劉方兵

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

電力變壓器是變電站的關(guān)鍵性設(shè)備，是電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和與之對(duì)應(yīng)的檢修工作十分重要。在長(zhǎng)時(shí)間中為了使變壓器保持良好的工作狀態(tài)，有依據(jù)的檢修計(jì)劃對(duì)出現(xiàn)的變壓器故障的高效排除和檢修成本節(jié)約有著重要作用[1-3]。電網(wǎng)的波動(dòng)也會(huì)對(duì)變壓器自身帶來(lái)一定的影響，只有感知到變壓器的運(yùn)行情況時(shí)才能有效處理由電能質(zhì)量引起的異常。運(yùn)維人員可以通過(guò)變壓器在運(yùn)行過(guò)程中受到的電能沖擊情況進(jìn)行檢修計(jì)劃的安排，使檢修更高效、檢修成本更低。變壓器作為一種具有良好密閉性的裝置，由電能質(zhì)量變化帶來(lái)的影響很難被察覺(jué)到[4-6]。

為檢測(cè)變壓器的安全可靠性，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有幾種比較成熟的檢測(cè)方法，如短路阻抗法、低壓脈沖法、頻率響應(yīng)分析法、超聲波檢測(cè)法等。但這些檢測(cè)方法或多或少存在一定不足，如短路阻抗法的靈敏度很高，但是要依賴(lài)大型試驗(yàn)設(shè)備和大容量的試驗(yàn)電源才能達(dá)到，且試驗(yàn)的周期很長(zhǎng)；低壓脈沖法相對(duì)來(lái)說(shuō)抗干擾的能力還有待提高；頻率響應(yīng)分析法則在輕微的變形檢測(cè)中效果不太理想。

電能質(zhì)量的變化通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)部振動(dòng)，從鐵芯、繞組、絕緣油等逐步傳導(dǎo)至箱體。振動(dòng)檢測(cè)法通過(guò)在外部布置的傳感設(shè)備收集振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，具有快速應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[7]介紹了一種以振動(dòng)分析法為基礎(chǔ)的變壓器故障診斷技術(shù)和隱患治理流程。依據(jù)振動(dòng)頻譜對(duì)某特高壓電抗器乙炔含量具有微少增加的具體原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了擬合分析，定位了故障源。文獻(xiàn)[8]通過(guò)有限元法，構(gòu)建了一種對(duì)變壓器進(jìn)行振動(dòng)分析的模型，從而具體分析變壓器油箱表面振動(dòng)諧響應(yīng)。

本文提出了一種基于振動(dòng)信號(hào)的變壓器診斷系統(tǒng)，有效地輔助變壓器檢修計(jì)劃的制定。

1 原理分析

1.1 小波變換

小波變換首先選擇合適的母小波，由這個(gè)母小波得到衍生小波，期間需要在時(shí)間坐標(biāo)軸上進(jìn)行母小波的移動(dòng)、放縮、改變幅度等。衍生小波表達(dá)式為

式中：a為尺度因子；τ為位移因子。

小波具有衰減性和波動(dòng)性，小波變換是對(duì)信號(hào)從頻域和時(shí)域進(jìn)行分析。不同于傅里葉變換只能做頻域上的分析，小波變換的基本做法是對(duì)波進(jìn)行平移和收縮操作。小波分析能夠分析信號(hào)在時(shí)間軸上的任意一點(diǎn)，其最大優(yōu)點(diǎn)是能突出信號(hào)潛在的微小信息。小波分析法能夠提取出來(lái)比較細(xì)微的突變信號(hào)特征值，對(duì)突發(fā)變量分析和捕捉的效率更高。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation Neural Network，BPNN）通過(guò)人工輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷學(xué)習(xí)，不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的權(quán)重和偏置來(lái)達(dá)到接近輸入與輸出值之間的關(guān)系，在給定輸入值時(shí)能夠得到最優(yōu)結(jié)果，這種結(jié)果最接近期望輸出值。權(quán)重和偏置的調(diào)整是依據(jù)向前傳播結(jié)束后與結(jié)果之間的誤差進(jìn)行的，反復(fù)此操作網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)可接近輸入與輸出之間的關(guān)系。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有多層結(jié)構(gòu)，輸入層是整個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的源數(shù)據(jù)輸入階段，用于接收上個(gè)階段的特征數(shù)據(jù)。輸入層中的每個(gè)神經(jīng)元代表一個(gè)輸入變量。隱含層由大量神經(jīng)元組成，是建立映射關(guān)系最重要的一層。輸出層可以得到網(wǎng)絡(luò)的期望輸出。

2 故障特征選擇

變壓器箱體檢測(cè)得到的振動(dòng)信號(hào)來(lái)源有2個(gè)方面，即磁致伸縮和電磁力。二者都是通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生的力的作用，但區(qū)別點(diǎn)在于磁致伸縮是鐵芯中經(jīng)過(guò)磁通產(chǎn)生，而電磁力是鐵芯的漏磁對(duì)繞組的作用，通常電磁力也被稱(chēng)為安培力。為了對(duì)振動(dòng)信號(hào)與電氣量變化進(jìn)行匹配，需要從原理上對(duì)電能質(zhì)量變化進(jìn)行分析。安培力計(jì)算為

式中：I為繞組流過(guò)電流；B為作用在繞組上的漏磁通；α為I與B的夾角；L為繞組中流過(guò)電流的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度。表1為振動(dòng)類(lèi)型與特征分類(lèi)。

表1 振動(dòng)類(lèi)型與特征分類(lèi)表

根據(jù)以上總結(jié)，重新構(gòu)造了振動(dòng)傳播機(jī)理模型。其故障傳播如圖1所示。

圖1 故障特征類(lèi)型與傳播路線(xiàn)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本文中所提到的變壓器輔助檢修系統(tǒng)主要依靠監(jiān)測(cè)變壓器的振動(dòng)信號(hào)，辨析變壓器內(nèi)部受到的電能沖擊類(lèi)型。要實(shí)現(xiàn)因內(nèi)部受到電力影響產(chǎn)生的不正常振動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，需要獲取到變壓器箱體的振動(dòng)信號(hào)，這是對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)。因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要在傳統(tǒng)變壓器上增設(shè)振動(dòng)傳感模塊和基本的通信模塊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)反饋分析。圖2為振動(dòng)信號(hào)采集硬件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以TMS320F8335微處理器為基礎(chǔ)，所使用的微處理器有豐富的接口滿(mǎn)足其他芯片和模塊接入的需要，其內(nèi)存也滿(mǎn)足數(shù)據(jù)處理的需求。為了能夠配置串口間的通信模塊，需要加入通信電平轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)所用的芯片為MAX232。此外，模塊使用的是RS232串口通信，滿(mǎn)足要求。

圖2 振動(dòng)信號(hào)傳輸硬件架構(gòu)

3.2 流程設(shè)計(jì)

為了可以對(duì)變壓器的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且診斷出異常情況，有效支持通信服務(wù)與協(xié)議情況，及時(shí)采集和輸送信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的小波分析和振動(dòng)信號(hào)特征量來(lái)對(duì)設(shè)變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估。振動(dòng)信號(hào)分析流程如圖3所示。

圖3 振動(dòng)信號(hào)分析流程

圖4詳細(xì)展示了振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程，其中信號(hào)處理模塊包含小波變換程序和變換后經(jīng)過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征識(shí)別得到的變壓器振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖4 振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)傳遞流程圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文使用某變電站的油浸式變壓器對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。將表1所提到的振動(dòng)類(lèi)型依次從1～5進(jìn)行標(biāo)號(hào)。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果

結(jié)果顯示，本系統(tǒng)故障類(lèi)型識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性較高，只在9、11號(hào)樣本中出現(xiàn)了識(shí)別錯(cuò)誤的情況。之后的檢修計(jì)劃可以通過(guò)變壓器這段時(shí)間中出現(xiàn)的振動(dòng)故障樣本安排著重檢修的內(nèi)容，從而減少無(wú)用的檢修工作。

5 結(jié) 論

針對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)變壓器帶來(lái)的影響，本文由外部感知的振動(dòng)信號(hào)對(duì)變壓器內(nèi)部進(jìn)行感知。針對(duì)變壓器振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究，利用TMS320F28335實(shí)現(xiàn)電路的運(yùn)行功能，提出了一種基于振動(dòng)信號(hào)的變壓器診斷系統(tǒng)，輔助變壓器檢修計(jì)劃的制定。對(duì)變壓器運(yùn)行過(guò)程時(shí)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究和分析，變壓器箱體的振動(dòng)信息通過(guò)小波變換進(jìn)行特征提取，然后通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)小波變換后的特征量進(jìn)行分析，識(shí)別箱體振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量變化對(duì)變壓器的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器的運(yùn)行監(jiān)測(cè)。