CN114994478A - 基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法。该方法包括：第一，建立绕组两端脉冲电流波形的时间均值（t _0ph 、t _0o ）、等效时长（T _ph 、T _o ）、频率均值（f _0ph 、f _0o ）、等效频宽（F _ph 、F _o ）的模式识别库；第二，测量变压器绕组两端的脉冲电流信号，计算其时间均值（t _0phs 、t _0os ）、等效时长（T _phs 、T _os ）、频率均值（f _0phs 、f _0os ）、等效频宽（F _phs 、F _os ）参数；第三，计算采样参数与模式库标准样本之间的欧氏距离，判断局部放电位置。本发明方法不仅可以实现局部放电脉冲电流的高速实时定位分析，还能提高检测的抗干扰能力，不影响变压器的安全可靠运行。这将为变压器局部放电的状态检修提供更加可靠的信息和依据，变压器安全可靠运行提供保障。

Description

基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法。

背景技术

随着电网规模的扩大，组网、并网的发展，电力系统中变压器的运行可靠性显得尤为重要，局部放电(partial discharge，局部放电)通常是造成变压器绝缘老化、损坏的重要原因。国内外根据变压器局部放电发生时产生的各类物理、化学现象相继地出现了利用脉冲电流法、光检侧法、超声波法、特高频法、气相色谱法和红外热像法等不同方法进行局部放电检测。其中，脉冲电流法是唯一具有国际标准的、应用最广泛的局部放电检测方式。电力设备局部放电脉冲电流检测技术近年来广泛应用于变压器、气体绝缘组合电器、开关柜、电力电缆等电力设备。

从信号与系统的角度来看，变压器绕组及其所连接的设备可以看成是一个复杂的系统，而监测到的信号就是该系统对局部放电电流脉冲的响应。由此而发展起来的电气定位法包括起始电压定位法、多端测量定位法、行波定位法、电容分量定位法等，随着对变压器绕组传输特性的深入研究和数字化测量技术的发展，改进电容分量法和能比直线法等得到了研究和应用。

研究表明，变压器内部存在局部放电时，放电脉冲会沿绕组传播到达测量点，该脉冲由行波分量、电容分量及振荡分量组成，局部放电源位置或局部放电信号传输路径对局部放电信号时频特征有明显影响，会对脉冲电流波形的等效时长、等效频宽等特征参数产生影响。据此推断，可以采用信号时频特征对局部放电信号定位分析。

现有的变压器局部放电脉冲电流信号定位方法如下：

(1)基于脉冲电流时域波形参数的定位方法

从时域的角度对信号进行分析，主要有行波法、极性法、能比曲线法。

行波法即利用波的时延特性，根据行波延迟时间计算出距离，找出局部放电的点位。

极性法通过检测变压器套管末屏接地线、中性点接地线和油箱接地线等不同端子测得信号的首波的极性，判断放电位置为高压电源侧的干扰、匝对地的放电、饼间放电，是一种粗略定位的方法。但是判断绕组放电的精确位置，还需要和绕组定位方法相结合。对于大型变压器，极性法的有效性也有待验证。

能比曲线法依据放电脉冲响应信号的能量随传播距离的增加而逐渐减小，即变压器绕组首末端检测到的放电脉冲能量的变化规律能够为放电点的定位提供依据。

(2)基于频域传输函数的定位方法

从频域的角度对信号进行分析，变压器各个测量段的频谱特性和变压器绕组的绝缘结构，脉冲传播的路径与距离有关。变压器绕组及其系统对电流信号具有多通带滤波作用，各个通带的中心频率表现为一系列幅度的尖峰点。频谱分析法对测量精度要求极高，很难利用脉冲电流法测得的频域谱图的极值点对传播特性进行分析，通常只能分析高频分量和低频分量的衰减情况来判断放电发生在高压绕组还是低压绕组。

距离函数法是把变压器绕组不同饼的分段电流传输函数比看成待识别的类域。假定不同的放电位置表征为不同类的模式，那么这些模式即放电位置可以被区分是由于它们所属类别在特征空间中的类域是不同的区域。也就是说一旦变压器绕组不同饼的分段电流传输函数比曲线重叠的部分很小或完全没有重叠，放电位置就具有了很强的可分性。可以用几何距离或离差测度来构造类别可分性判据。

总结来看，时域定位方法对测量仪器分辨率要求极高，且由于干扰的存在，很可能对波形的幅值、极性、首波到达时间等信息造成误判和漏判。目前很少有研究在频域角度对变压器局部放电进行定位分析。

综上所述，现有的变压器局部放电定位检测技术存在测量精度低、抗干扰能力差、计算误差大等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，该方法不仅可以实现局部放电脉冲电流的高速实时定位分析，还能提高检测的抗干扰能力，不影响变压器的安全可靠运行。这将为变压器局部放电的状态检修提供更加可靠的信息和依据，变压器安全可靠运行提供保障。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，包括如下步骤：

S1、建立变压器绕组两端脉冲电流波形的时间均值(t_0ph、t_0o)、等效时长(T_ph、T_o)、频率均值(f_0ph、f_0o)、等效频宽(F_ph、F_o)的模式识别库；

S2、测量变压器绕组两端的脉冲电流信号，计算其时间均值(t_0phs、t_0os)、等效时长(T_phs、T_os)、频率均值(f_0phs、f_0os)、等效频宽(F_phs、F_os)；

S3、计算采样参数与模式识别库标准样本之间的欧氏距离，判断局部放电位。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

在技术层面上，本发明将极大提高现场局部放电测试的准确性与工作效率，避免设备带缺陷投入运行，大大推动电工装备试验及检测技术的进步。

在经济效益角度上，本发明核心技术若产业化落地及市场推广，将极大提高变压器局部放电诊断的准确性与效率，降低了变压器出现绝缘故障的几率，其直接和间接经济效益显著。

附图说明

图1为本发明变压器绕组多导体传输线模型。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，即一种基于两端电流脉冲时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位技术。利用这种技术不仅可以实现局部放电脉冲电流的高速实时定位分析，还能提高检测的抗干扰能力，不影响变压器的安全可靠运行。这将为变压器局部放电的状态检修提供更加可靠的信息和依据，变压器安全可靠运行提供保障。

本发明的技术原理是：变压器内部存在局部放电时，放电脉冲会沿绕组传播到达绕组两端的测量点，局部放电源位置或局部放电信号传输路径对到达绕组两端的局部放电脉冲电流信号的时域振荡特性、幅频分布特征有明显影响。

为了实现变压器绕组局部放电精确定位，本发明提出一种基于两端脉冲电流时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法。实施步骤包括：第一，建立绕组两端脉冲电流波形的时间均值(t_0ph、t_0o)、等效时长(T_ph、T_o)、频率均值(f_0ph、f_0o)、等效频宽(F_ph、F_o)的模式识别库；第二，测量变压器绕组两端的脉冲电流信号，计算其时间均值(t_0phs、t_0os)、等效时长(T_phs、T_os)、频率均值(f_0phs、f_0os)、等效频宽(F_phs、F_os)参数；第三，计算采样参数与模式库标准样本之间的欧氏距离，判断局部放电位置。

本发明方法的特色有两方面：定位参数计算鲁棒性高；定位结果准确。

本发明方法具体实现如下：

(1)建立基于多导体传输线仿真的绕组两端脉冲电流特征参数模式识别库

1)绕组两端脉冲电流时频域波形的仿真

根据变压器绕组结构尺寸构建绕组的多导体传输线模型，如图1所示。其时域方程如公式(1)所示。在频域求解，可得到如公式(2)所示的矩阵方程，据此得到I_S(1)、I_R(n)，即绕组首端电流I_ph、绕组末端电流I_o，其中，I_PD为局部放电电流源，T为多导体传输线模型参数。

利用多导体传输模型，可建立自局部放电信号输入点到绕组首尾两端的电流频域传递函数T_phi(jw)、T_oi(jw)，假定首末端计算的局部放电脉冲电流经过FFT变换后为I_ph(jω)、I_o(jω)，绕组内部任意第i匝局部放电远处注入的脉冲电流经过FFT变换后为I_pdi(jω)，其中i＝1…n匝，它们之间的频域电流传输函数如公式(3)所示。可通过变压器局放试验或标定对传输函数进行实验验证。

2)两端脉冲电流信号等效时长、等效频宽的计算

表征两端脉冲电流信号I(t)时域和频域特征的简单方法是用信号的均值和散布来表示，即把|I(t)|²及其频谱|I(jω)|²看作概率密度，观察其均值和标准差来分析信号的时域和频域特征。其分别定义为：

式(4)中，E_p为信号的能量，

ω＝2πf；t₀、f₀分别为信号的时间均值和频率均值；T、F分别为信号的等效时宽和等效频宽。

3)两端脉冲电流信号时频参数模式库

分别在绕组若干不同位置(位置编号i，i＝1，2，……，n)施加局部放电激励源，获取绕组首末两端的脉冲电流信号，提取其时间均值(t_0phi、t_0oi)、等效时长(T_phi、T_oi)、频率均值(f_0phi、f_0oi)、等效频宽(F_phi、F_oi)特征参数，建立模式识别库。如表1所示，该模式库为n×8矩阵。

表1变压器局放绕组两端脉冲电流信号时频参数模式库

(2)超宽频带脉冲波形时频域特征参数提取

在变压器绕组两端(即：高电压出线套管末屏接地线端、中性点接地端)同步测量局部放电脉冲电流信号的时域波形I_phs(t)，I_os(t)。基于时域波形，计算两端脉冲电流信号的八个时频域特征参数。计算公式如式(4)。经过计算得出实测的绕组两端脉冲电流波形时频域特征参数，分别为：t_0phs、T_phs、f_0phs、F_phs、t_0os、T_os、f_0os、F_os。

(3)基于欧式距离局部放电定位算法

将模式库视作由n个向量构成的集合，每个向量包含8个元素，用M_i标识，即：

M_i＝(t_0phi,T_phi,f_0phi,F_phi,t_0oi,T_oi,f_0oi,F_oi)，i＝1，2……n

将实测得到的绕组两端脉冲电流信号时频特征参数也视作一个向量，用S表示，即：

S＝(t_0phs,T_phs,f_0phs,F_phs,t_0os,T_os,f_0os,F_os)

通过欧式距离公式逐一计算S与M_i之间的欧式距离，选在欧式距离最小的点作为定位结果。欧式距离的计算方法如下式：

本发明方法主要应用在电力系统的110kV～1000kV的电力变压器类设备上，目的在于对电力变压器绕组局部放电进行准确定位，从而保证变压器运行稳定性。

本发明已经经过华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室组织的测试，能够有效的实现脉冲的快速聚类与智能定位。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立变压器绕组两端脉冲电流波形的时间均值(t_0ph、t_0o)、等效时长(T_ph、T_o)、频率均值(f_0ph、f_0o)、等效频宽(F_ph、F_o)的模式识别库；

S2、测量变压器绕组两端的脉冲电流信号，计算其时间均值(t_0phs、t_0os)、等效时长(T_phs、T_os)、频率均值(f_0phs、f_0os)、等效频宽(F_phs、F_os)；

S3、计算采样参数与模式识别库标准样本之间的欧氏距离，判断局部放电位。

2.根据权利要求1所述的基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤S1具体实现如下：

S11、绕组两端局部放电脉冲电流时频域波形的仿真；

S12、两端脉冲电流信号时间均值、等效时长、频率均值、等效频宽的计算；

S13、两端脉冲电流信号时频参数模式库的建立。

3.根据权利要求2所述的基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤S11具体实现如下：

根据变压器绕组结构尺寸构建绕组的多导体传输线模型，其时域方程如公式(1)所示：

在频域求解，得到如公式(2)所示的矩阵方程：

据此得到I_S(1)、I_R(n)，即绕组首端电流I_ph、绕组末端电流I_o，其中，I_PD为局部放电电流源，T为多导体传输线模型参数；

利用多导体传输模型，建立自局部放电信号输入点到绕组首尾两端的电流频域传递函数T_phi(jw)、T_oi(jw)，假定首末端计算的局部放电脉冲电流经过FFT变换后为I_ph(jω)、I_o(jω)，绕组内部任意第i匝局部放电远处注入的脉冲电流经过FFT变换后为I_pdi(jω)，其中i＝1…n匝，绕组首尾两端之间的频域电流传输函数如公式(3)所示：

4.根据权利要求2所述的基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤S12具体实现如下：

表征绕组首尾两端脉冲电流信号I(t)时域和频域特征的简单方法是用信号的均值和散布来表示，即把|I(t)|²及其频谱|I(jω)|²看作概率密度，观察其均值和标准差来分析信号的时域和频域特征，其分别定义为：

式(4)中，E_p为信号的能量，

ω＝2πf；t₀、f₀分别为信号的时间均值和频率均值；T、F分别为信号的等效时宽和等效频宽。

5.根据权利要求2所述的基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤S13具体实现如下：

分别在绕组若干不同位置，施加局部放电激励源，位置编号i，i＝1，2，……，n，获取绕组首尾两端的脉冲电流信号，提取其时间均值(t_0phi、t_0oi)、等效时长(T_phi、T_oi)、频率均值(f_0phi、f_0oi)、等效频宽(F_phi、F_oi)特征参数，建立模式识别库。

6.根据权利要求1所述的基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤S2具体实现如下：

在变压器绕组两端同步测量局部放电脉冲电流信号的时域波形I_phs(t)，I_os(t)；基于时域波形，计算两端脉冲电流信号的八个时频域特征参数，得出实测的绕组两端脉冲电流波形时频域特征参数，分别为：t_0phs、T_phs、f_0phs、F_phs、t_0os、T_os、f_0os、F_os。

7.根据权利要求1所述的基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现如下：

将模式识别库视作由n个向量构成的集合，每个向量包含8个元素，用M_i标识，即：

M_i＝(t_0phi,T_phi,f_0phi,F_phi,t_0oi,T_oi,f_0oi,F_oi)，i＝1，2……n

将实测得到的绕组两端脉冲电流信号时频特征参数也视作一个向量，用S表示，即：

S＝(t_0phs,T_phs,f_0phs,F_phs,t_0os,T_os,f_0os,F_os)

通过欧式距离公式逐一计算S与M_i之间的欧式距离，选在欧式距离最小的点作为定位结果。

8.根据权利要求7所述的基于时频特征模式识别的变压器绕组局部放电定位方法，其特征在于，欧式距离的计算方法如下式：

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