（电力系统及其自动化专业论文）变压器在线监测与故障诊断系统研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 算法；自适应算法 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo ns t a t eo n l l n em o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i so ft r a n s f o r m e r m a j o r ：e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n n a m e ：q i h u ix u s u p e r v i s i o n ：a s s o c i a t ep r o f r o n gj i a l e c t u r e r , h u il i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： w k ht h er a p i dg r o w t ho fi n s t a l l e dc a p a c i t yi nt h ew o r l d ，t h er e q u i r e m e n tf o rt h er e l i a b i l i t y o fp o w e rs y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r eu r g e n t i m p l e m e n to fs t a t eo n l i n em o n i t o r i n ga n d f a u l td i a g n o s i so ft h ep o w e re q u i p m e n ti st h ep r e c o n d i t i o no fp r e d i c t i n gm a i n t e n a n c e ，i st h ek e y e l e m e n to fr e l i a b l er u n ，a n di st h ei m p o r t a n ts u p p l e m e n ta n du p d a t e dd e v e l o p m e n tt ot h e t r a d i t i o n a lo f f - l i n ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c e i nt h i st h e s i ss t a t eo n - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so ft r a n s f o r m e ra r et h er e s e a r c h o b j e c t s f i r s t l y l e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( l s s v m ) a n de m p i r i c a lm o d e d e c o m p o s i t i o n ( e m d ) a r ed e e p l ys t u d i e d a f t e rt h a t ，t h e ya r ea p p l i e di n t ot h ef a u l td i a g n o s i s s y s t e mf o rt r a n s f o r m e r , f u r t h e r m o r e ，s t u d yr e s u l t so fb o t hd i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ( d g a ) a n d o n l i n em o n i t o r i n go fp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) a r eg i v e n d g ai so n eo ft h em a i n l ym e t h o d so ni n s u l a t i o nm o n i t o r i n go ft r a n s f o r m e r , b u tt h e a c c u r a c yi sl o wb e c a u s ei ti sd i f f i c u l tt od i s t i n g u i s hb e t w e e nf a i l u r e sw h e no v e r h e a t i n ga n dp d c o e x i s t b ya n a l y z i n ga l lt y p e so ff a u l t s ，t w om e t h o d sa r er a i s e d o n ei st h ed g a o f t r a n s f o r m e r b a s e do nm u l t i c l a s s i f i c a t i o nl s s v m b a s e do nc o r r e l a t i o na n a l y s i sa n dp r e t r e a t m e n t ，s o m e k e yg a s e sa r es e l e c t e da st h ei n p u t so fl s s v m , f u r t h e r m o r e ，f a u l td i a g n o s i si sa c c o m p l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no ft y p i c a lf a u l tg a s e si nh i g h e rd i m e n s i o n a ls p a c e t h eo t h e ri st h ed g ao ft r a n s f o r m e rb yn e u r a ln e t w o r kb a s e do np a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) w i t hn e i g h b o r h o o do p e r a t o r b a s e do nc o r r e l a t i o na n a l y s i sa n dp r e t r e a t m e n t ，t h ek e y g a s e sa r es e l e c t e da st h ei n p u t so fn e u r a ln e t w o r k ，f u r t h e r m o r e ，f a u l td i a g n o s i si sa c c o m p l i s h e d b yt h en e u r a ln e t w o r kb a s e do np s o w i t hn e i g h b o r h o o do p e r a t o rb yd i s c u s s i n gt h ee x p e r i m e n t r e s u l t s ，t h em e t h o d so ft h i sp a p e rh a v ev e r yg o o dc l a s s i f i c a t i o nr e s u l t s ，a n df i g u r eo u tt h e p r o b l e mt h a ti sd i f f i c u l tt od i s t i n g u i s hb e t w e e nf a i l u r e sw h e no v e r h e a t i n ga n dp dc o e x i s t ， m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t i v e n e s sa n du s e f u l n e s si sp r o v e d i nr e c e n ty e a r s ，o n - l i n em o n i t o r i n go fp dh a sb e e naf o c u sa th o m ea n da b r o a d ，a n d 衄艇 s u p p r e s s i o no fi n t e r f e r e n c e i st h ed i f f i c u l t yo ff a u l td i a g n o s i s ，t w om e t h o d so fs u p p r e s s i n g n a r r o 、- b a n di n t e r f e r e n c ea r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r o n ei st h ei m p r o v e df r e q u e n c yd o m a l n a r l a i v s i sb a s e do nd a t ae x t e n s i o nu s i n gl e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n f i r s t i y t h e a c t u a lp ds i g n a l sw i t hn o i s ea r et r a n s f o r m e df r o mt i m ed o m a i nt of r e q u e n c yd o m a i n , t h e n e x t e n d i n gt h ed a t an e a rt h em a x i m u m o fi n t e r f e r e n c ef r e q u e n c y , u l t i m a t e l yt h ef i n a ls i g n a l sc a n b eo b t a i n e db yi n v e r s e f o u r i e rt r a n s f o r m ( i f t ) t h i sm e t h o de n l a r g e st h er a n g e o fi n t e r f e r e n c e f r e q u e n c yb a n da n dr e m o v e se f f e c t i v e l yt h ei n t e r f e r e n c er e s i d u e t h eo t h e r i san e wa d a p t i v e a i g o r i t h mb a s e do ne m d f i r s t ，t h em i d s i g n a l sc a n b ep r o d u c e db yr e d u c i n gt h ea m p l i t u d eo f n 踟陌o w b a n di n t e r f e r e n c ei nf r e q u e n c yr e g i o n , w h i c hi sd e c o m p o s e dw i t he m d ，a n di n t r i n s i c n l o d ef u n c t i o n s ( l m f ) w h i c hc o n t a i ns p e c i f i cf r e q u e n c yc a l lb eo b t a i n e d ，t h e nf o re v e r yi m f a d a p t i v en o i s ec a n c e l l e ri s u s e dt os u p p r e s sn a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c e an e wm e t h o do f d e n o i s i n gb a s e do ne m da n dr e c o n s t r u c t i o no f i m fi si n v e s t i g a t e d t h ep ds i g n a l sw i t hn o i s e a r ed e c o m p o s e dw i t he m d ，a n di m f sc a nb eo b t a i n e d ，t h r o u g ht h r e s h o l d i n ga n d r e c o n s t r u c t i n g e v e n ri m ft h e nt h en o i s ec a nb ed e p r e s s e d c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lw a v e l e t 。b a s e d d e n o i s i n ga l g o r i t h m s ，t h en e wa l g o r i t h m i ss i m p l e r , m o r ef l e x i b l e ，a n dn o tl i m i t e db yt h e s e l e c t i o no fw a v e l e tf u n c t i o na n do p t i m a ld e c o m p o s i t i o n l e v e lo fw a v e l e t ，m e a n w h i l e ， a u t o m a t i cs e l e c t i o no ft h r e s h o l dv a l u ea n dt h r e s h o l d i n gl a y e r so fi n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n sa r e r e a l i z e d k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r ；s t a t eo n - l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ；l e a s ts q u a r es u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ；e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ； a d a p t i v ea l g o r i t h m 独创性、声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外；论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担_ 切相关责任 论文作者签名缝臭夏，寸罗年墨论文作者签名t i 冬生恐寸罗年墨 学位论文使用授权声明 日 本人 金建堑在导师的指导下创作完成毕业论文1 本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：，1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) + 授权西安理工大学研究生部办 理。， ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：舀芭望孽导师签名：! 越骘 二： 劲喀年；， 月7 日 1 ， 月 第一章绪论 l 绪论 1 1 变电站状态监测与故障诊断系统研究的背景和意义 国家电网公司和南方电网公司的“十一五电网发展规划显示：今后五年，我国电网 建设总投资将超过1 万亿元。另外，“十一五”期间，国家电网公司将投入1 1 0 0 多亿元建 设坚强的西北电网，其中7 5 0 千伏电网建设总投资将达到3 2 5 亿元。随着西北7 5 0 干伏电 网和送端电网的不断建设，西北将建成7 5 0 千伏线路7 0 4 7 公里，变电容量2 7 6 0 万千伏安， 在“十一五末，西北电网外送规模将达到11 0 0 万千瓦以上。随着国家电网的加大投资， 一批7 5 0 千伏输变电工程如：兰州东平凉乾县输变电工程，兰州东天水宝鸡输变 电工程，拉西瓦官亭、拉西瓦西宁输变电工程，哈密安西、安西永登输变电工程 等纷纷开工建设或正在建设，除此之外，还有大量3 3 0 干伏输变电工程加入其中，这必将 使我国大型变电站的建设空前繁荣。 电力设备特别是大型电力设备故障所造成的经济损失是非常巨大的。众多资料表明导 致电气设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。例如我国1 9 8 4 1 9 8 6 年间1 1 0 k v 及以 上等级电力变压器事故统计分析表明，由于绝缘劣化引起事故台次占事故总台次的6 8 和总事故容量的7 4 ，而1 9 9 0 年的统计分别为7 6 和6 5 。国外的统计结果也类似，例 如美国某地区4 8 k v 配电系统对1 9 8 0 1 9 8 9 年间失效电容器的统计分析指出其中9 2 是因 为绝缘劣化而引起失效。据日本有关资料报道，由于设备运行状态在线监测及故障诊断技 术的应用，使每年维修费用减少2 5 一5 0 ，故障停电时间减少7 5 e l i 。俄罗斯统一电力 系统1 9 9 9 年若计及ll o k v 以下变压器，发电机与变压器容量比值为6 - 6 5 乜1 。很显然， 整个电力系统的运行可靠性很大程度上取决于变压器运行的可靠性，同时需要指出的是大 部分变压器都到了规定的运行寿命年限。1 9 9 7 年1 月至2 0 0 0 年9 月的统计表明，各电压 等级变压器保护装置拒动分布情况如下：3 5 k v 占2 9 ，1 l o k v 占4 7 ，2 2 0 k v 占1 9 ， 3 3 0 k v 占2 ，5 0 0 k v 占3 ，7 5 0 k v 为0 ，高压套管故障率为2 2 ；绕组故障率为1 6 ； 有载分接开关故障率为1 3 5 ，上述故障绝大部分是因漏油和渗油引起的( 漏油占2 3 、 渗油占l l ) ，这里须指出的是：这些故障中的绝大部分可以通过现有的方法和预测诊断 措施查出并加以解决。 在电力系统运行的基本要求中首要的就是保证安全可靠地持续供电。由于设备的故障 而带来的供电中断将使生产停顿、生活混乱，甚至危及人身和设备安全。停电给国民经济 造成的损失远远超过电力系统本身的损失d 制。大型电力变压器是电力系统中最重要、最 昂贵的设备之一，对变压器实施绝缘状态在线监测具有十分重要的意义6 1 。为了保证设备 安全可靠的运行，除了采用新型绝缘材料、改进制造工艺来提高绝缘的电气强度以外，很 重要的一个方面就是要对设备绝缘定期地进行预防性检查，随时掌握设备运行的情况，防 患于未然。 电力系统运行的要求推动了电力设备的状态监测和故障诊断技术的发展。电力设备故 西安理工大学硕士学位论文 障诊断技术是了解和掌握设备运行状态，区分、识别设备的异常表现，早期发现设备潜在 故障的技术。它对保障设备安全运行，预防事故有着重要意义7 1 。 预防性维修体系在我国已沿用4 0 多年，这无疑在预防设备事故的发生，保证供电安 全可靠性方面起着很好的作用。但是，长期的工作经验表明预防性维修制有它的局限性。 从经济角度看，定期试验和大修均需停电，不仅会造成很大的直接和间接经济损失，而且 增加了工作安排的难度。从技术角度分析，离线的定期预防性试验多数项目在低电压下进 行检查，不同于设备运行条件，而且绝缘的劣化和缺陷总有一定的潜伏和发展时间i t 。 为降低停电和维修费用，目前对电气设备绝缘系统的维修已经开始向预测性方向发 展，即在带电测量技术的基础上发展起来一门新的监测技术在线监测“1 。状态监测与 故障诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部正常或异 常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。通俗地讲，它是一种给设备 “看病 的技术9 1 。采用这一新技术不仅能够及时地发现电气设备的早期绝缘缺陷，防止 突发性事故发生，同时可以减少不必要的停电检修，避免传统试验对电气设备由于“过度 检修所造成的巨大损失，有效地延长设备的使用寿命，使设备检修实现优化配置。在线 监测技术的日益完善为电气设备实行“状态维修 创造了十分有利的条件。通过在运行电 压下实时监测绝缘的各种状态参量并对这些相关信息的变化与初始值相比较或与检修标 准相比较，来决策对设备是否进行检修，甚至可根据绝缘状态参量的变化来确定绝缘的残 余寿命，为电力系统的安全、可靠、经济、高效运行提供保障。 1 2 国内外相关技术发展状况 大型电力变压器在长期运行中，由于绝缘的劣化及潜伏性故障，使其在运行电压下产 生光、电、声、热等一系列的化学反应。变压器的状态监测与故障诊断主要是采用油中溶 解气体分析( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ，d g a ) n 0 。1 5 1 方法，其主要是利用充油设备绝缘油中溶 解气体分析来检测设备内部早期故障，可以区分过热和放电两类故障。气相色谱分析技术 日趋成熟，并为长期的实践所证明，是一种行之有效的监测和诊断技术，目前已广泛应用 于各种充油电气设备的监测中。其局限性是气体的生成有一个发展过程，故对突发性故障 不灵敏，其检测的局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，p d ) 已经是局部放电发展成较为严重时的情 况，这就要借助于局部放电监测。局部放电在线监测难度较大，数十年来，它的发展一直 受到限制。传感器技术、信号处理技术、电子和光电技术、计算机技术的发展，提高了局 部放电在线监测的灵敏度和抗干扰水平。对大型变压器而言，专门的局部放电在线监测 1 帅1 势在必行。 1 2 1 国外相关技术发展状况 a 、变压器油中溶解气体在线监测方面 在2 0 世纪7 0 年代，克兹( k u r z ) 在实验室研制成用高分子塑料薄膜渗透脱出油中气体， 2 第一章绪论 以气相色谱仪进行测定的装置，并将这种装置安装在变压器上，可对溶解气体的五种组分 进行自动分析。1 9 7 4 年，加拿大s y p r o t e c 公司推出h y d r a n 2 0 1 r 型在线变压器早期故障 监测装置，其后该公司又推出了法拉第变压器看护单元( f a r a d a y t mt r a n s f o r m e rn u r s i n g u n i t t m ，n 州1 ，h y d r a n 2 0 1 i 智能型在线式变压器早期故障监测装置，尽管它是国际上开 发较早并在各国( 包括中国) 应用最广的在线监测装置，而且检出了一些故障设备，但它检 测组分有限，还不是人们所期待的真正意义上的油中溶解气体在线监测装置 1 9 1 0 近年来，加拿大、日本等国普遍开展了在线监测变压器油中溶解气体的研究，先后推 出了多种装置2 蚴1 ，成熟的在线d g a 监测仪不断投入使用，对充油变压器故障气体的在 线监测提供了各种解决方案n 。除加拿大s y p r o t e c 公司外，国外较为典型的还有美国 s e r v e r o n 公司的t r u e g a s 气体在线监测仪。加拿大s y p r o t e c 公司早在二十世纪七十年代就 研制了h y d r a n 在线氢气检测仪，目前在全世界已安装了8 5 0 0 套h y d r a n 系列产品，是应 用最广泛的监测系统，s y p r o t e c 声称它己成功避免了约1 0 0 次变压器灾难性事故。加拿大 佳创公司推出的h 2 ，c o ，c h 4 ，c 2 i - 1 6 ，c 2 i - 1 4 ，c 2 h 2 六组分在线监测仪，也是采用渗透膜 技术对油气进行分离，以电化学传感器进行检测。法国m i c r o m o n i t o r 公司的t g a 型在线 监测仪可以监测h 2 ，c o ，c 2 i - 1 4 ，c 2 h 2 等气体，该仪器采用极小的半导体传感器装入一坚 固的探棒内，可直接插入变压器油中。日本日立、三菱公司研制了能在线监测h 2 ，c o ， c h 4 ，c 2 h 6 ，c 2 i - 1 4 ，c 2 h 2 六种气体的装置，但其检测周期长达7 1 0 天，精度为1 5 2 0 p p m 。 此外，近几年，国外很多公司，如a o c ，m i c r o m o n i t o r s ，u n i s e n s o rg m b h ， e n e r g i e v e r s o r g u n g ，s c h w a k e na g ，r a y c h e m ，a b bp o w e rt r a n s f o r m e r s 公司等，纷纷研 制了在线监测多种气体的系统，这些系统大多尚未商业化，而且运行时间尚短，其可靠性 有待进一步检验，另外，这些装置都倾向于同时使用两种检测器( 红外光谱和半导体传感 器) ，目的是检测更多种类的气体并获得较高的精度，但这样必然加大装置结构的复杂性。 b 、变压器局部放电在线监测方面 国外的局部放电在线监测技术从2 0 世纪5 0 年代开始发展，美国、加拿大、日本及前 苏联都有相应的产品问世。早在1 9 5 1 年，美国西屋公司的约翰逊( j o h ns j o h n s o n ) 就提 出并研究了在运行条件下监测槽放电的装置。加拿大安大略水电局研制了用于发电机的局 部放电分析仪( p d a ) ，并已成功用于加拿大等国的水轮发电机上。魁北克水电局研究所 ( i r e q ) 研制了一套多参数监测系统( a i m ) ，除对7 3 5 k v 变压器的局部放电进行监测外， 还可以分析油中溶解气体组分及线路过电压，并具有初步自动诊断功能。日本东京电力公 司于2 0 世纪8 0 年代研制了变压器局部放电自动监测仪，用光纤传输信号，采用声、电联 合监测抑制干扰，并可对放电源进行故障点定位。加拿大的r m a l e w s k y 等在1 9 8 6 年提 出用于在线监测变压器局部放电的差动平衡检测系统，并在单相变压器上做试验，取得了 较好的抗干扰能力。1 9 7 5 年b l a c k 提出的局部放电检测的脉冲极性鉴别法具有强大的抗 干扰能力。近年来，国外的一些科研人员开始研究用超宽带( u w b ) 或超高频( t a q r ) 来检测 局部放电n ，超高频范围内( 3 0 0 3 0 0 0 m h z ) 提取的局部放电信号基本上无外界干扰，可极 3 西安理工大学硕士学位论文 大地提高局部放电监测( 特别是在线监测) 的可靠性和灵敏度。变压器绝缘体内的气泡发生 放电时，其放电时间很短暂，大约1 0 一l o o n s ，能激起大于1 g h z 的超高频电磁信号，利用 特殊制作的超高频天线可以提取油中局部放电辐射的超高频信号。有结果表明，在 5 0 0 1 5 0 0 m h z 的频带范围内，天线具有良好的使用特性。但该方法的局限性在于难以实 现放电量的准确标定，而且从理论及实践上也需要进一步的积累和完善。 1 2 2 国内相关技术发展状况 a ，变压器油中溶解气体在线监测方面 1 9 8 4 年我国吉林省电研所等七单位应用钯栅长效管为气敏元件和聚酰胺膜为渗透 膜，研制出b g y - 1 型和b g y - 2 型变压器在线故障检测器。这是一种油中氢气在线监测装 置，该装置主要由气室和监测报警器组成。经现场试验考验，该装置的检测器经长期运行 时稳定性较差，寿命短，维护工作量大 1 9 1 但是，这些研究成果为近二十年来国内持续研究变压器油中溶解气体在线监测课题提 出了有益的经验。东北电力科学研究院的大型变压器色谱监测装置1 9 9 4 年投入运行，主 要针对5 0 0 k v 以上大型变压器，装置安装在恒温防火箱内，与变压器连成一体，定量自 动采取2 0 m l 变压器油样，经全脱气装置实现油气分离，在线色谱装置可以分析甲烷、乙 烯、乙炔、乙烷气体。 目前，国内油中溶解气体在线监测技术曰臻成熟，已有不少商品化的仪器在现场应用。 国内主要的厂家有中能电力科技开发有限公司( 进口产品代理的代表) 、重庆海吉科技有限 公司( 高校企业的代表) 、宁波理工监测设备有限公司( 国内厂家的代表) ，另外还有依托武 高所的武汉华电国电科技发展有限公司和广州智光电气与国电龙源电力集团公司合资的 上海龙源智光电气有限公司、河南中分仪器( 以油色谱及配套仪器为主) 、湖北今人( 以断路 器检测为主) 、湖南帕美特( 以容性设备检测为主) 等等。国内产品较为典型的有北京理工大 学的t r a n b 系列变压器故障监测仪2 以及东北电力科学研究院的大型变压器色谱监测装 置。对红外检测技术而言，在己经投入运行的装置中，基本上都采用了单一气敏传感器的 检测技术。国内单测氢气的在线检测仪都用薄膜来进行油气分离。国内的大型设备油色谱 在线检测装置，实际上采用的是真空自动脱气的常规色谱仪原理，优点是检测周期短( 仅 l 小时) ，精度高( 可检测的气体最小含量为0 5p p m ) ，缺点是检测气体偏少( 只能检测h 2 ， c 2 h 6 ，c 2 h 4 ，c 2 h 2 四种气体) ，结构复杂，安装维护困难，成本高。国内还有一种专测乙 炔的便携式检测仪，用循环气泵对油样全脱气，再以比色测定法检测c 2 h 2 的含量。重庆 大学研究的在线监测装置，是国内第一个能检测i - 1 2 ，c o ，c h 4 ，c 2 h 6 ，c 2 h 4 ，c 2 h 2 六种 气体的监测仪，检测周期为3 天，精度为1 0 p p m 。上述监测仪，均使用特殊方法将气体 从油中分离，使用网络把现场数据自动地、实时地传输到监测中心集中处理，而对气体的 检测方法以及可以达到的检测指标，则各有千秋。 4 第一章绪论 b 、变肚器局部放电在线监测方面 2 0 世纪8 0 年代以来，国内的在线监测技术也得到了迅速发展，些科研院所联合电 力部门研制了不同类型的监测装置。 东北电力试验研究所研究出一种采用脉冲方向鉴别的变压器局部放电在线监测方法， 但该装置通用性差，而且采用示波器测量，不能实现实时在线监测。重庆大学孙才新等人 提出用多端调节的方法抑制脉冲型干扰，此种方法的多端调节电路比较复杂，抑制干扰能 力可能受到定的影响，局部放电信号不易提取。清华大学研制的j f y - 3 型变压器局部放 电在线监测系统能连续监测多台大型变压器的局部放电，但在变压器在线监测中不够灵 活，往往只适合于某个具体的变电站，针对具体变电站需仔细选择合适的通带。西安交通 大学研制一套基于数字信号处理的电力变压器局部放电在线监测系统2 钉，该系统在现场 试运行了一段时间，还未有足够的数据证明系统的运行效果。 近年来，西安博源电气在局放监测上发展迅速，主要的产品有发电机局放在线检测系 统、变压器局放在线检测系统和电缆接头局放现场检测系统等，同时研究开发了拥有自主 知识产权的双传感器定向耦合的脉冲鉴别系统( 两项专利技术) ，并综合应用数字滤波、相 位开窗、动态阈值等多项抗干扰方法，有效消除或抑制干扰，保证采集数据准确可靠。 1 3 变压器在线监测系统组成及关键技术 1 3 1 系统组成 整个监测系统可归纳为以下三个子系统： ( 1 ) 被监测设备和传感器，在设备现场； ( 2 ) 信号预处理和数据采集子系统，一般在被监测设备附近，也在现场； ( 3 ) 信号处理和诊断系统，实则是一台微型计算机和监测系统专用软件，位置在距离 现场约数十至数百米的主控室内n 1 。 不论监测系统是什么类型，它均应包括以下基本单元： ( 1 ) 信号的变送 一般由相应的传感器来完成，它从电气设备上监测出那些反映设备状态的物理量，例 如电流、电压、温度、压力、气体成分等，并将其转换为合适的电信号传送到后续单元。 它对监测信号起着观测和读数的作用。 ( 2 ) 信号的处理 其功能是对传感器变送来的信号进行适当的预处理，将信号幅度调整到合适的电平； 对混叠的干扰采用滤波器、极性鉴别器等硬件电路进行抑制，以提高系统的信噪比。 ( 3 ) 数据采集 对经过预处理的信号进行采集、a d 转换和记录。 ( 4 ) 信号的传输 将采集到的信号传输到后续单元。对固定式检测系统，因数据处理单元远离现场，故 西安理工大学硕士学位论文 需配置专门的信号传输单元。对便携式监测装置，只需对信号进行适当变换和隔离。 ( 5 ) 数据处理 对所采集的数据进行处理和分析，获取反映设备状态的特征值，为诊断提供有效的信 息和数据。 ( 6 ) 诊断 对处理后的数据和历史数据、判断及其他信息进行比较、分析后，对设备的状态或故 障部位做出诊断。必要时要采取进一步措施，例如安排维修计划、是否需要退出运行等。 图l l 为详细的变电站在线监测系统组成框图： 信号变送系统 i 数据采集系统 处理和诊断系统i ( 现场) l ( 设备附近) ( 主控制室) 、l ! 图1 1 变电站在线监测系统组成框图 f i g1 - 1b l o c kd i a g r a mo f o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi ns u b s t a t i o n 1 3 2 系统关键技术 大型电力设备在线绝缘监测的技术关键主要有如下几点： ( 1 ) 传感器技术 对电气设备绝缘进行在线监测，首先是如何选用和研制各种需用的传感器，以便从被 监测设备上获取信息，有时还需要从其他设备上同时取得作为对比或基准的信息。然后是 怎样保证传感器在户外有温度变化和干扰的环境中性能稳定、工作可靠。表1 1 为国内外 同类传感器取样方式比较情况。 ( 2 ) 信号传输技术 如何把由传感器获取的信息，无畸变地送到数据处理单元去分析、处理、存储，选择 什么样的通信方式很重要。因为这些工作很多都是在现场进行、在设备带高压的情况下进 行，所以要设法准确地获取并传输这些相当微弱的信号，使更少受或不受干扰，就必须采 取一系列的抗干扰措施。 ， ( 3 ) 数据分析、处理和诊断技术 对电气设备进行在线监测的目的是了解和评估设备在运行过程中的状态，从而能及时 地发现故障隐患。因此，对监测到的大量数据进行分析、处理是十分重要的。它可以帮助 6 第一章绪论 我们去伪存真，提取信号特征供诊断使用。 表1 1 国内外同类产品传感器取样方式比较表 t a bl - 1s a m p l i n gc o m p a r i s o no fs i m i l a rs e n s o r sa th o m ea n da b r o a d 单位高压出低压出套管中性点铁芯接外壳接 线端线端末屏接地线地线地线 a v o ( 美国) 0 加拿大魁北克省水电局 -_ l e m k e ( 德国) _- 吉思电气( 清华大学) _0 伏安公司( 中国电力科学 - 0 研究院) 东北电力科学研究院 - 武汉高压研究所 - t 、| 海吉科技( 重庆大学) 西安博源电气 -0 随着计算机技术的研究和应用，为诊断技术提供了非常快捷方便的手段。因此，研究 和选择合适的诊断方法对准确判断绝缘故障起着重要的作用。 ( 4 ) 抗干扰技术 在高压电气设备在线绝缘监测的各环节中，都离不开抗干扰的问题。它包括抗电场干 扰和磁场干扰，或者说共模干扰和差模干扰等。因此抗干扰技术的好坏可以说是绝缘在线 监测成败的关键之一。表1 2 为国内外同类产品抗干扰措施及功能比较情况。 表1 2 国内外同类产品抗干扰措施及功能比较表 t a b1 - 2i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o no fs i m i l a rp r o d u c t sa th o m ea n da b r o a d 单位差动极性数字 相位 阂值谱图趋势图 平衡 鉴别 滤波 开窗 a v o ( 美国) _0- 加拿大魁北克省水电局 -0 0 l e m k e ( 德国) 0 - 吉思电气( 清华大学) _ - - 伏安公司( 中国电力科学 - -_ 研究院) 东北电力科学研究院 -_ 武汉高压研究所 00_- 海吉科技( 重庆大学) _ t 西安博源电气 -0_00 7 西安理工大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 在分析了国内外变压器状态在线监测与故障诊断系统发展现状的基础上，本文以基于 经验模态分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，e m d ) 和支持向量机( s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e s ，s v m ) 的状态在线监测与故障诊断系统为研究主题，以变压器为主要研究对象， 详细研究了变压器绝缘油中溶解气体分析( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ，d g a ) 故障诊断和局部 放电干扰抑制方法及其应用，主要研究内容包括： ( 1 ) 深入分析了变电站在线监测与故障诊断系统研究的背景与意义，国内外发展状况 和关键技术，为f 一步的研究打下了坚实的基础； ( 2 ) 详细分析s v m 和e m d 原理，给出其具体的算法，并编制相关程序； ( 3 ) 针对现有d g a 方法诊断率不高和放电与过热故障难分辨问题，将支持向量机多分 类技术和粒子群算法引入，有效提高故障诊断率，并实例验证； ( 4 ) 深入研究电力设备局部放电在线监测系统及其抗干扰问题，针对窄带干扰问题， 将经验模态分解、支持向量机和自适应算法等引入，较好地解决变压器局部放电窄带干扰 难抑制的问题，并与其他滤波方法进行比较，给出其算法，并实例验证其有效性； ( 5 ) 针对白噪声问题，将经验模态分解方法引入，并与常规的小波分解方法进行比较， 得到相近效果，但算法自适应性更强，避免了小波分析处理时的参数选择问题( 包括小波 母函数的选择和分解层数的设定) 。 8 第二章支持向量机和经验模态分解 2 支持向量机和经验模态分解 2 1 支持向量机 支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ，s v m ) 是在统计学习理论基础上发展起来的一种 新的学习方法1 2 7 。它能够较好地解决小样本、非线性、高维数和局部极小等实际问题， 已经成为继神经网络研究之后机器学习界的研究热点n 蝴1 。 2 1 1 支持向量机分类 支持向量机理论建立以后首先应用于分类3 钉，下文将首先从分两类开始引入支持向 量机。首先考虑线性可分的情况，设存在线性可分的训练样本： ( x f ，y f ) ，x f r ”，y i ( + 1 ，一1 ) ，f = l ， ( 2 1 ) 选择分类器的原则是留出最大的边缘裕度，即准确分类的目的是找到个超平面将这 两类样本完全分开，且使得分类超平面具有更好的推广能力。从图2 1 ( a ) 和( b ) 中可以看出， 可将两类样本分开的超平面有无数多个。支持向量机的任务就是找到最优的分类超平面。 从直观上讲，最优超平面就是不但能将两类样本正确划分，并且使每个数据与超平面距离 最近的点和超平面之间的距离最大，即分类间隔最大，如图2 1 ( b ) 所示。 风 口n 口 口昌口 口口 l h i 口n 口 n l j l j 口口 口口 ( a ) 分类间隔较小的分类面( b ) 最大分类间隔的最优分类面 图2 1 分类间隔示意图 f i 9 2 - 1s k e t c hm a po fc l a s s i f i c a t i o nd i s t a n c e 分类问题的求解，依赖于对相似性和相似程度的估价，而在支持向量机中，相似性是 用内积进行估价的，这些内积强烈依赖于映射的选择，选择不同的映射就意味着不同的估 价标准。下面从数学上推导最优分类面的判别函数，设分离超平面为： + 6 = 0( 2 2 ) 其中， 表示向量点积。当两类样本线性可分时，设下面的条件满足： + 6 l ，对于y l = + 1 ( 2 3 ) 柏- 1 ，对于y i = - 1 ( 2 4 ) 式2 3 和式2 4 等号成立的那些点，就是距离超平面最近的两类点，只要成比例地调整国 9 o o o o o ，、o o 西安理工大学硕士学位论文 和6 的值就一定能保证这样的点存在，而且对分类结果并没有影响。令两个超平面为： 日t ： + 6 = 1 ，h 2 ： + 6 = 一1( 2 5 ) 则超平面h i 到原点的距离为l l b l l l 国l l ，超平面飓到原点的距离为卜- l 一6 国0 。因此，h i 和仍之间的距离为2 1 1 攻, 1 i ，它被称为分类间隔。因此，使分类间隔最大就是使l 最小。 综上所述，最优分离超平面可以通过下面的二次规划来求解： m i n 抑1 2 ( 2 6 ) 约束为： y i ( + 6 ) 一1 0 ，f =