专利名称：用于电力变压器绕组故障的诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种有关电力变压器绕组故障诊断的测量系统，将频率响应分析(FRA)和经验模态法(EMD)相结合，并将一种基于经验模态法(EMD)的特征能量法作为变压器绕组变形故障特征信息，特征能量的大小反映了变压器的工作状态。
背景技术：
由于电网格局不断扩大、电能传输能力持续增长的需求，要切实保障电力系统的安全稳定运行。电力变压器担负着电压和电流的转换及功率传输的任务，是系统中最重要的设备之一。有关电力变压器的故障分析表明，绕组是变压器中最重要且最易发生故障的部件之一。随着变压器负载容量的增大，其内部电磁场也随之增大，变压器出口短路形成的电动力对绕组造成的危害就进一步加大，会造成绕组的机械变形，到达一定程度就会破坏 绕组的稳定性，给变压器的安全稳定运行带来影响。若变压器发生事故，会造成很大的直接 和间接经济损失，甚至严重的社会影响。当前，已有的检测变压器绕组故障的方法有短路阻抗法、频率响应法和振动分析法。短路阻抗法是判断绕组故障的传统方法，将50Hz时绕组的阻抗值作为特征量，存在着测试精度和灵敏度不高的缺陷。振动分析法根据油箱上的振动信息判断变压器的状态，受外界的影响因素较多，可实现在线测量。频率响应法由于在绕组故障检测中具有高灵敏度而成为近年来检测变压器绕组故障的主要方法。在故障诊断领域中，故障信号的处理及特征参数提取是至关重要的。现在频响法还主要停留在比较两条曲线相似度的基础上，并且FRA分析中采用的IEC标准雷电脉冲激励信号是瞬态信号，获取的响应信号是非平稳信号。传统的傅里叶变换(FFT)和时频分析方法中的短时傅里叶变换(STFT)和小波变换(WT)由于拥有固定的基函数，均不能有效地提取非平稳信号中具有实际物理意义的特征信息。因此，在分析变压器绕组变形故障模式的基础上，研究一种准确反映变压器绕组变形瞬态信号时频特性且具有自适应性的分析方法是十分有必要的。
发明内容
针对现有技术存在的不足与缺陷，本发明提出一种能准确反映电力变压器绕组变形瞬态信号特征的故障诊断方法。一种用于电力变压器绕组故障的诊断方法，将频率响应分析(FRA)和经验模态法(EMD)相结合进行绕组变形故障的诊断。使用FRA方法进行变压器绕组响应电压信号的采集，再使用EMD方法进行自适应分解，构建能量特征向量曲线，与变压器绕组无故障时的能量曲线进行比较，根据其能量的变化趋势，诊断出变压器绕组有无故障及故障类型和程度。提取的能量特征量用以构建故障数据库，用于建立绕组变形固有模式与FRA信号固有模式函数之间的映射关系，并搭建了基于EMD的特征能量信息的故障诊断集成分析系统。使用FRA方法测量电压响应信号的采集系统包括，激励信号源、信号调理电路、工控机、现场仪表。其工作方法为选择一种固定的接线方式，激励信号源对绕组进行激励，在所述绕组上测量电压信号作为响应信号，绕组激励端和响应端的信号经过信号调理电路送入工控机，进行数据的保存和数据库的构建。该系统结构简单、造价低、使用维护方便，能够准确的、方便的实现变压器绕组响应信号的采集，确保了后续分析的准确性。与现有信号处理技术相比，EMD方法根据待分析信号的上下极值点拟合其包络进行分解。在整个分解过程中不需事先选定小波基，这是其最大的优点。根据不同的分析信号进行自适应的分解，得到反应信号最本质内容的一系列MF，能够提取更多具有实际物理意义的特征信息。FRA方法测试中的响应信号多是瞬态信号，将EMD与FRA相结合更有利于提取故障特征信息，提高故障诊断的准确度和精度。本发明中将基于经验模态法(EMD)的特征能量作为变压器绕组变形故障的特征信息，按如下步骤进行实施步骤I :采集变压器绕组的响应电压信号； 步骤2 :对响应电压信号进行经验模态分解(EMD)，得到一组固有模式函数(IMF)；步骤3 :计算固有模式函数(MF)与响应电压信号之间的相关系数并作为选取MF的标准；步骤4 :分别计算选取的固有模式函数(IMF)的能量，构造特征能量向量；步骤5 :根据特征能量与绕组无故障时相比较进行绕组状态的判别。所述的监测系统软件部分基于LabVIEW和MATLAB平台开发，充分利用LabVIEW友好的交互界面和数据采集能力和MATLAB强大的数据处理能力，使用MatlabScript节点进行MATALB的调用，具有参数设置、棒图显示、数据分析与管理等功能。本系统满足了变压器绕组故障诊断的精确测量、状态监测与数据管理一体化的要求。本发明提供的用于电力变压器绕组故障的诊断方法，所述的监测系统软件部分基于LabVIEW和MATLAB平台开发，充分利用LabVIEW友好的交互界面和数据采集能力和MATLAB强大的数据处理能力，使用MatlabScript节点进行MATALB的调用，具有参数设置、棒图显示、数据分析与管理等功能。本系统满足了变压器绕组故障诊断的精确测量、状态监测与数据管理一体化的要求。
图I是本发明中绕组故障测试系统结构框图；图2是本发明中测试系统的故障诊断框图；图3是根据本发明得到的短路响应信号EMD分解能量分布折线图。
具体实施例方式电力变压器的形式有许多，但根据区间能量的变化趋势的诊断理论是一样的，下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。参照图1，本发明的结构组成包括激励信号源I、变压器绕组2、高速数据采集卡3和工控机4。本实施例中，激励信号源I选用Agilent 33220A函数/任意波形发生器，所需波形为扫频信号和IEC标准雷电脉冲，同时将信号发生器的输入阻抗5设置为50 Ω，使用同轴屏蔽线与变压器绕组2的激励端21相连，并对该端施以正弦波激励信号源电压(Vs)进行激励，同时将高速数据采集卡3与激励端21相连。通过同轴屏蔽线将变压器绕组2的激励端21和响应端22与高速数据采集卡3连接，分别将激励端电压Vi和响应端电压信号V。送入高速数据采集卡3。在响应端22与高速数据采集卡3之间还设有输出阻抗6。本实施例中，高速数据采集卡3为PCI-1714，其具有12位Α/D转换器，最高采样速率可达30MHz。由于变压器绕组2的有效频率高达IMHz，根据采样定理，采样频率至少要达到该频率的2倍以上，因此这款板卡在最高采样频率、分辨率等关键参数上都比较合适。在采集过程中，触发方式使用中断触发，配合LabVIEW的子模块，设置为信号的上升沿触发。参照图I、图2，将采集到的响应电压信号送入工控机4中进行特征能量的提取。首先对数据进行EMD分解，将得到一系列的MF，分别做每个MF与原信号之间的相关系数，相关系数的大小反映了 MF与原信号的相似程度，因此将其作为选取MF的标准，标准为相关系数大于O. I ;分别计算IMF的能量并构建特征能量向量，绘制特征能量曲线。由于绕组发生变形时，会造成曲线形状的改变、新共振频率的出现或原共振频率的消失、原有频率较 大的移动等变化，这些变化均对应着响应能量的变化。将计算得到的特征能量曲线与绕组无故障时的特征能量进行比较，根据变压器能量的变化趋势来诊断变压器绕组故障类型及程度。图3则是根据本发明中的方法得到的短路响应信号EMD分解能量分布折线图。横坐标代表经过相关系数筛选得到的8个MF(C1 CS)，各种短路程度下的能量主要还是分布在两个区间一Cl和C2中，随着短路程度的增加，Cl处的能量逐渐增大(从O. 0234到O. 9854)，非常明显；C2处的能量逐渐减小(从O. 9798到O. 0203);短路80匝时，C7和C8处的能量激增，可视为出现较大短路故障的特征量，其余各处的能量均无较大变化。以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种用于电力变压器绕组故障的诊断方法，其特征在于将频率响应分析和经验模态法相结合进行绕组变形故障的诊断，使用所述的频率响应分析方法进行变压器绕组响应电压信号的采集，再使用所述的经验模态方法进行自适应分解，构建能量特征向量曲线，与所述的变压器绕组无故障时的能量曲线进行比较，根据其能量的变化趋势，诊断出变压器绕组有无故障及故障类型和程度；提取的能量特征量用以构建故障数据库，用于建立绕组变形固有模式与所述的频率响应分析信号固有模式函数之间的映射关系。
2.根据权利要求I所述的用于电力变压器绕组故障的诊断方法，其特征在于使用所述的频率响应分析测量电压响应信号的采集系统包括选择一种固定的接线方式，激励信号源对变压器绕组进行激励，在所述的变压器绕组上测量电压信号作为响应信号，所述的变压器绕组激励端和响应端的信号经过信号调理电路送入工控机，进行数据的保存和数据库的构建。
3.根据权利要求I所述的用于电力变压器绕组故障的诊断方法，其特征在于所述的工控机中含有图形化测量软件LabVIEW程序功能模块，通过程序控制能区分变压器绕组的状态。
4.根据权利要求I所述的用于电力变压器绕组故障的诊断方法，其特征在于基于所述的经验模态法的特征能量作为变压器绕组变形故障的特征信息，并按如下步骤进行实施 步骤I :根据所述的频率响应分析方法采集变压器绕组的响应电压信号； 步骤2 :对响应电压信号进行经验模态分解，得到一组固有模式函数； 步骤3 :计算所得到的固有模式函数与所述的响应电压信号之间的相关系数并作为选取MF的标准； 步骤4:分别计算选取的固有模式函数的能量，构造特征能量向量，绘制特征能量曲线. 步骤5 :根据特征能量与绕组无故障时相比较进行绕组状态的判别。
5.根据权利要求I或4所述的用于电力变压器绕组故障的诊断方法，其特征在于所述的方法包括确定故障存在与程度的步骤，以及识别所述故障特征值是否落在预定值域。
6.根据权利要求I或4所述的用于电力变压器绕组故障的诊断方法，其特征在于建立绕组变形固有模式与所述的频率响应分析的信号固有模式函数之间的映射关系，包括变压器绕组变形故障相对应的能量特征库及其它类型故障数据库。
全文摘要
本发明提供一种用于电力变压器绕组故障的诊断方法，将频率响应分析(FRA)和经验模态法(EMD)相结合进行绕组变形故障的诊断。此方法着眼于利用绕组变形故障时各区间内的能量变化信息，以及经验模态法(EMD)的自适应分解能力，提取绕组的故障能量特征量以建立故障能量数据库，与变压器绕组无故障时的能量曲线进行比较，特征能量的变化趋势反映了变压器的工作状态，用于建立绕组变形固有模式与FRA信号固有模式函数之间的映射关系，并搭建了基于EMD的特征能量信息的故障诊断集成分析系统。使用该系统可以准确掌握变压器绕组变形能量变化的基本规律，为变压器故障类型和程度的确定，及故障发展趋势的估计提供了新的研究途径。
文档编号G01R31/06GK102788931SQ20121025318
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者杜琦, 沈晓梅, 胡红生, 许聚武, 钱苏翔, 顾小军 申请人:嘉兴学院