基于边际谱图像的变压器局部放电检测技术研究_杨凯东.pdf

基于边际谱图像的变压器局部放电检测技术研究杨凯东（中海油能源发展采油服务公司，天津 ）摘要：目前变压器局部放电检测的识别率较低，而且随着检测样本的增多，检测速率会变慢，增大了变压器的内存消耗。为此，提出了基于边际谱图像的变压器局部放电检测技术，利用样本采集器进行放电样本的收集，再通过层次网络 结构进行样本数据的传输，利用边际谱图像的 变换模型分离算法对收集的样本数据进行处理，通过二维散点图进行数据集的优化，最后利用处理后的数据搭建局部放电检测模型。通过实验发现，设计方法可提高放电检测识别率，在放电样本最大时，其检测识别率可以高达，而且随着样本的增多，其检测识别率也会提高，减少了变压器的运行内存，提高了电力系统的效率。关键词：边际谱图像；变压器；局部放电中图分类号：（，）：，：；收稿日期：作者简介：杨凯东（），研究方向为电气。引言交流变压器是整个供电系统中关键的部分之一，各组成部分的质量状况和运行状况都会对整个供电系统的稳定性和安全运行产生直接的影响。但在实际操作的过程中，受到许多恶劣因素的影响，往往会出现电力变压器局部放电的情形。局部放电不但会引起电力变压器中的部分绝缘体互相产生化学反应，使绝缘体的材料成分出现变化，危及其正常操作的功能与安全，甚至还会导致漏电事件。为此，必须研发更高效的方法，才能针对有效的测试结果制定正确的保护方式，降低放电对电力系统的伤害。局部放电测量技术分为超声测量技术、材料检验法、光波测量技术、辐射检验法等，能够通过测量局部放电过程中所形成的磁场压力、产生的超声波能量等，对局部放电进行定量和定点。变压器局部放电检测 采集放电样本局放放电检测的放电样本采集是体系建设和模型搭建的主要步骤，样本采集是样本采集器和后台的样本处理技术进行对接不可缺少的环节。样本采集器可将放电信号转换为数据信息后进一步通过光纤将该信息传输到后台的处理系统。信号采集可同时调整传感器的采集数据速度，使其与工作频率相适应。根据变压器局部放电信号的产生形式和主要特征，在实验环境中搭建仿真放电模型。本文依据规范 ，以交流法来检测变电器的局部放电信号，收集数据的频率为 ，信道宽度为 ，高电压实验平台的型号为 ，实验接线如图所示。电力设备电工技术 图实验接线示意图利用上述步骤，把每个实验运行阶段内所采集的放电数据整理为一个样本数据集合，可用来检测各种放电类别的影响状况，使实验样品在以后的分析处理过程中都可保证实际有效性，因此本文采集了各个级别下的不同放电类别样品，每个放电类别下采集了 个样品，共 个，其中包括 个辅助样品和 个实验样品，每个类别下有 个辅助样品和 个实验样品。本文还综合考察了局部放电样本边际谱图的特征，以便于提高数据传输的速率。根据层次网络 结构进行数据传输，采用的网络模型如图所示。图层次网络 模型个层次模块中 的参数都不相同，具体参数见表。表 层次结构设置数据表层次模块 ；网络结构中包含个 层、个层次模块和个连接层，其中每个层次模块又包含个 层，层次模块中均采用倍的 层。此外，在层次模块中加入大量图像高分辨率处理的模块以有效提高网络的传输速率和网络结构整体的功能特性。基于边际谱图像的样本数据处理边际谱图像法是一种非递归的和自主的信号处理方法。本文采用边际谱图像中的 变换模型分离算法，将采集到的样本信号进行有机分解并得到很多具有不同主要频率的固有模型状态，分离后的各模型紧密关联于其对应的主要频率，不存在模型状态混乱重叠的问题，具有良好的降噪稳定性。在利用 算法分解局部放电信号前，本文采用固有的模型状态数，取。放电信号经分离变换和汇聚化处理后得到的 边际谱图像如图所示。图 局部放电信号的边际谱图像通过图可看出，在局部放电信号的边际谱可视化图像中信号的主要频率范围和相同频率下的频谱最大值具有比较明显的区别。基于这种情况，本文将其作为判断放电类型的主要理论依据。为便于二维散点图利用图像对放电信号进行直观的测量与辨识，同时也为减少在模型分割过程中的计算工作量，将放电信号以边际谱图像的形态加以处理，并通过方差算法对边际谱图像加以模糊处理。图像模糊化处理的表达式为：（，）.（，）.（，）.（，）（）式中，（，）为模糊图像在（，）处的模糊值；（，）为电阻在（，）处的电阻率。图像经过模糊处理后形成二维模糊矩阵，图像像素点模糊值控制在 。边际谱图像的转化有利于二维散点图全方位地获取局部放电信号的特征图像，从而提高其识别的精准度。将边际谱图像作为输入数据，按照不同尺寸将分析目标分为种类型。比较图像尺寸分别为 、时在不同迭代次数二维散点图的识别情况，如图所示。图二维散点图的识别情况根据图可以看出，当图像尺寸为 时，识别初期的幅度变化较大，而且识别率与 和 相比稍微低一些。其主要原因为图像的清晰度过低，使得特征信息不够完整，也因此加剧了处理过程中的数据流失，从这种尺寸的二维散点图中获得有效数据就相对来说更加艰难了。当描述图像尺寸为电工技术电力设备 或 时，由于图像的特征信息比较清晰，因此二维散点图的识别度可以稳定达到 以上。不过在图像尺寸为 时，收集样品的种类和硬件设置的要求等限制因素影响了辨识率的提高空间，并且随着图像尺寸的增大，获取数据效率越慢。另外由图可以发现，辨识率在迭代时间达到 左右时就已经处于稳定的状态，如果再进行迭代处理就需花费更多的工作时间。为此，其选取了约 大小的数据样本集，则迭代次数约为 次。采用二维散点图进行样本数据集的优化，将放电信号的幅值顺序和相位以类似节点的方式记录在二维坐标系中。放电的分散性充分体现在散点图中，并且通过散点图还能发现放电的幅值与电流冲击之间的联系。放电显示在平面中清晰可见，不仅可以反映单次的放电情况而且还有一定放电规律。图谱中的每一个节点都代表变电器的一次放电，根据放电图谱，不仅能识别放电类型，还能评估放电的影响程度。搭建局部放电检测模型将边际谱图像处理过的数据和获取到的局部放电信号构造为局部放电信号的范围矩阵，假设局部放电信号空间中有个信号映射到型的边际谱图像阵列上，其信号源的方位角和观测角分别为和。以变压器的中心点为放电原点，设定接收信号的矢量分别为（）和（）。（）（）（）（）（）（）（）（）（）和（）的协同方差矩阵定义为：（）（）（）式中，为负载电阻；、为矢量矩阵；为放电系数；为变电器电容；为固定矩阵。根据式（）（），对范围矩阵进行奇异值分解和特征值分解即可计算出（，）。根据（，）计算放电信号相应的方位角与观测角，分别为：（）（）（）（）（）（）式中，为观测俯视角度；为放电位置距离观测点的距离。为了实现放电检测技术的优化，本文确定了更加真实的放电样本，选取了合适的样本处理方法，构建出放电检测模型，以最大限度地减小计算误差和电力损耗，进而降低供电成本，为变电器的运行提供保障。实验与结论为保证在实验过程中局部放电信号样本不会失真，本文在平台的设计与搭建中，采取了防止电波干扰的措施。所有的虚拟平台的高压端都安装了屏蔽环或平衡压力器以防止电波产生，在变压器与实验装置的支撑杆之间以及金属杆和放电模型之间均采用滤波管连接，确保接触良好没有断开的地方。变电器的额定电压为 ，局部放电不可超过 ，变压器的基本参数见表，保护电阻起到限制电流交通量的作用，其值为 。变压器的电源系统装有可有效防止电路引入高频率电流的电源滤波器，提高供电电源的质量。表 工频加压系统技术参数名称参数产品型号 相数单相频率 额定容量 额定电压 原边电压：副边电压：额定电流原边电流：副边电流：冷却方式 工频耐压水平（）利用本文提出的方案对某变压器的等比例缩小模型进行局部放电检测，采集器均匀地分布在变压器的外壁上，距离地面的高度为 ，每个采集器的间隔为，共只，进行分散布置，在分散布置的同一方向设定变压器的局部放电信号。为进一步证明本文采用的边际谱图像在局部放电检测中具有较好的特性，采用经常使用于图像数据处理方面的 和 工频实验加压系统来识别放电类型。取放电样本数量为、个这种情况，并将实验结果与传统放电检测技术的实验结果进行对比，所得结果见表。表在不同技术下变电器局部放电检测的识别结果放电样本数个传统放电技术检测下放电检测的识别率本文设计的放电技术检测下的放电检测的识别率 由表可以看出，在种技术下，传统放电检测技术的检测识别率相对较低，且随着样本数量的增加，识别率并没有很明显的提高。而本文设计的放电检测技术相比于传统检测技术的识别精度高，但在样本数量较少时，检测识别率与传统技术的检测识别率相差不多。但是其处理的参数较少，会减少一定的计算资源，降低内存的使用率，加快检测速度。而且其在小样本情况下仍有 的检测识别率。随着放电样本数据集的扩大，整体的识别率稳定提高，当样本数量为 个时，本文设计的检测方法的检测识别率达到了 的识别精准度，进一步证实了本文设计（下转第 页）电力设备电工技术表设备计量电能数据结果测量相位电压 电流有功功率无功功率 相 相 相 由表可以看出，电阻分压费控成套柱上断路器配电设备可以实现电能的计量。再根据表数据计算出设备的校验互差数据，判断其计量精度。设备的校验互差数据如图所示。图 校验互差数据图由图可知，电阻分压费控成套柱上断路器配电设备三相的电能计量校验互差值均在 的范围，且校验互差数平均值为 ，而国家电网公司发布的 三 相 智 能 电 表 的 电 能 测 试 允 许 误 差 为以下，因此本文所提出的基于电阻分压式互感器的三相三元件高供高计计量方法的精度远高于国家标准，不仅解决了产权分界点的计量方式问题，还解决了高供高计计量不准的问题。结语本文设计的基于电阻分压式组合互感器的高供高计计量方法，解决了现有电能计量方法的不合理性，并且提高了高压的计量精确度，具有较好的应用性能。但是受时间的限制，本文所提的基于离散傅里叶变换公式优化的 算法，在互感器采集电压与电流信号时样本数据不够全面，容易使试验结果存在局限性，因此在今后的研究中还需继续完善本文提出的方法，在节约更多成本的前提下打破局限性，以满足电能计量需求。参考文献 魏伟，唐登平，李帆，等数字化电能表较电子式电能表计量及检测差异性研究电测与仪表，（）：周贤富，尤子龙，李静，等基于 的直流充电桩高精度电能表的研究电测与仪表，（）：夏伟钊，滕欢，曹敏 基于 算法的三相电能表评价模型研究电测与仪表，（）：王楚，张利莉，张国帅直流电阻分压器的非线性机理研究计量学报，（）：黎海生，许明柱，唐坚钊，等全模块化防窃电低压计量装置及其关键技术研究中国测试，（）：（上接第 页）方法的有效性。结语本文以变压器局部放电信号为边际谱图像的处理数据，以二维散点图自主提取图像信息，对放电信号在不同技术下的识别情况进行分析，并对比分析了本文方法与传统检测方法的结果。本文重点研究了变压器的局部放电检测技术。对变压器局部放电检测技术和图像技术的研究是为了更好地维护电力系统的稳定性，提高电力变压器的安全机制。随着电力行业在互联网领域和图像数据化处理方面的技术不断提升，相关专业的研究人员还需对变压器的放电检测进行持续的探索。参考文献 段昊，程林，江翼，等 基于高频及超声联合的换流变压器局部放电检测研究变压器，（）：黄家丰，苏毅，芦宇峰 基于小波变换的变电站变压器局部放电自动检测方法广西电力，（）：，蒋建旭，张云斌超声波与高频脉冲电流联合检测法在变压器局部放电 检 测 中 的 应 用 中 国 新 技 术 新 产 品，（）：高盎然，朱永利，张翼，等基于边际谱图像和深度残差网络的变压器局部放电模式识 别 电网 技术，（）：徐洋，刘卫东，高文胜用于变压器局部放电检测的套管末屏传感方式的灵敏度研究变压器，（）：孟祥海，王文华，彭飞 超声波测试技术在高压开关柜局部放电检测定位中的应用 电气应用，（）：魏哲宇采用超高频方式进行变压器内部局部放电带电检测技术的应用研究 中国管理信息化，（）：陈金祥 基于介质窗口和 传感器的变压器局部放电检测与定位方法电网技术，（）：蔡鋆，袁文泽，张轩瑞，等基于特高频自感知的变压器局部放电检测方法高电压技术，（）：刘江明，沈群武，艾云飞，等变压器局部放电试验时基于带电检测的异常缺陷分析变压