样品mc％＝3％，图2d中样品mc％＝4％。
图3a-图3c是本发明所涉及的频域介电响应特征指纹Si与含水量mc％以及聚合度DP在三维空间坐标内的分布情况示意图。
图4a-图4c是本发明所提出用于构建频域介电响应特征指纹数据库的油浸渍绝缘纸板样品的三维(温度-聚合度-频域介电指纹)空间拟合曲面图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，该实施例中基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法具体包括：
步骤S1，对变压器固体绝缘进行频域介电响应测试以得到其频域介电谱。
具体的，频域介电谱(FDS)由介电响应测试仪(如DIRANA)测试得到。其中，测试电压为10～500V，测试频率为1E-4Hz～1E4Hz，测试温度范围为-20℃-120℃，油浸渍绝缘纸/纸板(厚度0.1mm-6mm)水分为0.5％-7％，油浸渍绝缘纸/纸板的聚合度为250-1400。如附图2a-图2d给出了部分不同绝缘状态(水分为1％-4％，聚合度为415-1285)的变压器油浸渍绝缘纸板(厚度2mm)样本的FDS曲线。
步骤S2，对频域介电谱的FDS曲线进行频谱分析，分别提取频域介电响应特性对变压器固体绝缘老化及受潮状态敏感的频段。
受变压器固体绝缘状态变化敏感的频段分别提取于FDS曲线上不同的采样频率范围。其中，所提取的不同频段应包括表征变压器固体绝缘老化状态的特征频段、表征变压器油纸绝缘系统电导率的特征频段以及表征变压器固体绝缘受潮状态的特征频段。
步骤S3，对提取到的不同频段分别进行积分运算，得到不同频段范围内的FDS曲线的积分值，通过公式(1)计算得到。
Figure GDA0002298018240000051
其中：Si’(i＝1,2,…,n)表在不同频率范围内的示FDS曲线对频率轴的积分值(面积)。fn表示不同的采样频率点，且fn∈(1E-4Hz，1E4Hz)。
步骤S4，对积分值进行数值维度变换处理，并将处理后的积分值作为表征变压器固体绝缘老化及受潮状态的介电响应特征指纹；其中，介电响应特征指纹是由公式(1)计算出的数值经数值维度变换处理后得到的，并将其定义为Si(i＝1,2,3)，公式(2)给出了介电响应特征指纹Si与FDS曲线积分值Si’的数值变换关系。
Figure GDA0002298018240000052
步骤S5，对介电响应特征指纹与其相对应的绝缘状态一一对应，并置于同一空间维度中获取介电响应特征指纹的数值随绝缘状态变化的规律；同一空间维度是通过将固体绝缘老化状态表征参量(聚合度，即DP)、受潮状态表征参量(含水量，即mc％)以及频域介电响应指纹(Si)分别设为x，y以及z值并绘制在同一三维空间坐标系中得到的。附图3a-图3c分别显示了Si与DP、mc％在三维空间坐标系中的分布情况。由图3a-图3c可见，随着DP值的减小以及mc％的增多，Si呈现出逐渐增大趋势。
步骤S6，对介电响应特征指纹数值随绝缘状态变化的规律进行深度拟合，以建立能够计算任意绝缘状态所对应的介电响应特征指纹的通用模型。
具体的，用于计算介电响应特征指纹的通用模型的建立是通过深度拟合图3a-图3c所示空间散点分布规律实现的。在通过深度拟合技术建立上述通用模型时，拟合函数使用函数逼近思想的函数，其中包括(RationalTaylor、Gauss、LogNormal以及Poly系列函数)，其基本函数表达式分别如公式(3)～(5)所示。
Figure GDA0002298018240000061
Figure GDA0002298018240000062
Figure GDA0002298018240000063
其中，x为DP值，y为mc％，其他参数为算法拟合参数；拟合收敛容差设置为1E-10～1E-20；迭代次数设置为10000～100000次；参数的置信区间计算方法为基于渐进对称性。由方程(3)～(5)得到的用于计算任意绝缘状态所对应的介电响应特征指纹(Si)的通用模型的三维曲面方程如附图4a-图4c所示，曲面上任一点唯一对应某一绝缘状态(DP、mc％)下的介电指纹数值(Si)。
步骤S7，利用通用模型建立用于变压器固体绝缘状态综合评估的频域介电响应特征指纹数据库。
具体的，用于变压器固体绝缘状态综合评估的频域介电响应特征指纹数据库是由不同的频域介电响应指纹Si构成的。通过预先给定x值(即DP)、y值(即mc％)，利用方程(3)～(5)可以计算出变压器固体绝缘在任意绝缘状态(老化及受潮状态)下所对应的频域介电响应指纹Si。进而，通过将不同的绝缘状态与之相应的频域介电响应指纹Si相对应则可构建本发明所提及的频域介电响应特征指纹数据库。
接下来，在本实例中列举测试温度为45，℃测试频率为2E-4～5000Hz以及测试电压幅值为200V条件下的建库流程。
测试所得FDS如附图2a-图2d所示。本实例选取频段F1(1E-3Hz～1E-2Hz)表征变压器固体绝缘老化状态的采样频率范围；频段F2(1E-2Hz～1E-1Hz)表征变压器油纸绝缘系统电导率的采样频率范围；频段F3(1E2Hz～1E3Hz)表征变压器固体绝缘受潮状态的采样频率范围。利用公式(1)分别对FDS曲线进行积分运算。将步骤S3得到的积分运算结果按照公式(2)进行数据维度换算并将处理后的积分值作为表征变压器固体绝缘老化及受潮状态的介电响应特征指纹。表1给出了附图2a-图2d所示不同绝缘状态样品与其介电响应特征指纹信息取值范围。
表1.变压器固体绝缘样本参数信息
Figure GDA0002298018240000071
将频域介电响应指纹(Si)分别设为x，y以及z值并绘制其在三维空间坐标系中的分区情况，如附图3a-图3c所示。可见，随着DP值的减小以及mc％的增多，Si呈现出逐渐增大趋势。
对步骤S5中介电响应特征指纹数值随绝缘状态变化的规律进行深度拟合。选用RationalTaylor函数以及Rational2D函数为拟合函数；设置拟合收敛容差为1E-20；设置函数迭代次数为100000次；设置参数的置信区间计算方法为基于渐进对称性。随后建立了能够计算任意绝缘状态所对应的介电响应特征指纹(Si)的通用模型，如表2-4所示。
表2.S1的拟合方程
Figure GDA0002298018240000072
表3.S2的拟合方程
Figure GDA0002298018240000073
Figure GDA0002298018240000081
表4.S3的拟合方程
Figure GDA0002298018240000082
其中，x为DP值，y为mc％，其他参数为算法拟合参数。由表2-表4得到的用于计算任意绝缘状态所对应的介电响应特征指纹(Si)的通用模型的三维曲面方程如附图4a-图4c所示，曲面上任一点唯一对应某一绝缘状态(DP、mc％)下的介电指纹数值(Si)。
用于变压器固体绝缘状态综合评估的频域介电响应特征指纹数据库是由不同的频域介电响应指纹Si构成的，通过预先给定x值(即DP)、y值(即mc％)，利用表2-表4所示方程可以计算出变压器固体绝缘在任意绝缘状态(老化及受潮状态)下所对应的频域介电响应指纹Si。进而，通过将不同的绝缘状态与之相应的频域介电响应指纹Si相对应则可构建本发明所提及的频域介电响应特征指纹数据库。
在本实例中，预设x值(即DP)的取值区间为(150,1400)且取值步长为1。y值(即mc％)取值区间为(0.5％，6％)，且取值步长为0.1％。则对应于某一DP值的样本其含水量有55种，因此数据库所含绝缘状态的总数以及对应的指纹个数为(1400-150)*55＝68750。表5给出了本实例所提及频域介电响应指纹数据库的构成。
表5.频域介电响应指纹数据库
Figure GDA0002298018240000083
Figure GDA0002298018240000091
综上所述，本实施例中的方法致力于变压器固体绝缘综合状态的评估，更为方便且准确的运用于对变压器固体绝缘状态的诊断当中，进而使电力系统运行更加可靠、安全、稳定。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (2)

1.一种基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法，其特征在于，包括：
1)对变压器固体绝缘进行频域介电响应测试以得到其频域介电谱；
2)对所述频域介电谱的FDS曲线进行频谱分析，分别提取频域介电响应特性对变压器固体绝缘老化及受潮状态敏感的频段；
3)对提取到的不同频段分别进行积分运算，得到不同频段范围内的FDS曲线的积分值；
4)对所述积分值进行数值维度变换处理，并将处理后的积分值作为表征变压器固体绝缘老化及受潮状态的介电响应特征指纹；
5)对所述介电响应特征指纹与其相对应的绝缘状态一一对应，并置于同一空间维度中获取介电响应特征指纹的数值随绝缘状态变化的规律；
6)对介电响应特征指纹数值随绝缘状态变化的规律进行深度拟合，以建立能够计算任意绝缘状态所对应的介电响应特征指纹的通用模型；
7)利用所述通用模型建立用于变压器固体绝缘状态综合评估的频域介电响应特征指纹数据库；
步骤2)中所提取的不同频段应包括表征变压器固体绝缘老化状态的特征频段、表征变压器油纸绝缘系统电导率的特征频段以及表征变压器固体绝缘受潮状态的特征频段；
步骤3)中不同频段范围内的FDS曲线积分值是通过公式(1)计算得到的：
Figure FDA0002578697880000011
其中：Si’(i＝1,2,…,n)表在不同频率范围内的FDS曲线对频率轴的积分值，fa为第一个介损积分频段的积分下限，fA为第一个介损积分频段的积分上限；fb为第二个介损积分频段的积分下限，fB为第二个介损积分频段的积分上限；fn为第二个介损积分频段的积分下限，fN为第二个介损积分频段的积分上限；fn表示不同的采样频率点，且fn∈(1E-4Hz，1E4Hz)；
步骤4)中的介电响应特征指纹是由公式(1)计算出的数值经数值维度变换处理后得到的，并将其定义为Si(i＝1,2,3)，公式(2)给出了介电响应特征指纹Si与FDS曲线积分值Si’的数值变换关系：
Figure FDA0002578697880000021
步骤5)中同一空间维度是通过将固体绝缘老化状态表征参量、受潮状态表征参量以及频域介电响应指纹分别设为x，y以及z值并绘制在同一三维空间坐标系中得到的；
步骤6)中通过深度拟合的基本函数表达式分别如公式(3)～(5)所示：
Figure FDA0002578697880000022
Figure FDA0002578697880000023
Figure FDA0002578697880000024
其中，x为固体绝缘老化状态表征参量，y为受潮状态表征参量，Si为介电指纹数值，其他参数为算法拟合参数；拟合收敛容差设置为1E-10～1E-20；迭代次数设置为10000～100000次；参数的置信区间计算方法为基于渐进对称性。
2.根据权利要求1所述的基于深度拟合建立频域介电响应特征指纹数据库的方法，其特征在于，步骤1)中的频域介电谱由介电响应测试仪测试得到，其中，测试电压为10～500V，测试频率为1E-4Hz～1E4Hz，测试温度范围为-20℃-120℃，油浸渍绝缘纸/纸板的厚度为0.1mm-6mm且水分为0.5％-7％，油浸渍绝缘纸/纸板的聚合度为250-1400。
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