CN114252749B - 基于多传感器的变压器局部放电检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于多传感器的变压器局部放电检测方法及装置，分别获取设定时间段内变压器高压套管末屏位置以及中性点位置的两路电流信号序列，并对两路电流信号序列进行做差处理得到差异信号；根据两路电流信号序列，分别得到两路电流信号序列的波动强度；根据所述差异信号，计算两电流信号的相对稳定程度；根据两路电流信号序列的波动强度以及所述相对稳定程度，确定变压器运行过程中的信号变化指标；当所述信号变化指标大于设定阈值，则当前运行的变压器的发生局部放电。即本发明通过采集两个不同位置处的电流信号序列，能够对采集的变压器的电流信号进行多维度分析，实现变压器是否发生局部放电的检测。

Description

基于多传感器的变压器局部放电检测方法及装置

技术领域

本发明涉及变压器检测领域，具体涉及基于多传感器的变压器局部放电检测方法及装置。

背景技术

当前，我国已成为全球范围内电网规模最大的国家。变压器作为国民经济发展过程中最重要的变电设备，变压器的电压等级也不断提升。变压器一旦发生事故将会对大片区范围内的生产和生活带来严重的损失。因此，对变压器进行局部放电检测能及时发现问题，对于防止重大事故的发生具有重要意义。

随着大量配电高压工程的建成投运，在运的主变压器数量急剧增加，设备的运维压力日益凸显，发生了数起由主变压器内部局部放电引起的击穿故障，亟需开展有效可靠的在线监测及预警技术研究，实现设备运行状态的监控和提前预警。

目前高压主变器放电故障的监测和预警存在如下难题：

1、变压器内部放电后存在大量的热能，目前的技术对热能分析没有直接利用，而主要依赖油中溶解气体监测，在发现氢气、乙炔等特征故障气体后，需要经验丰富的专业技术人员和专业带电检测装备对故障类型进行 进一步判断，时间及人力成本极高。

2、高压主变压器体积大，在运行状态下实现内部缺陷部位的精确定位难度极大，在缺乏专业技术人员支持下，仅通过超声在线监测装置实现故障定位仅存在理论可行性；对于主变压器内部绝缘缺陷产生的电、声等信号，其传输路径复杂，难以进行故障位置的确定。

3、内部绝缘失效前的评估预警手段不足，已有的故障案例表明，由于内部绝缘放电故障的观测方法和趋势变化规律不明确，导致无法做出绝缘击穿前的及时预警，因此只能针对异常数据进行预警，目前的数据精度、信息量、预警准确度存在较大问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供基于多传感器的变压器局部放电检测方法及装置，所采用的技术方案具体如下：

本发明的基于多传感器的变压器局部放电检测方法的技术方案，包括以下步骤：

分别获取设定时间段内变压器高压套管末屏位置以及中性点位置的两路电流信号序列，并对两路电流信号序列进行做差处理得到差异信号；

根据两路电流信号序列，分别得到两路电流信号序列的波动强度；

根据所述差异信号，计算高两路电流信号的相对稳定程度；

根据两路电流信号序列的波动强度以及所述相对稳定程度，确定变压器运行过程中的信号变化指标；当所述信号变化指标大于设定阈值，则当前运行的变压器的发生局部放电。

进一步地，所述相对稳定程度为

其中，

表示第t个时刻差异信号的大小，

表示第t-1个时刻差异信号的大小，

表示在t个时刻之前的第f个时刻差异信号的大小，T表示差异信号的序列的总体长度。

进一步地，所述信号变化指标是通过将两波动程度与相对稳定程度进行相乘得到的。

进一步地，还包括：

获取至少两个不同位置的检测点的变压器绕组温度序列以及对应检测点的变压器油温序列；

计算任意两个检测点的温度变化程度；

计算其中任一检测点与其他剩余所有检测点的温度变化程度的差值的均值，并将所述均值作为该检测点的局部放电差异指标；

根据机壳表面温度、环境温度和电流信号的相对稳定程度，确定当前检测信号受外部影响的干扰程度；

根据所述信号变化指标、所述外部干扰程度与所述局部放电差异指标，确定该位置的局部放电评估值，实现变压器局部放电位置的监测。

根据所述信号变化指标与所述局部放电差异指标，确定该位置的局部放电评估值，实现变压器局部放电位置的监测。

进一步地，所述干扰程度为：

其中，H_Q为差异信号的相对稳定程度，V_i表示第i个检测点的机壳温度的大小，V_o表示环境温度，N为检测点的总数。

进一步地，所述波动强度为计算各路电流信号序列的标准差。

本发明还提供了基于多传感器的变压器局部放电检测装置，包括存储器和处理器，所述处理器执行所述存储器存储的如上述的基于多传感器的变压器局部放电检测方法的技术方案。

本发明具有如下有益效果：

本发明的方案，通过采集两个不同位置处的电流信号序列，根据两路电流信号序列的波动强度、两路电流信号序列的差异信号，能够对采集的变压器的电流信号进行多维度分析，实现变压器是否发生局部放电的检测，其不涉及变压器内部结构的数据就可以监测变压器内部局部放电的情况。

同时，本发明的方案通过引入变压器机壳温度、变压器油温的参数，并与电流信号的相关数据进行结合，能够更全面地、准确地确定变压器的局部放电情况，通过结合测量的温度的位置，能够对变压器的局部放电的位置进行粗略定位，即本发明的方案实现了局部放电位置的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的基于多传感器的变压器局部放电检测方法的方法流程示意图；

图2为本发明的电流互感器采集电流的电路图；

图3为局部放电与外部干扰的脉冲信号对比示意图；

附图标记：1-电流互感器，2-电流互感器，3-电容，4-中性点，5-滤波器，6-处理器。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的方案，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面以油浸式变压器为例，对本发明的基于多传感器的变压器局部放电检测方法进行介绍，具体地，如图1所示，该检测方法包括以下步骤：

步骤1，分别获取设定时间段内变压器高压套管末屏位置以及中性点位置的两路电流信号序列，并对两路电流信号序列进行做差处理得到差异信号。

本实施例中，通过在变压器的不同位置上设置电流互感器进行电流信号的采集，得到不同位置对应的设定时间段内不同时刻的电流信号。

具体地，本实施例中在变压器(的绕组)的首、末两端安装电流互感器，即一个安装位置A为穿过变压器高压套管末屏到接地点的接地线之间的位置，一个安装位置O为穿过变压器中性点(0点)到接地点的接地线；如图2所示，电流互感器1的安装位置A为电容3与接地端之间，电流互感器2的安装位置O为中性点4与接地端之间；需要说明的是如果变压器中性点不接地时，安装位置O是穿过变压器低压套管或中性点套管的末屏接地线，得到两个位置处两路电流信号序列。其中，滤波器5对采集到的两路电流信号序列进行滤波处理，并将处理后的电流信号传输至处理器6，处理器6对接收到的数据进行分析处理，其中的分析处理可以为分别计算两路电流信号的波动强度以及对两路电流信号进行作差处理。

其中，两路电流信号的采样频率由实施者根据出现的脉冲信号频率大小自行调整。

其中，高压套管末屏位置的电流信号序列为

，中性点位置的电流信号系列为：

，t为设定时间段内的时刻数，T为设定时间段内的序列的总体长度。

上述中的差异信号是通过对两路电流信号序列进行作差处理得到的差异信号序列

；其中关于信号的作差处理，是业内人员已知的一种方式，合适的使用反相器和加法器即可完成操作。

需要说明的是，本实施例中通过电流互感器采集到的电流信号，还需要经过信号放大、滤波处理后，进而得到两路脉冲信号波形。同时，为了方便后续分析，对检测到的波形加上3秒的时间窗，从而缩短分析的数据量，并和温度统计进行同步。

步骤2，根据两路电流信号序列，分别得到两路电流信号序列的波动强度。

本实施例中的两电流信号序列的波动强度分别为计算各自电流信号序列的标准差。当然作为其他实施方式，还可以通过计算每个位置的电流信号序列的相邻两时刻的差值的均值，作为该电流信号序列的波动强度。

本实施例中的波动强度是为了对采集的两个位置的电流信号的波动性进行分析，来衡量采集的每路电流信号的波动程度。

步骤3，根据所述差异信号，计算高压套管末屏位置以及中性点位置之间的相对稳定程度。

其中的相对稳定程度为：

式中，

表示第t个时刻差异信号的大小，

表示第t-1个时刻差异信号的大小，

表示在t个时刻之前的第f个时刻差异信号的大小，T表示差异信号的序列的总体长度。

其中，该式子通过将当前时刻相较于前一时刻的数值变化大小以及两个时刻（当前与前一时刻）全部数据的均值大小的差异，用于描述I_Q序列的变化平稳程度。

需要说明的是，由于需要与前一时刻进行比较，因此首项从第二个数据开始，直到最后一个数据，共计T-1个数据。求得每个时刻相较于前一时刻的变化程度，累加后均值处理得到对当前序列变化相对稳定程度的评价H_Q；同时，如果信号差前后两个时刻变化很小，则式子分子中整体趋近于1，同样的，分母整体也趋近于1，使得式子整体趋近于1，反之，变化越大其大小越接近于0。

本实施例中，由于时间窗大小相同，因此不同时刻间隔和样本长度均由采样频率决定。

上述步骤是为了能够进一步消除由外部干扰造成的脉冲波动，这是由于若某一时刻同时受到外部干扰，两路信号差仍变化不平稳，H_Q的大小比较小。而若是发生局部放电，两路的信号差变化程度比较小，H_Q的大小比较大。

步骤4，根据两路电流信号序列的波动强度以及所述相对稳定程度，确定变压器运行过程中的信号变化指标；当所述信号变化指标大于设定阈值，则当前运行的变压器的发生局部放电。

其中的信号变化指标为：

式中，STD_A表示A路电流信号的波动强度，STD_O表示O路电流信号的波动强度，H_Q表示差异信号的相对稳定程度，I_A表示A路电流信号序列，I_O表示O路电流信号序列。

上述公式是通过结合两路电流信号本身的变化波动特征以及电流信号差值的变化稳定性，共同衡量变压器是否发生局部放电的情况。

其中，在进行局部放电的信号变化指标的计算过程中，引入DTW动态时间规整函数，用以描述两路电流信号之间的动态时间规整距离，进一步评价两路电流信号的差异情况；即如果发生局部放电，且无外部干扰的情况，

整体接近于1，那么M的大小由两路电流信号的波动情况进行决定。

由此根据信号的变化情况，得到发生局部放电的有信号变化指标M，并将其与设定阈值进行比较，对变压器是否发生局部放电的情况进行判定。

上述中的设定阈值的设定，是基于发生局部放电时，两路信号波动情况应相似，即假设两路电流信号中最小的波动标准差为γ，则当M大于或等于

时，即可认为变压器发生了局部放电情况。需要说明的是，γ为发生局部放电的特征值，其大小需要实施者根据实际情况多次测量得到。

如图3所示，如果仅有一路脉冲信号产生了波动，则视为外部信号干扰，如果两路信号同时产生波动，并且波动情况相似，才可视为发生局部放电的现象；因此根据图3中的信号检测情况，本发明通过同时检测两个位置的两路电流信号，将两路电流信号进行比对，从而为后续的局部放电的初步分析提供了依据。

进一步地，本发明的基于多传感器的变压器局部放电检测方法，还包括对变压器的局部放电位置进行监测的步骤：

具体地，首先，进行温度数据的采集：

对于变压器温度的采集：以圆柱式变压器绕组为例，在机壳表面设置多个温度传感器，其分布于柱面的不同位置的检测点上；本实施例中选取5个位置的检测点，则共需要设置5个温度传感器，用于分别实时采集不同检测点处的变压器绕组机壳的温度。

本实施例中的采集数据的周期为10s，温度传感器的数据为0.5s一次更新，那么采集的各位置的温度序列有20个时刻对应温度数据，也即20个温度数据，即共有5个独立的温度波动序列，当然，本发明的温度数据的采集周期、频率以及数据个数等并不局限于上述中具体的方式，其还可以根据实施者的需求进行设定。

同时，对于变压器油温的测量，则是通过安装有插入变压器油内部的测温槽，通过在其中设置测温元件测量变压器油温，其采集的变压器油温的位置与上述中的温度传感器的位置尽可能相同或相近，也即尽可能测量的是同一位置的变压器内的机壳温度和变压器油内的温度。

至此得到5个不同位置的监测点的变压器绕组温度序列以及对应位置的变压器油温序列。

需要说明的是，由于测量的对象是变压器顶层的油，因此，在进行变压器绕组机壳温度测量时，温度传感器的位置设置需与变压器油温测量的位置相对应，即机壳上设置的温度传感器尽可能的与插入到变压器油内部的测温槽的位置接近。

本实施例中的温度传感器的位置设置并不局限于上述位置，需要实施者根据变压器的具体内部结构优化、均衡设计传感器位置。

本发明中，考虑到了若发生局部放电情况时，绕组上放电的部分会有一定的温度升高现象，而温度的变化仅一小部分产生，其他位置的传感器检测并不会发生明显变化，因此，通过比较同一绕组上不同温度传感器的数据，确定是否发生局部放电。同时，本发明中考虑了变压器机壳温度和变压器油温，能够更全面的确定变压器放电情况。

本实施例还进行环境温度的采集，用以后续的干扰程度的分析。

其次，计算任意两检测点的温度变化程度：

本实施例中的温度变化程度为：

其中，W_a表示检测点a处的变压器油温序列，W_b表示检测点b处的变压器油温序列，

表示检测点a处的变压器油温序列中的第j个时刻的变压器油温，

表示检测点b处的变压器油温序列中的第j个时刻的变压器油温，V_a表示变压器机壳上检测点a的变压器温度序列，V_b表示变压器机壳上检测点b的变压器温度序列。

上述中，式子前项比较绕组上不同检测点的变压器油温的温度差异，Similarity为余弦相似度函数，此处序列等长，能够通过余弦相似度进行比较。分母中，表示同一检测时刻两个检测点的温度差平方。后项中，比较两个检测点对应的机壳上的温度变化情况，DTW函数为动态时间规整，两个序列变化越相近，其DTW的大小越接近于0，整个指数函数大小接近于1。

由此，无论是绕组上的变压器油温的温度大小，还是机壳上的温度大小，两个检测点的变化越相近，最终的R值越大。如果变压器发生局部放电情况，该检测点的温度会相较于其他检测点不同，两个检测点比较后，R的值会比较小。

本实施例中通过结合机壳的温度变化情况，除了消除外部温度变化对内温的影响，同时还能对冷却油的状态进行补充证明。

重复上述步骤操作，对所有的检测点两两之间进行温度变化程度R的计算。

然后，计算各检测点相对于其他剩余的所有检测点的局部放电差异指标，进而得到所有检测点的局部放电差异指标集合。

本实施例中，以检测点a点为例，其局部放电差异指标为：

其中，x表示在该变压器绕组上除了a检测点以外的其他剩余检测点的集合；mean函数为均值函数。

由此计算出检测点a相较于变压器绕组上全部检测点温度上的局部放电差异指标。当局部放电差异指标U越大，表示当前检测点的温度变化异常，即发生了局部放电情况。

再者，引入外界干扰程度：

根据机壳表面温度、环境温度和电流信号的相对稳定程度，确定当前检测信号受外部影响的干扰程度；

其中的干扰程度为：

其中，H_Q为差异信号的相对稳定程度，V_i表示第i个检测点的机壳温度的大小，V_o表示环境温度，N为检测点的总数。

需要说明的是，当检测线路信号受到其他因素的影响，同样会造成同时间内的波形变化，这样就与检测目的相违背，会造成假判断，影响最终检测结果。同样的，如果机壳外有其他因素造成的温度升高，同样对内部绕组其中一个检测点造成影响。

上述步骤中的干扰程度的计算，用于消除由于信号检测过程中的干扰而对后续的局部放电评估值的影响。

最后，将局部放电差异情况、外界干扰程度与信号变化情况结合，得到局部放电评估值为：

其中，M为信号变化指标，Max（U_x）为所有检测点的局部放电差异指标集合中的最大值，P表示检测信号受外界的干扰程度。

上述步骤中，如果其中一个发生异常，即发生了局部放电。而该异常指的是差异度比较大，因此取最大值；同时，干扰程度越大，最终结果可信度越低。

本发明中，由于波动无法确定是否由源信号造成的波动从而影响到检测信号，因此再结合绕组上的温度变化，进一步衡量检测点是否发生局部放电的情况。

当发生局部放电时，M值较大并且接近于1，同样的，温度的差异度U也比较大，并且大小接近于1。

由此，获得局部放电的评价C，其值越接近于1，越有可能发生局部放电，接近于0表示变压器工作越健康。

本发明中的局部放电检测的方案，通过将对两路电流信号的分析、变压器自身工作过程中的状态以及引入的外界环境的影响的结合，能够实现局部放电位置的检测，且通过多角度、多因素的数据分析，能够更全面地对变压器的局部放电情况以及对应的位置进行分析，进而确定局部放电位置，为后续电网的检测提供了保障。进一步地，基于上述获取的数据，使用计算机软件对获得的信息进行处理，绘制出由变压器各个绕组上的检测信息构成的三维立体图，用于实时观测变压器的运行状态。

具体地，图像的三维分别为L-绕组电气位置，M-局部放电的有效性，U-当前检测位置的温度差异度。本实施例中通过统计各个检测点的数据特征，对当前变压器的运作情况进行评价，并根据评价值分配不同颜色进行区别，评价越接近于1，颜色趋近红色，即越不健康；评价接近于0，颜色趋近于绿色，即越健康；评价大小适中，颜色表现为黄色，即处于亚健康状态；由此做到对变压器运作状态的监测。

本发明中通过对变压器进行局部放电的检测，并将局部放电检测得到的放电点坐标结果呈现在三维图像中显示，具有很直观的表现特性，便于决策者进行准确定位及后续处理。

本发明还提供了基于多传感器的变压器局部放电检测装置，包括存储器和处理器，所述处理器执行所述存储器存储的上述的基于多传感器的变压器局部放电检测方法的技术方案。

由于上述已对基于多传感器的变压器局部放电检测方法的进行了详细的介绍，此处不再进行过多赘述。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于多传感器的变压器局部放电检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别获取设定时间段内变压器高压套管末屏位置以及中性点位置的两路电流信号序列，并对两路电流信号序列进行做差处理得到差异信号；

根据两路电流信号序列，分别得到两路电流信号序列的波动强度；

根据所述差异信号，计算两路电流信号的相对稳定程度；

根据两路电流信号序列的波动强度以及所述相对稳定程度，确定变压器运行过程中的信号变化指标；当所述信号变化指标大于设定阈值，则当前运行的变压器的发生局部放电；

还包括：

获取至少两个不同位置的检测点的变压器绕组温度序列以及对应检测点的变压器油温序列；

计算任意两个检测点的温度变化程度；

计算其中任一检测点与其他剩余所有检测点的温度变化程度的差值的均值，并将所述均值作为该检测点的局部放电差异指标；

根据机壳表面温度、环境温度和电流信号的相对稳定程度，确定当前检测信号受外部影响的干扰程度；

根据所述信号变化指标、所述干扰程度与所述局部放电差异指标，确定该位置的局部放电评估值，实现变压器局部放电位置的监测。

2.根据权利要求1所述的基于多传感器的变压器局部放电检测方法，其特征在于，所述相对稳定程度为

其中，

表示第t个时刻差异信号的大小，

表示第t-1个时刻差异信号的大小，

表示在t个时刻之前的第f个时刻差异信号的大小，T表示差异信号的序列的总体长度。

3.根据权利要求2所述的基于多传感器的变压器局部放电检测方法，其特征在于，所述信号变化指标是通过将两波动程度与相对稳定程度进行相乘得到的。

4.根据权利要求1所述的基于多传感器的变压器局部放电检测方法，其特征在于，所述干扰程度为：

其中，H_Q为差异信号的相对稳定程度，V_i表示第i个检测点的机壳温度的大小，V_o表示环境温度，N为检测点的总数。

5.根据权利要求1所述的基于多传感器的变压器局部放电检测方法，其特征在于，所述波动强度为计算各路电流信号序列的标准差。

6.基于多传感器的变压器局部放电检测装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述处理器执行所述存储器存储的如权利要求1-5中任一项所述的基于多传感器的变压器局部放电检测方法的程序。

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