一种平面变压器绕组运动位移测量方法及系统
技术领域
本发明涉及电性能测试技术领域,具体涉及一种平面变压器绕组运动位移测量方法及系统。
背景技术
平面变压器绕组运动位移是指变压器绕组中的导线相对于磁场的位置变化。它通常由绕组中的电流和磁场引起。当平面变压器处于正常工作状态时,通过绕组的一侧通入交流电流,这个电流会产生一个交变磁场,磁场的变化会导致绕组中的导线受到磁力的作用,从而发生运动位移。绕组运动位移可能会导致绕组之间的短路或接触不良,从而引起电气故障或损坏。
因此,实时获取变压器绕组运动的位移量,能够及时切断电源预防电气设备损坏。目前,常通过对图像中的绕组进行跟踪和测量,得到绕组的位移数据,但由于变压器暂态动稳定性试验中绕组线圈中的电流具有不稳定性,且受到图像噪声的影响,绕组线圈上不同检测点的位移情况不同,绕组运动位移测量的准确度不高,不能够在绕组线圈发生形变时及时对变压器采取措施。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的在于提供一种平面变压器绕组运动位移测量方法及系统,所采用的技术方案具体如下:
第一方面,本发明实施例提供了一种平面变压器绕组运动位移测量方法,该方法包括以下步骤:
采集平面变压器的绕组线圈在暂态动稳定性试验中,各时刻的电流以及绕组线圈上各检测点在各时刻的坐标;
对于绕组线圈上各检测点,根据检测点在各时刻与相邻后一时刻的坐标获取检测点的各时刻的瞬时位移量;根据检测点在各时刻与相邻后一时刻的坐标构建检测点在各时刻的位移方向;根据检测点在各时刻的位移方向、瞬时位移量以及电流构建检测点的电流-位移同变因子;采用LOF异常检测算法获取检测点在各时刻的位移方向的LOF离群因子,根据检测点在各时刻的坐标、瞬时偏移量以及检测点在各时刻的位移方向的LOF离群因子构建检测点的位移连续偏离程度;根据检测点的电流-位移同变因子以及位移连续偏离程度构建检测点的综合位移偏离因子;基于检测点的综合位移偏离因子获取最大位移点;根据最大位移点的历史坐标预测未来预设时间内绕组线圈的绕组运动位移量;根据绕组线圈的绕组运动位移量以及最大位移点处的切线方向获取绕组线圈的绕组运动形变量;
当平面变压器的绕组线圈的绕组运动形变量大于预设安全阈值时,绕组线圈发生形变,否则,绕组线圈未发生形变。
进一步地,所述根据检测点在各时刻与相邻后一时刻的坐标获取检测点的各时刻的瞬时位移量,包括:
对于各检测点,计算检测点在各时刻的坐标与各时刻的相邻后一时刻的坐标之间的欧式距离,作为检测点在各时刻的瞬时位移量。
进一步地,所述根据检测点在各时刻与相邻后一时刻的坐标构建检测点在各时刻的位移方向,包括:
对于各检测点,计算检测点在各时刻的相邻后一时刻的纵坐标与各时刻的纵坐标的差值,记为第一差值,计算检测点在各时刻的相邻后一时刻的横坐标与各时刻的横坐标的差值,记为第二差值,计算检测点在各时刻的所述第一差值与所述第二差值的比值,作为反正切函数的因变量,将检测点在各时刻的所述反正切函数的计算结果作为检测点在各时刻的位移方向。
进一步地,所述根据检测点在各时刻的位移方向、瞬时位移量以及电流构建检测点的电流-位移同变因子,包括:
将模拟故障电流输入时刻记为,对于各检测点,将检测点p在故障电流输入时刻之前的所有时刻的位移方向按照时间顺序组成位移方向序列/>;第p个检测点的电流-位移同变因子/>的表达式为:
式中,为以自然常数为底数的指数函数;/>为取变异系数操作;/>为线性归一化函数;/>为第p个检测点在第t个时刻的瞬时位移量,通过第t+1个时刻的坐标与第t个时刻的坐标之间的欧式距离计算得到;/>、/>分别为绕组线圈在第/>个、第/>个时刻的电流。
进一步地,所述根据检测点在各时刻的坐标、瞬时偏移量以及检测点在各时刻的位移方向的LOF离群因子构建检测点的位移连续偏离程度,包括:
对于各检测点,计算检测点在故障电流输入时刻的坐标与最后一个时刻的坐标的欧式距离,计算检测点在故障电流输入时刻以及故障电流输入时刻之后各时刻的瞬时位移量,计算检测点的所有所述瞬时位移量的和值,获取所述欧式距离与所述和值的差值绝对值,记为第一差值绝对值,将所述第一差值绝对值的相反数作为以自然常数为底的指数函数的指数,计算检测点在所有时刻的位移方向的LOF离群因子的均值,计算1与所述均值的差值绝对值,记为第二差值绝对值,将所述指数函数的计算结果与所述第二差值绝对值的比值作为检测点的位移连续偏离程度。
进一步地,所述根据检测点的电流-位移同变因子以及位移连续偏离程度构建检测点的综合位移偏离因子,包括:
计算绕组线圈上所有检测点的电流-位移同变因子的和值,对于各检测点,计算检测点的电流-位移同变因子与所述和值的比值,将所述比值与检测点的位移连续偏离程度的乘积作为检测点的综合位移偏离因子。
进一步地,所述基于检测点的综合位移偏离因子获取最大位移点,包括:将综合位移偏离因子最大的检测点作为最大位移点。
进一步地,所述根据最大位移点的历史坐标预测未来预设时间内绕组线圈的绕组运动位移量,包括:
根据最大位移点在故障电流输入时刻之后所有时刻的坐标使用ARIMA差分移动自回归模型,预测未来预设时间内所有时刻的坐标,计算最大位移点在故障电流输入时刻的坐标与未来预设时间内最后一个时刻的预测坐标之间的欧式距离,将所述欧式距离作为绕组线圈的绕组运动位移量。
进一步地,所述根据绕组线圈的绕组运动位移量以及最大位移点处的切线方向获取绕组线圈的绕组运动形变量,包括:
获取平面变压器的绕组线圈的最大位移点处在故障电流输入时刻线圈电流的切线方向,将与切线方向垂直的方向记为形变方向,计算绕组运动位移量在形变方向上的分量,作为绕组线圈的绕组运动形变量。
第二方面,本发明实施例还提供了一种平面变压器绕组运动位移测量系统,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项所述方法的步骤。
本发明至少具有如下有益效果:
本发明通过分析平面变压器在正常工作状态下绕组线圈位移量与电流变化量之间的相关关系,根据检测点在不同时刻的坐标获取瞬时位移量和位移方向,结合不同时刻的位移变化量与电流变化的相关程度获得电流-位移同变因子,电流-位移同变因子通过描述位移变化量与电流变化的相关程度反映各检测点处不同时刻坐标测量的准确度;进一步分析检测点在不同时刻的位移变化方向和位移量对最终位移结果的影响,根据检测点处在不同时刻的位移方向变化的一致性以及瞬时位移累加量与总位移量之间的差异获得位移连续偏离程度,位移连续偏离程度反映了检测点的位移变化的连续性;根据电流-位移同变因子设置置信权重,结合位移连续偏离程度获得综合位移偏离因子,综合位移偏离因子反映了检测点在某一方向上的位移的连续变化程度,将综合位移偏离因子最大的检测点作为最大位移点,即最有可能发生形变的检测点;最终根据最大位移点的历史坐标对未来一段时间的坐标进行预测,获得绕组运动形变量,提高了绕组运动位移测量的准确度。
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为本发明一个实施例提供的一种平面变压器绕组运动位移测量方法的步骤流程图;
图2为绕组线圈的检测点示意图;
图3为最大位移点的获取流程示意图。
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,对依据本发明提出的一种平面变压器绕组运动位移测量方法及系统,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,一个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。
下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种平面变压器绕组运动位移测量方法及系统的具体方案。
请参阅图1,其示出了本发明一个实施例提供的一种平面变压器绕组运动位移测量方法的步骤流程图,该方法包括以下步骤:
步骤S001,采集平面变压器的绕组线圈的电流以及绕组线圈上各检测点的坐标。
变压器作为绕组型设备,容易受故障电流电动力破坏,导致绕组变形,为通过检测绕组变形位移对变压器的暂态动稳定性进行检测。在变压器暂态动稳定性试验中,以变压器绕组的铁芯中心位置为中心,竖直向上的方向为z轴,两个相互垂直的水平方向分别为x轴和y轴。在z轴放置一个高速摄像机,摄像机的位置为刚好能够拍摄到整个绕组线圈。在绕组线圈上均匀挑选P个点标记为检测点,绕组线圈的检测点示意图如图2所示,本实施例P=5。检测点的挑选标准为能够均匀分布在绕组线圈的各个方位,实施者可根据实际情况自行挑选检测点。
在变压器暂态动稳定性试验中,以4000帧每秒的速度拍摄绕组线圈,将位于z轴上的摄像机拍摄的绕组线圈在xoy平面上的图像记为z-xoy绕组图像。对于第t个时刻,获取第p个检测点在z-xoy绕组图像上的坐标(),并通过传感器获取绕组线圈中的电流/>。共采集10秒,获得n=40000个时刻的数据。
步骤S002,根据检测点在不同时刻的坐标获取瞬时位移量和位移方向,结合不同时刻的位移变化量与电流变化的相关程度获得电流-位移同变因子;根据各检测点处在不同时刻的位移方向变化的一致性以及瞬时位移累加量与总位移量之间的差异获得位移连续偏离程度;根据电流-位移同变因子设置置信权重,结合位移连续偏离程度获得综合位移偏离因子,进而获得最大位移点。
由于平面变压器的线圈通常是通过印刷电路板技术制造而成的,这种技术可以生产出非常薄和平整的线圈。由于这种制造工艺的限制,使得平面变压器中的线圈只能在平面内运动。因此,可根据检测点在连续时刻的坐标判断检测点的位移程度。
在变压器暂态动稳定性试验中,在第个时刻模拟故障电流,即电流在第/>个时刻发生较大波动。需要说明的是,在实际操作过程中,对于模拟故障电流时刻实施者可自行选取设定,本实施例对此不做特殊限制。在高速相机拍摄的过程中不同坐标位置的检测点受到图像噪声的影响程度不同,位移测量的准确性不同,为了获得准确的绕组位移,首先,对于第p个检测点,将第p个检测点在/>时刻之前的坐标按照时间顺序排列获得第p个检测点的坐标序列,对于第p个检测点在第t个时刻的坐标,将第t+1个时刻的坐标与第t个时刻的坐标之间的欧式距离作为第p个检测点在第t个时刻的瞬时位移量/>。第p个检测点的电流-位移同变因子,计算公式为:
其中,为第p个检测点在第t个时刻的位移方向;/>为反正切函数;、/>分别为第p个检测点在第/>、/>个时刻的纵坐标;/>、/>分别为第p个检测点在第/>、/>个时刻的横坐标;/>为以自然常数为底数的指数函数;/>为第p个检测点的电流-位移同变因子;/>为第p个检测点在第/>个时刻之前所有时刻的位移方向按照时间顺序组成的位移方向序列;/>为取变异系数操作;/>为线性归一化函数;为第p个检测点在第t个时刻的瞬时位移量;/>、/>分别为绕组线圈在第/>个、第个时刻的电流;/>为模拟故障电流输入时刻。变异系数的计算为公知技术,本实施例不再进行赘述。
在时刻之前,绕组线圈中的电流较为稳定,且电流方向不变,磁场强度较为稳定,则绕组线圈的瞬时位移量较小,位移方向的变化越小,则检测点处在不同时刻的位移方向的变异系数越小,越符合绕组运动位移的规律,电流-位移同变因子越大,检测点处的位移测量结果的准确性越高;为统一量纲,对各个时刻的瞬时位移量以及电流变化量进行归一化处理,通过各个时刻的瞬时位移量与电流变化量之间的比值反映电流变化对绕组位移的影响。当两者的比值越接近1时,说明该检测点在各时刻处的位移变化与电流变化越同步,电流-位移同变因子越大,则检测点处的位移变化受到图像噪声的影响程度较小。
在变压器绕组中,由于故障电流的通行,电流在不同位置产生的磁场强度和方向也会有所不同,绕组在受到不同电磁力的作用下,位移变化程度不同。由于故障电流的大小和方向不同,绕组位移的大小和方向也在不断变化,在连续的时间内,部分检测点可能仅在原来位置的局部小范围内移动,而部分检测点会偏离原来位置越来越远,因此在连续的时刻中,位移方向越一致,且位移距离越大的检测点处的绕组越可能发生形变,造成变压器故障。基于上述分析,本实施例对每个检测点处各个时刻的位移方向以及位移轨迹进行分析。首先对第p个检测点在所有时刻的位移方向使用LOF异常检测算法获得每个时刻的位移方向对应的LOF离群因子,LOF异常检测算法的具体流程为公知技术,本实施例不再进行赘述。构建每个检测点的位移连续偏离程度,计算公式为:
其中,为第p个检测点的位移连续偏离程度;/>为第p个检测点在/>时刻的坐标与最后一个时刻/>时刻的坐标之间的欧式距离,记为总位移量;/>为第p个检测点在第t个时刻的瞬时位移量;/>为第p个检测点在所有时刻的位移方向的LOF离群因子的均值;/>为模拟故障电流输入的时刻;/>为采集的时刻总数。
当检测点处在所有时刻的位移方向的LOF离群因子的均值越接近于1时,说明该检测点处不同时刻的位移变化的方向越统一;此时,当模拟故障电流输入时刻的坐标到最后一个时刻的坐标之间的欧式距离与模拟故障电流输入时刻到最后一个时刻之间的每个时刻的瞬时位移量的累加结果相差越小时,说明检测点处的绕组线圈的瞬时位移的累加量越接近于总位移量,则检测点处的绕组线圈偏离原位置越远,检测点的位移连续偏离程度越大。
为了综合评价绕组的位移程度,首先根据各个检测点的电流-位移同变因子对每个检测点设置置信权重,减小图像噪声对位移测量准确程度的影响,结合位移连续偏离程度构建每个检测点的综合位移偏离因子,计算公式为:
其中,为第p个检测点的综合位移偏离因子;/>为第p个检测点的电流-位移同变因子;/>为第k个检测点的电流-位移同变因子;/>为绕组线圈上检测点的数量;/>为第p个检测点的位移连续偏离程度。
电流-位移同变因子描述了检测点处的坐标的准确程度,该检测点处的电流-位移同变因子越大,说明检测点处的位移变化相比于其他检测点的位移变化准确度越高,因此将作为置信权重,评价检测点的位移连续偏离程度的准确性,获得综合位移偏离因子,置信权重越大时位移连续偏离程度越大,说明检测点偏离原位置的程度越大,则综合位移偏离因子越大。
基于上述分析,对绕组运动位移的测量是为了防止绕组形变导致的磁通分布不均匀,造成平面变压器故障。因此,将检测点中综合位移偏离因子最大的检测点作为最大位移点,以最大位移点的形变程度为标准,进一步对绕组的形变程度进行评估。最大位移点的获取流程示意图如图3所示。
步骤S003,根据最大位移点的历史坐标预测未来一段时间内的最大位移点的坐标,进而获得实时的绕组运动形变量。
绕组运动位移的发生,使绕组线圈之间的距离过近,容易导致热量积聚,从而导致线圈过热甚至损坏。由于微小的绕组运动位移对平面变压器的危害较大,且绕组运动在遭遇故障电流时,发生的速度较快,为了实时测量绕组运动位移,防止造成更大的损失,本实施例根据最大位移点在时刻之后的所有时刻的坐标使用ARIMA差分移动自回归模型预测未来T秒内所有时刻的坐标,T的取值实施者可自行选取,本实施例中T为1,则绕组线圈的绕组运动位移量/>表示为未来T秒内最后一个时刻的预测坐标与/>时刻的坐标之间的欧式距离。
平面变压器的绕组线圈的缠绕通常为方形或椭圆形,获取绕组线圈的最大位移点处在时刻线圈电流的切线方向,将与切线方向垂直的方向记为形变方向,计算绕组运动位移量在形变方向上的分量,作为绕组线圈的绕组运动形变量。
进一步,设置安全阈值,安全阈值/>的设定实施者可自行选取,本实施例中/>=200um,当绕组运动形变量大于安全阈值/>时,绕组线圈发生形变,需要拆卸绕组,对绕组导线进行维修,否则,绕组线圈未发生形变,不需要对绕组导线进行维修。
基于与上述方法相同的发明构思,本发明实施例还提供了一种平面变压器绕组运动位移测量系统,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种平面变压器绕组运动位移测量方法中任意一项所述方法的步骤。
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。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。