本發(fā)明屬于高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種變壓器直流偏磁故障診斷方法及裝置。

背景技術(shù)：

作為電力主干網(wǎng)絡(luò)的一部分，變壓器的可靠運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行意義重大。隨著大容量、長(zhǎng)距離直流輸電的運(yùn)用，以單極大地回路方式運(yùn)行的直流輸電系統(tǒng)的接地極電流會(huì)通過(guò)變壓器中性點(diǎn)流過(guò)變壓器繞組，引起變壓器直流偏磁，導(dǎo)致變壓器噪聲增加、鐵芯過(guò)熱等危害，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行極為不利。目前，許多超高壓、特高壓項(xiàng)目對(duì)變壓器耐受直流偏磁能力提出了明確的要求，為了保證電網(wǎng)系統(tǒng)及產(chǎn)品安全性，有必要開(kāi)展變壓器直流偏磁狀態(tài)分析研究。

目前對(duì)直流偏磁故障的研究，大多是通過(guò)對(duì)變壓器直流接地電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理與分析，對(duì)變壓器運(yùn)行中出現(xiàn)的直流偏磁現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警。本發(fā)明通過(guò)對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)來(lái)對(duì)直流偏磁故障進(jìn)行判斷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種變壓器直流偏磁故障診斷方法，以實(shí)現(xiàn)不通過(guò)直流接地信號(hào)對(duì)變壓器直流偏磁故障進(jìn)行檢測(cè)和判斷。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種變壓器直流偏磁故障診斷方法，方法方案一：包括如下步驟：

1)采集變壓器振動(dòng)信號(hào)；

2)將變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到時(shí)域波形；

3)將時(shí)域波形進(jìn)行時(shí)-頻轉(zhuǎn)換，得到變壓器振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率特性波形和三維時(shí)間-頻率-幅值譜圖；

4)根據(jù)瞬時(shí)頻率特性波形以及時(shí)間-頻率-幅值譜圖，提取頻率大于1000Hz的幅值特性，以頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性為特征量；

5)將變壓器振動(dòng)信號(hào)的特征量與樣本庫(kù)中對(duì)應(yīng)的特征量進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否存在直流偏磁故障；樣本庫(kù)中存儲(chǔ)直流偏磁故障情況下不同頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性。

方法方案二：在方法方案一的基礎(chǔ)上，還包括預(yù)判方法，包括如下步驟：

1)采集步驟：采集變壓器直流接地信號(hào)和變壓器運(yùn)行參數(shù)；

2)閾值判斷步驟：對(duì)變壓器直流接地信號(hào)與直流接地信號(hào)閾值進(jìn)行比較，若大于直流接地信號(hào)閾值，則進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)比較；

3)歷史數(shù)據(jù)比較步驟：若變壓器直流接地信號(hào)、運(yùn)行參數(shù)與對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)相比，差異滿足設(shè)定條件，則再通過(guò)變壓器振動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行直流偏磁故障的判斷。

方法方案三：在方法方案一的基礎(chǔ)上，對(duì)于三相分體變壓器，還包括預(yù)判方法：做縱橫比計(jì)算，若滿足條件，再通過(guò)變壓器振動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行直流偏磁故障的判斷。

方法方案四：在方法方案二的基礎(chǔ)上，所述變壓器運(yùn)行參數(shù)包括變壓器運(yùn)行電壓、負(fù)載電流、頂層油溫和繞組溫度。

方法方案五：在方法方案二的基礎(chǔ)上，所述閾值比較公式為：

I_A(t)>I_T

變壓器直流接地信號(hào)歷史數(shù)據(jù)比較公式為：

$\frac{I_{A\left(t\right)}-I_{A(t-1)}}{I_{A(t-1)}}\×100\%\≥K_1$

其中I_A(t)為本次直流接地信號(hào)采樣值，I_A(t-1)為上次直流接地信號(hào)采樣值；

變壓器運(yùn)行參數(shù)歷史數(shù)據(jù)比較公式為：

$\left|\frac{M_t-M_{t-1}}{M_{t-1}}\right|\×100\%\≥K_2$

其中M_t為本次運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采樣值，M_t-1為上次運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采樣值。

方法方案六：在方法方案三的基礎(chǔ)上，所述縱橫比計(jì)算公式為：

$\left|\frac{X_t/(Y_t+Z_t)-X_{t-1}/(Y_{t-1}+Z_{t-1})}{X_t/(Y_t+Z_t)}\right|\×100\%\≥K_{tsh}$

其中X_t、Y_t、Z_t分別為三相分體變壓器A、B、C三相的同一運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前采樣值，X_t-1、Y_t-1、Z_t-1分別為三相分體變壓器對(duì)應(yīng)相同運(yùn)行參數(shù)的上次采樣值。

方法方案七：在方法方案一、方法方案二、方法方案三任一方案的基礎(chǔ)上，還包括將采集的變壓器振動(dòng)信號(hào)經(jīng)調(diào)理、放大、A/D及光電轉(zhuǎn)換，以FT3格式輸出待測(cè)信號(hào)的振動(dòng)時(shí)域波形，并對(duì)時(shí)域波形采用濾波算法進(jìn)行降噪處理的步驟，濾波效果采用均方根誤差：

$d=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(y\right(n)-f(n\left)\right)}^2}$

來(lái)衡量。

方法方案八：在方法方案一、方法方案二、方法方案三任一方案的基礎(chǔ)上，所述相關(guān)性計(jì)算為Pearson相關(guān)性計(jì)算方法：

${\mathrm{\ρ}}_{X,Y}=\frac{E(X,Y)-E\left(X\right)E\left(Y\right)}{\sqrt{E\left(X^2\right)-E^2\left(X\right)}\sqrt{E\left(Y^2\right)-E^2\left(Y\right)}}$

其中X為待識(shí)別變壓器數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的特征向量，Y為樣本庫(kù)中某一故障類型的特征向量，ρ_X,Y為相關(guān)系數(shù)；ρ_X,Y的絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)。

方法方案九：在方法方案五的基礎(chǔ)上，所述K₁＝30％，K₂＝20％。

方法方案十：在方法方案六的基礎(chǔ)上，所述K_tsh＝30％。

本發(fā)明還提供一種變壓器直流偏磁故障診斷裝置，裝置方案一：包括如下單元：

1)用于采集變壓器振動(dòng)信號(hào)的單元；

2)用于將變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到時(shí)域波形的單元；

3)用于將時(shí)域波形進(jìn)行時(shí)-頻轉(zhuǎn)換，得到變壓器振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率特性波形和三維時(shí)間-頻率-幅值譜圖的單元；

4)用于根據(jù)瞬時(shí)頻率特性波形以及時(shí)間-頻率-幅值譜圖，提取頻率大于1000Hz的幅值特性，以頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性為特征量的單元；

5)用于將變壓器振動(dòng)信號(hào)的特征量與樣本庫(kù)中對(duì)應(yīng)的特征量進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否存在直流偏磁故障的單元；樣本庫(kù)中存儲(chǔ)直流偏磁故障情況下不同頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性。

裝置方案二：在裝置方案一的基礎(chǔ)上，還包括用于預(yù)判的單元，包括如下模塊：

a)采集模塊：采集變壓器直流接地信號(hào)和變壓器運(yùn)行參數(shù)；

b)閾值判斷模塊：對(duì)變壓器直流接地信號(hào)與直流接地信號(hào)閾值進(jìn)行比較，若大于直流接地信號(hào)閾值，則進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)比較；

c)歷史數(shù)據(jù)比較模塊：若變壓器直流接地信號(hào)、運(yùn)行參數(shù)與對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)相比，差異滿足設(shè)定條件，則再通過(guò)變壓器振動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行直流偏磁故障的判斷。

裝置方案三：在裝置方案一的基礎(chǔ)上，對(duì)于三相分體變壓器，還包括預(yù)判單元：做縱橫比計(jì)算，若滿足條件，再通過(guò)變壓器振動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行直流偏磁故障的判斷。

裝置方案四：在裝置方案二的基礎(chǔ)上，所述變壓器運(yùn)行參數(shù)包括變壓器運(yùn)行電壓、負(fù)載電流、頂層油溫和繞組溫度。

裝置方案五：在裝置方案二的基礎(chǔ)上，所述閾值比較公式為：

I_A(t)>I_T

變壓器直流接地信號(hào)歷史數(shù)據(jù)比較公式為：

$\frac{I_{A\left(t\right)}-I_{A(t-1)}}{I_{A(t-1)}}\×100\%\≥K_1$

其中I_A(t)為本次直流接地信號(hào)采樣值，I_A(t-1)為上次直流接地信號(hào)采樣值；

變壓器運(yùn)行參數(shù)歷史數(shù)據(jù)比較公式為：

$\left|\frac{M_t-M_{t-1}}{M_{t-1}}\right|\×100\%\≥K_2$

其中M_t為本次運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采樣值，M_t-1為上次運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采樣值。

裝置方案六：在裝置方案三的基礎(chǔ)上，所述縱橫比計(jì)算公式為：

$\left|\frac{X_t/(Y_t+Z_t)-X_{t-1}/(Y_{t-1}+Z_{t-1})}{X_t/(Y_t+Z_t)}\right|\×100\%\≥K_{tsh}$

其中X_t、Y_t、Z_t分別為三相分體變壓器A、B、C三相的同一運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前采樣值，X_t-1、Y_t-1、Z_t-1分別為三相分體變壓器對(duì)應(yīng)相同運(yùn)行參數(shù)的上次采樣值。

裝置方案七，在裝置方案一、裝置方案二、裝置方案三任一方案的基礎(chǔ)上，還包括將用于采集的變壓器振動(dòng)信號(hào)經(jīng)調(diào)理、放大、A/D及光電轉(zhuǎn)換，以FT3格式輸出待測(cè)信號(hào)的振動(dòng)時(shí)域波形，并對(duì)時(shí)域波形采用濾波算法進(jìn)行降噪處理的單元，濾波效果采用均方根誤差：

$d=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(y\right(n)-f(n\left)\right)}^2}$

來(lái)衡量。

裝置方案八，在裝置方案一、裝置方案二、裝置方案三任一方案的基礎(chǔ)上，所述相關(guān)性計(jì)算為Pearson相關(guān)性計(jì)算方法：

${\mathrm{\ρ}}_{X,Y}=\frac{E(X,Y)-E\left(X\right)E\left(Y\right)}{\sqrt{E\left(X^2\right)-E^2\left(X\right)}\sqrt{E\left(Y^2\right)-E^2\left(Y\right)}}$

其中X為待識(shí)別變壓器數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的特征向量，Y為樣本庫(kù)中某一故障類型的特征向量，ρ_X,Y為相關(guān)系數(shù)；ρ_X,Y的絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)。

裝置方案九，在裝置方案五的基礎(chǔ)上，所述K₁＝30％，K₂＝20％

裝置方案十，在裝置方案六的基礎(chǔ)上，所述K_tsh＝30％。

本發(fā)明的有益效果是：將采集的變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，得到振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形、瞬時(shí)頻率波形和三維時(shí)間-頻率-幅值譜圖，提取頻率大于1000Hz的幅值特性，以頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性為特征量，將變壓器振動(dòng)信號(hào)的特征量與樣本庫(kù)中對(duì)應(yīng)的特征量進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否存在直流偏磁故障。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)不通過(guò)直流接地信號(hào)對(duì)變壓器直流偏磁故障進(jìn)行檢測(cè)和判斷，能夠提高變壓器故障診斷的準(zhǔn)確率和可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的變壓器直流偏磁故障診斷方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示為變壓器直流偏磁故障診斷方法流程圖。

1)變壓器投入運(yùn)行后，采集變壓器在實(shí)際負(fù)載運(yùn)行工況下的振動(dòng)信號(hào)，以及直流接地信號(hào)和變壓器運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)行參數(shù)包括變壓器運(yùn)行電壓、負(fù)載電流、頂層油溫和繞組溫度。

2)將采集的變壓器振動(dòng)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理、放大、A/D及光電轉(zhuǎn)換，以FT3格式輸出原始及待測(cè)信號(hào)的振動(dòng)時(shí)域波形。對(duì)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形進(jìn)行降噪處理，濾除隨機(jī)噪聲和尖峰脈沖干擾。例如，可以采用長(zhǎng)度為7的直線結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行形態(tài)濾波(當(dāng)然也可以采用其他濾波方法)，濾波效果用均方根誤差：

$d=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left(y\right(n)-f(n\left)\right)}^2}$

來(lái)衡量，d越小越好，可根據(jù)需要設(shè)定d的閾值。若誤差較大，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)元素的長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)選。

3)對(duì)變壓器直流偏磁故障進(jìn)行預(yù)判：

將變壓器直流接地電流采樣值I_A(t)與直流接地閾值I_T作比較，若

I_A(t)>I_T

則進(jìn)一步進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)比較，若

$\frac{I_{A\left(t\right)}-I_{A(t-1)}}{I_{A(t-1)}}\×100\%\≥K_1$

且運(yùn)行參數(shù)存在

$\left|\frac{M_t-M_{t-1}}{M_{t-1}}\right|\×100\%\≥K_2=20\%$

則認(rèn)為可能存在直流偏磁故障，再通過(guò)變壓器振動(dòng)信號(hào)對(duì)直流偏磁故障進(jìn)行判斷。其中I_A(t)為本次直流接地信號(hào)采樣值，I_A(t-1)為上次直流接地信號(hào)采樣值；M_t為本次運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采樣值，M_t-1為上次運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)采樣值。當(dāng)然，可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整K₁、K₂的值。

4)對(duì)三相分體變壓器，還可以通過(guò)縱橫比計(jì)算來(lái)對(duì)直流偏磁故障進(jìn)行預(yù)判：

$\left|\frac{X_t/(Y_t+Z_t)-X_{t-1}/{\mathrm{\α}}_{t-1}+Z_{t-1})}{X_t/(Y_t+Z_t)}\right|\×100\%\≥K_{tsh}=30\%$

則認(rèn)為可能存在直流偏磁故障，再通過(guò)變壓器振動(dòng)信號(hào)對(duì)直流偏磁故障進(jìn)行判斷。其中X_t、Y_t、Z_t分別為三相分體變壓器A、B、C三相的同一運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前采樣值，X_t-1、Y_t-1、Z_t-1分別為三相分體變壓器對(duì)應(yīng)相同運(yùn)行參數(shù)的上次采樣值。當(dāng)然，可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整K_tsh的值。

5)將待測(cè)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域波形進(jìn)行歸一化處理，將時(shí)域信號(hào)進(jìn)行時(shí)-頻轉(zhuǎn)換，得到待測(cè)振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率特性波形以及三維時(shí)間-頻率-幅值譜圖。根據(jù)瞬時(shí)頻率特性波形以及時(shí)間-頻率-幅值譜圖，提取頻率大于1000Hz的幅值特性，以頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性為特征量。

在本實(shí)施例中，有四路通道。采樣頻率為10kHz，采樣持續(xù)1s，采樣時(shí)間間隔為10s。統(tǒng)計(jì)每一個(gè)通道每1s的振動(dòng)數(shù)據(jù)，每通道為10000個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)濾波處理后生成4*10000的二維數(shù)組，該數(shù)組包含通道編號(hào)和采樣時(shí)刻。對(duì)四個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將相同時(shí)序的采樣數(shù)據(jù)疊加到一個(gè)通道，進(jìn)行均值化處理，生成一個(gè)有10000個(gè)數(shù)據(jù)的一維數(shù)組。

對(duì)上述時(shí)序振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，得到振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率特性以及三維時(shí)間-頻率-幅值譜圖。針對(duì)瞬時(shí)頻率譜圖以及時(shí)間-頻率-幅值譜圖，提取變壓器振動(dòng)數(shù)據(jù)的6個(gè)特征量如表1所示：

表1

6)將上述每種振動(dòng)頻率下變壓器振動(dòng)信號(hào)的特征量與樣本庫(kù)中的對(duì)應(yīng)的特征量進(jìn)行Pearson相關(guān)性計(jì)算：

${\mathrm{\ρ}}_{X,Y}=\frac{E(X,Y)-E\left(X\right)E\left(Y\right)}{\sqrt{E\left(X^2\right)-E^2\left(X\right)}\sqrt{E\left(Y^2\right)-E^2\left(Y\right)}}$

X為待識(shí)別變壓器數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的特征向量，Y為樣本庫(kù)中某一故障類型的特征向量，ρ_X,Y為相關(guān)系數(shù)；ρ_X,Y的絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)。其中，樣本庫(kù)中存儲(chǔ)直流偏磁故障情況下不同頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性。只要任一振動(dòng)頻率下的幅值特性對(duì)應(yīng)計(jì)算的相關(guān)系數(shù)的大小在規(guī)定范圍內(nèi)，則可以判定為變壓器直流偏磁故障。

作為其他實(shí)施方式，除了上述的Pearson相關(guān)性計(jì)算方法，也可以采用其他的驗(yàn)證相關(guān)性程度的公式或算法。

在本實(shí)施例中，在對(duì)變壓器的運(yùn)行參數(shù)和直流接地信號(hào)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)判斷時(shí)，是與上次的運(yùn)行參數(shù)和直流接地信號(hào)作比較。作為其他實(shí)施方式，還可以與上兩次的運(yùn)行參數(shù)和直流接地信號(hào)作比較來(lái)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的比較。

在本實(shí)施例中，根據(jù)瞬時(shí)頻率特性波形以及時(shí)間-頻率-幅值譜圖，提取頻率大于1000Hz的幅值特性，以頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性為特征量；將變壓器振動(dòng)信號(hào)的特征量與樣本庫(kù)中對(duì)應(yīng)的特征量進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否存在直流偏磁故障之前，通過(guò)采集的變壓器直流接地信號(hào)和變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)是否存在直流偏磁故障進(jìn)行了預(yù)判，具體方法是通過(guò)直流接地信號(hào)閾值判斷條件滿足的情況下，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；或者對(duì)于三相分體變壓器可以采用三相縱橫比判斷方法。綜合變壓器振動(dòng)信號(hào)、直流接地電流信號(hào)以及運(yùn)行參數(shù)對(duì)變壓器直流偏磁故障進(jìn)行檢測(cè)和判斷，提高了變壓器故障診斷的確診率和可靠性。作為其他實(shí)施方式，可以不進(jìn)行預(yù)判，直接采用上述采集變壓器振動(dòng)信號(hào)，提取特征量來(lái)對(duì)直流偏磁故障進(jìn)行判斷。

本發(fā)明還提供一種變壓器直流偏磁故障診斷裝置，包括如下單元：

1)用于采集變壓器振動(dòng)信號(hào)的單元；

2)用于將變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到時(shí)域波形的單元；

3)用于將時(shí)域波形進(jìn)行時(shí)-頻轉(zhuǎn)換，得到變壓器振動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)頻率特性波形和三維時(shí)間-頻率-幅值譜圖的單元；

4)用于根據(jù)瞬時(shí)頻率特性波形以及時(shí)間-頻率-幅值譜圖，提取頻率大于1000Hz的幅值特性，以頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性為特征量的單元；

5)用于將變壓器振動(dòng)信號(hào)的特征量與樣本庫(kù)中對(duì)應(yīng)的特征量進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否存在直流偏磁故障單元；樣本庫(kù)中存儲(chǔ)直流偏磁故障情況下不同頻率對(duì)應(yīng)的幅值特性。

上述變壓器直流偏磁故障診斷裝置，實(shí)際上是基于本發(fā)明方法流程的一種計(jì)算機(jī)解決方案，即一種軟件構(gòu)架，上述各單元即為與方法流程相對(duì)應(yīng)的各處理進(jìn)程或程序。由于對(duì)上述方法的介紹已經(jīng)足夠清楚完整，故不再對(duì)該裝置進(jìn)行詳細(xì)描述。