基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统，该方法包括：在油浸变压器低压绕组开槽并布设弱反射光纤光栅阵列，用于感知绕组温度应变信号；绕组设置不同的机械状态，采集温度、应变数据，经数据清洗后形成时间序列，将应变时间序列转化为马尔科夫转移场图像，建立不同的松动状态的马尔科夫转移场图像数据集；将图像数据集输入R

【技术实现步骤摘要】
基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统


[0001]本专利技术涉及分布式光纤传感领域，更具体地，涉及基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统。

技术介绍

[0002]油浸变压器是电力系统中的关键设备之一。然而，在长时间运行下，油浸变压器故障几乎无法避免。绕组松动及变形是高电压等级油浸变压器故障的首要因素。松动和变形会改变绕组固有频率，从而引发谐振，带来严重事故。因此，准确感知的油浸变压器绕组状态、及时发现故障和隐患，对维护电力系统的安全稳定运行具有重要的意义。
[0003]目前，油浸变压器绕组状态监测方法主要有振动信号测量法、超声信号测量法、频率响应法、低压电阻法等。传统的绕组状态监测方法存在以下弊端：
[0004](1)传感器外置，信号精度较低
[0005]振动信号、超声信号测量法等传统方法，多依赖在油浸变压器外部布设相应的传感器，获取不同绕组状态下的非电信号，并建立信号特征与绕组状态的映射。然而，由于传感器外置，采集的信号容易受到环境噪声、信号传播介质差异的影响，存在一定局限性；频率响应法、低压电阻法等方法需要进行停机测试，会带来额外的时间成本和维护成本。本专利技术对变压器绕组导线进行开槽，槽内布设多条弱反射光纤光栅阵列，可以实现绕组内部信号分布式测量，采集的信号精度较高；而且测量时无需停机，可实现在线监测。
[0006](2)特征关联弱，信息利用率低
[0007]传统方法测量电、声、振动等信号，主要思路为将上述信号的特征与油浸变压器绕组状态进行匹配。测量的电、声、振动等信号对绕组状态感知而言为间接信号，信息利用率较低，而且缺少绕组形变、松动等状态与电、声、振动等信号关联的理论性支撑。本专利技术使用多条弱反射光纤光栅阵列，可以直接监测温度、应变等能反映绕组状态的直接信号，并采用马尔科夫转移场变换将应变时间序列转化为二维图谱，提取隐含信息，诊断准确率更高。
[0008](3)松动、变形难以同时诊断，感知水平较低
[0009]传统绕组状态监测方案，受制于传感器布设方案和算法，对于绕组松动故障、绕组变形故障监测存在着侧重，大多仅关注其中一类。然而，两类故障对油浸变压器的运行安全性均有着直接影响，传统方法存在着感知水平较低的问题。本专利技术使用R
‑
CNN方法诊断绕组松动，使用基于黑洞优化的K均值方法聚类诊断绕组变形，有助于提高油浸变压器运行状态感知水平。

技术实现思路

[0010]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统，能够准确识别油浸变压器绕组状态，提高油浸变压器状态感知和维护水平。
[0011]本专利技术采用如下的技术方案。
[0012]基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统，包括以下步骤：
[0013]步骤1，确保绝缘性能的情况下，分别对油浸变压器的a、b、c三相低压绕组的导线开槽，在每相绕组的导线槽内布设2条反射特性不同的弱反射光纤光栅阵列并使用胶层固定，构造光纤复合线圈。对单相绕组2条弱反射光纤光栅阵列上每个弱反射光栅自光源侧开始顺序编号，将编号相同的弱反射光栅视作同一测点。
[0014]步骤2，组装油浸变压器，对弱反射光纤光栅阵列状态进行校验，确保弱反射光纤光栅阵列在油浸变压器各种运行状态下可以可靠运行。
[0015]步骤3，在油浸变压器稳定运行时，使用解调仪读取6条弱反射光纤光栅阵列各测点在各时刻的反射波长信号。
[0016]步骤4，对测点采集的反射波长信号进行解耦，获取测点的温度与应变信号，构建温度、应变独立的时间序列信号。完成解耦后，对解耦后低压绕组各测点的温度、应变时间序列信号进行数据清洗。
[0017]步骤5，基于步骤3与步骤4，建立油浸变压器额定状态稳定运行时，绕组正常状态下各测点对应的温度、应变量数据集合{NTE}；改变绕组松动状态，建立油浸变压器额定状态稳定运行时，绕组的不同松动情况下各测点的温度、应变数据集合{STE}。
[0018]步骤6，从{NTE}中提取单相绕组各点应变数据，建立同一时刻各测点应变分布序列，并构建绕组正常状态下的马尔科夫转移场图像数据集{M
‑
NTE}。从{STE}中提取单相绕组各点应变数据，建立同一时刻各测点应变分布序列，并构建不同绕组松动状态下的马尔科夫转移场图像数据集{M
‑
STE}。
[0019]步骤7，使用基于R
‑
CNN的故障诊断方法，建立油浸变压器绕组松动分析模型，使用建立的数据集{M
‑
NTE}、{M
‑
STE}对模型进行训练，将经训练完善的绕组松动分析模型用于油浸变压器绕组状态分析判别。
[0020]步骤8，在油浸变压器额定状态稳定运行时，单独计算各测点过去连续10s的应变数据的方差，并将各测点的对应方差建立集合{D}。使用基于黑洞优化的K均值方法对集合{D}内各数据进行聚类，找到离群点作为疑似绕组异常位置，将此类点建立集合{E1}。
[0021]步骤9，在油浸变压器额定状态稳定运行时，对相同时刻各测点的温度、应变数据与集合{NTE}内对应测点的温度、应变数据进行对比，找到差异明显点作为疑似绕组异常位置，将此类点建立集合{E2}。将集合{E1}、{E2}取交集构成{E}，集合{E}所有测点为疑似绕组变形点，在检修中需要重点关注。
[0022]优选地，在所述步骤1中，对油浸变压器a、b、c三相低压绕组导线开槽，凹槽形状为矩形且需倒角处理，以避免尖端放电。在油浸变压器a、b、c三相绕组导线凹槽内，各敷设2条具备不同反射特性的弱反射光纤光栅阵列。在保持光栅阵列自然拉伸情况下，使用环氧树脂将弱反射光纤光栅阵列固定在凹槽内，构造光纤复合线圈。以a相为例，槽内两条弱反射光纤光栅阵列分别记为Fa1，Fa2。同理，b，c相的弱反射光纤光栅阵列分别记为Fb1，Fb2，Fc1，Fc2。
[0023]优选地，对单相绕组2条弱反射光纤光栅阵列上每个弱反射光栅，自光源侧开始顺序编号，由于位置相近，将编号相同的弱反射光栅视作同一测点。以a相为例，对弱反射光纤光栅阵列Fa1上每个弱反射光栅分别编号为：Fa1(1)，Fa1(2)，...，Fa1(i)，...，Fa1(n)；对弱反射光纤光栅阵列Fa2上每个弱反射光栅分别编号为：Fa2(1)，Fa2(2)，...，Fa2(i)，...，
Fa1(n)。将Fa1(i)，Fa2(i)视作同一测点a(i)。同理可对b，c相的弱反射光纤光栅阵列的各个弱反射光栅进行编号。
[0024]优选地，在所述步骤2中，完成油浸变压器组装并对弱反射光纤光栅阵列状态校验。确保解调仪可以在油浸变压器各种运行状态下，获取所有的6条弱反射光纤光栅阵列上每个弱反射光栅的反射波长，且安装前后弱反射光纤光栅阵列温度响应、预应力无明显变化。
[0025]优选地，在所述步骤3中，在油浸变压器稳定运行状态下，使用解调仪读取6条弱反射光纤光栅阵列感知的各测点在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确保绝缘性能的情况下，分别对油浸变压器的a、b、c三相低压绕组的导线开槽，在每相绕组的导线槽内布设2条反射特性不同的弱反射光纤光栅阵列并使用胶层固定，构造光纤复合线圈；对单相绕组2条弱反射光纤光栅阵列上每个弱反射光栅自光源侧开始顺序编号，将编号相同的弱反射光栅视作同一测点；步骤2，组装油浸变压器，对弱反射光纤光栅阵列状态进行校验，确保弱反射光纤光栅阵列在油浸变压器各种运行状态下可以可靠运行；步骤3，在油浸变压器稳定运行时，使用解调仪读取6条弱反射光纤光栅阵列各测点在各时刻的反射波长信号；步骤4，对测点采集的反射波长信号进行解耦，获取测点的温度与应变信号，构建温度、应变独立的时间序列信号；完成解耦后，对解耦后低压绕组各测点的温度、应变时间序列信号进行数据清洗；步骤5，基于步骤3与步骤4，建立油浸变压器额定状态稳定运行时，绕组正常状态下各测点对应的温度、应变量数据集合{NTE}；改变绕组松动状态，建立油浸变压器额定状态稳定运行时，绕组的不同松动情况下各测点的温度、应变数据集合{STE}；步骤6，从{NTE}中提取单相绕组各点应变数据，建立同一时刻各测点应变分布序列，并构建绕组正常状态下的马尔科夫转移场图像数据集{M
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NTE}；从{STE}中提取单相绕组各点应变数据，建立同一时刻各测点应变分布序列，并构建不同绕组松动状态下的马尔科夫转移场图像数据集{M
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STE}；步骤7，使用基于R
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CNN的故障诊断方法，建立油浸变压器绕组松动分析模型，使用建立的数据集{M
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NTE}、{M
‑
STE}对模型进行训练，将经训练完善的绕组松动分析模型用于油浸变压器绕组状态分析判别；步骤8，在油浸变压器额定状态稳定运行时，单独计算各测点过去连续10s的应变数据的方差，并将各测点的对应方差建立集合{D}；使用基于黑洞优化的K均值方法对集合{D}内各数据进行聚类，找到离群点作为疑似绕组异常位置，将此类点建立集合{E1}；步骤9，在油浸变压器额定状态稳定运行时，对相同时刻各测点的温度、应变数据与集合{NTE}内对应测点的温度、应变数据进行对比，找到差异明显点作为疑似绕组异常位置，将此类点建立集合{E2}；将集合{E1}、{E2}取交集构成{E}，集合{E}所有测点为疑似绕组变形点，在检修中需要重点关注。2.根据权利要求1所述的基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统，其特征在于：所述步骤1中，对油浸变压器a、b、c三相低压绕组导线开槽，凹槽形状为矩形且需倒角处理，以避免尖端放电；在油浸变压器a、b、c三相低压绕组导线凹槽内，各敷设2条具备不同反射特性的弱反射光纤光栅阵列；在保持光栅阵列自然拉伸情况下，使用环氧树脂将弱反射光纤光栅阵列固定在凹槽内，构造光纤复合线圈；对单相绕组2条弱反射光纤光栅阵列上每个弱反射光栅，自光源侧开始顺序编号，由于位置相近，将编号相同的弱反射光栅视作同一测点；以a相为例，槽内两条弱反射光纤光栅阵列分别记为Fa1，Fa2；同理，b，c相的弱反射光纤光栅阵列分别记为Fb1，Fb2，Fc1，Fc2；Fa1上每个弱反射光栅分别编号为：Fa1(1)，Fa1(2)，
…
，Fa1(i)，
…
，Fa1(n)；Fa2上每个弱反射光栅分别编号为：Fa2(1)，Fa2(2)，
…
，Fa2
(i)，
…
，Fa1(n)；将Fa1(i)，Fa2(i)视作同一测点a(i)。3.根据权利要求1所述的基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统，其特征在于：所述步骤2中，弱反射光纤光栅阵列在绕组上安装固定好后，使用解调仪读取各测点波长数据，确认光纤状态正常；完成油浸变压器组装后，分别在不带电状态下，通过解调仪读取波长数据，检查是否存在故障点；其次，对变压器进行耐压、空载、负载、过载、短路实验，通过解调系统读取各测点波长数据，确认6条弱反射光纤光栅阵列可以稳定运行；还需确认安装前后弱反射光纤光栅阵列温度响应、预应力无明显变化。4.根据权利要求1所述的基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统，其特征在于：所述步骤4包括：各测点采集的反射波长信号中包含了温度、应变信息，需要对采集的反射波长信号进行解耦；以a相为例，通过对a相绕组上a(i)点在t时刻采集的波长信号λ
Fa1(i)，t
，λ
Fa2(i)，t
进行解耦，可以获取t时刻a(i)点的温度T
a(i)，t
与应变ε
a(i)，t
，所述的温度与应变信号解耦计算公式为：Δλ
Fa1(i)，t
＝C1ε
a(i)，t
+C2ΔT
a(i)，t
Δλ
Fa2(i)，t
＝C3ε
a(i)，t
+C4ΔT
a(i)，t
T
a(i)，t
＝ΔT
a(i)，t
+T
a(i)，0
其中，C1表示弱反射光纤光栅阵列Fa1应变敏感系数；C2表示弱反射光纤光栅阵列Fa1温度敏感系数；C3表示弱反射光纤光栅阵列Fa2应变敏感系数；C4表示弱反射光纤光栅阵列Fa2温度敏感系数；Δλ
Fa1(i)，t
表示t时刻a相绕组弱反射光纤光栅阵列Fa1上编号为i的弱反射光栅的反射波长与初始波长差值；Δλ
Fa2(i)，t
表示t时刻a相绕组弱反射光纤光栅阵列Fa2上编号为i的弱反射光栅的反射波长与初始波长差值；ΔT
a(i)，t
表示t时刻a相绕组a(i)点的温度与初始温度差值；ΔT
a(i)
表示t时刻a相绕组a(i)点的实际温度值；ε
a(i)，t
表示t时刻a相绕组a(i)点的应变信号；C1
‑
C4为已知量，Δλ
Fa1(i)，t
、Δλ
Fa2(i)，t
可由解调仪获取；完成解耦后，建立各测点温度、应变量的时间序列，并对获取的时间序列进行数据清洗；当时间序列{x1，x2，
…
，x
n
}内最大信号值x
max
超出次高信号值x
sec
的1.5倍及以上，或X
max
大于其相邻两个数据点均值1.5倍及以上，即认为该段时间序列信号不可靠，删除不可靠数据，保留可靠数据用于建立数据集。5.根据权利要求1所述的基于光纤感知的油浸变压器绕组状态监测方法及系统，其特征在于：所述步骤5中，油浸变压器额定状态稳定运行，在绕组正常状态下，基于步骤3与步骤4，获取a，b，c三相绕组各测点对应的温度、应变数据，建立数据集合{NTE}；通过扭力扳手改变油浸变压器低压绕组的紧固螺母紧固程度，模拟不同的绕组的松动情况，对单相绕组分别设置20％...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙永腾，马宏忠，肖雨松，倪一铭，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：