CN113156275B - 一种考虑差异性接线方式的变压器绝缘诊断方法 - Google Patents

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CN113156275B CN202110126976.3A CN202110126976A CN113156275B CN 113156275 B CN113156275 B CN 113156275B CN 202110126976 A CN202110126976 A CN 202110126976A CN 113156275 B CN113156275 B CN 113156275B
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Abstract

本发明公开了一种考虑差异性接线方式的变压器绝缘诊断方法，首先对试验变压器绕组进行试验，获取差异性接线方式的高频振荡信号；通过希尔伯特变换，计算测试数据的瞬时幅值信号和瞬时相位信号；构造矩阵P、Q，通过其特征值对应的单位特征向量矩阵对瞬时幅值信号和瞬时相位信号进行n层分解；根据瞬时幅值信号和瞬时相位信号的分解信号构造矩阵计算特征参数以及特征关联度；计算绝缘状态判断系数Q判断变压器绝缘状态。本发明方法通过对变压器进行高压试验测试不同接线方式的高频振荡信号，丰富了高频振荡信号的特征，并通过幅值信息和相位信息相结合提取特征，识别变压器绝缘状态。

Description

一种考虑差异性接线方式的变压器绝缘诊断方法
技术领域
本发明涉及电力设备绝缘状态检测领域，尤其涉及一种考虑差异性接线方式的变压器绝缘诊断方法。
背景技术
电力变压器是电力系统的核心设备之一，其稳定运行与电力系统的可靠性密切相关。随着电力变压器容量日益增大，结构也变得越来越复杂，变压器内部故障诊断试验实现也越来越困难。据有关资料统计变压器的故障大多都是因绝缘系统的损坏造成的，其中绕组故障占在总绝缘故障中占有相当大的比重。因此，准确有效检测变压器绕组绝缘状态是亟需解决的技术问题。
高频振荡方法是一种变压器绕组状态评估的全新测试方法，该方法测试时采用直流激励，易实现高电压等级测试，通过绕组某一端口高压直流充电，断开直流系统，在变压器的电容、电感等效参数共同耦合作下，绕组另一端口采集高压振荡信号。因此，不仅拥有较强的现场抗干扰能力，同时可以反映变压器绕组绝缘状态。
不同绕组接线方式的高压振荡的能量传输路径不同，同时高频振荡信号是变压器等效参数共同耦合作用产生的非平稳信号，包含许多不同的频率，这些频率分量与绕组绝缘状态密切相关，有着丰富的信息。本文通过差异性绕组接线的高频振荡信号的瞬时幅值信号和瞬时相位信号进行n层分解，有效提取不同频率分量的特征判断绕组绝缘状态。因此，本发明能够更加可靠、有效地对变压器绝缘状态进行评估。
发明内容
一种考虑差异性接线方式的变压器绝缘诊断方法，试验平台主要包括：箱体1、铁心2、低压绕组3、高压绕组4、高频高压直流电源17、信号采集系统15、连接方式控制台16、低压输入套管5 、低压输出套管6 、高压输入套管7、高压输出套管8、高压绕组电源连接开关9、高压信号采集连接开关10、高压接线方式控制连接开关11、低压绕组电源连接开关12、低压信号采集连接开关13、低压接线方式控制连接开关14；其特征在于结合不同接线方式的高频振荡信号，根据瞬时幅值信号和瞬时相位信号的分解信号提取相关特征，具体测试方法包括以下步骤：
步骤一：测量试验变压器绕组差异性接线方式的高频振荡信号，包括：
(1)测量变压器高压绕组差异性接线方式的高频振荡信号，所有连接开关断开，闭合高压信号采集连接开关10使高压输出套管8和信号采集系统15相连接，闭合低压接线方式控制连接开关14使低压绕组3与连接方式控制台16连接，闭合高压绕组电源连接开关9使高压输入套管7 与高频高压直流电源17连接，在高频高压直流电源额定功率下逐步升高输出电压，使其达到变压器高压绕组的额定电压U1kV，待电压稳定之后，断开高压绕组电源连接开关9使高频高压直流电源与高压输入套管7断开，通过连接方式控制台16改变低压绕组的接线方式，重复以上步骤采集不同接线方式的高频振荡信号Ai(t),Ai(t)＝[x1x2......xN],i∈[1,5],采集数据点N个，接线方式依次是低压侧悬浮、低压侧短路、低压侧短路接地、低压侧末端接地、低压侧首端接地；
(2)测量变压器低压绕组差异性接线方式的高频振荡信号，所有连接开关断开，闭合低压信号采集连接开关13使低压输出套管6 和信号采集系统15相连接，闭合高压接线方式控制连接开关11使高压绕组4与连接方式控制台16连接，闭合低压绕组电源连接开关12使低压输入套管5 与高频高压直流电源17连接，在高频高压直流电源额定功率下逐步升高输出电压，使其达到变压器低压绕组的额定电压U2kV，待电压稳定之后，断开低压绕组电源连接开关12使高频高压直流电源与低压输入套管5 断开，通过连接方式控制台16改变高压绕组的接线方式，重复以上步骤采集不同接线方式的高频振荡信号Bi(t),Bi(t)＝[x1x2......xN],i∈[1,5],采集数据点N个，接线方式依次是高压侧悬浮、高压侧短路、高压侧短路接地、高压侧末端接地、高压侧首端接地；
步骤二：变压器绕组差异性接线方式的高频振荡信号特征提取，包括：
(1)分别针对高压绕组、低压绕组差异性接线方式的高频振荡曲线Ai(t)、Bi(t)的幅值信号 X(t)和相位信号
Figure GDA0003346168390000021
通过步骤(2)到(9)进行n层分解，每个信号分别得到2n个幅值分量信号
Figure GDA0003346168390000022
相位分量信号
Figure GDA0003346168390000023
式中
Figure GDA0003346168390000024
代表幅值信号第n层第i个信号，
Figure GDA0003346168390000025
代表相位信号第n层第i个信号
(2)高频振荡信号T(t)通过希尔伯特变换为复域信号Z(t)，计算瞬时幅值信号X(t)和瞬时相位信号
Figure GDA0003346168390000026
Figure GDA0003346168390000027
Figure GDA0003346168390000028
Figure GDA0003346168390000029
Figure GDA00033461683900000210
式中T(t)是测量的高频振荡信号，
Figure GDA00033461683900000211
是T(t)的希尔伯特变换
(3)根据瞬时幅值信号X(t)构造矩阵H，计算特征矩阵P、Q，如下所示：
P＝H HT
Q＝HTH
Figure GDA0003346168390000031
式中H第一行和第二行分别是测量信号的前N-1个数据，后N-1个数据
(4)计算P、Q的特征值σi，σ1≥σ2＞0，构造P、Q的单位特征向量矩阵p、q
p＝(p1,p2)
q＝(q1,q2,……,qN-1)
式中pi和qi是P、Q特征值对应的单位特征向量解；
(5)根据单位特征向量矩阵p、q和特征值σi计算瞬时幅值信号的近似信号矩阵d1和细节信号矩阵d2
Figure GDA0003346168390000032
Figure GDA0003346168390000033
Figure GDA0003346168390000034
式中m是q矩阵求和个数，
Figure GDA0003346168390000035
符号是向下取整
(6)根据幅值近似信号矩阵d1子向量L1和L2计算近似信号
Figure GDA00033461683900000314
Figure GDA0003346168390000036
L1＝[a1,2a1,3……a1,N-1]
L2＝[a2,2a2,3……a2,N-2]
Figure GDA0003346168390000037
式中L1是d1第一行a1,2至a1,N-1元素构成的向量，L2是d1第二行a2,2至a2,N组成的向量；
(7)幅值细节信号矩阵d2重复步骤(6)计算细节信号
Figure GDA0003346168390000038
(8)对分解信号
Figure GDA0003346168390000039
和
Figure GDA00033461683900000310
重复步骤(2)至(7),瞬时幅值信号进行n层分解，直至阈值ε＜0.2，有2n个分量信号
Figure GDA00033461683900000311
Figure GDA00033461683900000312
Figure GDA00033461683900000313
式中Ei代表每个分量的能量；
(9)重复步骤(2)到(8)，对瞬时相位信号进行n层分解，有2n个分量信号
Figure GDA0003346168390000041
步骤三：进行变压器绝缘状态评估，包括：
(1)通过不同接线方式高频振荡信号瞬时幅值和瞬时相位的n层分解信号的特征参数，计算绝缘诊断系数Q
(2)根据分解信号
Figure GDA0003346168390000042
构造瞬时幅值信号特征矩阵K
Figure GDA0003346168390000043
(3)计算瞬时幅值信号特征参数行均值f1，列均值f2，行方差f3，列方差f4，能量f5，熵f6，对比度f7，相关度f8
Figure GDA0003346168390000044
Figure GDA0003346168390000045
Figure GDA0003346168390000046
Figure GDA0003346168390000047
(4)根据特征参数fj计算不同接线方式幅值信号的特征关联度Fi,i∈[1,5]
Figure GDA0003346168390000048
式中fj zc 是变压器正常时的特征参数，fj jc 是变压器检测时的特征参数
(5)重复步骤(1)到(4)计算不同接线方式瞬时相位信号特征关联度Wi,i∈[1,5]
(6)针对不同接线方式下相位信号和幅值信号所有特征关联度，计算绝缘诊断系数Q
Figure GDA0003346168390000049
Q是变压器绝缘诊断系数，若Q小于1.8，判断变压器绝缘状态正常。
本发明提出一种考虑差异性接线方式的变压器绝缘诊断方法，其核心基于差异性接线方式的高频振荡信号的幅值和相位信号进行n层分解提取特征，实现对变压器绝缘状态的评估。本发明能够更加可靠、有效地对变压器绝缘性能进行评估。
附图说明
图1为本发明方法变压器高压试验接线图
图2为本发明方法变压器高低压绕组不同接线方式示意图
图3为本发明方法所采用的流程框图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示，变压器高频振荡试验平台，主要包括：箱体1、铁心2、低压绕组3、高压绕组4、高频高压直流电源17、信号采集系统15、连接方式控制台16、低压输入套管5 、低压输出套管6 、高压输入套管7、高压输出套管8、高压绕组电源连接开关9、高压信号采集连接开关10、高压接线方式控制连接开关11、低压绕组电源连接开关12、低压信号采集连接开关13、低压接线方式控制连接开关14；高压绕组首端通过高压输入套管7引出箱体1，通过高压绕组电源连接开关9和高频高压直流电源17连接，高压绕组末端通过高压输出套管 8引出箱体1，通过高压信号采集连接10和信号采集系统15连接，高压输入套管7和高压输出套管8通过高压接线方式控制连接开关11和连接方式控制台16连接；低压绕组首端通过低压输入套管5 引出箱体1，通过低压绕组电源连接开关12和高频高压直流电源17连接，低压绕组末端通过低压输出套管6 引出箱体1，通过低压信号采集连接开关13和信号采集系统15连接；低压输入套管5 和低压输出套管6 通过低压接线方式控制连接开关14和连接方式控制台16连接；
图2所示是高压绕组测试高频振荡信号时低压绕组的不同接线方式，低压绕组测试高频振荡信号时高压绕组的不同接线方式；
图3所示为考虑差异性接线方式的变压器绝缘诊断方法的流程框图，其特征在于结合不同接线方式的高频振荡信号，根据瞬时幅值信号和瞬时相位信号的分解信号提取相关特征，具体包括以下步骤：
步骤一：测量试验变压器绕组差异性接线方式的高频振荡信号，包括：
(1)测量变压器高压绕组差异性接线方式的高频振荡信号，所有连接开关断开，闭合高压信号采集连接开关10使高压输出套管8和信号采集系统15相连接，闭合低压接线方式控制连接开关14使低压绕组3与连接方式控制台16连接，闭合高压绕组电源连接开关9使高压输入套管7 与高频高压直流电源17连接，在高频高压直流电源额定功率下逐步升高输出电压，使其达到变压器高压绕组的额定电压U1kV，待电压稳定之后，断开高压绕组电源连接开关9使高频高压直流电源与高压输入套管7断开，通过连接方式控制台16改变低压绕组的接线方式，重复以上步骤采集不同接线方式的高频振荡信号Ai(t),Ai(t)＝[x1x2......xN],i∈[1,5],采集数据点N个，接线方式依次是低压侧悬浮、低压侧短路、低压侧短路接地、低压侧末端接地、低压侧首端接地；
(2)测量变压器低压绕组差异性接线方式的高频振荡信号，所有连接开关断开，闭合低压信号采集连接开关13使低压输出套管6 和信号采集系统15相连接，闭合高压接线方式控制连接开关11使高压绕组4与连接方式控制台16连接，闭合低压绕组电源连接开关12使低压输入套管5 与高频高压直流电源17连接，在高频高压直流电源额定功率下逐步升高输出电压，使其达到变压器低压绕组的额定电压U2kV，待电压稳定之后，断开低压绕组电源连接开关12使高频高压直流电源与低压输入套管5 断开，通过连接方式控制台16改变高压绕组的接线方式，重复以上步骤采集不同接线方式的高频振荡信号Bi(t),Bi(t)＝[x1x2......xN],i∈[1,5],采集数据点N个，接线方式依次是高压侧悬浮、高压侧短路、高压侧短路接地、高压侧末端接地、高压侧首端接地；
步骤二：变压器绕组差异性接线方式的高频振荡信号特征提取，包括：
(1)分别针对高压绕组、低压绕组差异性接线方式的高频振荡曲线Ai(t)、Bi(t)的幅值信号 X(t)和相位信号
Figure GDA0003346168390000061
通过步骤(2)到(9)进行n层分解，每个信号分别得到2n个幅值分量信号
Figure GDA0003346168390000062
相位分量信号
Figure GDA0003346168390000063
式中
Figure GDA0003346168390000064
代表幅值信号第n层第i个信号，
Figure GDA0003346168390000065
代表相位信号第n层第i个信号
(2)高频振荡信号T(t)通过希尔伯特变换为复域信号Z(t)，计算瞬时幅值信号X(t)和瞬时相位信号
Figure GDA0003346168390000066
Figure GDA0003346168390000067
Figure GDA0003346168390000068
Figure GDA0003346168390000069
Figure GDA00033461683900000610
式中T(t)是测量的高频振荡信号，
Figure GDA00033461683900000611
是T(t)的希尔伯特变换
(3)根据瞬时幅值信号X(t)构造矩阵H，计算特征矩阵P、Q，如下所示：
P＝H HT
Q＝HTH
Figure GDA00033461683900000612
式中H第一行和第二行分别是测量信号的前N-1个数据，后N-1个数据
(4)计算P、Q的特征值σi，σ1≥σ2＞0，构造P、Q的单位特征向量矩阵p、q
p＝(p1,p2)
q＝(q1,q2,……,qN-1)
式中pi和qi是P、Q特征值对应的单位特征向量解；
(5)根据单位特征向量矩阵p、q和特征值σi计算瞬时幅值信号的近似信号矩阵d1和细节信号矩阵d2
Figure GDA0003346168390000071
Figure GDA0003346168390000072
Figure GDA0003346168390000073
式中m是q矩阵求和个数，
Figure GDA0003346168390000074
符号是向下取整
(6)根据幅值近似信号矩阵d1子向量L1和L2计算近似信号
Figure GDA00033461683900000716
Figure GDA0003346168390000075
L1＝[a1,2a1,3......a1,N-1]
L2＝[a2,2a2,3......a2,N-2]
Figure GDA0003346168390000076
式中L1是d1第一行a1,2至a1,N-1元素构成的向量，L2是d1第二行a2,2至a2,N组成的向量；
(7)幅值细节信号矩阵d2重复步骤(6)计算细节信号
Figure GDA00033461683900000713
(8)对分解信号
Figure GDA00033461683900000715
和
Figure GDA00033461683900000714
重复步骤(2)至(7),瞬时幅值信号进行n层分解，直至阈值ε＜0.2，有2n个分量信号
Figure GDA0003346168390000077
Figure GDA0003346168390000078
Figure GDA0003346168390000079
式中Ei代表每个分量的能量；
(9)重复步骤(2)到(8)，对瞬时相位信号进行n层分解，有2n个分量信号
Figure GDA00033461683900000710
步骤三：进行变压器绝缘状态评估，包括：
(1)通过不同接线方式高频振荡信号瞬时幅值和瞬时相位的n层分解信号的特征参数，计算绝缘诊断系数Q
(2)根据分解信号
Figure GDA00033461683900000711
构造瞬时幅值信号特征矩阵K
Figure GDA00033461683900000712
(3)计算瞬时幅值信号特征参数行均值f1，列均值f2，行方差f3，列方差f4，能量f5，熵f6，对比度f7，相关度f8
Figure GDA0003346168390000081
Figure GDA0003346168390000082
Figure GDA0003346168390000083
Figure GDA0003346168390000084
(4)根据特征参数fj计算不同接线方式幅值信号的特征关联度Fi,i∈[1,5]
Figure GDA0003346168390000085
式中fj zc 是变压器正常时的特征参数，fj jc 是变压器检测时的特征参数
(5)重复步骤(1)到(4)计算不同接线方式瞬时相位信号特征关联度Wi,i∈[1,5]
(6)针对不同接线方式下相位信号和幅值信号所有特征关联度，计算绝缘诊断系数Q
Figure GDA0003346168390000086
Q是变压器绝缘诊断系数，若Q小于1.8，判断变压器绝缘状态正常。

Claims (1)

1.一种考虑差异性接线方式的变压器绝缘诊断方法，其特征在于：试验单相单柱变压器高压绕组、低压绕组额定电压等级为U1kV、U2kV，主要包括：箱体（ 1） 、铁心（ 2） 、低压绕组（ 3） 、高压绕组（ 4） 、高频高压直流电源（ 17） 、信号采集系统（ 15） 、连接方式控制台（ 16） 、低压输入套管（ 5 ） 、低压输出套管（ 6 ） 、高压输入套管（ 7） 、高压输出套管（ 8） 、高压绕组电源连接开关（ 9） 、高压信号采集连接开关（ 10） 、高压接线方式控制连接开关（ 11） 、低压绕组电源连接开关（ 12） 、低压信号采集连接开关（ 13） 、低压接线方式控制连接开关（ 14） ；具体测试方法包括以下步骤：
步骤一：测量变压器绕组差异性接线方式的高频振荡信号，包括：
(1)测量变压器高压绕组差异性接线方式的高频振荡信号，高压输出套管与信号采集系统相连接，将低压绕组与连接方式控制台连接，高压输入套管与高频高压直流电源相连接，在高频高压直流电源额定功率下逐步升高输出电压，使其达到变压器高压绕组的额定电压U1kV，待电压稳定之后，断开高频高压直流电源与高压绕组连接，通过连接方式控制台16改变低压绕组的接线方式，重复以上步骤采集不同接线方式的高频振荡信号Ai(t),Ai(t)＝[x1x2……xN],i∈[1,5],采集数据点N个，接线方式依次是低压侧悬浮、低压侧短路、低压侧短路接地、低压侧末端接地、低压侧首端接地；
(2)测量变压器低压绕组差异性接线方式的高频振荡信号，低压输出套管与信号采集系统相连接，将高压绕组与连接方式控制台连接，低压输入套管与高频高压直流电源相连接，在高频高压直流电源额定功率下逐步升高输出电压，使其达到变压器低压绕组的额定电压U2kV，待电压稳定之后，断开高频高压直流电源与低压绕组连接，通过连接方式控制台16改变高压绕组的接线方式，重复以上步骤采集不同接线方式的高频振荡信号Bi(t),Bi(t)＝[x1x2......xN],i∈[1,5],采集数据点N个，接线方式依次是高压侧悬浮、高压侧短路、高压侧短路接地、高压侧末端接地、高压侧首端接地；
步骤二：变压器绕组差异性接线方式的高频振荡信号特征提取，包括：
(1)分别针对高压绕组、低压绕组差异性接线方式的高频振荡曲线Ai(t)、Bi(t)的幅值信号X(t)和相位信号
Figure FDA0003346168380000011
通过步骤(2)到(9)进行n层分解，每个信号分别得到2n个幅值分量信号
Figure FDA0003346168380000012
相位分量信号
Figure FDA0003346168380000013
式中
Figure FDA0003346168380000014
代表幅值信号第n层第i个信号，
Figure FDA0003346168380000015
代表相位信号第n层第i个信号
(2)高频振荡信号T(t)通过希尔伯特变换为复域信号Z(t)，计算瞬时幅值信号X(t)和瞬时相位信号
Figure FDA0003346168380000016
Figure FDA0003346168380000017
Figure FDA0003346168380000018
Figure FDA0003346168380000021
Figure FDA0003346168380000022
式中T(t)是测量的高频振荡信号，
Figure FDA0003346168380000023
是T(t)的希尔伯特变换
(3)根据瞬时幅值信号X(t)构造矩阵H，计算特征矩阵P、Q，如下所示：
P＝H HT
Q＝HTH
Figure FDA0003346168380000024
式中H第一行和第二行分别是测量信号的前N-1个数据，后N-1个数据
(4)计算P、Q的特征值σi，σ1≥σ2＞0，构造P、Q的单位特征向量矩阵p、q
p＝(p1,p2)
q＝(q1,q2,……,qN-1)
式中pi和qi是P、Q特征值对应的单位特征向量解；
(5)根据单位特征向量矩阵p、q和特征值σi计算瞬时幅值信号的近似信号矩阵d1和细节信号矩阵d2
Figure FDA0003346168380000025
Figure FDA0003346168380000026
Figure FDA0003346168380000027
式中m是q矩阵求和个数，
Figure FDA0003346168380000028
符号是向下取整
(6)根据幅值近似信号矩阵d1子向量L1和L2计算近似信号X1 1(t)
Figure FDA0003346168380000029
L1＝[a1,2 a1,3 …… a1,N-1]
L2＝[a2,2 a2,3 …… a2,N-2]
Figure FDA00033461683800000210
式中L1是d1第一行a1,2至a1,N-1元素构成的向量，L2是d1第二行a2,2至a2,N组成的向量；
(7)幅值细节信号矩阵d2重复步骤(6)计算细节信号
Figure FDA00033461683800000211
(8)对分解信号
Figure FDA00033461683800000212
和
Figure FDA00033461683800000213
重复步骤(2)至(7),瞬时幅值信号进行n层分解，直至阈值ε＜0.2，有2n个分量信号
Figure FDA00033461683800000214
Figure FDA0003346168380000031
Figure FDA0003346168380000032
式中Ei代表每个分量的能量；
(9)重复步骤(2)到(8)，对瞬时相位信号进行n层分解，有2n个分量信号
Figure FDA0003346168380000033
步骤三：进行变压器绝缘状态评估，包括：
(1)通过不同接线方式高频振荡信号瞬时幅值和瞬时相位的n层分解信号的特征参数，计算绝缘诊断系数Q
(2)根据分解信号
Figure FDA0003346168380000034
构造瞬时幅值信号特征矩阵K
Figure FDA0003346168380000035
(3)计算瞬时幅值信号特征参数行均值f1，列均值f2，行方差f3，列方差f4，能量f5，熵f6，对比度f7，相关度f8
Figure FDA0003346168380000036
Figure FDA0003346168380000037
Figure FDA0003346168380000038
Figure FDA0003346168380000039
(4)根据特征参数fj计算不同接线方式幅值信号的特征关联度Fi,i∈[1,5]
Figure FDA00033461683800000310
式中fj zc 是变压器正常时的特征参数，fj jc 是变压器检测时的特征参数
(5)重复步骤(1)到(4)计算不同接线方式瞬时相位信号特征关联度Wi,i∈[1,5]
(6)针对不同接线方式下相位信号和幅值信号所有特征关联度，计算绝缘诊断系数Q
Figure FDA00033461683800000311
Q是变压器绝缘诊断系数，若Q小于1.8，判断变压器绝缘状态正常。
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