CN112731080A - 一种快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于混沌理论的快速发展型故障的局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法，所述方法包括如下步骤：(1)模拟油浸式电力变压器油隙放电、电晕放电、沿面放电以及悬浮颗粒放电四种典型缺陷进行不同电压下的局部放电试验；通过高频脉冲电流法和特高频法获得从开始放电到绝缘击穿整个过程中局部放电的特征量；(2)以放电量为依据构建局部放电的脉冲放电量时间序列。选取等距的放电量时间序列6000次作为试验组，另外取4000次放电量时间序列作为检验组，依据样本得到的嵌入维数m和延迟时间τ并进行相空间重构；(3)将绝缘缺陷劣化状态从开始放电到最终击穿进行阶段线性划分为10个阶段，绘制Lyapunov指数λ，相关指数ν_f随着劣化状态变化的曲线图表，实现对油纸绝缘劣化状态的诊断。

Description

一种快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法

技术领域

本发明属于变压器局部放电检测领域，具体属于一种快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法。

背景技术

油浸式电力变压器作为电力系统中的重要电气设备，承担着电能传输、转换的重要作用，在电力系统建设中意义重大。电力变压器一旦出现故障，必将给国家、居民的生产生活带来不可估量的损失。目前超、特高压等级的大容量变压器因在绝缘材料与工艺上的优化改进，使得超、特高压变压器在设计上相较于传统变压器增大了高电场区域的占比，变压器的主绝缘缺陷在某些条件下容易产生局部放电快速发展、连锁反应的绝缘故障。针对变压器快速发展型故障的局部放电诊断，因局部电场强度增长迅速，从局部放电发生到绝缘击穿发展较快，检测诊断系统中缺乏对故障信号的信息特征捕捉及特征参量提取技术，检测信号特征提取参数技术与识别认知技术有待提高完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑到快速发展型局部放电从开始放电到绝缘击穿发展较快，时间较短，能采集到的数据量较少，因此基于混沌理论计算Lyapurov指数λ对局部放电时间序列进行混沌识别，通过Lyapurov指数在一定程度上反映油纸绝缘局部放电劣化的状况的基于混沌理论的快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于混沌理论的快速发展型故障的局部放电特征提取方法，所述方法包括如下步骤：

(1)模拟典型油纸绝缘缺陷模型进行局部放电试验，以试验发生绝缘击穿为终止，采集不同缺陷不同电压下局部放电原始数据；并从原始数据中获得局部放电特征量；

(2)将所获得的局部放电的放电特征量作为的研究对象，构造脉冲时间序列，根据选取的嵌入维数m、延迟时间τ，通过坐标延迟重构法对脉冲时间序列进行相空间重构；

(3)利用重构的相空间所获取Lyapurov指数λ、相关指数ν_f数据绘制曲线图，从而得到不同绝缘缺陷不同劣化程度的检测结果。

进一步的，所述步骤(1)中油浸式电力变压器在实际运行在常见的典型故障模型包括油隙放电、电晕放电、沿面放电以及悬浮颗粒放电；通过对相应缺陷模型进行放电试验，获得从开始放电到绝缘击穿整个过程中局部放电的特征量，包括放电量、放电相位以及脉冲对应工频电压等。

进一步的，所述步骤(2)，以所述步骤(1)中获得的放电量为依据，构建局部放电的脉冲放电量时间序列，选取合适的时间间隔Δt，得到等距的放电量时间序列。因为混沌理论认为低维度空间不能显示小数据屮包含的全部信息，故选取嵌入维数m、延迟时间τ，将一维放电量时间序列重新构造到新的空间维度上，从而更精准、更全面的对局部放电过程进行诊断评估。

在相空间重构前，需选取好合适的嵌入维数m、延迟时间τ，并依次为依据计算Lyapurov指数λ、相关指数ν_f。

1.延迟时间τ--混沌理论认为在相空间尺度上连续坐标点在时间尺度上并不连续，彼此之间存在一个时间延迟；而嵌入维数m--相空间重构后新的空间维度。本发明采用c-c法选取延迟时间和嵌入维数用于相空间重构，记为:

其中，C(m,N,r,τ)为关联积分；N为时间序列的长度，r为邻域半径的大小，x_i为时间序列的第i个相点，x_j为第i个相点最近邻点。当r-||x_i-x_j||>0，θ(r-||x_i-x_j||)＝1；当r-||x_i-x_j||<0，θ(r-||x_i-x_j||)＝0；

定义检验统计量，将一维放电量时间序列x(t)分解成n个互不重叠的子序列，长度为INT(N/n)，取第k个子序列，令N趋近于无穷，则有：

ΔS(m,τ)＝max{S(m,N,r_i,τ)}-min{S(m,N,r_j,τ)} i≠j (3)

其中，S(m,N,r,τ)为每个时间子序列的统计量，定义局部间隔对应量的最大的半径r是max{S(m,N,r_i,τ)}，最小的半径r是min{S(m,N,r_i,τ)}，最大最小两者差值为是ΔS(m,τ)，

表示为16个统计量S(m,N,r,τ)的平均值。

取

第一个零点或

第一个极小值对应时间作为最优延迟时间τ，计算S_2cor(τ)的全局最小值来确定最优嵌入维数m。

2.Lyapurov指数λ--定量描述系统稳定性的参数，当电路正常工作时，系统混沌性并不明显，一旦发生故障，系统混沌性就会增大；利用c-c法计算得到的嵌入维数m和延迟时间τ对所有样本进行相空间重构得到的各个相点为：X_i＝(x_i,x_i+τ,…,x_i+(m-1)τ),i＝1,2,…,N-(m-1)τ：

a)从X₁开始计算每个相点X_i的最近邻点X_j，并限制短暂分离，即：

d_i(0)＝min||X_i-X_j||,|i-j|>p (7)

其中||·||是欧几里德距离，p为平均周期，可根据傅立叶变换获得；

b)对相空间中的每一对最近邻点计算k个离散时间步后的距离d_i(k)，即：

d_i(k)＝||X_i+k-X_j+k||,k＝1,2,…,min(n-i,n-j) (8)

c)求出所有d_i(k)不为零的对数ln(d_i(k))，并对每一个k，计算基于i的平均值y(k)，即：

其中，M是某个k值的非零d_i(k)的数目。绘制y(k)-k的曲线图，运用最小二乘法计算曲线的斜率值，即为最大Lyapunov指数λ。

3.相关指数ν_f--描述了系统内点与点之间的关联程度，表示系统在多维空间中的疏密程度；相关指数ν_f可以基于关联积分C(r)进行计算，当r太大时无法反映系统的真实状态，故在r一定范围内，若是有吸引子存在，ln(r)与ln[C(r)]成一次函数关系：

ln[C(r)]＝aln(r)+b (10)

采用最小二乘法计算斜率的残差平方和，即相关指数ν_f:

进一步的，对于步骤(3)绘制不同缺陷模型不同电压下劣化过程中Lyapunov指数λ，相关指数ν_f的变化曲线图。

本发明还提供了一种快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断装置，所述装置包括：

局部放电特征量提取模块：模拟典型油纸绝缘缺陷模型进行局部放电试验，以试验发生绝缘击穿为终止，采集不同缺陷不同电压下局部放电原始数据；并从原始数据中获得局部放电特征量；

相空间重构模块：将所获得的局部放电放电特征量作为的研究对象，构造脉冲时间序列，根据选取的嵌入维数m、延迟时间τ，通过坐标延迟重构法对脉冲时间序列进行相空间重构；

检测模块：利用重构的相空间所获取Lyapurov指数λ、相关指数νf数据绘制曲线图，从而得到获得不同绝缘缺陷不同劣化程度的检测结果

本发明的有益效用在于可以通过Lyapunov指数λ，相关指数ν_f随着劣化状态表现出快速发展型局部放电过程的不稳定情况，混沌特征参量的变化表征放电系统中的放电的稳定性、放电的复杂程度，根据不同缺陷在放电过程中混沌特征参量的不同变化特点，对放电类型进行辨别分析，从而实现对油纸绝缘劣化状态的诊断。

附图说明

图1为本发明的混沌理论Lyapunov指数λ，相关指数ν_f算法流程图。

具体实施方法

本发明旨在解决超、特高压变压器快速发展型故障的局部放电特征提取。下面结合附图，对本发明进行进一步详细的步骤描述：

(1)模拟典型油纸绝缘缺陷模型进行局部放电试验，以试验发生绝缘击穿为终止，采集不同缺陷不同电压下局部放电原始数据；并从原始数据中获得局部放电特征量；

(2)以所获得的局部放电的放电特征量作为的研究对象，构造脉冲时间序列，根据选取的嵌入维数m、延迟时间τ，通过坐标延迟重构法对脉冲时间序列进行相空间重构；

(3)利用重构相空间所获取Lyapurov指数λ、相关指数ν_f数据绘制曲线图，从而得到不同绝缘缺陷不同劣化程度的诊断结果。

所述步骤(1)中模拟油浸式电力变压器典型缺陷，针对油隙放电、电晕放电、沿面放电以及悬浮颗粒放电四种缺陷进行不同电压下的局部放电试验；通过高频脉冲电流法和特高频法对局部放电信号进行检测，获得从开始放电到绝缘击穿整个过程中局部放电的特征量，包括放电量、放电相位以及对应工频电压等。

所述步骤(2)，以所述步骤(1)中获得的放电量为依据，构建局部放电的脉冲放电量时间序列，为保证检测诊断的准确性，单次放电脉冲时间的分辨精度不小于10ns，瞬时采样深度5us，脉冲序列200000次以上。选取等距的放电量时间序列6000次作为试验组，另外取4000次放电量时间序列作为检验组，依据所有样本依据得到的嵌入维数m和延迟时间τ并对放电量时间序列进行相空间重构，各个相点为：X_i＝(x_i,x_i+τ,…,x_i+(m-1)τ),i＝1,2,…,N-(m-1)τ。

在相空间重构前，需选取好合适的嵌入维数m、延迟时间τ，并依次为依据计算Lyapurov指数λ、相关指数ν_f。

1.延迟时间τ--混沌理论认为在相空间尺度上连续坐标点在时间尺度上并不连续，彼此之间存在一个时间延迟；而嵌入维数m--相空间重构后新的空间维度。本发明采用c-c法选取延迟时间和嵌入维数用于相空间重构，记为:

其中，C(r)为关联积分；N为时间序列的长度，r为邻域半径的大小，x_i为时间序列的第i个相点，x_j为第i个相点最近邻点。当r-||x_i-x_j||>0，θ(r-||x_i-x_j||)＝1；当r-||x_i-x_j||<0，θ(r-||x_i-x_j||)＝0；

定义检验统计量，将一维放电量时间序列x(t)分解成n个互不重叠的子序列，长度为INT(N/n)，取第k个子序列，令N趋近于无穷，则有：

ΔS₂(m,τ)＝max{S₂(m,r_j,τ)}-min{S₂(m,r_j,τ)} (3)

其中，S(m,N,r,τ)为每个时间子序列的统计量，定义局部间隔对应量的最大的半径r是max{S(m,N,r_i,τ)}，最小的半径r是min{S(m,N,r_i,τ)}，最大最小两者差值为是ΔS(m,τ)，

表示为16个统计量S(m,N,r,τ)的平均值。

取

第一个零点或

第一个极小值对应时间作为最优延迟时间τ，计算S_2cor(τ)的全局最小值来确定最优嵌入维数m。

2.Lyapurov指数λ--定量描述系统稳定性的参数，当电路正常工作时，系统混沌性并不明显，一旦发生故障，系统混沌性就会增大；利用c-c法计算：

a)从各个相点X₁开始计算每个相点X_i的最近邻点X_j，并限制短暂分离：

d_i(0)＝min||X_i-X_j||,|i-j|>p (7)

其中||·||是欧几里德距离，p为平均周期，可根据傅立叶变换获得；

b)对相空间中的每一对最近邻点计算k个离散时间步后的距离d_i(k)，即：

d_i(k)＝||X_i+k-X_j+k||,k＝1,2,…,min(n-i,n-j) (8)

c)求出所有d_i(k)不为零的对数ln(d_i(k))，并对每一个k，计算基于i的平均值y(k)，即：

其中，M是某个k值的非零d_i(k)的数目。绘制y(k)-k的曲线图，运用最小二乘法计算曲线的斜率值，即为最大Lyapunov指数λ。

3.相关指数ν_f--描述了系统内点与点之间的关联程度，表示系统在多维空间中的疏密程度；相关指数ν_f可以基于关联积分C(r)进行计算，当r太大时无法反映系统的真实状态，故在r一定范围内，若是有吸引子存在，ln(r)与ln[C(r)]成一次函数关系：

ln[C(r)]＝aln(r)+b (10)

采用最小二乘法计算斜率的残差平方和，即相关指数ν_f:

所述步骤(3)绘制油隙放电、电晕放电、沿面放电以及悬浮颗粒放电四种缺陷模型在不同电压下劣化过程中Lyapunov指数λ、相关指数ν_f的变化曲线图，将绝缘缺陷劣化状态从开始放电到最终击穿进行阶段线性划分为10个阶段，通过计算10组放电数据样本归纳出最大Lyapunov指数λ、相关指数ν_f随劣化阶段的发展规律，其中四种缺陷模型最大Lyapunov指数λ随劣化阶段的发展规律主要呈现“反N”、“N”、“V”、“反V”、“M”和“W”型发展，而相关指数ν_f随劣化阶段的发展整体上呈现关联维数逐渐增大，中间存在波动。以气隙缺陷为例，在快速发展型故障局部放电的三个放电劣化阶段下10组放电数据样本的最大Lyapunov指数λ、相关指数ν_f变化规律统计如下表1所示。

表1气隙缺陷Lyapunov指数变化规律统计

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。

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其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)模拟典型油纸绝缘缺陷模型进行局部放电试验，以试验发生绝缘击穿为终止，采集不同缺陷不同电压下局部放电原始数据；并从原始数据中获得局部放电得特征量；

(2)将所获得的局部放电的放电特征量作为研究对象，构造脉冲时间序列，根据选取的嵌入维数m、延迟时间τ，通过坐标延迟重构法对脉冲时间序列进行相空间重构；

(3)利用重构的相空间所获取Lyapurov指数λ、相关指数ν_f数据绘制曲线图，获得对油纸绝缘劣化状态的诊断。

2.根据权利要求1所述的快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法，其特征在于，油浸式电力变压器的典型故障模型包括油隙放电、电晕放电、沿面放电以及悬浮颗粒放电；

通过对相应缺陷模型进行放电试验，获得从开始放电到绝缘击穿整个过程中局部放电的特征量，其中，所述局部放电的特征量包括放电量、放电相位以及脉冲对应工频电压。

3.根据权利要求1所述的基快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法，其特征在于，所述步骤(2)中，依据所述步骤(1)获得的局部放电的特征量为依据，构建局部放电的脉冲放电量时间序列；选取时间间隔Δt，得到等距的放电量时间序列，利用混沌理论认为低维度空间不能显示小数据屮包含的全部信息，选取嵌入维数m、延迟时间τ，将一维放电量时间序列重新构造到新的空间维度上。

4.根据权利要求1所述的快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法，其特征在于，所述步骤(2)中选取嵌入维数m、延迟时间τ的方法是：

采用公式

以及

公式中，S(m,N,r,τ)为每个时间子序列的统计量，定义局部间隔对应量的最大的半径r是max{S(m,N,r_i,τ)}，最小的半径r是min{S(m,N,r_i,τ)}，最大最小两者差值为是ΔS(m,τ)，

表示为16个统计量S(m,N,r,τ)的平均值。

取

第一个零点或

第一个极小值对应时间作为最优延迟时间τ，计算S_2cor(τ)的全局最小值来确定最优嵌入维数m。

5.根据权利要求1所述的快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法，其特征在于，所述步骤(3)中获取Lyapurov指数λ、相关指数ν_f的方法是：

Lyapurov指数λ--定量描述系统稳定性的参数，利用c-c法计算得到的嵌入维数m和延迟时间τ对所有样本进行相空间重构得到的各个相点为：X_i＝(x_i,x_i+τ,…,x_i+(m-1)τ),i＝1,2,…,N-(m-1)τ：

a)从X₁开始计算每个相点X_i的最近邻点X_j，并限制短暂分离，获得

d_i(0)＝min||X_i-X_j||,|i-j|>p

其中||·||是欧几里德距离，p为平均周期，根据傅立叶变换获得；

b)对相空间中的每一对最近邻点计算k个离散时间步后的距离d_i(k)获得：

d_i(k)＝||X_i+k-X_j+k||,k＝1,2,…,min(n-i,n-j)

求出所有d_i(k)不为零的对数ln(d_i(k))，并对每一个k，计算基于i的平均值y(k)：

其中，M是某个k值的非零d_i(k)的数目。绘制y(k)-k的曲线图，运用最小二乘法计算曲线的斜率值，获得最大Lyapunov指数λ；

相关指数ν_f--描述了系统内点与点之间的关联程度，表示系统在多维空间中的疏密程度；相关指数ν_f可以基于关联积分C(r)进行计算，ln(r)与ln[C(r)]成一次函数关系：

ln[C(r)]＝aln(r)+b

采用最小二乘法计算斜率的残差平方和，获得相关指数ν_f:

6.根据权利要求1所述的快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断方法，其特征在于，所属步骤(3)中所述的得到不同绝缘缺陷不同劣化程度的检测结果的方法是，绘制不同缺陷模型不同电压下劣化过程中Lyapunov指数λ，相关指数ν_f的变化曲线图，在所述曲线图中所述Lyapunov指数λ，相关指数ν_f随着劣化状态上下波动，获得对油纸绝缘劣化状态的诊断。

7.一种快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断装置，其特征在于，所述装置包括：

局部放电的特征量提取模块：模拟典型油纸绝缘缺陷模型进行局部放电试验，以试验发生绝缘击穿为终止，采集不同缺陷不同电压下局部放电原始数据；并从原始数据中获得局部放电的特征量；

相空间重构模块：将所获得的局部放电的特征量作为的研究对象，构造脉冲时间序列，根据选取的嵌入维数m、延迟时间τ，通过坐标延迟重构法对脉冲时间序列进行相空间重构；

检测模块：利用重构的相空间所获取Lyapurov指数λ、相关指数νf数据绘制曲线图，从而得到获得不同绝缘缺陷不同劣化程度的检测结果。

8.根据权利要求7所述的一种快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断装置，其特征在于，所述相空间重构模块，依据所述局部放电的特征量提取模块获得的局部放电的特征量为依据，构建局部放电的脉冲放电量时间序列；选取时间间隔Δt，得到等距的放电量时间序列，利用混沌理论认为低维度空间不能显示小数据屮包含的全部信息，选取嵌入维数m、延迟时间τ，将一维放电量时间序列重新构造到新的空间维度上。

9.根据权利要求7所述的一种快速发展型局部放电油纸绝缘劣化状态的诊断装置，其特征在于，所述相空间重构模块重构的相空间获取Lyapurov指数λ、相关指数νf数据并绘制曲线图，获得对油纸绝缘劣化状态的诊断。

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