基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法及系统与流程

1.本发明涉及干式电抗器匝间短路故障检测技术领域，具体涉及一种基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法及系统。


背景技术：

2.随着电力系统感性负荷的逐日增加，我国电网系统对于无功的需求也是随之增加，因此需要借助电抗器等设备来调节和补偿电网的无功功率在各类型的电抗器中，高压干式空心电抗器(简称干式电抗器)具有结构简单、电抗值线性度好、重量轻、设备成本相对较低、安装维护方便等特点，在电网中得到了广泛应用，是换流站中的重要设备之一。在实际运行中电抗器往往会发生不同类型的故障，其中最典型的即为匝间短路故障，匝间短路故障会给周围的电气设备带来安全隐患，并造成很大的经济损失。因此研究干式电抗器匝间短路故障的灵敏检测具有重要的现实意义。
3.行波法在电气领域中的应用是基于行波的折反射原理及行波传输理论来进行电气设备故障定位，因其原理简单、测距准确度高而被广泛应用。随着行波法的不断发展与改进，近年来采用行波技术检测发电机绕组匝间短路故障也成了热门话题，通过该技术也相继提出了重复脉冲法及单端故障检测法等新型检测方法，但传统的重复脉冲法及单端故障检测法办法仅分析一端信号的处理方式，往往会出现较大误差，导致分析结果误差较大，且无法确定干式电抗器的故障程度，无法全面的掌握干式电抗器的匝间绝缘状态。
4.综上，现有技术中对干式电抗器匝间短路故障进行检测时存在检测精度不高且检测故障状态不全面的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法及系统，能够解决现有技术中对干式电抗器匝间短路故障进行检测时，检测精度不高且检测故障状态不全面的技术问题。
6.为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法，包括：
7.对测试干式电抗器施加脉冲信号，获取反射信号及响应信号；
8.对所述反射信号和响应信号进行去噪处理，分别得到去噪反射信号和去噪响应信号；
9.基于所述去噪响应信号和去噪反射信号分别提取第一特征量和第二特征量，基于所述第一特征量和第二特征量求取判定特征量；
10.获取标准干式电抗器的标定特征量，根据所述判定特征量与标定特征量得到特征量变化幅度，基于所述特征量变化幅度确定测试干式电抗器的故障程度。
11.在一些可能实现的方式中，所述获取反射信号及响应信号，之后还包括：通过双向耦合器隔离所述脉冲入射信号。
12.在一些可能实现的方式中，所述对所述反射信号和响应信号进行去噪处理，分别得到去噪反射信号和去噪响应信号，包括：
13.基于经验模态分解算法对所述反射信号、首端响应信号和末端响应信号分别进行去噪处理，分别得到去噪反射信号、去噪首端响应信号和去噪末端响应信号。
14.在一些可能实现的方式中，所述基于所述去噪响应信号和去噪反射信号分别提取第一特征量和第二特征量，基于所述第一特征量和第二特征量求取判定特征量，包括：
15.基于所述去噪首端响应信号和去噪末端响应信号的波头时间比值获取第一特征量；
16.对所述去噪反射信号进行频域分析获得频谱图，基于所述频谱图进行频域积分获取第二特征量；
17.采用所述第一特征量和第二特征量的乘积作为所述判定特征量。
18.在一些可能实现的方式中，所述第一特征量和第二特征量均为无量纲量。
19.在一些可能实现的方式中，所述据所述判定特征量与标定特征量得到特征量变化幅度，基于所述特征量变化幅度确定测试干式电抗器的故障程度，包括：
20.根据所述判定特征量pw与标定特征量po计算得到特征量变化幅度η：
[0021][0022]
根据所述特征量变化幅度η的值超过设定阈值，判定所述测试干式电抗器发生故障，根据所述特征量变化幅度η的值的大小划分故障程度。
[0023]
在一些可能实现的方式中，所述根据所述特征量变化幅度η的值超过设定阈值，判定所述测试干式电抗器发生故障，根据所述特征量变化幅度η的值的大小划分故障程度，包括：
[0024]
当η∈[0，0.02]时，判定所述测试干式电抗器为正常工作状态；
[0025]
当η∈[0.02，0.08]时，判定所述测试干式电抗器为轻微故障；
[0026]
当η∈[0.08，0.15]时，判定所述测试干式电抗器为中度故障；
[0027]
当η＞0.15，判定所述测试干式电抗器为重度故障。
[0028]
另一方面，本发明还提供了一种基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断系统，其特征在于，包括：
[0029]
信号发生模块，用于对测试干式电抗器施加脉冲信号，获取反射信号及响应信号；
[0030]
信号处理模块，用于对所述反射信号和响应信号进行去噪处理，分别得到去噪反射信号和去噪响应信号；
[0031]
特征提取模块，用于基于所述去噪响应信号和去噪反射信号分别提取第一特征量和第二特征量，基于所述第一特征量和第二特征量求取判定特征量；
[0032]
故障判断模块，用于获取标准干式电抗器的标定特征量，根据所述判定特征量与标定特征量得到特征量变化幅度，基于所述特征量变化幅度确定测试干式电抗器的故障程度。
[0033]
另一方面，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述实现方式中所述的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法。
[0034]
最后，本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被计算机执行时，使计算机执行上述实现方式中所述的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法。
[0035]
采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法，一方面，通过使用耦合器隔离入射信号和反射信号，能够有效消除传统办法分析中入射信号对检测结果带来的影响，使后续提取的分析信号更加精确；另一方面，综合利用输入和输出两端的响应信号的时频域特性，相比于传统办法仅分析一端信号的处理方式，可以有效提高故障诊断准确度；最后，通过特征量变化幅度对干式电抗器匝间短路故障严重程度进行有效划分，能够更加全面的掌握干式电抗器的匝间绝缘状态。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法一实施例的流程示意图；
[0038]
图2为本发明提供的搭建测试环境一实施例的示意图；
[0039]
图3为本发明提供的图1中步骤s103一实施例的流程示意图；
[0040]
图4为本发明提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断系统一实施例的方法流程图；
[0041]
图5为本发明提供的电子设备一实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0042]
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。
[0043]
应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
[0044]
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。
[0045]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和
隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0046]
以下分别对具体实施例进行详细说明，需说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。
[0047]
本发明实施例提供了基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法及系统。
[0048]
如图1所示，图1为本发明提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法一实施例的流程示意图，该基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法包括：
[0049]
s101、对测试干式电抗器施加脉冲入射信号，获取反射信号及响应信号，所述响应信号包括首端响应信号和末端响应信号；
[0050]
s102、对所述反射信号和响应信号进行去噪处理，分别得到去噪反射信号和去噪响应信号；
[0051]
s103、基于所述去噪响应信号和去噪反射信号分别提取第一特征量和第二特征量，基于所述第一特征量和第二特征量求取判定特征量；
[0052]
s104、获取标准干式电抗器的标定特征量，根据所述判定特征量与标定特征量得到特征量变化幅度，基于所述特征量变化幅度确定测试干式电抗器的故障程度。
[0053]
与现有技术相比，本发明实施例提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法，一方面，综合利用输入和输出两端的响应信号的时频域特性，相比于传统办法仅分析一端信号的处理方式，可以有效提高故障诊断准确度；最后，通过特征量变化幅度对干式电抗器匝间短路故障严重程度进行有效划分，能够更加全面的掌握干式电抗器的匝间绝缘状态。
[0054]
在本发明具体的实施例中，在进行测试之前还需要搭建测试环境，如图2所示，图2为本发明提供的搭建测试环境一实施例的示意图，其中搭建测试环境的目的在于，快速实现本发明实施例提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法的的环境，搭建测试环境包括：
[0055]
将脉冲信号源201输入端与双向耦合器202输入端连接到一起，将双向耦合器202直通端与干式电抗器203进线臂204连接至一起，将双向耦合器202隔离端与高速采集卡208信号输入端连接至一起，在进线臂204和出线臂205处安装电压探头206和207并将其与高速采集卡208信号输入端连接，高速采集卡208数据传输端与信号处理单元209连接。
[0056]
在步骤s101中，通过脉冲信号源对待测干式电抗器施加一个脉冲入射信号，使用双向耦合器隔离入射信号和反射信号，能够有效消除传统办法分析中入射信号对检测结果带来的影响，使提取的分析信号更加精确。
[0057]
需要说明的是，步骤s104中，获取标准干式电抗器的标定特征量通过采用步骤s101至s103相同的方法。
[0058]
进一步的，在本发明的一些实施例中，步骤s102中，基于经验模态分解算法对所述反射信号、首端响应信号和末端响应信号分别进行去噪处理，分别得到去噪反射信号、去噪首端响应信号和去噪末端响应信号。
[0059]
其中，经验模态分解是希尔伯特黄变换的关键步骤，该方法优点为自适应性强、数据分解效率高。经验模态分解法通过将原始信号分解为有限的固有模态函数，求取上下包络线来求出信号均值，并利用经验模态减去余项，最终实现信号去噪。其去噪方式主体可见下式：
[0060][0061]
式中，ei(t)为一个固有模态函数，hn(t)为残余分量。有限的固有模态函数去除残余分量后再整合在一起，即可完成去噪的步骤。
[0062]
进一步的，在本发明的一些实施例中，如图3所示，图3为本发明提供的图1中步骤s103一实施例的流程示意图，步骤s103包括：
[0063]
s301、基于所述去噪首端响应信号和去噪末端响应信号的波头时间比值获取第一特征量；
[0064]
s302、对所述去噪反射信号进行频域分析获得频谱图，基于所述频谱图进行频域积分获取第二特征量；
[0065]
s303、采用所述第一特征量和第二特征量的乘积作为所述判定特征量。
[0066]
在本方发明具体的实施例中，由于行波在绕组中的传递分为沿绕组导体的传播和沿匝间传播两个方向，因此在尾端提取的响应信号较为杂乱，难以找到具体的特征，故选取首端响应信号和末端响应信号的波头起始时间差作为第一特征量，即首端注入脉冲在绕组中传递的时间：
[0067][0068]
式中，p1为第一特征量，te为末端响应信号起始时间，th为首端响应信号起始时间。此处的p1做无量纲化处理，为无量纲量。
[0069]
当干式电抗器发生匝间短路故障时，其一，由于匝间短路故障点相当于阻抗突变点，所以行波在绕组中的折反射规律随之会发生改变，即会导致在首端提取的反射响应信号会有一定的变化；其二，由于绕组中复杂的传递过程，所以仅对响应信号在时域中进行分析往往很难找到规律，故本发明对反射信号在频域中进行分析，对反射信号频谱图进行积分提取第二特征量：
[0070][0071]
式中，p2为第二特征量，x(t)为反射信号。此处的p2做无量纲化处理，为无量纲量。
[0072]
以往用于电气设备故障检测的行波法测量，往往仅对响应信号进行时域分析或频域分析，相应的则容易有灵敏度低以及精准度低的缺点，为了提高检测灵敏度与精准度，本发明综合时域与频域分析对干式电抗器匝间短路故障进行诊断，采用所述第一特征量和第二特征量的乘积作为所述判定特征量：
[0073]
pw＝p1×
p2[0074]
式中，pw为判定特征量。
[0075]
本方发明实施例通过综合利用输入和输出两端的响应信号的时频域特性，相比于传统办法仅分析一端信号的处理方式，可以有效提高故障诊断准确度。
[0076]
进一步的，在本发明的一些实施例中，步骤s104中：
[0077]
通过采用步骤s101至s103相同的方法获取标准干式电抗器的标定特征量，记为
po。
[0078]
根据所述判定特征量pw与标定特征量po计算得到特征量变化幅度η：
[0079][0080]
根据所述特征量变化幅度η的值超过设定阈值，判定所述测试干式电抗器发生故障，根据所述特征量变化幅度η的值的大小划分故障程度。
[0081]
其中，当η∈[0，0.02]时，判定所述测试干式电抗器为正常工作状态；
[0082]
当η∈[0.02，0.08]时，判定所述测试干式电抗器为轻微故障；
[0083]
当η∈[0.08，0.15]时，判定所述测试干式电抗器为中度故障；
[0084]
当η＞0.15，判定所述测试干式电抗器为重度故障。
[0085]
本发明实施例通过特征量变化幅度对干式电抗器匝间短路故障严重程度进行有效划分，能够更加全面的掌握干式电抗器的匝间绝缘状态。
[0086]
本发明实施例提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法，可以有效的检测到干式电抗器的匝间绝缘问题，对初期的匝间短路故障进行预判，方便提前进行处理，提高了干式电抗器运行的安全可靠性。
[0087]
为了更好实施本发明实施例中的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法，在基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法的基础之上，对应的，本发明实施例还提供了一种基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断系统，如图4所示，基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断系统400包括：
[0088]
信号发生模块401，用于对测试干式电抗器施加脉冲入射信号，获取反射信号及响应信号，所述响应信号包括首端响应信号和末端响应信号；
[0089]
信号处理模块402，用于对所述反射信号和响应信号进行去噪处理，分别得到去噪反射信号和去噪响应信号；
[0090]
特征提取模块403，用于基于所述去噪响应信号和去噪反射信号分别提取第一特征量号和第二特征量，基于所述第一特征量和第二特征量求取判定特征量；
[0091]
故障判断模块404，用于获取标准干式电抗器的标定特征量，根据所述判定特征量与标定特征量得到特征量变化幅度，基于所述特征量变化幅度确定测试干式电抗器的故障程度。
[0092]
上述实施例提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断系统400可实现上述基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。
[0093]
如图5所示，本发明还相应提供了一种电子设备500。该电子设备500包括处理器501、存储器502及显示器503。图5仅示出了电子设备500的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
[0094]
处理器501在一些实施例中可以是一中央处理器(central processing unit，cpu)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器502中存储的程序代码或处理数据，例如本发明中的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断程序。
[0095]
在一些实施例中，处理器501可以是单个服务器或服务器组。服务器组可为集中式或分布式的。在一些实施例中，处理器501可为本地的或远程的。在一些实施例中，处理器501可实施于云平台。在一实施例中，云平台可包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布式云、内部间、多重云等，或以上的任意组合。
[0096]
存储器502在一些实施例中可以是电子设备500的内部存储单元，例如电子设备500的硬盘或内存。存储器502在另一些实施例中也可以是电子设备500的外部存储设备，例如电子设备500上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)等。
[0097]
进一步地，存储器502还可既包括电子设备500的内部储存单元也包括外部存储设备。存储器502用于存储安装电子设备500的应用软件及各类数据。
[0098]
显示器503在一些实施例中可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled(organic light-emitting diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器503用于显示在电子设备500的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备500的部件501-503通过系统总线相互通信。
[0099]
在一实施例中，当处理器501执行存储器502中的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断程序时，可实现以下步骤：
[0100]
对测试干式电抗器施加脉冲入射信号，获取反射信号及响应信号，所述响应信号包括首端响应信号和末端响应信号；
[0101]
对所述反射信号和响应信号进行去噪处理，分别得到去噪反射信号和去噪响应信号；
[0102]
基于所述去噪响应信号和去噪反射信号分别提取第一特征量和第二特征量，基于所述第一特征量和第二特征量求取判定特征量；
[0103]
获取标准干式电抗器的标定特征量，根据所述判定特征量与标定特征量得到特征量变化幅度，基于所述特征量变化幅度确定测试干式电抗器的故障程度。
[0104]
应当理解的是：处理器501在执行存储器502中的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断程序时，除了上面的功能之外，还可实现其它功能，具体可参见前面相应方法实施例的描述。
[0105]
进一步地，本发明实施例对提及的电子设备500的类型不做具体限定，电子设备500可以为手机、平板电脑、个人数字助理(personal digital assistant，pda)、可穿戴设备、膝上型计算机(laptop)等便携式电子设备。便携式电子设备的示例性实施例包括但不限于搭载ios、android、microsoft或者其他操作系统的便携式电子设备。上述便携式电子设备也可以是其他便携式电子设备，诸如具有触敏表面(例如触控面板)的膝上型计算机(laptop)等。还应当理解的是，在本发明其他一些实施例中，电子设备500也可以不是便携式电子设备，而是具有触敏表面(例如触控面板)的台式计算机。
[0106]
相应地，本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储计算机可读取的程序或指令，程序或指令被处理器执行时，能够实现上述各方法实施例提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法中的步骤或功能。
[0107]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件(如处理器，控制器等)来完成，计算机程序可存储于计算机可
读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0108]
以上对本发明所提供的基于脉冲时频域分析的干式电抗器故障诊断方法、系统、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。