電力變壓器故障診斷系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

1、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文電力變壓器故障診斷系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)姓名:丁博申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):軟件工程指導(dǎo)教師:寧洪;胡勁松20050901 CMS監(jiān)控軟件系統(tǒng);CMs2000故障診斷系統(tǒng)。其中電力變壓器故障診斷系統(tǒng)作為cMs2000故障診斷系統(tǒng)的變壓器診斷子系統(tǒng)。CMS20組成原理如下圖所示。 圖1.1CMS2000系統(tǒng)組成原理1.2主要研究?jī)?nèi)容概述基于油中氣體分析的故障診斷方法DGA回issolved GasAnalysis對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)是電力行業(yè)普遍采用的方法,本文論述了電力變壓器故障診斷中采用DGA方式的各種診斷方法和探索中的模型,并進(jìn)行了其性能的綜合分析和比較。通過(guò)對(duì)以往診斷方法

2、的優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較,本文做出了如下的研究與實(shí)現(xiàn):針對(duì)目前變壓器監(jiān)測(cè)設(shè)備逐漸向在線化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式的轉(zhuǎn)變,結(jié)合大量在線的連續(xù)的色譜數(shù)據(jù)和模糊理論,將產(chǎn)氣率引入變壓器故障檢測(cè)中,提出了模糊檢測(cè)模型。針對(duì)電力變壓器油色譜分析技術(shù)的主要方法三比值法在變壓器故障診斷中的缺碼和邊界絕對(duì)化以及分類過(guò)于簡(jiǎn)單導(dǎo)致的誤判斷問(wèn)題提出了模糊辨別模型和模式聚類診斷模型。通過(guò)以上研究并結(jié)合計(jì)算機(jī)程序開(kāi)發(fā)技術(shù),筆者實(shí)現(xiàn)了變壓器故障診斷原型軟件系統(tǒng)的研發(fā),通過(guò)實(shí)際的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用,結(jié)果證實(shí):基于模糊理論的檢測(cè)和辨別模型的診斷第2頁(yè) 先把信號(hào)分解為小波系數(shù),然后對(duì)分解出來(lái)的系數(shù)根據(jù)問(wèn)題的要求作一些處理,再用小波重建方法恢復(fù)信

3、號(hào)。Daubechies小波作為小波基函數(shù)的一種,該小波由In鰣d DaubecIlies 所創(chuàng)造,她發(fā)明的緊支集正交小波是小波領(lǐng)域的里程碑,使得小波的研究由理論轉(zhuǎn)到可行。在這里,采用db5基小波函數(shù),緊支集長(zhǎng)度為lO,濾波器長(zhǎng)度為12,消失距為5。3.4變壓器油中氣體分析樣本的選擇和分析實(shí)際分析中,筆者選擇了公司MGA2000產(chǎn)品(詳細(xì)性能參數(shù)可參見(jiàn)w妣Zjnbline-com 相關(guān)介紹在北侖電廠2004年6月l R到7月28日應(yīng)用所獲得的72組樣本。3。4。1樣本數(shù)據(jù)的降噪處理由于北侖電廠變壓器在這次樣本數(shù)據(jù)分析中主要發(fā)生的是中低溫過(guò)熱引起的絕緣材料的裂解,所以筆者選擇了C0數(shù)據(jù)作為一維離

4、散小波分析的數(shù)據(jù)輸入。樣本數(shù)據(jù)的降噪處理,主要是確定系數(shù)上的作用閥值。因?yàn)殚y值的選取直接影響降噪的質(zhì)量,所以人們提出了各種理論的和經(jīng)驗(yàn)的模型。但沒(méi)有一種模型是通用的,它們都有自己的適用范圍,其基本的選擇原理是根據(jù)源信號(hào)的信號(hào)噪聲比值來(lái)確定。閥值確定模型如下:腩r=厄麗兩丐公式3.41式中n為信號(hào)的長(zhǎng)度,o為白噪聲強(qiáng)度。在MATLAB中,筆者使用的是默認(rèn)系統(tǒng)降噪命令。在閥值控制上面,采用的是小波收縮7方法,原理基于方差最小的原則通過(guò)對(duì)系數(shù)的無(wú)偏似然估計(jì)確定閥值的方法。因?yàn)槿狈υ胍粜盘?hào)模型,所以數(shù)值選擇筆者采用了比較保守的做法。噪聲形式為:高斯白噪聲,各層閥值系數(shù)根據(jù)公式3.4一l取值如下:表31

5、小波分析函數(shù)各層系數(shù)選擇 圖3.1cO降噪后信號(hào)和原信號(hào)對(duì)比經(jīng)過(guò)反復(fù)比較,采用db5基小波函數(shù),緊支集長(zhǎng)度為10,濾波器長(zhǎng)度為12,消失距為5。 圈3.2北侖電廠cO產(chǎn)氣率信號(hào)數(shù)據(jù)5層小波分解從圖3.2中可以看出,對(duì)于a1和d2可以比較好的反映出原信號(hào)的幅值特征,對(duì)于原信號(hào)的波峰和波谷能夠很好的體現(xiàn)。d1為高頻信號(hào),其幅值相對(duì)d2略小,更多的反映了系統(tǒng)和傳感器噪聲信息。對(duì)于細(xì)節(jié)系數(shù)3層以上和近似系數(shù)2層以上,可以看到波峰已不能反映原信號(hào)的波峰位置,有了很大的偏移,幅值也大幅降低,已不能反映信號(hào)主要的特征,對(duì)于變壓器的監(jiān)測(cè)沒(méi)有意義。對(duì)于從變壓器故障時(shí)刻判斷上面,以1個(gè)樣本數(shù)據(jù)(24小時(shí)到2個(gè)樣本

6、數(shù)據(jù)(48小時(shí)的采樣率為主的波形給出了系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于a1和d2進(jìn)一步進(jìn)行分析: 圖3.3CO近似系數(shù)aI和細(xì)節(jié)系數(shù)d2譜圖從圖3.3中可以看出,不管是近似系數(shù)還是細(xì)節(jié)系數(shù)都與原信號(hào)符合得很好,幾乎所有的波峰和波谷都很吻合,其中,樣本6月1號(hào)5號(hào)22號(hào)發(fā)生低溫過(guò)熱故障,在譜圖中主要表現(xiàn)為所畫點(diǎn)。其中19號(hào)對(duì)應(yīng)了圖中最高的波峰,此時(shí)變壓器表現(xiàn)為一級(jí)警告,22號(hào)則表現(xiàn)為2級(jí)警告,22號(hào)警告之前,可以看到21號(hào)故障對(duì)應(yīng)了信號(hào)的最低波谷。圖3.3中還有很多其他波峰在圖中有所顯示,但在實(shí)際的變壓器的運(yùn)行中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。產(chǎn)氣率的變化在變壓器的故障產(chǎn)生過(guò)程中不能很好的體現(xiàn)出來(lái),對(duì)于故障點(diǎn)時(shí)刻的采樣只

7、有一個(gè)點(diǎn),不能很好的反映故障的特征,以至于噪聲點(diǎn)很難和變壓器的故障點(diǎn)區(qū)別,其主要原因在于采樣頻率太低。圖3.3中,可以看到幾乎所有的譜峰都很陡峭,沒(méi)有平緩增長(zhǎng)的情況,對(duì)于以上的分析,知道變壓器的故障應(yīng)該表現(xiàn)為一定規(guī)律的圖形特征,反映在小波分析中,應(yīng)該是具有一定低頻的有規(guī)律的曲線,另外波形曲線在最高分辨率下(a1和d2有較高的動(dòng)態(tài)特性,但此時(shí),不可能進(jìn)一步提高分辨率,因?yàn)榉直媛室呀?jīng)是最高,此時(shí)降低分辨率則信號(hào)的幅值就開(kāi)始大大降低,說(shuō)明信號(hào)的主要部分已經(jīng)丟失了。3.5產(chǎn)氣率分析在變壓器故障監(jiān)測(cè)中的結(jié)論變壓器故障的起始到出現(xiàn)是一個(gè)很快的過(guò)程,對(duì)于電性故障:包括局部放電,火花放電和電弧放電,由于其產(chǎn)生

8、時(shí)間只有幾個(gè)小時(shí),對(duì)于它們的診斷,現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)因?yàn)椴蓸又芷谄毡闉樘?4小時(shí)采樣一次,所以不能很好的監(jiān)測(cè)此類故障。而對(duì)于熱性 國(guó)防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院工程碩士學(xué)位論文 圖5.2模糊故障檢測(cè)單元該模塊數(shù)據(jù)輸入分為兩類,用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇總烴輸入或者分量輸入,兩種輸入情況下都要輸入產(chǎn)氣率(否則不能進(jìn)行正確的判斷,產(chǎn)氣率分為絕對(duì)和相對(duì)產(chǎn)氣率,用戶可以根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)選擇一種。根據(jù)用戶的輸入,系統(tǒng)會(huì)按照百分比顯示故障的嚴(yán)重程度,一般低于50%認(rèn)為沒(méi)有明顯的變壓器故障。5-3.2模糊故障辨別模塊該模塊包括兩個(gè)功能予模塊,離線數(shù)據(jù)模糊故障辨別模塊和在線數(shù)據(jù)模糊故障辨別模塊。在線數(shù)據(jù)模塊當(dāng)本系統(tǒng)作

9、為CMS2000系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)時(shí)可以通過(guò)intemet或者局域網(wǎng)連接到變壓器油中氣體檢測(cè)系統(tǒng),獲取實(shí)時(shí)的在線檢測(cè)數(shù)據(jù),并進(jìn)行診斷。其中離線和在線數(shù)據(jù)模塊使用相同的模糊辨別算法。第34頁(yè)圖5.3離線數(shù)據(jù)診斷單元該面板單元可以讀取CMS2000系統(tǒng)檢測(cè)變壓器油中色譜保存在本地的數(shù)據(jù)文件,文件格式為xIs。并通過(guò)點(diǎn)擊每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷,十分方便,同時(shí)對(duì)于診斷結(jié)果進(jìn)行保存,其保存的結(jié)果依然可以被cMS2000監(jiān)控系統(tǒng)軟件讀取。在線診斷模塊可以實(shí)時(shí)讀取遠(yuǎn)程檢測(cè)服務(wù)器上的數(shù)據(jù),通過(guò)TCP佃協(xié)議與監(jiān)控程序服務(wù)器連接。使用delphi的二個(gè)控件:TSocketCoIulection、TclientDataS

10、et。Tsocketcollllection負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程的應(yīng)用程序服務(wù)器通過(guò)TcP/口協(xié)議連接,連接時(shí)必須設(shè)定IP地址、應(yīng)用程序服務(wù)器名字。TclientDataS或是客戶端提供數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集控件,負(fù)責(zé)提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)給本地。其診斷方式和離線模塊一樣,如圖5.4。 模式聚類診斷模塊包括兩個(gè)單元,聚類樣本操作和聚類診斷, 圖5.5樣本聚類單元樣本的添加單元界面上部是樣本添加框,可以進(jìn)行單個(gè)樣本的添加,重置和取消。數(shù)據(jù)單位是pPm: u L,L。添加的樣本會(huì)在樣本集合列表中顯示。樣本的聚類添加若干樣本成功,則可以進(jìn)行樣本的聚類,同時(shí)會(huì)在故障類別框顯示樣本聚類的細(xì)節(jié)信息,包括葉子故障類數(shù)和中間節(jié)點(diǎn)故障類數(shù),在相關(guān)的下拉列表中可以選擇特定的故障子類,這個(gè)時(shí)候樣本集合列表搓顯示子類的櫸本列表。樣本聚類的保存和讀取選擇操作框里重新聚類按鈕可以對(duì)當(dāng)前聚類樣本集合中的樣本進(jìn)行聚類:聚類的結(jié)果可以保存;對(duì)于保存過(guò)的樣本集合可以通過(guò)聚類結(jié)果讀取按鈕讀取,并可以在此結(jié)果上進(jìn)行新的樣本的添加,刪除。其中刪除操作只會(huì)刪除單個(gè)樣本,如果此時(shí)不選擇重新聚類,則樣本聚類故障類別平均向量不會(huì)發(fā)生改變。該單元通過(guò)樣本添加單元得到的樣本聚類結(jié)果進(jìn)行故障診斷,如圖5。6。 圖5.6故