CN112989587B - 一种电容式电压互感器劣化成因在线分析方法及系统 - Google Patents

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CN112989587B CN202110241050.9A CN202110241050A CN112989587B CN 112989587 B CN112989587 B CN 112989587B CN 202110241050 A CN202110241050 A CN 202110241050A CN 112989587 B CN112989587 B CN 112989587B
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Abstract

本发明公开了一种电容式电压互感器劣化成因在线分析方法及系统，包括输入目标电容式电压互感器基于数据驱动原理获得的误差估计值；针对误差估计值利用聚类分析方法，计算得到误差估计值的聚类中心；基于预设的聚类中心、劣化成因之间的映射关系，得到目标电容式电压互感器对应的劣化成因。本发明可在不停电检修的条件下发现电容式电压互感器的劣化，并且分析出劣化成因，能够及时发现劣化的电容式电压互感器，避免故障的进一步发展，保障设备安全；本发明可从大量运行中的电容式电压互感器中寻找出性能劣化的互感器，运维人员仅需要检修劣化互感器，不需要检修全部互感器，本方法将大大减轻运维人员工作量，显著降低运维成本。

Description

一种电容式电压互感器劣化成因在线分析方法及系统
技术领域
本发明涉及输配电设备状态评估与故障诊断领域，具体涉及一种电容式电压互感器劣化成因在线分析方法及系统。
背景技术
电压互感器为电力系统保护、控制、计量提供准确可靠的电压信号，电容式电压互感器因其较好的经济性和绝缘性能在电力系统中获得了广泛应用。然而，由于电容式电压互感器采用电容分压原理，分压电容在高电压条件下长期运行，同时叠加外部温湿度影响，易出现电容击穿、老化等故障，故障持续发展将严重威胁设备安全。针对该问题，当前的主流方法是在变电站停电检修期间内，利用标准电压互感器对被检电容式电压互感器进行离线校验确定超差互感器，将超差互感器运送至实验室解体后获知劣化成因。
由于停电计划协调困难，致使大量在运电压互感器难以完成误差检测，因此，电力系统内大量互感器的劣化情况不被掌握，这将导致互感器安全无法得到保障，严重时还将威胁电力系统的运行稳定。为解决该问题，现采用基于数据驱动评估结果的电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，该方法首先分析电容式电压互感器误差评估值的数据特征，而后与基于等效电路分析得到的劣化成因知识进行匹配，通过知识-数据耦合的方式判断出电容式电压互感器可能的劣化成因。解决该问题有助于运维人员及时发现异常互感器，提高现场运维效率，具有较高的工程应用价值，更适应当前电力系统低停电时间、高供电可靠性的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种电容式电压互感器劣化成因在线分析方法及系统，本发明可在不停电检修的条件下发现电容式电压互感器的劣化，并且分析出劣化成因，能够及时发现劣化的电容式电压互感器，避免故障的进一步发展，保障设备安全；本发明可从大量运行中的电容式电压互感器中寻找出性能劣化的互感器，运维人员仅需要检修劣化互感器，不需要检修全部互感器，本方法将大大减轻运维人员工作量，显著降低运维成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，包括：
1)输入目标电容式电压互感器基于数据驱动原理获得的误差估计值；
2)针对误差估计值利用聚类分析方法，计算得到误差估计值的聚类中心；
3)在得到误差估计值的聚类中心的基础上，基于预设的聚类中心、劣化成因之间的映射关系，得到目标电容式电压互感器对应的劣化成因。
可选地，步骤1)中输入的误差估计值为样本集D＝{P1,P2,…,Pn}，其中P1～Pn分别为第1～n个误差点，任意第i个误差点Pi的误差估计值数据包括比值差fi与相角差
Figure BDA0002962166900000021
可选地，步骤2)包括：
2.1)对样本集D中各个相邻比值差fi与相角差
Figure BDA0002962166900000022
求比值差增量Δfi与相角差增量
Figure BDA0002962166900000023
2.2)在所有的比值差增量Δfi中找出比值差增量最大值Δf，在所有的相角差增量
Figure BDA0002962166900000024
中找出相角差增量最大值
Figure BDA0002962166900000025
2.3)针对比值差增量最大值Δf和相角差增量最大值
Figure BDA0002962166900000026
利用k-means聚类算法对样本集D进行聚类分析，针对k-means聚类算法的参数k，若k＝1，则说明评估期间电容式电压互感器未出现误差值突变，此时的聚类中心即为最终的聚类中心
Figure BDA0002962166900000027
若k＝2，则说明评估期间电容式电压互感器出现了误差值突变，此时得到聚类中心
Figure BDA0002962166900000028
与
Figure BDA0002962166900000029
则根据聚类中心
Figure BDA00029621669000000210
与
Figure BDA00029621669000000211
得到最终的聚类中心
Figure BDA00029621669000000212
可选地，步骤2.1)中求比值差增量Δfi与相角差增量
Figure BDA00029621669000000213
的函数表达式为：
Figure BDA00029621669000000214
上式中，fi和fi+1分别表示第i和第i+1个误差点的比值差，
Figure BDA00029621669000000215
和
Figure BDA00029621669000000216
分别表示第i和第i+1个误差点的相角差。
可选地，步骤2.2)中在所有的比值差增量Δfi中找出比值差增量最大值Δf，在所有的相角差增量
Figure BDA00029621669000000217
中找出相角差增量最大值
Figure BDA00029621669000000218
的函数表达式为：
Figure BDA00029621669000000219
上式中，max为取最大值函数，n为样本集D中的误差点总数，
Figure BDA00029621669000000220
为第i个相角差增量，Δfi为第i个比值差增量。
可选地，步骤2.3)中针对比值差增量最大值Δf和相角差增量最大值
Figure BDA00029621669000000221
利用k-means聚类算法对样本集D进行聚类分析的函数表达式为：
Figure BDA00029621669000000222
上式中，k为k-means聚类算法的参数，Δf为比值差增量最大值，
Figure BDA00029621669000000223
为相角差增量最大值，C1与C2取值取决于被分析电容式电压互感器准确度等级。
可选地，步骤2.3)中根据聚类中心
Figure BDA00029621669000000224
与
Figure BDA00029621669000000225
得到最终的聚类中心
Figure BDA00029621669000000226
的函数表达式为：
Figure BDA0002962166900000031
上式中，max表示取两者的最大值函数。
可选地，步骤3)中预设的聚类中心、劣化成因之间的映射关系为：当
Figure BDA0002962166900000032
时，劣化成因为中压电容击穿；当
Figure BDA0002962166900000033
时，劣化成因为高压电容击穿；当
Figure BDA0002962166900000034
时，劣化成因为高压电容受潮；当
Figure BDA0002962166900000035
时，劣化成因为中压电容受潮，其中
Figure BDA0002962166900000036
为最终的聚类中心
Figure BDA0002962166900000037
的比值差增量最大值Δf的中心，
Figure BDA0002962166900000038
为最终的聚类中心
Figure BDA0002962166900000039
的相角差增量最大值
Figure BDA00029621669000000310
的中心，F与Φ分别为目标电容式电压互感器的参数。
此外，本发明还提供一种电容式电压互感器劣化成因在线分析系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述电容式电压互感器劣化成因在线分析方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述电容式电压互感器劣化成因在线分析方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明可在不停电检修的条件下发现电容式电压互感器的劣化，并且分析出劣化成因，本发明能够及时发现劣化的电容式电压互感器，避免故障的进一步发展，保障设备安全；
2、本发明可从大量运行中的电容式电压互感器中寻找出性能劣化的互感器，运维人员仅需要检修劣化互感器，不需要检修全部互感器，本方法将大大减轻运维人员工作量，显著降低运维成本。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为本发明实施例方法中劣化成因在线分析的流程图；
图2为根据本发明优选实施方式的电容式电压互感器劣化成因多维分析坐标图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的模块使用相同的附图标记。
本发明提供一种基于数据驱动评估结果的电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，旨在不停电条件下实现电容式电压互感器劣化成因的分析，为运维人员现场检修提供指导。
如图1所示，本实施例电容式电压互感器劣化成因在线分析方法包括：
1)输入目标电容式电压互感器基于数据驱动原理获得的误差估计值；
2)针对误差估计值利用聚类分析方法，计算得到误差估计值的聚类中心；
3)在得到误差估计值的聚类中心的基础上，基于预设的聚类中心、劣化成因之间的映射关系，得到目标电容式电压互感器对应的劣化成因。
本实施例中，步骤1)中输入的误差估计值为样本集D＝{P1,P2,…,Pn}，其中P1～Pn分别为第1～n个误差点，任意第i个误差点Pi的误差估计值数据包括比值差fi与相角差
Figure BDA0002962166900000041
因此，任意第i个误差点Pi的误差估计值数据也可以表示为
Figure BDA0002962166900000042
本实施例中，步骤2)包括：
2.1)对样本集D中各个相邻比值差fi与相角差
Figure BDA0002962166900000043
求比值差增量Δfi与相角差增量
Figure BDA0002962166900000044
2.2)在所有的比值差增量Δfi中找出比值差增量最大值Δf，在所有的相角差增量
Figure BDA0002962166900000045
中找出相角差增量最大值
Figure BDA0002962166900000046
2.3)针对比值差增量最大值Δf和相角差增量最大值
Figure BDA0002962166900000047
利用k-means聚类算法对样本集D进行聚类分析，针对k-means聚类算法的参数k，若k＝1，则说明评估期间电容式电压互感器未出现误差值突变，此时的聚类中心即为最终的聚类中心
Figure BDA0002962166900000048
若k＝2，则说明评估期间电容式电压互感器出现了误差值突变，此时得到聚类中心
Figure BDA0002962166900000049
与
Figure BDA00029621669000000410
则根据聚类中心
Figure BDA00029621669000000411
与
Figure BDA00029621669000000412
得到最终的聚类中心
Figure BDA00029621669000000413
本实施例中，步骤2.1)中求比值差增量Δfi与相角差增量
Figure BDA00029621669000000414
的函数表达式为：
Figure BDA00029621669000000415
上式中，fi和fi+1分别表示第i和第i+1个误差点的比值差，
Figure BDA00029621669000000416
和
Figure BDA00029621669000000417
分别表示第i和第i+1个误差点的相角差。
本实施例中，步骤2.2)中在所有的比值差增量Δfi中找出比值差增量最大值Δf，在所有的相角差增量
Figure BDA00029621669000000418
中找出相角差增量最大值
Figure BDA00029621669000000419
的函数表达式为：
Figure BDA00029621669000000420
上式中，max为取最大值函数，n为样本集D中的误差点总数，
Figure BDA00029621669000000421
为第i个相角差增量，Δfi为第i个比值差增量。
本实施例中，步骤2.3)中针对比值差增量最大值Δf和相角差增量最大值
Figure BDA00029621669000000422
利用k-means聚类算法对样本集D进行聚类分析的函数表达式为：
Figure BDA00029621669000000423
上式中，k为k-means聚类算法的参数，Δf为比值差增量最大值，
Figure BDA0002962166900000051
为相角差增量最大值，C1与C2取值取决于被分析电容式电压互感器准确度等级。
本实施例中，步骤2.3)中根据聚类中心
Figure BDA0002962166900000052
与
Figure BDA0002962166900000053
得到最终的聚类中心
Figure BDA0002962166900000054
的函数表达式为：
Figure BDA0002962166900000055
上式中，max表示取两者的最大值函数。
基于电容式电压互感器的物理结构，利用等效电路分析可得到不同劣化成因下电容式电压互感器误差值的表现特征。本实施例中，步骤3)中预设的聚类中心、劣化成因之间的映射关系为：当
Figure BDA0002962166900000056
时，劣化成因为中压电容击穿；当
Figure BDA0002962166900000057
时，劣化成因为高压电容击穿；当
Figure BDA0002962166900000058
时，劣化成因为高压电容受潮；当
Figure BDA0002962166900000059
时，劣化成因为中压电容受潮，其中
Figure BDA00029621669000000510
为最终的聚类中心
Figure BDA00029621669000000511
的比值差增量最大值Δf的中心，
Figure BDA00029621669000000512
为最终的聚类中心
Figure BDA00029621669000000513
的相角差增量最大值
Figure BDA00029621669000000514
的中心，F与Φ分别为目标电容式电压互感器的参数，具体如表1所示。
表1：聚类中心的数据特征与劣化成因的对应关系。
Figure BDA00029621669000000515
表1中参数F与Φ均取决于被评估电容式电压互感器的准确度等级。
进一步地，还可以选择将聚类中心
Figure BDA00029621669000000516
绘制于多维判断图谱上，根据聚类中心所在区域，对应判断电容式电压互感器是否发生劣化，以及具体劣化成因。本实施例中进一步将该知识形成电容式电压互感器劣化成因多维分析坐标图，如图2所示，图中标注区域及对应的劣化成因。以某变电站互感器为例，互感器准确度等级均为0.2级，因此，按照高两个准确度等级的要求对参数进行取值，即取C1＝0.05％，C2＝3′。对该互感器误差评估值分析得到聚类中心取值为k＝1，计算得到聚类中心为
Figure BDA00029621669000000517
根据互感器准确度等级0.2级，取F＝0.2％，
Figure BDA00029621669000000518
由此判断该互感器出现计量性能劣化，且劣化成因为高压电容击穿。
此外，本实施例还提供一种电容式电压互感器劣化成因在线分析系统，包括：
误差特征获取模块，用于输入目标电容式电压互感器基于数据驱动原理获得的误差估计值；
劣化特征分析模块，用于针对误差估计值利用聚类分析方法，计算得到误差估计值的聚类中心；
劣化成因分析模块，用于在得到误差估计值的聚类中心的基础上，基于预设的聚类中心、劣化成因之间的映射关系，得到目标电容式电压互感器对应的劣化成因。
此外，本实施例还提供一种电容式电压互感器劣化成因在线分析系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述电容式电压互感器劣化成因在线分析方法的步骤。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述电容式电压互感器劣化成因在线分析方法的计算机程序。
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读存储介质(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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，其特征在于，包括：
1)输入目标电容式电压互感器基于数据驱动原理获得的误差估计值；
2)针对误差估计值利用聚类分析方法，计算得到误差估计值的聚类中心；
3)在得到误差估计值的聚类中心的基础上，基于预设的聚类中心、劣化成因之间的映射关系，得到目标电容式电压互感器对应的劣化成因；
步骤2)包括：
2.1)对样本集D中各个相邻比值差fi与相角差
Figure FDA0003528104190000011
求比值差增量Δfi与相角差增量
Figure FDA0003528104190000012
2.2)在所有的比值差增量Δfi中找出比值差增量最大值Δf，在所有的相角差增量
Figure FDA0003528104190000013
中找出相角差增量最大值
Figure FDA0003528104190000014
2.3)针对比值差增量最大值Δf和相角差增量最大值
Figure FDA0003528104190000015
利用k-means聚类算法对样本集D进行聚类分析，针对k-means聚类算法的参数k，若k＝1，则说明评估期间电容式电压互感器未出现误差值突变，此时的聚类中心即为最终的聚类中心
Figure FDA0003528104190000016
若k＝2，则说明评估期间电容式电压互感器出现了误差值突变，此时得到聚类中心
Figure FDA0003528104190000017
与
Figure FDA0003528104190000018
则根据聚类中心
Figure FDA0003528104190000019
与
Figure FDA00035281041900000110
得到最终的聚类中心
Figure FDA00035281041900000111
2.根据权利要求1所述的电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，其特征在于，步骤1)中输入的误差估计值为样本集D＝{P1,P2,…,Pn}，其中P1～Pn分别为第1～n个误差点，任意第i个误差点Pi的误差估计值数据包括比值差fi与相角差
Figure FDA00035281041900000112
3.根据权利要求1所述的电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，其特征在于，步骤2.1)中求比值差增量Δfi与相角差增量
Figure FDA00035281041900000113
的函数表达式为：
Figure FDA00035281041900000114
上式中，fi和fi+1分别表示第i和第i+1个误差点的比值差，
Figure FDA00035281041900000115
和
Figure FDA00035281041900000116
分别表示第i和第i+1个误差点的相角差。
4.根据权利要求1所述的电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，其特征在于，步骤2.2)中在所有的比值差增量Δfi中找出比值差增量最大值Δf，在所有的相角差增量
Figure FDA00035281041900000117
中找出相角差增量最大值
Figure FDA00035281041900000118
的函数表达式为：
Figure FDA00035281041900000119
上式中，max为取最大值函数，n为样本集D中的误差点总数，
Figure FDA00035281041900000120
为第i个相角差增量，Δfi为第i个比值差增量。
5.根据权利要求1所述的电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，其特征在于，步骤2.3)中针对比值差增量最大值Δf和相角差增量最大值
Figure FDA0003528104190000021
利用k-means聚类算法对样本集D进行聚类分析的函数表达式为：
Figure FDA0003528104190000022
上式中，k为k-means聚类算法的参数，Δf为比值差增量最大值，
Figure FDA0003528104190000023
为相角差增量最大值，C1与C2取值取决于被分析电容式电压互感器准确度等级。
6.根据权利要求1所述的电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，其特征在于，步骤2.3)中根据聚类中心
Figure FDA0003528104190000024
与
Figure FDA0003528104190000025
得到最终的聚类中心
Figure FDA0003528104190000026
的函数表达式为：
Figure FDA0003528104190000027
上式中，max表示取两者的最大值函数。
7.根据权利要求1所述的电容式电压互感器劣化成因在线分析方法，其特征在于，步骤3)中预设的聚类中心、劣化成因之间的映射关系为：当
Figure FDA0003528104190000028
时，劣化成因为中压电容击穿；当
Figure FDA0003528104190000029
时，劣化成因为高压电容击穿；当
Figure FDA00035281041900000210
时，劣化成因为高压电容受潮；当
Figure FDA00035281041900000211
时，劣化成因为中压电容受潮，其中
Figure FDA00035281041900000212
为最终的聚类中心
Figure FDA00035281041900000213
的比值差增量最大值Δf的中心，
Figure FDA00035281041900000214
为最终的聚类中心
Figure FDA00035281041900000215
的相角差增量最大值
Figure FDA00035281041900000216
的中心，F与Φ分别为目标电容式电压互感器的参数。
8.一种电容式电压互感器劣化成因在线分析系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，该微处理器被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述电容式电压互感器劣化成因在线分析方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述电容式电压互感器劣化成因在线分析方法的计算机程序。
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