配电变压器模型参数估计方法、装置、设备和存储介质与流程

本发明属于配电变压器技术领域，特别是涉及配电变压器模型参数估计方法、装置、设备和存储介质。

背景技术：

配电变压器是配电网的重要资产，当其出现包括停电和着火在内的灾难性后果时，会给电网和用户带来严重的经济利益损失。配电变压器包括铁芯、绕组、绝缘装置在内的组成部分，可以等效为一个电阻、电容和电感连接组成的电路，任何机械变形或绝缘装置的退化都会导致这些参数的变化。因此，建立一个可靠的配电变压器中低频模型对配电变压器的运行状态的分析是必不可少的，工频变压器的模型参数可以通过一些实验测量来确定，如开路和短路测试，中低频频变压器的模型参数一般根据变压器的精确物理参数进行计算得到，但由于厂家生产保密和运行年限过久，部分参数可能无法获得，因此亟需一种应用方便，无需变压器本体参数即可估算等效电路参数的估计方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了配电变压器模型参数估计方法、装置、设备和存储介质，无需变压器本体参数即可方便的估计出等效电路的参数，便于配电变压器仿真建模和内部故障的识别。

本发明提供的配电变压器模型参数估计方法包括：

获取配电变压器的中低频频率响应信号，获得传递函数值的测量值；

绘制配电变压器的等效电路，结合配电变压器状态空间微分方程，计算所述配电变压器的传递函数值的计算值；

使用遗传算法估计所述配电变压器的模型参数。

优选的，在上述配电变压器模型参数估计方法中，所述获取配电变压器的中低频频率响应信号，获得传递函数值的测量值包括：

向所述配电变压器的低压侧的其中一相绕组端子注入一个低振幅、可变频率的正弦波电压，并在高压侧的同相绕组端子处捕获响应信号，得到以中低频频率响应信号表示的所述传递函数值的测量值为：

其中，vin为所述低压侧的输入电压幅值，vout为所述高压侧的输出电压幅值。

优选的，在上述配电变压器模型参数估计方法中，所述绘制配电变压器的等效电路，结合配电变压器状态空间微分方程，计算所述配电变压器的传递函数值的计算值包括：

根据配电变压器的电磁传递特性，绘制出配电变压器的等效电路图，对图中的各个节点运用基尔霍夫定律，得到配电变压器的等效电路的状态空间微分方程为：

式中，表示对变量vk取对时间的微分；

其中，gh0为高压绕组与接地箱体间的绝缘电导，ch0为高压绕组与接地箱体间的绝缘电容，gh为高压绕组电导，ch为高压绕组电容，rh为高压绕组电阻，lh为高压绕组电感，ghl为高低压绕组间的绝缘电导，chl为高低压绕组间的绝缘电容，gl0为低压绕组与接地铁芯间的绝缘电导，cl0为低压绕组与接地铁芯间的绝缘电容，gl为低压绕组电导，cl为低压绕组电容，rl为低压绕组电阻，ll为低压绕组电感，vj-1、vj、vj+1、vj+2分别为节点j-1、j、j+1、j+2的电压，ij-1、ij、ij+1分别为节点j-1、j、j+1流出的电流，vi-1、vi、vi+1、vi+2分别为节点i-1、i、i+1、i+2的电压，ii-1、ii、ii+1分别为节点i-1、i、i+1流出的电流；

结合所述等效电路图和所述状态空间微分方程，在某一输入电压和电流频率下各元件参数确定后，利用matlab软件计算配电变压器的传递函数值的计算值。

优选的，在上述配电变压器模型参数估计方法中，所述使用遗传算法估计所述配电变压器的模型参数包括：

所述遗传算法的目标函数为测量得到的传递函数值的测量值与传递函数值的计算值之间的误差最小，即

minj＝j1+j2

其中，j为遗传算法目标函数，j1和j2分别为全频率点子目标函数和谐振频率点子目标函数，(|tf|m)measured和(|tf|m)estimated分别为在频率点m处测量得到的传递函数值和估计的传递函数值，n为频率点的总数，(|tf|mr)measured和(|tf|mr)estimated分别为在谐振频率点mr处测量的传递函数值的测量值和传递函数值的计算值，z为谐振频率点总数。

本发明提供的配电变压器模型参数估计装置包括：

传递函数值测量值获得单元，用于获取配电变压器的中低频频率响应信号，获得传递函数值的测量值；

传递函数值计算值计算单元，用于绘制配电变压器的等效电路，结合配电变压器状态空间微分方程，计算所述配电变压器的传递函数值的计算值；

模型参数估计单元，用于使用遗传算法估计所述配电变压器的模型参数。

优选的，在上述配电变压器模型参数估计装置中，所述传递函数值测量值获得单元具体用于：

向所述配电变压器的低压侧的其中一相绕组端子注入一个低振幅、可变频率的正弦波电压，并在高压侧的同相绕组端子处捕获响应信号，得到以中低频频率响应信号表示的所述传递函数值的测量值为：

其中，vin为所述低压侧的输入电压幅值，vout为所述高压侧的输出电压幅值。

优选的，在上述配电变压器模型参数估计装置中，所述传递函数值计算值计算单元具体用于：

根据配电变压器的电磁传递特性，绘制出配电变压器的等效电路图，对图中的各个节点运用基尔霍夫定律，得到配电变压器的等效电路的状态空间微分方程为：

式中，表示对变量vk取对时间的微分；

其中，gh0为高压绕组与接地箱体间的绝缘电导，ch0为高压绕组与接地箱体间的绝缘电容，gh为高压绕组电导，ch为高压绕组电容，rh为高压绕组电阻，lh为高压绕组电感，ghl为高低压绕组间的绝缘电导，chl为高低压绕组间的绝缘电容，gl0为低压绕组与接地铁芯间的绝缘电导，cl0为低压绕组与接地铁芯间的绝缘电容，gl为低压绕组电导，cl为低压绕组电容，rl为低压绕组电阻，ll为低压绕组电感，vj-1、vj、vj+1、vj+2分别为节点j-1、j、j+1、j+2的电压，ij-1、ij、ij+1分别为节点j-1、j、j+1流出的电流，vi-1、vi、vi+1、vi+2分别为节点i-1、i、i+1、i+2的电压，ii-1、ii、ii+1分别为节点i-1、i、i+1流出的电流；

结合所述等效电路图和所述状态空间微分方程，在某一输入电压和电流频率下各元件参数确定后，利用matlab软件计算配电变压器的传递函数值的计算值。

优选的，在上述配电变压器模型参数估计装置中，所述模型参数估计单元具体用于：

所述遗传算法的目标函数为测量得到的传递函数值的测量值与传递函数值的计算值之间的误差最小，即

minj＝j1+j2

其中，j为遗传算法目标函数，j1和j2分别为全频率点子目标函数和谐振频率点子目标函数，(|tf|m)measured和(|tf|m)estimated分别为在频率点m处测量得到的传递函数值和估计的传递函数值，n为频率点的总数，(|tf|mr)measured和(|tf|mr)estimated分别为在谐振频率点mr处测量的传递函数值的测量值和传递函数值的计算值，z为谐振频率点总数。

本发明提供的一种计算机设备包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上面任一项所述配电变压器模型参数估计方法的步骤。

本发明提供的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上面任一项所述配电变压器模型参数估计方法的步骤。

通过上述描述可知，本发明提供的上述配电变压器模型参数估计方法，由于包括获取配电变压器的中低频频率响应信号，获得传递函数值的测量值；绘制配电变压器的等效电路，结合配电变压器状态空间微分方程，计算所述配电变压器的传递函数值的计算值；使用遗传算法估计所述配电变压器的模型参数，因此能够无需变压器本体参数即可方便的估计出等效电路的参数，便于配电变压器仿真建模和内部故障的识别。本发明提供的上述配电变压器模型参数估计装置、设备和存储介质具有与上述方法相同的优点。

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，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的配电变压器模型参数估计方法的实施例的示意图；

图2为本申请采用的配电变压器的等效电路图；

图3为本发明提供的配电变压器模型参数估计装置的实施例的示意图；

图4为本发明提供的一种计算机设备的实施例的示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供配电变压器模型参数估计方法、装置、设备和存储介质，无需变压器本体参数即可方便的估计出等效电路的参数，便于配电变压器仿真建模和内部故障的识别。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的配电变压器模型参数估计方法的实施例如图1所示，图1为本发明提供的配电变压器模型参数估计方法的实施例的示意图，该方法可以包括如下步骤：

s1：获取配电变压器的中低频频率响应信号，获得传递函数值的测量值；

具体的，可以包括向配电变压器的低压侧的其中一相绕组端子注入一个低振幅、可变频率的正弦波电压，具体的频率可以但不限于为1hz至5hz，并在高压侧的同相绕组端子处捕获响应信号，得到以中低频频率响应信号表示的传递函数值的测量值为：

其中，vin为低压侧的输入电压幅值，vout为高压侧的输出电压幅值。

s2：绘制配电变压器的等效电路，结合配电变压器状态空间微分方程，计算配电变压器的传递函数值的计算值；

具体的，可以根据配电变压器的电磁传递特性，绘制出配电变压器的等效电路图，可以参考图2，图2为本申请采用的配电变压器的等效电路图，根据配电变压器的电磁传递特性，在进行配电变压器的等效时，高压绕组模型用高压绕组的电阻rh和电感lh串联后与电导gh、电容ch并联表示；低压绕组模型用低压绕组的电阻rl和电感ll串联后与电导gl、电容cl并联表示；高低压绕组间的绝缘模型由绝缘电容chl和绝缘电导ghl并联而成；低压绕组与接地铁芯间的绝缘模型由低压绕组与接地铁芯间的绝缘电导gl0和绝缘电容cl0的二分之一并联而成；高压绕组与接地箱体间的绝缘模型由高压绕组与接地箱体间的绝缘电导gh0和绝缘电容ch0的二分之一并联而成。在连接方式上：a相高压绕组模型两端分别接入节点j-1和j，a相低压绕组模型两端分别接入节点i-1和i，节点j-1和i-1间通过高低压绕组间的绝缘模型相连，a相低压绕组与接地铁芯间的绝缘模型一端接入节点j-1、另一端接地，a相高压绕组与接地箱体间的绝缘模型一端接入节点i-1、另一端接地；b、c相的各模型连接方式与a相相同，只是节点编号分别增加1和2。

对图中的各个节点运用基尔霍夫定律，得到配电变压器的等效电路的状态空间微分方程为：

式中，表示对变量vk取对时间的微分；

其中，gh0为高压绕组与接地箱体间的绝缘电导，ch0为高压绕组与接地箱体间的绝缘电容，gh为高压绕组电导，ch为高压绕组电容，rh为高压绕组电阻，lh为高压绕组电感，ghl为高低压绕组间的绝缘电导，chl为高低压绕组间的绝缘电容，gl0为低压绕组与接地铁芯间的绝缘电导，cl0为低压绕组与接地铁芯间的绝缘电容，gl为低压绕组电导，cl为低压绕组电容，rl为低压绕组电阻，ll为低压绕组电感，vj-1、vj、vj+1、vj+2分别为节点j-1、j、j+1、j+2的电压，ij-1、ij、ij+1分别为节点j-1、j、j+1流出的电流，vi-1、vi、vi+1、vi+2分别为节点i-1、i、i+1、i+2的电压，ii-1、ii、ii+1分别为节点i-1、i、i+1流出的电流；

结合等效电路图和状态空间微分方程，在某一输入电压和电流频率下各元件参数确定后，利用matlab软件计算配电变压器的传递函数值的计算值。

s3：使用遗传算法估计配电变压器的模型参数。

需要说明的是，该遗传算法的核心在于：根据中低频输入下测量得到的配电变压器传递函数值的计算值，采用遗传算法估算各元件参数，代入至推导得到传递函数值计算程序中，使计算得到的传递函数值逐渐逼近匹配上述传递函数值的测量值，最终得到满足使用精度要求的变压器模型参数值。

通过上述描述可知，本发明提供的上述配电变压器模型参数估计方法的实施例中，由于包括获取配电变压器的中低频频率响应信号，获得传递函数值的测量值；绘制配电变压器的等效电路，结合配电变压器状态空间微分方程，计算配电变压器的传递函数值的计算值；使用遗传算法估计配电变压器的模型参数，因此能够无需变压器本体参数即可方便的估计出等效电路的参数，便于配电变压器仿真建模和内部故障的识别。

在上述配电变压器模型参数估计方法的一个具体实施例中，使用遗传算法估计配电变压器的模型参数可以包括如下方式：

遗传算法的目标函数为测量得到的传递函数值的测量值与传递函数值的计算值之间的误差最小，即

minj＝j1+j2

其中，j为遗传算法目标函数，j1和j2分别为全频率点子目标函数和谐振频率点子目标函数，(|tf|m)measured和(|tf|m)estimated分别为在频率点m处测量得到的传递函数值和估计的传递函数值，n为频率点的总数，(|tf|mr)measured和(|tf|mr)estimated分别为在谐振频率点mr处测量的传递函数值的测量值和传递函数值的计算值，z为谐振频率点总数。

具体而言，该算法的计算流程可以包括如下4个步骤：

1)初始化：创建配电变压器等效电路元件电气参数的随机初始种群；

2)评估：根据上一步定义的参数和图2的等效电路，计算估计的传递函数响应值，并与实际测量得到的响应值进行比较，评估上述公式中的目标函数；

3)更新：应用选择和繁殖算子(精英论、交叉和变异)创建一个新的种群，并将最优异的个体复制到新创建的种群中；

4)终止：重复上述更新过程，直到目标函数达到全局最小值或迭代次数达到最大值。

本发明提供的配电变压器模型参数估计装置的实施例如图3所示，图3为本发明提供的配电变压器模型参数估计装置的实施例的示意图，该装置包括：

传递函数值测量值获得单元301，用于获取配电变压器的中低频频率响应信号，获得传递函数值的测量值，具体的，该传递函数值测量值获得单元可以用于向配电变压器的低压侧的其中一相绕组端子注入一个低振幅、可变频率的正弦波电压，具体的频率可以但不限于为1hz至5hz，并在高压侧的同相绕组端子处捕获响应信号，得到以中低频频率响应信号表示的传递函数值的测量值为：

其中，vin为低压侧的输入电压幅值，vout为高压侧的输出电压幅值；

传递函数值计算值计算单元302，用于绘制配电变压器的等效电路，结合配电变压器状态空间微分方程，计算配电变压器的传递函数值的计算值，根据配电变压器的电磁传递特性，绘制出配电变压器的等效电路图，对图中的各个节点运用基尔霍夫定律，得到配电变压器的等效电路的状态空间微分方程为：

式中，表示对变量vk取对时间的微分；

其中，gh0为高压绕组与接地箱体间的绝缘电导，ch0为高压绕组与接地箱体间的绝缘电容，gh为高压绕组电导，ch为高压绕组电容，rh为高压绕组电阻，lh为高压绕组电感，ghl为高低压绕组间的绝缘电导，chl为高低压绕组间的绝缘电容，gl0为低压绕组与接地铁芯间的绝缘电导，cl0为低压绕组与接地铁芯间的绝缘电容，gl为低压绕组电导，cl为低压绕组电容，rl为低压绕组电阻，ll为低压绕组电感，vj-1、vj、vj+1、vj+2分别为节点j-1、j、j+1、j+2的电压，ij-1、ij、ij+1分别为节点j-1、j、j+1流出的电流，vi-1、vi、vi+1、vi+2分别为节点i-1、i、i+1、i+2的电压，ii-1、ii、ii+1分别为节点i-1、i、i+1流出的电流；

结合等效电路图和状态空间微分方程，在某一输入电压和电流频率下各元件参数确定后，利用matlab软件计算配电变压器的传递函数值的计算值；

模型参数估计单元303，用于使用遗传算法估计配电变压器的模型参数，需要说明的是，该遗传算法的核心在于：根据中低频输入下测量得到的配电变压器传递函数值的计算值，采用遗传算法估算各元件参数，代入至推导得到传递函数值计算程序中，使计算得到的传递函数值逐渐逼近匹配上述传递函数值的测量值，最终得到满足使用精度要求的变压器模型参数值。

在上述配电变压器模型参数估计装置的一个具体实施例中，模型参数估计单元具体可以用于：

遗传算法的目标函数为测量得到的传递函数值的测量值与传递函数值的计算值之间的误差最小，即

minj＝j1+j2

其中，j为遗传算法目标函数，j1和j2分别为全频率点子目标函数和谐振频率点子目标函数，(|tf|m)measured和(|tf|m)estimated分别为在频率点m处测量得到的传递函数值和估计的传递函数值，n为频率点的总数，(|tf|mr)measured和(|tf|mr)estimated分别为在谐振频率点mr处测量的传递函数值的测量值和传递函数值的计算值，z为谐振频率点总数。

具体而言，该算法的计算流程可以包括如下4个步骤：

1)初始化：创建配电变压器等效电路元件电气参数的随机初始种群；

2)评估：根据上一步定义的参数和图2的等效电路，计算估计的传递函数响应值，并与实际测量得到的响应值进行比较，评估上述公式中的目标函数；

3)更新：应用选择和繁殖算子(精英论、交叉和变异)创建一个新的种群，并将最优异的个体复制到新创建的种群中；

4)终止：重复上述更新过程，直到目标函数达到全局最小值或迭代次数达到最大值。

本发明提供的一种计算机设备的实施例如图4所示，图4为本发明提供的一种计算机设备的实施例的示意图，该设备包括：

存储器401，用于存储计算机程序；

处理器402，用于执行所述计算机程序时实现如上面任一项所述配电变压器模型参数估计方法的步骤。

本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例中，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上面任一项所述配电变压器模型参数估计方法的步骤。

利用上述装置、设备和存储介质，无需变压器本体参数即可方便的估计出等效电路的参数，便于配电变压器仿真建模和内部故障的识别。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。