電力變壓器故障診斷系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

1、國防科學(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:丁博申請學(xué)位級別: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主要研究內(nèi)容概述基于油中氣體分析的故障診斷方法DGA回issolved GasAnalysis對電力設(shè)備進(jìn)行檢測是電力行業(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。通過對以往診斷方法

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):針對目前變壓器監(jiān)測設(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中,提出了模糊檢測模型。針對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化以及分類過于簡單導(dǎo)致的誤判斷問題提出了模糊辨別模型和模式聚類診斷模型。通過以上研究并結(jié)合計(jì)算機(jī)程序開發(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和辨別模型的診斷第2頁 先把信號分解為小波系數(shù),然后對分解出來的系數(shù)根據(jù)問題的要求作一些處理,再用小波重建方法恢復(fù)信

3、號。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),緊支集長度為lO,濾波器長度為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)源信號的信號噪聲比值來確定。閥值確定模型如下:腩r=厄麗兩丐公式3.41式中n為信號的長度,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對系數(shù)的無偏似然估計(jì)確定閥值的方法。因?yàn)槿狈υ胍粜盘柲Ｐ?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降噪后信號和原信號對比經(jīng)過反復(fù)比較,采用db5基小波函數(shù),緊支集長度為10,濾波器長度為12,消失距為5。 圈3.2北侖電廠cO產(chǎn)氣率信號數(shù)據(jù)5層小波分解從圖3.2中可以看出,對于a1和d2可以比較好的反映出原信號的幅值特征,對于原信號的波峰和波谷能夠很好的體現(xiàn)。d1為高頻信號,其幅值相對d2略小,更多的反映了系統(tǒng)和傳感器噪聲信息。對于細(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,已不能反映信號主要的特征,對于變壓器的監(jiān)測沒有意義。對于從變壓器故障時(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5號22號發(fā)生低溫過熱故障,在譜圖中主要表現(xiàn)為所畫點(diǎn)。其中19號對應(yīng)了圖中最高的波峰,此時(shí)變壓器表現(xiàn)為一級警告,22號則表現(xiàn)為2級警告,22號警告之前,可以看到21號故障對應(yīng)了信號的最低波谷。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)行中沒有發(fā)現(xiàn)問題。產(chǎn)氣率的變化在變壓器的故障產(chǎn)生過程中不能很好的體現(xiàn)出來,對于故障點(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,沒有平緩增長的情況,對于以上的分析,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)降低分辨率則信號的幅值就開始大大降低,說明信號的主要部分已經(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)很快的過程,對于電性故障: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),對于它們的診斷,現(xiàn)有的監(jiān)測儀器的監(jiān)測因?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)測此類故障。而對于熱性 國防科學(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)氣率分為絕對和相對產(chǎn)氣率,用戶可以根據(jù)測得的數(shù)據(jù)選擇一種。根據(jù)用戶的輸入,系統(tǒng)會按照百分比顯示故障的嚴(yán)重程度,一般低于50%認(rèn)為沒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intemet或者局域網(wǎng)連接到變壓器油中氣體檢測系統(tǒng),獲取實(shí)時(shí)的在線檢測數(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。并通過點(diǎn)擊每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷,十分方便,同時(shí)對于診斷結(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)程檢測服務(wù)器上的數(shù)據(jù),通過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;對于保存過的樣本集合可以通過聚類結(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發(fā)生改變。該單元通過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