变压器多尺度故障诊断与监测系统的制作方法

1.本发明属于变压器故障或绝缘缺陷诊断与监测领域。本发明提出了一种基于全息电气量(稳态和暂态电压、电流)的变压器故障诊断与监测系统。本发明以变压器各端子电压、电流的稳态和暂态故障录波数据为信号源，以变压器总能量变化量和变化率为第一判据；以一定时段内变压器异常能量变化的概率为第二判据；以变压器能量变化量和变化率对应的极性效应为第三个判据；构造基于第一、第二、第三判据的综合隶属度(membership degree md)矩阵；根据综合隶属度矩阵md各元素的取值，实施变压器多尺度故障或绝缘缺陷的诊断与监测，辨识变压器的过热性故障、电弧、局放、绕组变形、匝间短路等故障或缺陷的位置和严重程度。
技术背景
2.电力系统是当今世界各国国民经济和人们日常生活的基础，变压器是电力系统的枢纽设备，变压器故障或绝缘缺陷的诊断与监测，不仅具有重要的理论意义和工程实用价值，而且具有重要的经济效益和社会效益。
3.国内外现有变压器故障或绝缘缺陷诊断与监测方法主要有，低压脉冲法、短路电抗法、超声波法和局放法，这些方法都是基于单一物理现象诊断与监测单一类型的故障或绝缘缺陷，它们促进了变压器故障诊断与监测技术的发展。迄今为止，dga法是惟一能够对变压器进行较全面故障诊断与监测的方法。dga 法可以追溯到1928年，是充油变压器潜伏性故障最有效的诊断方法，受到了国内、外专家、学者和工程技术人员的普遍关注。iec统计数据表明，dga法有效地解决了世界各国充油变压器50％潜伏性故障的诊断问题。但dga法也存在一些缺陷，(1)对发展较快的故障无效；(2)产气具有后效性和累积效应，即使瞬时性故障已经消失了，而气体组分和编码仍会存在一段时间；(3)不能诊断故障所的在芯柱和绕组； (4)不能诊断常见的绕组变形故障或缺陷。
4.国内外曾多次发生过因变压器故障诱发的大范围停电事故，可见变压器故障或绝缘缺陷诊断与监测的严峻性和紧迫性。针对变压器故障或绝缘缺陷诊断与监测存在的问题和研究现状，开发一种有效地诊断和监测变压器故障或绝缘缺陷的方法与系统，仍然是一个亟需解决的难题。


技术实现要素：

5.本发明——变压器多尺度故障诊断与监测系统，是由硬件和软件构成的故障诊断与监测系统，可对变压器进行多尺度故障诊断与监测。本发明提出了一种以变压器全息电气量(稳态、暂态电压和电流)为信号源，以变压器总能量变化量和变化率、异常能量变化的概率和能量变化量(变化率)对应的极性效应为判据，构造综合隶属度(membership degree md)矩阵，实施变压器多尺度故障或绝缘缺陷的诊断与监测。该诊断、监测方法与系统，可靠、实用、经济、便捷，可操作性强，在目前检索到的参考文献中，未见相关报道。
6.1.本发明的主要内容
7.(1)本发明以变压器总能量变化量和变化率为故障诊断与监测的第一个判据。任何工程实际系统的状态变化，在物质、能量系统中都是守恒的。电弧、过热、局放、绕组变形等故障或绝缘缺陷的能量，最终要由电力系统承担。无论正常还是故障状态，都与电力系统确定的能量状态相对应。能量的变化量和变化率，是辨识变压器故障或绝缘缺陷的重要依据。
8.(2)本发明以一定时段内变压器异常能量变化的概率为故障诊断的第二个判据。任何工程实际系统，本质上都有一定的非线性和不确定性，变压器的故障或绝缘缺陷都有一定的随机性。一定时段内异常能量变化的概率，是辨识变压器故障或绝缘缺陷的重要依据。
9.(3)本发明以变压器能量变化量和变化率对应的极性效应为故障诊断的第三个判据。变压器(包括其它高压电气设备)的绝缘缺陷，不是人为设置的，产生电弧、局放等故障或绝缘缺陷的等效电极系统，大多为棒——板结构，一般都存在一定的极性效应。变压器能量变化量和变化率对应的极性效应，是辨识变压器故障与绝缘缺陷的重要依据。
10.(4)本发明构造了基于“总能量变化量和变化率”、“异常能量变化的概率”和“能量变化的极性效应
”ꢀ
((1)、(2)、(3))的综合隶属度(membership degree md)矩阵。根据综合隶属度矩阵md各元素的取值，实施变压器多尺度故障或绝缘缺陷的诊断与监测。其中行分别对应变压器故障或绝缘缺陷的类属、故障或绝缘缺陷所在芯柱、故障或绝缘缺陷所在绕组、故障或绝缘缺陷的严重程度；列分别对应信号源数据的可靠性判据、变压器总体故障、电弧故障或绝缘缺陷、局放故障或绝缘缺陷、绕组变形故障或缺陷、过热性故障或缺陷、匝间短路故障或缺陷。根据综合隶属度矩阵md各元素的取值，可便捷地实现变压器能量变化1％～100％范围内的多尺度故障或绝缘缺陷的诊断与监测。
11.第一、第二、第三判据适当组合起来，可从“总能量变化量和变化率”、“异常能量变化的概率”和“能量变化的极性效应”，三个重要方面锁定了变压器故障或绝缘缺陷的本质特征，保证了变压器故障或绝缘缺陷诊断与监测的准确性和可靠性。基于第一、第二、第三判据构造的综合隶属度矩阵(md)，保证了变压器故障或绝缘缺陷诊断与监测的可操作性和便捷性。
12.本发明——变压器多尺度故障诊断与监测系统，具有普适性(通用性)，不仅适用于各种充油变压器，而且适用于各种干式变压器；不仅适用于各种电力变压器，而且适用于配电变压器、换流变压器、牵引变压器、整流变压器等特种(专用)变压器。
13.2.本发明的主要技术条件和功能
14.变压器多尺度故障诊断与监测系统的主要技术条件和功能如下。
15.i.信号源
16.变压器的稳态或暂态故障录波数据(电压、电流及零序电压、电流——全息电气量)。
17.ii.诊断与监测系统的主要功能
[0018]“多尺度”故障或绝缘缺陷的诊断与监测，主要分为以下三个层次。
[0019]
(1)诊断变压器故障或绝缘缺陷所在位置及其严重程度。1)诊断变压器整体有无故障或绝缘缺陷及其严重程度；2)诊断变压器的低、中、高能故障或绝缘缺陷及其位置；3)诊断故障或绝缘缺陷所在的高、中、低压绕组、abc芯柱；4)诊断变压器有无电弧故障、电弧故障的位置及其严重程度；5)诊断变压器有无绕组变形、绕组变形的位置及其严重程度；6)诊断变压器绕组有无局放、局放的位置及其严重程度；7)诊断变压器绕组有无匝间短路、匝间短路的位置及其严重程度。
[0020]
(2)故障或绝缘缺陷严重程度的多尺度划分。把故障或绝缘缺陷划分为，无需检修、加强监督、需要检修、急需检修四大类(18级)，自上而下、从低到高排序，具有从微小绝缘缺陷到大故障隐患的“筛分”特性；随着辨识尺度的增加，诊断与监测系统逐步从绝缘缺陷的细节(微小)，向危害较大的绝缘缺陷或隐患较大的故障聚焦，为检修决策提供了定量的判别依据；促进检修工作有的放矢，无需不修、加强监督、应修必修、急需先修，既分轻重缓急，又避免了过度检修；为变压器状态检修向智能检修转变，提供了重要的技术保障。
[0021]
(3)故障或绝缘缺陷诊断与监测依可靠性和灵敏度的多尺度排序。为可靠性和灵敏度的兼顾提供了冗余、可变焦距的诊断结果。可靠性和灵敏度是相互制约的，鱼和熊掌一般不能兼得，但可在二者之间合理调节。以高可靠性判据做出故障的整体诊断，以高灵敏度判据确定前者缺失的故障细节；如果高可靠性判据已可做出完整的故障诊断，则高灵敏度判据的诊断结果可进一步佐证前者的细节。
[0022]
3本发明的关键技术分析
[0023]
(1)变压器的稳态录波数据是一种平稳随机过程，其能量变化量、变化率及其概率分布的统计特征量，对应相应的数学期望、方差和协方差，在一定时段内不随时间变化，因而可以揭示变压器的故障或缺陷；变压器的暂态录波数据是一种非平稳随机过程，可能含有故障类型或严重程度的突变信息，其电压、电流的突变点和突变区间，对应变压器故障类型或模式的临界点，是区分正常工况与异常故障或绝缘缺陷的重要依据，因而可以揭示变压器的故障或绝缘缺陷的类型及其严重程度。
[0024]
(2)变压器的故障发展过程，除了存在一定的随机性还存在一定的模糊性，因而采用综合隶属度矩阵md，诊断与监测变压器的故障或绝缘缺陷的位置(a、b、c柱或高、中、低压绕组)。变压器故障或绝缘缺陷诊断与监测系统，本质上是一种深度数据挖掘；融合了变压器故障或绝缘缺陷的主客观统计规律，实现变压器的综合监测与诊断。该变压器故障诊断与监测系统，无嵌入式传感器，不改变系统的一次接线，只需要共享保自或故障录波的部分电压、电流数据，即可实施故障诊断与监测，简洁实用，可操作性强，从理论上保证了变压器多尺度故障诊断与监测系统的技术优势。
[0025]
(3)变压器暂态故障录波数据是一种非平稳随机过程，采用其最大、最小突变量的时空特征，抓住了变压器由缺陷的累积到突发故障的物理本质(时空突变点)，可更准确、有效地诊断变压器的故障类型、位置和严重程度。采用稳态故障录波数据的诊断方法是一种主动诊断方法，可在线监测，可根据需要随时调用故障录波数据；采用暂态故障录波数据的诊断方法是一种被动诊断方法，可遇不可求，但暂态数据中含有大量高幅值突变量和丰富的高次谐波分量，可更进一步揭示缺陷或故障的细节、位置和严重程度；二者相辅相成，相得益彰。
[0026]
本发明提出的诊断与监测方法与现有的变压器故障诊断和监测方法相比，有一定的原理和技术优势。与现有诊断方法完全不同，本发明提出的诊断与监测方法，既不唯产物，也不唯现象，而是以故障引起的“总能量变化量和变化率”、“异常能量变化的概率”和“能量变化的极性效应”为诊断依据，在一定程度上抓住了故障或绝缘缺陷的物理本质，从理论上保证了诊断与监测的有效性和可靠性。
[0027]
本发明提出的诊断、监测系统，只需要被诊断与监测变压器各端子电压、电流的故障录波数据，无其它预埋传感器，不改动系统的一次设备、接线，也不改动系统二次主设备、接线(仅涉及二次录波器的一组输出数据)，通用性、可移植性、可操作性等，明显优于现有诊断与监测方法。
[0028]
本发明提出的诊断、监测系统本质上是一种深度数据挖掘，大大拓展了故障录波数据的功能。几乎电力系统的每个变电站都安装了故障录波器，原来的故障录波数据是用于事故后分析系统故障的，判断变压器的故障类型和严重程度等，是一个“事后诸葛亮”；本发明提出的多尺度变压器故障诊断与监测系统，可随时抽取、调用稳态故障录波数据，在线诊断与监测变压器故障或绝缘缺陷，实现了“事中诸葛亮”；还可采用暂态故障录波数据，进行故障或绝缘缺陷的诊断与监测，从而实现了“事前诸葛亮”。这种从“事后诸葛亮”，到“事中诸葛亮”、“事前诸葛亮”的拓展，是开创性的，填补了变压器全息电气量故障或绝缘缺陷诊断与监测的空白，把变压器的故障或绝缘缺陷的诊断与监测提升到了一个新的层次。
具体实施方式
[0029]
本发明——变压器多尺度故障诊断与监测系统，只需若干个2.1～4.1秒时段的变压器稳态或暂态故障录波数据，计算出变压器的“总能量变化量和变化率”、“异常能量变化的概率”和“能量变化的极性效应”，生成综合隶属度矩阵md，即可根据综合隶属度矩阵md各元素的取值，实施多尺度诊断与监测变压器的故障或绝缘缺陷。
[0030]
案例1
[0031]
天津市双港#2变压器，联接组别为ynyn0d11，对20210826的稳态录波数据，本发明的诊断结果：md 第一列各元素取值的最大值大于10
11
，这几乎是不可能的；本发明的诊断结果为数据严重异常。诊断结果与现场反馈的诊断结果(dga)一致。
[0032]
案例2
[0033]
浙江省华金#1变压器，联接组别为yna0yn0+d，对20200323的稳态录波数据，本发明的诊断结果：华金#1变压器c柱低压或中压绕组(自耦变压器高压绕组的第二部分)有引起能量变化20％的低温过热故障，无绕组变形，无局放。诊断结果与现场反馈的诊断结果(dga)一致。
[0034]
案例3
[0035]
浙江省宁围#1变压器，联接组别为ynyn0d11，对20200826暂态录波数据，本发明的诊断结果：宁围 #1变压器b柱低压绕组有引起能量变化达80％的高能电弧放电和绕组变形故障。诊断结果与现场反馈的诊断结果(泰开返厂解体报告)一致。
[0036]
案例4
[0037]
浙江省马鞍#1变压器，联接组别为ynyn0d11，对20210205暂态录波数据，本发明的诊断结果：马鞍 #1变压器有引起能量变化超过65％的严重故障；故障类型为绕组变形；故
障可能出现在b相的中压或低压绕组；无局放。诊断结果与现场反馈的诊断结果(停电检修)一致。
[0038]
案例5
[0039]
河南省龙门#1旧主变压器，联接组别ynyn0d11，对20180526的暂态录波数据，本发明的诊断结果：龙门#1旧主变压器c柱高压绕组有很严重的高能电弧故障，由c柱高压绕组的绕组变形和局放引发，引起的能量变化达80％。诊断结果与现场反馈的诊断结果(停电吊罩检修)一致。
[0040]
案例6
[0041]
河南省曙光#2变压器，联接组别为ynyn0d11，对20200630的暂态录波数据，本发明的诊断结果：曙光#2变压器有微小低温过热缺陷；缺陷位置在a柱中压绕组，引起的能量变化为2％；无变形，无局放；诊断为有微小低温过热缺陷，无故障。诊断结果与现场反馈的诊断结果(dga)一致。
[0042]
案例7
[0043]
贵州省德卧#1变压器，联接组别为ynyn0d11，对20171120的暂态录波数据，本发明的诊断结果：德卧 #1变压器有很严重的电弧故障；引起的能量变化达60％，故障位置在b柱的高压绕组或c柱中压绕组；故障开始表现为绕组变形和局放，最终导致严重的高能电弧故障。诊断结果与现场反馈的诊断结果(停电吊罩检修)一致。
[0044]
案例8
[0045]
贵州省德卧#2变压器，联接组别为ynyn0d11，对20171120的暂态录波数据，本发明的诊断结果：德卧 #2变压器有低温过热故障；引起的能量变化为15％，故障位置在c柱的低压绕组或a柱的中压绕组；无绕组变形，无局放。诊断结果与现场反馈的诊断结果(dga)一致。
[0046]
案例9
[0047]
贵州省院坝#2变压器，联接组别为ynyn0d11，对20210619暂态录波数据，本发明的诊断结果：院坝 #2变压器有很严重的电弧故障；引起的能量变化达80％，故障位置在b柱的高压绕组或a柱的中压绕组。诊断结果与现场反馈的诊断结果(停电吊罩检修)一致。
[0048]
案例10
[0049]
贵州省平坝#2变压器，联接组别为ynyn0d11，对20210622的稳态录波数据，本发明的诊断结果：平坝#2变压器b柱中压或c柱低压绕组有较严重的绕组变形故障；引起的能量变化为20％；无过热，无局放。诊断结果与现场反馈的诊断结果(停电检修)一致。
[0050]
案例11
[0051]
贵州省mw#2变压器，联接组别为ynyn0d11，对20210727的稳态录波数据，本发明的诊断结果：mw#2 变压器有较严重的绕组变形故障；引起的能量变化达30％；故障位置在a柱的高压绕组；无局放，无过热。诊断结果与现场反馈的诊断结果(停电检修)一致。
[0052]
案例12
[0053]
天津市汉沽4#变压器，联接组别为ynyn0yn0+d，对20210819的暂态故障录波数据，本发明的诊断结果：汉沽4#变压器有b柱或c柱高压或低压绕组的绕组变形故障或b柱或c柱低压绕组的中、高温过热故障；引起的能量变化为30％；无局放。诊断结果与现场反馈的诊断结果(dga+电气试验)一致。
[0054]
自2018年以来，对本发明——变压器多尺度故障诊断与监测系统的功能，进行了浙江、天津、河南、贵州100多台(电力)变压器现场实际故障录波数据的背靠背考核验证；验证结果90％以上与现场诊断结果一致，初步证实了该故障诊断与监测系统的准确性、可靠性和可操作性。
附图说明：
[0055]
附图1变压器多尺度故障诊断与监测系统实物照片。