一種變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)變壓器領(lǐng)域，具體涉及一種變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障診斷方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，我國(guó)電網(wǎng)的規(guī)模和電力傳輸?shù)囊?guī)模都 在不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)安全問題愈加凸顯。美加"8. 14"大停電、西歐"11. 4"大停電等近年國(guó)際 上有影響的停電事故均造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失并產(chǎn)生了惡劣的社會(huì)影響。根據(jù)我國(guó)"十一五" 期間電網(wǎng)事故統(tǒng)計(jì)表明，電力設(shè)備故障占電網(wǎng)事故起因第一位。因此，電力設(shè)備的安全運(yùn) 行是避免電網(wǎng)重大事故的第一道防御系統(tǒng)，而電力變壓器是這第一道防御系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè) 備。
[0003] 狀態(tài)監(jiān)測(cè)是獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的技術(shù)手段，是檢修與運(yùn)維的重要信息來源。它采 用信息化技術(shù)，在變電站的輸變電設(shè)備上安裝先進(jìn)傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)設(shè)備進(jìn)行多參 量監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、多信息綜合分析，實(shí)現(xiàn)輸變電設(shè)備的智能化、信息化，達(dá)到設(shè)備運(yùn)行 狀態(tài)自我感知、故障自動(dòng)診斷的目的。狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是為基于狀態(tài)的檢修或預(yù)知性維護(hù)服 務(wù)的一種技術(shù)，其發(fā)展是源于狀態(tài)檢修對(duì)于電網(wǎng)裝備狀態(tài)信息獲取、分析、評(píng)判的技術(shù)性需 求。因此，目前發(fā)展的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)都是針對(duì)某一類裝備、某一種具體應(yīng)用而開發(fā)的，主要 集中在發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備、輸電線路等方面的具體設(shè)備狀態(tài)檢修應(yīng)用上。由于缺乏統(tǒng)一平 臺(tái)，各類監(jiān)測(cè)裝置各自為政，孤立運(yùn)行，資源不能共享。同時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法與其他重要 狀態(tài)量有機(jī)結(jié)合，未能有效發(fā)揮其輔助診斷作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 至少部分的解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明提出一種變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包 括：油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元，油中微水監(jiān)測(cè)單元，溫度監(jiān)測(cè)單元，局部放電監(jiān)測(cè)單元，接 地電流在線監(jiān)測(cè)單元，變壓器及有載調(diào)壓開關(guān)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元，主站計(jì)算機(jī)，其中，
[0005] 油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元，利用氣體色譜監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)變壓器油中所含的氫 氣、一氧化碳、二氧化碳、乙炔、乙烯、甲烷、乙烷的含量進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算的結(jié)果通過 RS232通信協(xié)議傳輸給主站計(jì)算機(jī)；
[0006] 油中微水監(jiān)測(cè)單元，利用水分傳感器對(duì)變壓器油中所含水分含量進(jìn)行計(jì)算，并將 計(jì)算的結(jié)果傳輸給主站計(jì)算機(jī)；
[0007] 溫度監(jiān)測(cè)單元，采用光纖測(cè)溫儀對(duì)變壓器頂層和底層油溫，以及殼體溫度進(jìn)行在 線檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給主站計(jì)算機(jī)；
[0008] 局部放電監(jiān)測(cè)單元，采用外置高頻天線作為UHF傳感器，監(jiān)測(cè)變壓器內(nèi)部局部放 電產(chǎn)生的超高頻電壓信號(hào)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸給主站計(jì)算機(jī)；
[0009] 接地電流在線監(jiān)測(cè)單元，通過監(jiān)測(cè)鐵芯接地線上電流大小變化來反映鐵芯情況， 并將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸給主站計(jì)算機(jī)；
[0010] 變壓器及有載調(diào)壓開關(guān)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元，利用壓電加速度振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)變壓器及 有載調(diào)壓開關(guān)的振動(dòng)情況，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸給主站計(jì)算機(jī)。
[0011] 其中，
[0012] 油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)變壓器的過熱性故障、變壓器過載、短路故障、放 電故障；
[0013] 溫度監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)變壓器的過熱性故障。
[0014] 局部放電監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)變壓器的放電性故障；
[0015] 接地電流在線監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)鐵芯多點(diǎn)接地故障；
[0016] 變壓器及有載調(diào)壓開關(guān)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)有載分接開關(guān)機(jī)械性故障和鐵芯及繞 組機(jī)械故障。
[0017] 其中，主站計(jì)算機(jī)接收油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元和局部放電監(jiān)測(cè)單元傳來的監(jiān) 測(cè)結(jié)果，當(dāng)油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到的乙炔含量占總烴比例的20%至70%，同時(shí) 氫氣含量占烴總量的30%至90%，并且，一氧化碳、二氧化碳、乙烯、甲烷、乙烷的含量在預(yù) 定的正常范圍內(nèi)，而且局部放電監(jiān)測(cè)單元顯示局部放電故障，這時(shí)主站計(jì)算機(jī)確定變壓器 發(fā)生局部放電性故障
[0018] 其中，主站計(jì)算機(jī)接收油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元和油中微水監(jiān)測(cè)單元傳來的監(jiān) 測(cè)結(jié)果，當(dāng)油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到的氫氣含量超出預(yù)定范圍，同時(shí)一氧化碳、二 氧化碳、乙炔、乙烯、甲烷、乙烷的含量在預(yù)定的正常范圍內(nèi)，而且，油中微水監(jiān)測(cè)單元顯示 油中的水分含量超出預(yù)定范圍，這時(shí)主站計(jì)算機(jī)確定變壓器油中水分超標(biāo)。
[0019] 其中，主站計(jì)算機(jī)接收油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元和溫度監(jiān)測(cè)單元傳來的監(jiān)測(cè)結(jié) 果，當(dāng)油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)到的甲烷和乙炔二者總量超出總烴的80%，這時(shí)主 站計(jì)算機(jī)分析溫度監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)的變壓器內(nèi)部各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，確定是否發(fā)生過熱性故 障。
[0020] 其中，主站計(jì)算機(jī)接收溫度監(jiān)測(cè)單元和變壓器及有載調(diào)壓開關(guān)振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元傳來 的監(jiān)測(cè)結(jié)果，如果溫度監(jiān)測(cè)單元的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示局部過熱故障并且振動(dòng)監(jiān)測(cè)單元顯示繞組 發(fā)生振動(dòng)變形，則主站計(jì)算機(jī)確定繞組發(fā)生變形故障。
[0021] 其中，油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元通過RS232串口與主站計(jì)算機(jī)相連，所述油中 氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元的操作系統(tǒng)為嵌入式Linux，所述油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元通過 串口管理模塊管理對(duì)RS232串口的操作，包括設(shè)置串口的屬性、串口的打開和串口的讀取， 所述串口管理模塊的串口讀取實(shí)現(xiàn)過程包括：
[0022] 添加串口讀取程序中用到的頭文件；
[0023] 定義一個(gè)新的int型進(jìn)程ID號(hào)；
[0024] 編寫新建子進(jìn)程功能，讀取串口對(duì)應(yīng)文件中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并輸出到新建的data,txt 文件中；
[0025] 通過程序設(shè)置父進(jìn)程睡眠1秒，并用system函數(shù)的kill功能來終止子進(jìn)程；
[0026] 以只讀方式打開存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的data,txt文件；
[0027] 從data,txt文件中第一行數(shù)據(jù)開始讀取，并存入緩存buf中；
[0028] 通過字符串完全匹配函數(shù)判斷某一時(shí)刻讀取的數(shù)據(jù)是否是以"一"開頭的，若不是 則重新讀取下一行，直到讀取到完整的數(shù)據(jù)為止；
[0029] 將完全匹配的一行數(shù)據(jù)中的具體數(shù)值提取到air-monitor數(shù)組存儲(chǔ)；
[0030] 實(shí)現(xiàn)以讀寫方式來打開一新建文件jc.txt文件；
[0031] 將air-monitor數(shù)組中存儲(chǔ)的數(shù)值寫入jc. .txt文件供其他設(shè)備調(diào)用。
[0032] 本發(fā)明還提出一種變壓器故障診斷方法，使用所述的變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)變壓器進(jìn) 行故障診斷，包括：
[0033] 通過所述油中氣體色譜在線監(jiān)測(cè)單元對(duì)變壓器油中的氣體進(jìn)行采樣，并通過以下 公式計(jì)算絕對(duì)產(chǎn)氣速率：
[0035] γα表示某氣體的絕對(duì)產(chǎn)氣速率，Ct,2表示第二次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，Ct>1表 示第一次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，△t表示兩次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，m表示 變壓器油的總質(zhì)量，P表示油的密度；
[0036] 當(dāng)總烴的含量大于第一閾值且小于第一閾值的3倍，并且總烴的絕對(duì)產(chǎn)氣速率小 于第二閾值時(shí)，確定變壓器存在故障但可繼續(xù)運(yùn)行；當(dāng)絕對(duì)產(chǎn)氣速率是第二閾值的1到2 倍，這時(shí)確定要縮短變壓器的檢驗(yàn)周期；
[0037] 當(dāng)總烴的含量大于第一閾值的3倍且總烴的絕對(duì)產(chǎn)氣速率大于第二閾值的3倍， 這時(shí)說明變壓器有嚴(yán)重的故障，通知工作人員立即采取相應(yīng)措施；
[0038] 其中，總烴是指變壓器油中所有的烴類氣體；總烴的絕對(duì)產(chǎn)氣速率是指變壓器油 中所有的烴類氣體的絕對(duì)產(chǎn)氣速率之和。
[0039] 通過以下公式計(jì)算相對(duì)產(chǎn)氣速率：
[0041] γ1^表示某氣體的相對(duì)產(chǎn)氣速率，Ct,2表示第二次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，Ct>1表 示第一次取樣測(cè)得油中某氣體濃度，At表示兩次取樣時(shí)間間隔中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間；
[0042] 當(dāng)總烴的相對(duì)產(chǎn)氣速率大于10%，確定縮短對(duì)變壓器的檢測(cè)周期。
[0043] 所述的變壓器故障診斷方法，采用支持向量機(jī)模型對(duì)變壓器故障進(jìn)行診斷，選取 氫氣、乙炔、乙烯、甲烷、乙烷五種故障氣體作為特征氣體，構(gòu)成的矩陣作為支持向量機(jī)模型 的輸入向量，輸入矩陣的列向量為以上五種特征氣體，列向量的維數(shù)是5 ;輸入矩陣的行向 量為收集到的原始數(shù)據(jù)，行向量的維數(shù)是原始數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。
[0044] 其中，所述支持向量機(jī)模型的訓(xùn)練過程包括：
[0045] 首先將訓(xùn)練集和測(cè)試集采用相同的方法進(jìn)行歸一化處理，以訓(xùn)練集作為支持向量 機(jī)的訓(xùn)練樣本，通過不斷地優(yōu)化核函數(shù)參數(shù)來訓(xùn)練支持向量機(jī)，如果故障診斷結(jié)果的正確 率達(dá)不到要求，則需要對(duì)核函數(shù)的參數(shù)范圍進(jìn)行重新選擇，直到診斷結(jié)果的正確率達(dá)到要 求為止，此時(shí)得到滿足要求的支持向量機(jī)模型，最后用測(cè)試集驗(yàn)證所訓(xùn)練的支持向量機(jī)對(duì) 故障的診斷結(jié)果是否正確。
[0046] 其中，采用所述支持向量機(jī)模型進(jìn)行變壓器故障診斷具體包括：
[0047] (1)獲取具有明確故障結(jié)論的電力變壓器油樣樣本600個(gè)，將油樣樣本分為訓(xùn)練 集和測(cè)試集，并對(duì)油樣樣本按照故障類型進(jìn)行分類，根據(jù)故障類型將油樣樣本分為六類，分 別用"1"、"2"、"3"、"4"、"5"、"0"表示，其中，"1"表示中低溫過熱、"2"表示高溫過熱、 "3"表示低能量放電、"4"表示高能量放電、"5"表示局部放電、"0"表示正常狀態(tài)；其中 訓(xùn)練集包含400個(gè)樣本，測(cè)試集包含200個(gè)樣本；
[0048] (2)將油樣樣本轉(zhuǎn)化為600X5的矩陣，并且采用相同的方法，分別對(duì)訓(xùn)練集和測(cè)試 集進(jìn)行歸一化處理；
[0049] (3)選擇合適的核函數(shù)，首先輸入較大的數(shù)據(jù)搜索范采用網(wǎng)格搜索法粗略地選擇 參數(shù)懲罰因子c和核函數(shù)δ，然后在粗略搜索的基礎(chǔ)上，合理地減小數(shù)據(jù)搜索范圍，利用網(wǎng) 格搜索法精確地選擇出最佳參數(shù)c和δ;
[0050] (4)利用訓(xùn)練集樣本訓(xùn)練支持向量機(jī)模型，并用測(cè)試集樣本預(yù)測(cè)診斷結(jié)果是否達(dá) 到要求，如果否，則返同到步驟（3)重新選擇核函數(shù)的參數(shù)范圍；
[0051] (5)將需要診斷的變壓器油樣數(shù)據(jù)代入所述支持向量機(jī)模型中獲得診斷結(jié)果。
[0052]其中，利用網(wǎng)格搜索法設(shè)置懲罰因子c的取值范圍為[2^21°]，步進(jìn)為0.4;核函 數(shù)參數(shù)S的取值范圍為[2