基于獨(dú)立分量分析的配電變壓器智能試驗(yàn)技術(shù)研究

宋進(jìn)良，宮雁群,周 潔，張杉杉，韓洪剛

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)沈陽(yáng)供電公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)家電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110181；4.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)工程的推進(jìn)，節(jié)能型、智能化的配電產(chǎn)品將進(jìn)入電網(wǎng)。為適應(yīng)國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及發(fā)展需求，提高配電變壓器的入網(wǎng)質(zhì)量，本文提出了一種基于獨(dú)立分量分析的柔性檢測(cè)技術(shù)，可提高物資檢測(cè)的質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)物資檢測(cè)的自動(dòng)化、智能化、信息化和系統(tǒng)化。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)配電變壓器的性能要求越來(lái)越高，配電變壓器的入網(wǎng)試驗(yàn)與性能評(píng)估成為關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)配電變壓器整體參數(shù)綜合測(cè)試的研究還比較少，缺少故障智能化判別方法。電網(wǎng)公司對(duì)配電變壓器等配套設(shè)備的試驗(yàn)技術(shù)研究主要以全過(guò)程手動(dòng)檢測(cè)、人工判斷為主，試驗(yàn)效率較低。部分項(xiàng)目存在人為誤差，不能滿足配電變壓器全性能抽檢的數(shù)量和質(zhì)量的要求。各單位抽檢尚未研制出智能集成式自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)[1]。

本文采用獨(dú)立分量分析算法和柔性檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方法。該方法具有智能化判別與診斷分析的能力，建立配電變壓器參數(shù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以數(shù)字接口的銜接實(shí)現(xiàn)配電變壓器的自動(dòng)化檢測(cè)與評(píng)估，解決配網(wǎng)變壓器全性能評(píng)估的技術(shù)問(wèn)題，保障電網(wǎng)狀態(tài)檢修的準(zhǔn)確性。

1 測(cè)試原理分析

系統(tǒng)原理如圖1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)以可編輯邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)為控制核心，以現(xiàn)場(chǎng)總線為通信網(wǎng)絡(luò)，鏈接通信接口對(duì)升流裝置、升壓裝置和多路數(shù)據(jù)分析儀進(jìn)行實(shí)施控制與數(shù)據(jù)采集分析。試驗(yàn)平臺(tái)采用全過(guò)程自動(dòng)化檢驗(yàn)，通過(guò)通信模塊并將整個(gè)數(shù)據(jù)采集和診斷分析過(guò)程存儲(chǔ)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中[2]。

圖1 系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array,FPGA)和直接數(shù)字式合成(direct digital synthesizer,DDS)結(jié)合模式。試驗(yàn)過(guò)程采用獨(dú)立分量分析技術(shù)，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后輸出為恒定標(biāo)準(zhǔn)值。

2 評(píng)估系統(tǒng)算法分析

2.1 獨(dú)立分量分析算法

在柔性試驗(yàn)平臺(tái)中，應(yīng)用信號(hào)識(shí)別技術(shù)與優(yōu)化分析技術(shù)。獨(dú)立分量分析流程如圖2所示[3]。

圖2 獨(dú)立分量分析流程圖

為優(yōu)化系統(tǒng)，在某一參量獨(dú)立性判據(jù)下，通過(guò)算法應(yīng)用計(jì)算近似數(shù)據(jù)。

①球化。

對(duì)參數(shù)W進(jìn)行線性變換，推算出z(t)的各分量方差值為1，且不相關(guān)。

②正交變換。

使得yi的方差值保持?jǐn)?shù)值為1，且各分量相互獨(dú)立。

③判據(jù)。

(1)

式中：p(yi)和p(y)為未知參量，用于進(jìn)行概率預(yù)估計(jì)。

統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性可以描述為：

(2)

當(dāng)式(2)函數(shù)y中的各參數(shù)獨(dú)立時(shí)，I(y)=0為信息極小化的相互判據(jù)。由x求y=BX，可得到模型的預(yù)估結(jié)論：

H(y)=H(x)+log|B|

(3)

(4)

2.2 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

基于線性濾波理論，通常二維物體g(u,v)可以分解成沿u方向和v方向的不同空間頻率(vu，vv)的簡(jiǎn)諧函數(shù)的線性疊加[4]:

vyy)]dvxdvy

(5)

2.3 信號(hào)傳遞函數(shù)

信號(hào)傳函(signal-transfer function，SITF)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的重要參數(shù)之一，輸入信號(hào)假定描述為標(biāo)靶與其周?chē)h(huán)境之間的溫度差值，輸出信號(hào)假定為系統(tǒng)最終電壓值[5]。信號(hào)傳遞函數(shù)如圖3所示。

圖3 信號(hào)傳遞函數(shù)

SITF的推算過(guò)程如式(6)所示：

(6)

柔性系統(tǒng)采用最小二乘法對(duì)最佳估計(jì)值進(jìn)行擬合預(yù)估，推導(dǎo)出信號(hào)傳遞函數(shù)如式(7)所示[6]。

(7)

存在于響應(yīng)度函數(shù)中的偏置可表示為:

(8)

(9)

(10)

3 評(píng)估試驗(yàn)

為測(cè)試配電變壓器試驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性，針對(duì)配電變壓器的直流電阻測(cè)量、溫升試驗(yàn)和雷電沖擊試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估分析。

3.1 繞組的直流電阻測(cè)量

為了判斷變壓器繞組是否存在匝間短路，采用數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行直流電阻測(cè)量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)采集與分析。

直流電阻數(shù)字測(cè)試原理如圖4所示。

圖4 直流電阻數(shù)字測(cè)試原理圖

當(dāng)回路電流達(dá)到IN時(shí)，S2合上，S1斷開(kāi)，回路轉(zhuǎn)入穩(wěn)流狀態(tài)，在變壓器兩端產(chǎn)生的電壓降UX=RXIN，從而由式(11)得到RX。

(11)

3.2 溫升試驗(yàn)

配電變壓器實(shí)際投運(yùn)時(shí)鐵芯中存在鐵損、繞組中存在銅損，銅損和鐵損會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能使配電變壓器溫度升高。當(dāng)變壓器局部溫度升高較為明顯時(shí)，將削弱其結(jié)構(gòu)上的絕緣強(qiáng)度[7]。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，首先確定配電變壓器上層油的溫升，控制電壓，然后進(jìn)行試驗(yàn)。等效損耗電流按式(12)計(jì)算：

(12)

式中：IT為等效損耗電流；Vk85為85 ℃時(shí)額定電流下的短路損耗；P0為額定電壓下的空載損耗；I0為變壓器的額定電流。

施加等效損耗電流后，應(yīng)定時(shí)測(cè)量上層油溫和環(huán)境溫度，通過(guò)數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)計(jì)算上層油溫。隨后，輸入額定電流下的功率值，在各部位溫度穩(wěn)定后，依據(jù)式(13)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出繞組溫升。繞組溫升試驗(yàn)曲線如圖5所示。

圖5 繞組溫升試驗(yàn)曲線

(13)

式中：t1為初始試驗(yàn)繞組溫度；R1為t1時(shí)繞組電阻值；R2為t2時(shí)繞組電阻值。

3.3 雷電沖擊試驗(yàn)

雷電沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)采用獨(dú)立分量分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，硬件結(jié)構(gòu)采用電壓發(fā)生器、電流發(fā)生器和分壓器相互銜接。系統(tǒng)可由上位機(jī)控制電壓發(fā)生器和電流發(fā)生器開(kāi)展雷電沖擊試驗(yàn)，通過(guò)分壓器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析。以10 kV/S13型配變?yōu)槔?，雷電沖擊電壓波形如圖6所示[8]。

圖6 雷電沖擊電壓波形

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)配電變壓器性能試驗(yàn)中的各類問(wèn)題，提出一種全新的智能檢驗(yàn)方法。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)采用PLC為控制核心,以獨(dú)立分量分析為分析算法，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減小了響應(yīng)時(shí)間；克服了傳統(tǒng)方法對(duì)全性

能參數(shù)難以分割的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了配電變壓器全性能自動(dòng)化檢測(cè)與評(píng)估。試驗(yàn)方法采用自動(dòng)優(yōu)化識(shí)別技術(shù)，簡(jiǎn)化了配電變壓器的試驗(yàn)過(guò)程，在電網(wǎng)的物資抽檢工作中將發(fā)揮更重要的作用，有著廣泛的應(yīng)用前景。