CN113050017A - 一种电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，包括电子式互感器本体、数据合并单元、同步时钟单元、面向IEC61850的数据报文解析单元，以及状态监测与故障诊断平台。数据合并单元用于处理同一间隔下三相电子式电压互感器和电子式电流互感器输出的数字信号，并按统一的数据协议IEC61850通讯协议，并通过光信号进行输出；状态监测及故障诊断平台，基于数据报文解析单元输出的三相电压、电流信号的幅值和相位数据，基于数据的统计相关性分析，在无标准器的条件下对电子式互感器的测量误差进行状态智能监测和故障诊断。本发明可在脱离标准互感器的条件下，仅仅依靠电子式互感器的二次测量数据，实现电子式互感器误差状态的智能监测及故障诊断。

Description

一种电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统

技术领域

本发明涉及电子式互感器技术领域，具体涉及一种电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统。

背景技术

电子式互感器作为一种由传感元件和数据处理单元构成的新型电测量设备，更加适应智能变电站的应用需求，是传统电磁式互感器的理想替代品。但受智能变电站复杂运行环境的影响，电子式互感器测量误差的长期稳定性较差，需要对电子式互感器的测量误差进行及时准确的检测。目前所采用的方法与传统的电磁式互感器一样，按照标准规定的检测周期，在停电条件下与标准器的输出信号进行测试。电子式互感器测量误差的长期稳定性较差，检定周期相比于传统的电磁式互感器要求较短。但对于电压等级较高的输变电系统而言，很难做到频繁的非故障性停电。大量的电子式互感器并未按照标准规定的检定周期进行误差测试，严重影响电子式互感器在智能变电站中的推广应用。符合智能电网发展需求的电子式互感器误差状态评估方法应该是不停电条件下，脱离标准器的一种误差状态智能自评估，推动电子式互感器的误差状态检测由定期检测发展为实时感知。

发明内容

本发明提出的一种电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，包括电子式互感器本体、数据合并单元、同步时钟单元、面向IEC61850的数据报文解析单元，以及状态监测与故障诊断平台；

其中，电子式互感器本体为智能监测及故障诊断系统的应用对象，包括电子式电压互感器和电子式电流互感器；

数据合并单元用于处理同一间隔下三相电子式电压互感器和电子式电流互感器输出的数字信号，并按统一的数据协议IEC61850通讯协议，将电子式互感器的数字采样值进行打包，并通过光信号进行输出；

同步时钟单元基于FPGA设计，输出多路光同步信号，用于触发同一间隔下三相电子式电压互感器和电子式电流互感器对一次电压电流信号进行同步采样，并输出数字信号至数据合并单元进行组帧处理；

面向IEC61850的数据报文解析单元，接收数据合并单元输出的光数字信号并进行解析，计算同一间隔下一次三相电压信号的幅值、相位以及三相电流信号的幅值和相位；

状态监测及故障诊断平台，基于数据报文解析单元输出的三相电压、电流信号的幅值和相位数据，基于数据的统计相关性分析，在无标准器的条件下对电子式互感器的测量误差进行状态智能监测和故障诊断。

进一步的，所述对电子式互感器的测量误差进行状态智能监测和故障诊断包括电子式互感器误差状态的智能监测和电子式互感器误差状态的智能诊断。

进一步的，所述电子式互感器的误差状态智能监测过程为：

在电子式电压互感器刚投运时，误差状态处于正常状态；基于面向IEC61850的数据报文解析单元，获取同一间隔下三相电子式互感器的测量数据。此时数据作为正常运行数据；

通过对正常运行数据进行统计相关性的数据分析，获取表征互感器误差状态的统计特征量，建立互感器误差智能监测的信息评估标准量；

通过计算运行状态下电子式互感器测量数据的统计特征量并进行比较，实现对电子式互感器误差状态的智能监测。

进一步的，所述电子式互感器误差状态的智能监测包括表征互感器误差状态的统计特征量，具体计算过程为：

(1)构建同一间隔三相电子式互感器测量数据的数据矩阵X，如电压互感器的幅值数据：

其中，U_An相电子式电压互感器的幅值数据，U_Bn相电子式电压互感器的幅值数据，U_Cn相电子式电压互感器的幅值数据，n为采集的样本数；

(2)对数据矩阵X的协方差R进行奇异值分解计算，可得：

R＝X^TX/(n-1)＝[P₁P₂P₃]Λ[P₁P₂P₃]^T

式中，Λ＝diag(λ₁,λ₂,λ₃)，λ₁>λ₂>λ₃为协方差矩阵R的特征值，[P₁P₂P₃]为特征值λ₁,λ₂,λ₃对应的特征向量组成的特征矩阵；

(3)建立矩阵P_e＝[P₂P₃]计算表征三相电子式互感器幅值误差的Q统计量，计算方法为：

Q＝XP_eP_e ^TX

(4)基于正常运行状态三相电子式电压互感器的幅值数据，在显著性水平为α时，计算Q统计量的控制限为：

式中，

C_α是正态分布在检测水平为α下的临界值；

(5)在t时刻，基于面向IEC61850的数据报文解析单元，获取三相电子式电压互感器的幅值数据x_t＝(U_At,U_Bt,U_Ct)；

(6)计算t时刻，表征三相电子式电压互感器幅值误差的Q统计量：

Q_t＝x_tP_eP_e ^Tx_t

(7)通过比较Q_t与Q_α实现电子式电压互感器幅值误差的智能监测；

如果Q_t<Q_α，表明此时电子式电压互感器的幅值误差正常，需要继续进行实时监测；如果Q_t>Q_α，表明此时电子式电压互感器的幅值误差处于异常状态，需要对误差的故障原因进行有效诊断，以针对性的开展电子式互感器误差性能的运维与检修。

进一步的，表征互感器误差状态的统计特征量，其具体计算过程为同样适用于电子式电压互感器的相位数据以及电子式电流互感器的幅值数据和相位数据。

进一步的，电子式互感器误差状态的故障诊断过程为：

(1)建立表征电子式电压互感器幅值误差的Q统计量的时间序列{Q₁，Q₂，…Q_t}；

(2)对Q统计量的时间序列进行重构组成多个子序列：

其中，m是嵌入维数，τ为延迟因子；

(3)Q统计量的时间序列共有K种排列模式，对于每种排列模式，计算其排列概率：

其中

#{}表示一个集合的基数；

(4)计算Q统计量时间序列的m阶排列下K种排列模式的信息熵：

(5)根据H_PE(m)的值，对电子式电压互感器的幅值误差的异常形式进行有效诊断，具体如下：

(5.1)当H_PE(m)＝0时，表明此时电子式电压互感器的幅值误差发生的是固定偏差；

(5.2)当0<H_PE(m)≤0.2时，表明此时电子式电压互感器的幅值误差发生的是周期性偏差；

(5.3)当0.2<H_PE(m)≤0.8时，表明此时电子式电压互感器的幅值误差发生的是漂移偏差；

(5.4)当0.8<H_PE(m)≤1时，表明此时电子式电压互感器对电压幅值信号的测量精度变大，白噪声过大。

由上述技术方案可知，针对电子式互感器误差状态监测现有技术的缺陷和应用需求，本发明提出了一种基于数据驱动的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，其目的在于不停电条件下对运行过程中的电子式互感器误差的误差状态进行实时感知和分析，确保电子式互感器的误差状态可测可控。

本发明提出的一种基于数据驱动的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，由电子式互感器本体、数据合并单元、同步时钟单元、面向IEC61850的数据报文解析单元，以及状态监测与故障诊断平台组成。数据合并单元在同步时钟单元的同步触发下，对同一间隔下三相电子式电压互感器以及三相电子式电流互感器的采样值进行组帧打包，传输至面向IEC61850的数据报文解析单元，分别计算三相电子式互感器的幅值信息和相位信息，分别对三相电子式电压互感器和三相电子式电流互感器的幅值误差和相位误差进行智能监测个故障诊断。

本发明提供的一种基于数据驱动的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，可在脱离标准互感器的条件下，仅仅依靠电子式互感器的二次测量数据，实现电子式互感器误差状态的智能监测及故障诊断。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的一种基于数据驱动的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，可对电子式互感器的误差状态进行实时监测和故障诊断，可及时发现电子式互感器的误差状态变化并对误差形式进行分析，针对性的指导电力从业人员对电子式互感器的运维与检修工作。本发明可以有效避免电能计量的损失，保证电力系统的安全稳定运行，具有较高的经济性。

附图说明

图1是本发明系统构成示意图；

图2是本发明提供的电子式电压互感器误差状态智能监测的流程示意图；

图3是本发明提供的电子式电压互感器误差状态故障诊断的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实施例所述的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，包括：

本发明提出的一种基于数据驱动的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，可适用于110kV及以上电压等级各类型号的电子式互感器，其思路在于：

同步采集同一间隔下三相电子式电压互感器和三相电子式电流互感器的数据报文并解析，计算出三相电压、电流信号的幅值和相位等特征量。根据高压输变电系统三相对称运行的电气物理特性，建立电子式互感器误差状态智能监测的新型比对标准量。在新型比对标准量的约束下，利用统计分析的方法对三相电子式互感器的测量数据进行相关性分析，将负荷波动引起的电子式互感器测量数据变化与误差状态劣变引起的测量数据变化相分离，建立电子式互感器误差状态的智能监测方法。

进一步的，通过对电子式互感器的误差状态劣化特性进行分析，对电子式互感器的误差故障形式进行诊断，实现不停电条件下对电子式互感器误差状态的全息感知。本发明提出的智能监测及故障诊断系统，可有效减少智能变电站的非故障停电时间，及时判断电子式互感器的误差状态，指导电子式互感器针对性的检修运维测量，具备非常良好的经济效益。以下结合附图和应用实例来具体阐述。

应用实例针对某110kV电压等级的三相电子式电压互感器，所述误差状态监测及故障诊断系统构成如图1所示，主要包括：电子式互感器本体、数据合并单元、同步时钟单元、面向IEC61850的数据报文解析单元，以及状态监测与故障诊断平台。

电子式互感器本体为智能监测及故障诊断系统的应用对象，包括各种类型的电子式电压互感器和电子式电流互感器。

数据合并单元用于处理同一间隔下三相电子式电压互感器和电子式电流互感器输出的数字信号，并按统一的数据协议，如IEC61850通讯协议，将电子式互感器的数字采样值进行打包，并通过光信号进行输出。

同步时钟单元基于FPGA设计，输出多路光同步信号，用于触发同一间隔下三相电子式电压互感器和电子式电流互感器对一次电压电流信号进行同步采样，并输出数字信号至数据合并单元进行组帧处理。

面向IEC61850的数据报文解析单元，接收数据合并单元输出的光数字信号并进行解析，计算同一间隔下一次三相电压信号的幅值、相位以及三相电流信号的幅值和相位。

状态监测及故障平台，基于数据报文解析单元输出的三相电压、电流信号的幅值和相位数据，基于数据的统计相关性分析，在无标准器的条件下对电子式互感器的测量误差进行状态智能监测和故障诊断。该平台主要包括两个部分，一是电子式互感器误差状态的智能监测，二是电子式互感器误差状态的智能诊断。

电子式互感器误差状态的智能监测流程图如图2所示，具体如下：

(1)电子式电压互感器刚投运时，误差状态处于正常状态。基于面向IEC61850的数据报文解析单元，获取三相电子式电压、电流互感器的幅值为U_A，U_B，U_C，I_A，I_B，I_C，θ_UA，θ_UB，θ_UC，θ_IA，θ_IB，θ_IC。此时数据作为正常运行数据。通过对其进行统计相关性的数据分析，获取表征互感器误差状态的统计特征量。

(2)以三相电子式电压互感器的幅值数据为例阐述正常运行数据统计相关性的分析过程为，三相电子式电压互感器的相位数据以及三相电子式电流互感器的幅值数据、相位数据的处理过程相同。具体的过程为：

(2.1)构建三相电子式电压互感器幅值数据的数据矩阵X：

其中，U_An相电子式电压互感器的幅值数据，U_Bn相电子式电压互感器的幅值数据，U_Cn相电子式电压互感器的幅值数据，n为采集的样本数；

(2.2)对数据矩阵X的协方差R进行奇异值分解计算，可得：

R＝X^TX/(n-1)＝[P₁P₂P₃]Λ[P₁P₂P₃]^T

式中，Λ＝diag(λ₁,λ₂,λ₃)，λ₁>λ₂>λ₃为协方差矩阵R的特征值，[P₁P₂P₃]为特征值λ₁,λ₂,λ₃对应的特征向量组成的特征矩阵；

(2.3)建立矩阵P_e＝[P₂P₃]计算表征三相电子式互感器幅值误差的Q统计量，计算方法为：

Q＝XP_eP_e ^TX

(2.4)基于正常运行状态三相电子式电压互感器的幅值数据，在显著性水平为α时，计算Q统计量的控制限为：

式中，

C_α是正态分布在检测水平为α下的临界值。

(3)同样以三相电子式电压互感器的幅值数据为例阐述对运行过程中电子式互感器测量误差的智能监测过程，三相电子式电压互感器的相位数据以及三相电子式电流互感器的幅值数据、相位数据的处理过程相同。具体的过程为：

(3.1)基于面向IEC61850的数据报文解析单元，获取三相电子式电压互感器的幅值数据x_t＝(U_At,U_Bt,U_Ct)，其中t三相电子式电压互感器幅值数据的获取时刻；

(3.2)计算t时刻，表征三相电子式电压互感器幅值误差的Q统计量：

Q_t＝x_tP_eP_e ^Tx_t

(3.3)通过比较Q_t与Q_α实现电子式电压互感器幅值误差的智能监测。如果Q_t<Q_α，表明此时电子式电压互感器的幅值误差正常，需要继续进行实时监测；如果Q_t>Q_α，表明此时电子式电压互感器的幅值误差处于异常状态，需要对误差的故障原因进行有效诊断，以针对性的开展电子式互感器误差性能的运维与检修。

同样以电子式电压互感器的幅值误差为例进行说明，电子式互感器误差状态的故障诊断流程图如图2所示，具体如下：

(1)建立表征电子式电压互感器幅值误差的Q统计量的时间序列{Q₁，Q₂，…Q_t}；

(2)对Q统计量的时间序列进行重构组成多个子序列：

其中，m是嵌入维数，τ为延迟因子。

(3)Q统计量的时间序列共有K种排列模式，对于每种排列模式，计算其排列概率：

其中

#{}表示一个集合的基数。

(4)计算Q统计量时间序列的m阶排列下K种排列模式的信息熵：

(5)根据H_PE(m)的值，对电子式电压互感器的幅值误差的异常形

式进行有效诊断，具体如下：

(5.1)当H_PE(m)＝0时，表明此时电子式电压互感器的幅值误差发生的是固定偏差；

(5.2)当0<H_PE(m)≤0.2时，表明此时电子式电压互感器的幅值误差发生的是周期性偏差；

(5.3)当0.2<H_PE(m)≤0.8时，表明此时电子式电压互感器的幅值误差发生的是漂移偏差；

(5.4)当0.8<H_PE(m)≤1时，表明此时电子式电压互感器对电压幅值信号的测量精度变大，白噪声过大。

综上所述，本发明提出的一种基于数据驱动的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，由电子式互感器本体、数据合并单元、同步时钟单元、面向IEC61850的数据报文解析单元，以及状态监测与故障诊断平台组成。数据合并单元在同步时钟单元的同步触发下，对同一间隔下三相电子式电压互感器以及三相电子式电流互感器的采样值进行组帧打包，传输至面向IEC61850的数据报文解析单元，分别计算三相电子式互感器的幅值信息和相位信息，分别对三相电子式电压互感器和三相电子式电流互感器的幅值误差和相位误差进行智能监测个故障诊断。

本发明提供的一种基于数据驱动的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，可对电子式互感器的误差状态进行实时监测和故障诊断，可及时发现电子式互感器的误差状态变化并对误差形式进行分析，针对性的指导电力从业人员对电子式互感器的运维与检修工作。本发明可以有效避免电能计量的损失，保证电力系统的安全稳定运行，具有较高的经济性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，其特在在于：包括电子式互感器本体、数据合并单元、同步时钟单元、面向IEC61850的数据报文解析单元，以及状态监测与故障诊断平台；

其中，电子式互感器本体为智能监测及故障诊断系统的应用对象，包括电子式电压互感器和电子式电流互感器；

数据合并单元用于处理同一间隔下三相电子式电压互感器和电子式电流互感器输出的数字信号，并按统一的数据协议IEC61850通讯协议，将电子式互感器的数字采样值进行打包，并通过光信号进行输出；

同步时钟单元基于FPGA设计，输出多路光同步信号，用于触发同一间隔下三相电子式电压互感器和电子式电流互感器对一次电压电流信号进行同步采样，并输出数字信号至数据合并单元进行组帧处理；

面向IEC61850的数据报文解析单元，接收数据合并单元输出的光数字信号并进行解析，计算同一间隔下一次三相电压信号的幅值、相位以及三相电流信号的幅值和相位；

状态监测及故障诊断平台，基于数据报文解析单元输出的三相电压、电流信号的幅值和相位数据，基于数据的统计相关性分析，在无标准器的条件下对电子式互感器的测量误差进行状态智能监测和故障诊断。

2.根据权利要求1所述的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，其特征在于：所述对电子式互感器的测量误差进行状态智能监测和故障诊断包括电子式互感器误差状态的智能监测和电子式互感器误差状态的智能诊断。

3.根据权利要求2所述的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，其特征在于：

所述电子式互感器的误差状态智能监测过程为：

在电子式电压互感器刚投运时，误差状态处于正常状态；基于面向IEC61850的数据报文解析单元，获取同一间隔下三相电子式互感器的测量数据。此时数据作为正常运行数据；

通过对正常运行数据进行统计相关性的数据分析，获取表征互感器误差状态的统计特征量，建立互感器误差智能监测的信息评估标准量；

通过计算运行状态下电子式互感器测量数据的统计特征量并进行比较，实现对电子式互感器误差状态的智能监测。

4.根据权利要求3所述的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，其特征在于：所述电子式互感器误差状态的智能监测包括表征互感器误差状态的统计特征量，具体计算过程为：

(1)构建同一间隔三相电子式互感器测量数据的数据矩阵X，如电压互感器的幅值数据：

其中，U_An相电子式电压互感器的幅值数据，U_Bn相电子式电压互感器的幅值数据，U_Cn相电子式电压互感器的幅值数据，n为采集的样本数；

(2)对数据矩阵X的协方差R进行奇异值分解计算，可得：

R＝X^TX/(n-1)＝[P₁P₂P₃]Λ[P₁P₂P₃]^T

式中，Λ＝diag(λ₁，λ₂，λ₃)，λ₁＞λ₂＞λ₃为协方差矩阵R的特征值，[P₁P₂P₃]为特征值λ₁，λ₂，λ₃对应的特征向量组成的特征矩阵；

(3)建立矩阵P_e＝[P₂P₃]计算表征三相电子式互感器幅值误差的Q统计量，计算方法为：

Q＝XP_eP_e ^TX

(4)基于正常运行状态三相电子式电压互感器的幅值数据，在显著性水平为α时，计算Q统计量的控制限为：

式中，

C_α是正态分布在检测水平为α下的临界值；

(5)在t时刻，基于面向IEC61850的数据报文解析单元，获取三相电子式电压互感器的幅值数据x_t＝(U_At，U_Bt，U_Ct)；

(6)计算t时刻，表征三相电子式电压互感器幅值误差的Q统计量：

Q_t＝x_tP_eP_e ^Tx_t

(7)通过比较Q_t与Q_α实现电子式电压互感器幅值误差的智能监测；

如果Q_t＜Q_α，表明此时电子式电压互感器的幅值误差正常，需要继续进行实时监测；如果Q_t＞Q_α，表明此时电子式电压互感器的幅值误差处于异常状态，需要对误差的故障原因进行有效诊断，以针对性的开展电子式互感器误差性能的运维与检修。

5.根据权利要求4所述的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，其特征在于：表征互感器误差状态的统计特征量，其具体计算过程为同样适用于电子式电压互感器的相位数据以及电子式电流互感器的幅值数据和相位数据。

6.根据权利要求4所述的电子式互感器误差状态智能监测及故障诊断系统，其特征在于：电子式互感器误差状态的故障诊断过程为：

(1)建立表征电子式电压互感器幅值误差的Q统计量的时间序列{Q₁，Q₂，…Q_t}；

(2)对Q统计量的时间序列进行重构组成多个子序列：

其中，m是嵌入维数，τ为延迟因子；

(3)Q统计量的时间序列共有K种排列模式，对于每种排列模式，计算其排列概率：

其中

#{}表示一个集合的基数；

(4)计算Q统计量时间序列的m阶排列下K种排列模式的信息熵：

(5)根据H_PE(m)的值，对电子式电压互感器的幅值误差的异常形式进行有效诊断，具体如下：

(5.1)当H_PE(m)＝0时，表明此时电子式电压互感器的幅值误差发生的是固定偏差；

(5.2)当0＜H_PE(m)≤0.2时，表明此时电子式电压互感器的幅值误差发生的是周期性偏差；

(5.3)当0.2＜H_PE(m)≤0.8时，表明此时电子式电压互感器的幅值误差发生的是漂移偏差；

(5.4)当0.8＜H_PE(m)≤1时，表明此时电子式电压互感器对电压幅值信号的测量精度变大，白噪声过大。

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