基于参数辨识的变压器绕组故障诊断方法的研究.pdf

基于参数辨识的变压器绕组故障诊断方法的研究 第六图书馆 变压器外部故障时,变压器内部绕组的匝数及漏磁通所经磁路均未变化,变压器绕组发生故障时,变压器漏电感肯定会发生变化。通过 测量变压器的短路电抗并计算分析,可以判断变压器的绕组故障。参数辨识法诊断变压器绕组故障,即是通过测量变压器三相电压和 电流量,采用递推最小二乘法,辨识变压器绕组漏抗.从而判断变压器绕组是否故障。变压器外部故障时,变压器内部绕组的匝数及漏 磁通所经磁路均未变化,变压器绕组发生故障时,变压器漏电感肯定会发生变化。通过测量变压器的短路电抗并计算分析,可以判断变 压器的绕组故障。参数辨识法诊断变压器绕组故障,即是通过测量变压器三相电压和电流量,采用递推最小二乘法,辨识变压器绕组漏 抗.从而判断变压器绕组是否故障。参数辨识 变压器绕组 故障诊断电力建设李小伟广西崇左供电局,祟左市5322002007第六图 书馆 第六图书馆 第 2 8卷第 2期 2 0 0 7年 2月 电 力 建设 E l e c t r i c P o we r Co n s t r u c t i o n Vo 1 2 8 N o 2 F e b 2 0 0 7 。 25。 基于参数辨识的变压器绕组故障诊断方法的研究 李小伟 ( 广西崇左供电局 ， 祟左市 ， 5 3 2 2 0 0) 摘要】 变压器外部故障时 ， 变压器内部绕组的匝数及漏磁通所经磁路均未变化 ， 变压器绕组发生故障时， 变压器漏电感肯定会发生变化 。 通过测量变压器的短路 电抗并计算分析， 可以判断变压器的绕组故障。 参数辨 识法诊断变压器绕组故障， 即是通过测量变压器三相电压和电流量， 采用递推最小二乘法 。 辨识变压器绕组漏 抗 ， 从而判断变压器绕组是否故障。 关键词 参数辨识 变压器绕组 故障诊断 中图分类号 ：T M4 0 1 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 7 2 2 9 ( 2 0 0 7)0 2 0 0 2 5 0 3 Re s e a r c h o n T r a n s f o r me r W i n d i n g F a u l t Di a g n o s i s B a s e d o n P a r a me t e r I d e n t i f i c a t i o n L I Xi a o - we i ( Gu a n g x i C h o n g z u o P o w e r S u p p l y B u r e a u ， C h o n g z u o 5 3 2 2 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t T h e n u mb e r o f t u r n s o f t r a n s f o r me r w i n d i n g andi t s f l u xl e a k a g e d o n o t c h ang e w h e n e x t e ma l f a u l t o c c u r s H o w e v e r ， i n d u c t a n c e l e akage o f t h e t r an s f o rm e r c h an g e s w h e n t r an s f o rm e r wi n d i n g f a ul t s h a p p e n Wi n d i n g f a u l t s C 8 1 b e i d e n t i fi e d b y me a s u r i n g t r a n s f o rm e r s h o r t - c i r c u i t r e a c t a n c e and ana l y z i n g t h e d a t a Pa r a me t e r i d e n t i fic a t io n me t h o d C a l l b e u s e d t o d i a g n o s e wi n d i n g f a u l t s t h r o u s h me a s u rin g 3 - p h a s e v o l t a g e a n d c u r r e nt a n d US - i n g r e e u rsi v e l e a s t s q u a r e s me t h o d t o i d e n t i f y t h e wi n d r e a c t an c e l e aka g e Ke y wo r d s p a r a me t e r i d e n t i fi c a t i o n ； t r ansf o rme r w i n d i n g ； f a u l t d i a g n o s i s 0 引言 变压器短路阻抗及阻抗中的电感分量与绕组几 何尺寸及相对位置有关 。通过检测变压器短路电抗 变化来分析绕组状况的技术正逐渐得到重视。这里 介绍一种基于参数辨识 的变 压器绕组故障诊断方 法 。 即测量变压器三相电压和电流量 ， 采用递推最小 二乘法 。 以此辨识变压器绕组漏抗 ， 从而判断变压器 绕组是否故障。 1 参数辨识原理 - 】 假设有这样一个线性系统， 如 图 1所示 ， Y为输 出变量 ， 它与 n维输入变量 ( i t ： ， 是线性关 系 即 y = O l u b 0 2 u ， M ( 1 ) 其 中 = ， 0 2 ， 是一个常数集 ， 且是未知的。 希望通过不 同时刻对 y及 的观测值来估计 出 0 的数值。 设在 t l , t - ， t 时刻已测得 Y及 u量测系列。 且用 y ( O 及 。 ( ) ， u 2 ( i ) ， ， u n ( i ) ， 1 、 2 、 m来表示量测数 参数集 0 l ， 0 2 0 图 1 线性 系统 据 则可用下述 m个线性方程组来表示其数据关 系 ： ) ， ( ) = 1 1 ( ) ， 2 ( ) + ， O u d i ) ， i = 1 ， 2 ， m， 弓 I 入如下 的向量和矩阵 ： y = ， ，( 1 ) ( 2 ) ， y ( m ) ， r 0 = 【 0 1 ， 0 2 ， 刚 u ( 2 ) ( ， 那么方程组( 2 ) 可以写成矩阵形式 y = 鲫 式 中 待辨识参数矩阵 ； 输入变量矩阵 ； y 输出变量矩阵。 收稿 日期：2 0 0 6 0 9 2 7 作者简介 ：李小伟( 1 9 7 7 一 ) ， 女 ， 硕士研究生 ， 工程师 。 从事高压实验工作 。 ( 2 ) 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 2 6 电 力 建 设 第2 8 卷 l + 1 ) = ) + K + 1 ) + 1 ) 一 T (k + 1 ) ( j ) 1 K + 1 ) ： 尸 I ) + 1 ) + 1 )尸 ( j ) + 1 ) + 1 【 + 1 ) = I - K (k + 1 )h T (k + 1 ) lP ( k ) 递推计算过程中， Y为输出矩阵， h输入矩阵， 这些数据可通过测量取得。其中2 个量 尸 ( 和 初值的选取 ， 可以有 2种做法： ( 1 1 先取一批观测量 ， 用非递推最小二乘法求得 及 I7 、 ) 。但必须注意观测个数 N 2 n 为待测系 统的阶数) ， 先求出 尸 ( 0 ) = 0 ) 】 ， 则 ： = ( 0) ( 0) 】 一 ( 0) y ( 0 ) 然后从 ( + 1 ) 个数据以后 ， 采用递推算法。 ( 2 ) 人为选定初值 。选定 0 ( N o ) = 0 ， P ( N o ) = I a ， 标 量 ， 取足够小 。经过一定次数递推以后 ， 可以得到满 意的结果。 在工程计算上 ， 也可 以按工程概念先作初 步估计 ， 再逐步递推。 2 变压器绕组参数的辨识 以双绕组单相变压器模型为例 ， 其模型如图 2 。 只要变压器本身没有 内部短路 ，对于变压器的 每一绕组回路 ， 基尔霍夫的回路电压方程永远成立 ， 原、 副方的电路舜时值电压电流都有这样的关系： 删。 ( 3 ) 誓+ R 2i2= ： ( 4 ) 式中 、 、 原、 副方绕组匝数 ； 两绕组 问公共磁通 ； 。 、 原、 副方绕组漏 电感 ； 。 、 厂原 、 副方绕组电阻 ； l 、 厂原、 副方电流 ； M 。 、 M 厂原、 副方绕组端电压。 由于公共磁通 是时间的函数 ，与铁芯的原 始工作状态 ( 剩磁 ) 、 磁滞特性和饱和状态有关 ， 和电流之间并不是线性和单值的关系 ，很难使用这 个模型进行分析。将这 2 个式子合并去掉 可得 图2双绕组单相变压器 改进后的数学模型 ： ( j = w, w ) j J u l - k u 2 = L l tr + l i 1 + k L + k R 2 i 2 ( 5 ) 数学模型( 5 ) 式 中， 电压 电流均可以从 电压互感 器 、 电流互感器直接测量 ， 以等式左边 电压量测系列 为输出矩阵 Y 。等式右边 电流量测系列为输入矩阵 ，待辨识参数 0= 。 ， R。 ， ， 2 1 ， 应用 以上辨识原 理 即可辨识 出变压器绕组的电阻和漏抗。 对于任何结线的三相变压器 只要根据以上原 理推导 出其数学模型 ，就可 以应用辨识原理辨识 出 其各相绕组参数电阻和漏抗 。 由于变压器绕组漏电感的计算是基于变压器的 漏磁场分布， 变压器在正常运行、 外部故障和发生励 磁涌流时， 变压器绕组 的匝数和漏磁通所经过磁路 均未发生变化 ， 变压器绕组的漏感亦不会发生变化 ； 而如果变压器绕组发生故障， 绕组电流通过的绕组匝 数以及漏磁场将会发生变化， 则漏电感定会发生变化闭 ， 基于这一特性 就能判断绕组是否存在故障。 3 仿真试验 本文用 MA T L AB语言对辨识 过程进行编程 。 选 取 1台双绕组变压器进行仿真试验 ，变压器容量 Js N = 3 1 5 M V A ， 额定电压 = 2 2 0 k V 3 8 5 k V， 频率 5 O H ，绕组 为 Y n接法 。绕组参 数为 ： 。 = 6 8 Q， X。 = 1 0 9 2 2 Q； 2 = O 3 2 Q， X2 = 3 3 2 Q。仿真分为正常运行 方式下不同负载的情况， 以及外部故障情况。变压器 一 次 、二 次侧 电流 、电压 的采 样 值 由仿真 程 序 MA T L A B产生 。 3 1 变压器不同负荷情况下参数辨识的情况 改变电路的负载参数 ，使其负载分别为变压器 额定负荷 的 5 0 、 8 0 、 1 0 0 时 ， 启动仿真电路 。电 流 、 电压各 取 2 0 0 0个 采样 点 ， 参 数组 0 =I X。 ， R。 ： ， 2 1T 的辨识结果如表 1 。 3 2 外部故障情况下参数辨识仿真试验 试验电路如图 3 。模拟变压器低压侧 A B C三相 出现故障， 启动仿真电路 。 电流 、 电压各取 2 0 0 0个采 样点， 参数组 0 = i x。 。 ： ， 的辨识结果见表 2 。 3 3 仿真结果分析 从以上各种情况下辨识的结果可看出。一些仿 真结果相对误差比较大。 特别是二次侧的参数。 分析 认为， 误差较大的原因可能有以下 2个 ： 一是二次侧 参数本身就 比较小 ， 容易造成较大的误差。 二是本文 采用的是软件仿真 ，仿真 电路 中一些模块无法进行 精确的描述 。 造成采集的原始数据存在误差。 针对 以上 2种原 因， 为了改善二次侧数值小 、 误 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 第 2 期 基于参 数辨识 的变压器绕组 故 障诊 断方法 的研究 2 7 图 3 外部故障的仿真试验电路图 表 1 不同负荷情况下参数辨识结果 表 2 外部故障情况下参数辨识结果 1 l 2 2 参数辨识值 l l 1 1 2 1 3 6 6 4 3 1 5 0 3 1 5 参数真实值 l l 1 0 9 ， 2 2 6 8 3 3 2 O 3 2 误差 2 6 6 2 3 5 5 1 2 5 3 l 差大的缺陷， 可以只考察各相的总电抗和总电阻， 那 误差无疑会小得很 多。 但这样处理后 ， 故障的识别也 只能是定相而无法定侧 ， 从实际运行需要出发 ， 已能 满足运行要求 ： 对于第 2种情况 ， 在实际应用 中， 变 压器一次、 二次侧 电压 、 电流可通过在线交流采样装 置以一定的采样频率采集得到离散的值，然后经 A D转换后送入工控机处理 ，这样采集到的原始数 据误差会小很多 从根源上消除了扩大误差的因素。 因此 ， 辨识结果从总体来说还算满意 ， 其受外部因素 影响 ( 负荷 、 外部故障) 不是很大 ， 基本满足稳定性 。 4 故障诊断 4 1 辅助判据 在运行过程 中变压器会随时可能发生一些干 扰