一种基于递归定量分析的变压器绕组压紧力变化检测方法与流程

本发明涉及电压变压器状态监测与故障诊断
技术领域：
，特别是一种基于递归定量分析的电力变压器绕组压紧力变化检测方法。
背景技术：
：电力变压器是电力系统最关键设备之一，也是当前智能电网建设与未来实现能源互联网战略的核心设备。不论是发电、输电还是配电，都依赖变压器的正常稳定运行。变压器造价昂贵，体积大，维修困难，一旦发生故障，维修将耗费大量时间、人力和物力，同时产生重大社会影响。因此，有必要对变压器进行实时监控。据统计，大型变压器因外部短路造成绕组松动等机械故障已上升到变压器事故的首位。因此，对运行中变压器绕组的压紧状态进行监测，及早发现绕组松动故障隐患，具有重要的现实意义。电力变压器器身表面的振动与变压器绕组和铁芯的压紧状况密切相关。变压器本体的振动主要来源于磁致伸缩及漏磁引起的铁芯振动和电磁力引起的绕组振动。由漏磁引起的铁芯振动与其他振动相比较为微弱，可忽略漏磁的影响。当二次绕组短路时，外加电压很小，铁芯中磁通很少，此时磁致伸缩引起的铁芯振动可忽略不计，则通过变压器油和箱壁传递到油箱表面的振动主要由绕组引起。机械结构的故障或损伤的演变过程一般是非线性的，绕组也不例外。绕组振动自身具有较为明显的非线性特征，再加上振动传播过程中各种因素引起的振动信号衰减、相移的变化，其动力学特性随着压紧力变化的演化过程是复杂多变的，既有压紧力变化带来的漏磁场分布的变化，又有绕组机械结构带来的变压器刚度和阻尼的变化。在这种情况下，采用传统的线性方法(如傅立叶分析方法)去度量这种变化往往由于忽略其中的某些因素而不能收到好的效果。技术实现要素：本发明要解决的技术问题为：采用非线性动力学中的递归图(rp)量化分析方法对绕组振动信号进行分析，以检测变压器绕组压紧力的变化。递归图提供了一幅信号在各种可能的时间尺度上自相关的总体图形，较之传统的线性变换方法能更好地检测到信号结构上的变化。从递归图中提取的特征量对系统结构动力学的变化比常用的线性分析方法更为灵敏，因此采用其对绕组压紧力进行检测具有更高的灵敏性。本发明采取的技术方案为：一种基于递归定量分析的变压器绕组压紧力变化检测方法，包括步骤：s1，在变压器箱体表面设置多个振动传感器监测点，各监测点的振动传感器输出端分别连接数据采集仪；s2，设置数据采集仪的采样频率和采样时间，利用短路实验方法采集绕组压紧力正常时变压器箱体表面的振动信号，记为{x(i)}(i＝1,2,…,n)；s3，计算振动信号的嵌入维数m和时间延迟τ，对振动信号按时间延迟和嵌入维数进行相空间重构；s4，计算重构相空间中任意两点xi和xj之间的距离||xi-xj||，并选择距离阈值r，计算递归矩阵rij：rij＝θ(r-||xi-xj||)(1)其中，θ(·)为heaviside函数，若x≥0，则θ(x)＝1，若x<0，则θ(x)＝0；s5，以i为横坐标，以j为纵坐标绘出递归矩阵rij，得到递归图，然后提取递归图中的rqa特征量；基于单个测点的rqa特征量，建立局部绕组压紧力rqa度量；基于多个测点的rqa特征量，建立绕组整体压紧力的rqa度量；s6，以与s2中相同的采样频率和采样时间，利用短路实验方法采集绕组压紧力待测的变压器箱体表面各监测点的振动信号，按照s3至s5的步骤，得到绕组整体和局部压紧力的rqa度量；s7，将s6得到的对应待测变压器的绕组整体和局部压紧力的rqa度量，与s5得到的整体和局部压紧力的rqa度量进行比较，定义rqa度量差异阈值：若二者整体压紧力的rqa度量数值的差异小于rqa度量差异阈值，则判定待检绕组的压紧力未发生变化，绕组未产生松动。若二者整体压紧力的rqa度量数值的差异大于或等于rqa度量差异阈值，则判定为绕组压紧力发生变化，绕组产生松动。本发明在应用时，由经验设置不同的rqa度量差异阈值可用于判断绕组正常、绕组不完全松动以及绕组完全松动的情况。优选的，步骤s7中，所述rqa度量差异阈值包括整体rqa度量差异阈值，对应靠近中间相监测点的局部rqa度量差异阈值和对应远离中间相监测点的局部rqa差异阈值；步骤s7中，将s6得到的对应待测变压器的绕组整体和局部压紧力的rqa度量，与s5得到的整体和局部压紧力的rqa度量进行比较，进而将二者整体压紧力的rqa度量数值的差异与整体rqa度量差异阈值进行比较。所述中间相即b相。进一步的，本发明步骤s7还包括，根据局部rqa度量数值差异超过局部rqa度量差异阈值的监测点位置，判断待测变压器绕组松动的位置。即若对应某监测点的局部rqa度量数值差异较大，则该监测点位置对应的绕组位置可能为松动的位置。本发明步骤s2和步骤s6所述短路试验方法为，将变压器的低压绕组短路，在高压绕组施加电压使得低压绕组的短路电流达到额定电流。优选的，s2中，数据采集仪至少连续三次采集各监测点位置处的振动信号。每次均按设定的采样频率和采样时间长度整周期截取振动信号。步骤s3中，计算嵌入维数m可以使用g-p算法、cao算法等，计算时间延迟τ可以使用自关联函数法、平均位移法及互信息法等。优选的，s3中，采用延迟坐标法对振动信号{x(i)}(i＝1,2,…,n)进行相空间重构，重构信号为：x(i)＝{x(i),x(i+τ),…,x(i+(m-1)τ)}(1)其中，i＝1,2,…,n；n＝n-(m-1)τ，i为重构空间的相点数。步骤s4中，计算重构相空间中任意两点间的距离可以采用1-范数、2-范数和∞-范数等；选择距离阈值r采用经验原则，一般按小于数据标准差的15％选择。优选的，s5中，递归图的rqa特征量包括递归率rr、确定率det、平均对角线长度l和熵entr：递归率rr表示递归图中递归点总数所占的比例，为：确定率det是构成平行于递归图主对角线的递归点数与总递归点数的比值：式中，p(r,l)为递归图对角结构中长度为l的对角线个数，lmin是对角线所取的长度初值。优选的，取lmin＝2。平均对角线长度l为对角线长度的平均值，为：式中，为总对角线段数；熵entr为：式中，表示长度为l的对角线出现的概率。优选的，所述整体rqa度量差异阈值为(rr，det，l，entr)＝(2.64×10-4，2.87×10-2，5.35×10-1，2.18×10-1)，对应靠近中间相监测点的局部rqa度量差异阈值为(rr，det，l，entr)＝(1.81×10-4，2.41×10-2，2.54×10-1，2.33×10-2)，对应远离中间相监测点的局部rqa差异阈值为(rr，det，l，entr)＝(1.76×10-3，1.33×10-1，2.46，1.35)。绕组局部和整体压紧力的rqa度量差异阈值是不同的。有益效果本发明将同步采样的多路振动信号纳入分析，建立检测绕组整体压紧力变化趋势的rqa度量。同时，还对单个传感器的振动信号直接进行rqa分析并建立局部的压紧力变化趋势度量。多元信号rqa度量能够表征全局的绕组压紧力变化，从总体上检测绕组是否发生松动。一元信号rqa度量则表现与传感器位置相关的绕组局部压紧力变化，当多元信号的rqa度量发生变化，显示绕组产生松动时，一元信号rqa度量则可以为故障定位提供有益的借鉴，判断出具体的绕组故障相。本发明涉及到的设备少，操作简单，方法采用非线性动力学中的递归图(rp)量化分析方法对绕组振动信号进行分析，以检测变压器绕组压紧力的变化的方法，对于变压器内部绕组压紧状态的变化检测灵敏度更高，检测结果也更为准确。附图说明图1所示为本发明的流程图。图2所示为振动监测点布置图。图3所示为绕组压紧力正常状态下振动信号的递归图；图4所示为绕组不完全松动状态下振动信号的递归图；图5所示为绕组完全松动状态下振动信号的递归图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例进一步描述。一种基于递归定量分析的变压器绕组压紧力变化检测方法，包括步骤：s1，在变压器箱体表面设置多个振动传感器监测点，各监测点的振动传感器输出端分别连接数据采集仪；s2，设置数据采集仪的采样频率和采样时间，利用短路实验方法采集绕组压紧力正常时变压器箱体表面的振动信号，记为{x(i)}(i＝1,2,…,n)；s3，计算振动信号的嵌入维数m和时间延迟τ，对振动信号按时间延迟和嵌入维数进行相空间重构；s4，计算重构相空间中任意两点xi和xj之间的距离||xi-xj||，并选择距离阈值r，计算递归矩阵rij：rij＝θ(r-||xi-xj||)(1)其中，θ(·)为heaviside函数，若x≥0，则θ(x)＝1，若x<0，则θ(x)＝0；s5，以i为横坐标，以j为纵坐标绘出递归矩阵rij，得到递归图，然后提取递归图中的rqa特征量；基于单个测点的rqa特征量，建立局部绕组压紧力rqa度量；基于多个测点的rqa特征量，建立绕组整体压紧力的rqa度量；s6，以与s2中相同的采样频率和采样时间，利用短路实验方法采集绕组压紧力待测的变压器箱体表面各监测点的振动信号，按照s3至s5的步骤，得到绕组整体和局部压紧力的rqa度量；s7，将s6得到的对应待测变压器的绕组整体和局部压紧力的rqa度量，与s5得到的的整体和局部压紧力的rqa度量进行比较，定义rqa度量差异阈值：若二者整体压紧力的rqa度量数值的差异小于rqa度量差异阈值，则判定待检绕组的压紧力未发生变化，绕组未产生松动。若二者整体压紧力的rqa度量数值的差异大于或等于rqa度量差异阈值，则判定为绕组压紧力发生变化，绕组产生松动。实施例1为了衡量变压器绕组整体的压紧程度，本实施例将同步采样的多路振动信号纳入分析，建立检测绕组整体压紧力变化趋势的rqa度量。同时，还对单个传感器的振动信号直接进行rqa分析并建立局部的压紧力变化趋势度量。本发明不但使用设备少、操作简单，而且诊断准确，能够准确检测绕组因压紧力变化而发生松动的情况。步骤s7还包括，根据局部rqa度量数值差异超过rqa度量差异阈值的监测点位置，判断待测变压器绕组松动的位置。即若对应某监测点的局部rqa度量数值差异较大，则该监测点位置对应的绕组位置可能为松动的位置。步骤s2和步骤s6所述短路试验方法为，将变压器的低压绕组短路，在高压绕组施加电压使得低压绕组的短路电流达到额定电流。s2中，数据采集仪至少连续三次采集各监测点位置处的振动信号，每次均按设定的采样频率和采样时间长度整周期截取振动信号。s3中，计算嵌入维数m可以使用g-p算法、cao算法等，计算时间延迟τ可以使用自关联函数法、平均位移法及互信息法等。s3中，采用延迟坐标法对振动信号{x(i)}(i＝1,2,…,n)进行相空间重构，重构信号为：x(i)＝{x(i),x(i+τ),…,x(i+(m-1)τ)}(1)其中，i＝1,2,…,n；n＝n-(m-1)τ，i为重构空间的相点数。s4中，计算重构相空间中任意两点间的距离可以采用1-范数、2-范数和∞-范数等；选择距离阈值r采用经验原则，一般按小于数据标准差的15％选择。s5中，递归图的rqa特征量包括递归率rr、确定率det、平均对角线长度l和熵entr：递归率rr表示递归图中递归点总数所占的比例，为：确定率det是构成平行于递归图主对角线的递归点数与总递归点数的比值：式中，p(r,l)为递归图对角结构中长度为l的对角线个数，lmin是对角线所取的长度初值。优选的，取lmin＝2。平均对角线长度l为对角线长度的平均值，为：式中，为总对角线段数；熵entr为：式中，表示长度为l的对角线出现的概率。整体rqa度量差异阈值为(rr，det，l，entr)＝(2.64×10-4，2.87×10-2，5.35×10-1，2.18×10-1)，对应靠近中间相监测点的局部rqa度量差异阈值为(rr，det，l，entr)＝(1.81×10-4，2.41×10-2，2.54×10-1，2.33×10-2)，对应远离中间相监测点的局部rqa差异阈值为(rr，det，l，entr)＝(1.76×10-3，1.33×10-1，2.46，1.35)。绕组局部和整体压紧力的rqa度量差异阈值是不同的。实施例2本实施例对南京立业变压器公司的一台型号为sfz10-31500/110的油浸式电力变压器进行绕组压紧力设置，变压器联接组标号为ynd11，低压侧额定电压为10.5kv，额定电流为1732a。使用型号为jf2020的振动加速度传感器和nicolet数据采集仪进行振动信号采集。在变压器箱体表面放置3个测点，位置如图2所示。考虑到变压器振动信号的频率范围，测试时采样频率设为10khz。测试时，通过液压系统人为对b相绕组压紧力进行设置，分为绕组正常(额定预紧力，28mpa)、不完全松动(0.5倍额定预紧力，14mpa)和完全松动(预紧力为零)三种情况，以实现不同绕组机械状态的改变。先将实验变压器低压侧三相绕组短路，在高压侧通过调压器调节外加电压，使低压侧短路电流接近额定电流，模拟变压器额定运行时的大电流情况。当短路电流达到额定电流时，测取变压器油箱表面的振动信号。本实施例选择靠近b相绕组的2号测点对振动信号进行分析，经降噪处理后，2号测点在不同绕组压紧状态下的振动信号时频图和递归图如图3所示。由时频图可知，三种情况下的振动信号幅值基本相同，差异不大，不完全松动时的振幅较正常状态下稍大，完全松动时的振幅最大。因此，振动信号与绕组压紧状态有关，但仅从振幅变化难以区分绕组不同压紧状态。基于此，从递归图中对振动信号进行分析。由递归图可以看出，绕组振动信号主要与对角线结构有关，三种绕组压紧状态下的递归图存在明显差异，随着绕组压紧力的减小，递归点明显减少，对角线结构逐渐消失，甚至对角线段退化为离散分布的递归点。这表明随着绕组压紧力的减小，绕组产生松动，系统的动力学行为逐渐偏离原先的正常状态。因此，可以用递归图中对角线结构的变化对可以直观的反映出绕组压紧力减小的趋势。递归图只能对绕组系统的动力学特性进行定性分析，为了定量描述，提取递归图的rqa特征量进行量化分析。提取3个测点的rqa特征量构成整体rqa度量，每个测点的rqa特征量直接构成局部rqa度量。表1和表2分别给出了三种绕组压紧状态下整体和局部rqa度量值。表1三种绕组压紧状态下整体rqa度量值压紧力/mpa递归率确定度平均对角线长度熵280.0076450.63278.53490.6781140.0057390.50435.60082.557400.0034710.25872.86375.1352表2三种绕组压紧状态下局部rqa度量值由表1可得，随着b相绕组压紧力的下降，整体rqa度量的递归率、确定度和平均对角线长度都逐渐减小，而熵逐渐增大。说明选取的4个基于递归点密度或对角线结构的rqa度量都可以体现压紧力下降的变化趋势，能够用于绕组压紧力变化的检测。从表2可以得到，随着压紧力的下降，1号和3号测点的递归率、确定度和平均对角线长度略有减小，熵值略微增大，但变化幅度不大；而2号测点的递归率、确定度和平均对角线长度明显减小，熵明显增大。这是因为2号测点紧靠b相，受压紧力变化影响最大，1号和3号测点远离b相，受压紧力变化影响小。这表明不同测点对结构变化的灵敏度不同，靠近故障位置的测点的rqa度量变化更明显。这可以为故障的定位提供有益的借鉴，这也是分别计算全局压紧力rqa度量和局部压紧力rqa度量的意义所在。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。当前第1页12