一种具有自适应阈值调节功能的变压器机械缺陷监测方法及装置与流程

本发明属于变压器，具体地说是一种具有自适应阈值调节功能的变压器机械缺陷监测方法及装置。

背景技术：

1、变压器是电网中的核心高价值设备，其在长时间运行过程中可能会出现内部松动等机械缺陷，这些缺陷若不及时发现和处理，可能引发严重事故，危及电网的安全和稳定运行。因此，对变压器进行机械状态监测至关重要。振动被广泛应用于变压器机械缺陷的检测，然而，采用振动进行故障检测面临一系列挑战。其一是振动信号的干扰：变压器内部的直流偏磁和电压谐波等因素可能对振动信号造成干扰，易造成误报等情况，增加了机械缺陷的判断难度。其二是振动特征的分散性：由于变压器的个体差异，不同变压器产生的振动特征存在分散性，导致通用的机械缺陷判断阈值难以确定，需要更加个性化和精细的处理。

2、cn105136440a公开了一种基于负载状态的电力变压器绕组松动的诊断方法，该方法采用负载电流与振动信号的方式相结合，并给定了第一阈值和第二阈值用于判断绕组松动。

3、cn109029959a公开了一种变压器绕组的机械状态检测方法，该方法对振动信号的固有模式函数进行hilbert变换得到振动信号的时频谱图，对振动信号时频谱图提取局部二值特征，构造振动信号特征向量，并根据特征向量的相似度与预设阈值比较判断绕组机械状态。

4、cn110361088a公开了一种变压器机械稳定故障监测诊断系统，该系统分为传感器层、数据汇聚层、网络层、管理层，其中传感器层包括吸附或固定连接在油箱外表面上的若干个压电传感器、设置在变压器的负荷端的若干个负荷电流传感器和设置在变压器的中性点扁铁上的中性点接地电流传感器。数据汇聚层包括数据采集模块和高速信号分析模块；网络层包括边缘计算模块；管理层包括变压器故障监控平台；压电传感器、负荷电流传感器和中性点接地电流传感器分别与数据采集模块相连接，高速信号分析模块分别与数据采集模块和边缘计算模块信号连接；边缘计算模块与变压器故障监控平台通信连接。

5、cn113673083a公开了一种变压器直流偏磁风险评估方法，该方法检测变压器的噪声、振动、温度以及中性点直流电流，当变压器中性点直流电流未超过设定阈值时，记录变压器噪声、振动、温度以及油中溶解气体，作为基准数据；当变压器中性点直流电流超过设定阈值时，记录变压器噪声、振动、温度以及油中溶解气体，作为评估数据，并启动风险评估程序；所述风险评估程序：判断变压器是否存在太阳直射，如不存在，则利用评估数据和基准数据结合相关系数进行风险评估因子计算；如存在则利用除温度外的评估数据和基准数据结合相关系数进行风险评估因子计算；根据计算得到的风险评估因子，对变压器直流偏磁进行风险评估。

6、cn116296346a公开了一种变压器绕组机械故障的确定方法、确定装置和存储介质，该确定方法如下：获取第一短路力；在变压器的绕组发生短路故障的情况下，获取第二短路力；获取振动特征量；确定第一短路力是否满足第一条件，且确定第二短路力是否满足第二条件，且确定振动特征量是否满足第三条件，得到确定结果，第一条件为第一短路力大于预设短路力，第二条件为第二短路力大于预设短路力，第三条件为振动特征量大于预设特征量；根据确定结果确定变压器的绕组是否发生机械故障。该方法解决了现有技术中采用单一振动监测评估方法无法准确确定变压器绕组是否发生机械故障的问题。

7、cn 116295812a公开了一种电力变压器的监测方法、监测装置和电子装置，该监测方法如下：控制电力变压器断电第一时间段，并获取电力变压器的振动信号在第一时间段内的第一幅频谱和电力变压的电信号；根据第一幅频谱，确定振动信号的振动模态频率点，振动模态频率点为第一幅频谱中频率为振动模态频率对应的点；确定模态频率点与预定点是否相同，在模态频率点与预定点不同的情况下，确定电力变压器发生故障。该方法解决了无法准确监测到电力变压器的状态的问题。

8、上述的专利文献中记载的技术方案，会监测某种特征量并结合固定的预设阈值进行判断，没有考虑变压器个体差异对判断结果带来的影响。而在实际情况下，变压器的型号、出厂批次、人工装配的随机性都会导致每台变压器正常状态的振动特征有所差异，采用固定的预定阈值进行判断易造成误判或漏判。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种具有自适应阈值调节功能的变压器机械状态监测方法及装置，其通过在自适应数据分析阶段形成相应的诊断阈值，根据具体变压器的个体差异进行灵活调整，通过周期内样本累积构建个体差异化阈值调整系数矩阵，避免由于个体差异导致的误判或漏判，从而解决变压器的个体差异带来的判定准确率下降问题。

2、为此，本发明采用如下的一种技术方案：一种具有自适应阈值调节功能的变压器机械缺陷监测方法，其包括：

3、自适应数据分析阶段：持续计算和记录变压器的振动特征高次谐波比d1和频谱时序相关性均值d2，并记录对应的高压侧电压、负载电流和中性点电流直流分量；

4、自适应数据分析阶段时间判定：持续重复自适应数据分析，直至变压器的一个负荷变化周期结束；

5、获得个体差异化阈值调整系数：分别计算变压器的振动特征高次谐波比d1和频谱时序相关性均值d2的个体自适应系数γ1、γ2，公式如下：

6、

7、

8、其中，为d1的基础阈值，为d2的基础阈值，d1|λ为自适应阶段累积数据得到的不同负载率λ下的d1的集合，d2|λ为自适应阶段累积数据得到的不同负载率λ下的d2的集合；

9、将自适应数据分析阶段形成的振动特征高次谐波比d1和频谱时序相关性均值d2作为诊断阈值，根据具体变压器的个体差异进行调整，实现自适应阈值调节；通过周期内样本累积构建个体差异化阈值调整系数矩阵，用于变压器机械松动缺陷的判断。

10、本发明通过在自适应数据分析阶段形成相应的诊断阈值，然后根据具体变压器的个体差异进行灵活调整，从而构建个体差异化阈值调整系数矩阵，能够解决变压器的个体差异带来的判定准确率下降问题。本发明能够在排除变压器型号与个体差异的基础上，实现变压器机械状态的监测。

11、进一步地，所述变压器的振动特征高次谐波比d1和频谱时序相关性均值d2的计算公式如下：

12、

13、

14、其中，m为时间帧序号，mmax为一段声信号分解出的总时间帧数量，fmax为计算频率上限，f表示频率；rm为xm与xm-1之间的相关系数，其公式如下：

15、

16、式中，xm、xm-1分别表示m时刻和m-1时刻的频率成分数组；σxm、σxm-1分别表示xm和xm-1的标准差；cov(xm(f),xm-1(f))表示xm、xm-1间的协方差。

17、进一步地，所述的具有自适应阈值调节功能的变压器机械缺陷监测方法，还包括：

18、机械缺陷监测阶段：过电压状态调整系数αov1和直流偏磁状态调整系数αdc1初始化为1，并获取当前信号采集模块得到的变压器产生的振动信号、高压侧电压、负载电流、中性点电流直流分量，并准备开始特征计算。

19、进一步地，所述的具有自适应阈值调节功能的变压器机械缺陷监测方法，还包括：

20、判断变压器是否处于直流偏磁状态：中性点电流直流分量idc是否大于3a？如果大于3a说明变压器处于直流偏磁状态，此时需要将直流偏磁状态调整系数αdc1设置为0.05idc。

21、进一步地，所述的具有自适应阈值调节功能的变压器机械缺陷监测方法，还包括：

22、判断变压器是否处于过电压状态：当前电压有效值u是否大于额定电压un的10％，如果大于10％说明变压器处于过电压状态，此时需要将过电压状态调整系数αov1设置为u/un。

23、本发明中使用的辅助参量的目的在于排除异常运行状态对机械缺陷诊断结果准确性的干扰。本发明在不同异常运行状态下，仍能有效地进行机械缺陷监测，增强了其鲁棒性和适用性。

24、进一步地，所述的具有自适应阈值调节功能的变压器机械缺陷监测方法，还包括：

25、判断变压器是否存在机械松动缺陷：对实时振动信号计算振动特征高次谐波比d1和频谱时序相关性均值d2，并分别与其缺陷判断阈值和相比较，计算公式如下：

26、

27、

28、若且则判断变压器内部存在机械松动；然后再通过判断d2与负载电流是否成正比，若成正比，则判断松动缺陷源于铁心，否则松动源于绕组。

29、d2单独使用时，易受到风机启停的干扰，导致误判，而利用d1与d2两者联合判断可以在避免风机干扰的同时，对变压器进行内部机械松动缺陷判别。

30、进一步地，由于变压器的负载波动会影响机械松动缺陷判断，需要在负载相对平稳的状态下进行缺陷判断，进行判断变压器是否存在机械松动缺陷时需要满足条件：前后负载率变化大于10％，若前后负载率变化≤10％则不给出判定结果，存储该时刻的负载率和频谱时序相关性均值d2，然后直接返回机械缺陷监测阶段继续监测；直至存储的数据中出现具备“前后负载率变化大于10％”条件的振动特征数据时，再输出判定结果。

31、本发明中使用d2和负载电流的变化关系可以区分内部机械松动缺陷是源于绕组还是铁心。

32、进一步地，所述的具有自适应阈值调节功能的变压器机械缺陷监测方法，还包括：

33、判断是否结束监测：当监测时间小于预设值t2max时，重新进入机械缺陷监测阶段继续开展连续监测；当监测时间大于等于预设值t2max时，结束监测周期，并输出监测结果完成报文。

34、进一步地，所述自适应数据分析的限时时间为t1max，设定为变压器的一个负荷变化周期。

35、本发明采用的另一种技术方案为：一种具有自适应阈值调节功能的变压器机械缺陷监测装置，其用于实现所述的变压器机械缺陷监测方法，其包括信号采集模块、数据存储模块、数据计算模块、控制模块、通讯模块和计时器；

36、信号采集模块：负责采集变压器机械系统产生的振动信号，通过外接的振动、电压、电流传感器，将振动加速度、高压侧电压、负载电流及中性点电流的模拟信号转化为数字信号，用于自适应数据分析和机械缺陷监测阶段的特征分析与条件判断，其中振动加速度用于判断机械特性并为振动特征计算提供数据，高压侧电压用于判断变压器过电压状态并为过电压系数提供电压数据，负载电流用于计算负载率，中性点电流用于判断变压器是否处于直流偏磁状态并为偏磁系数提供数据；

37、数据存储模块：用于存储从信号采集模块获取的振动、电流、电压的原始信号数据以及计算的特征高次谐波比d1和频谱时序相关性均值d2数据，以供后续分析、比对和历史记录；用于存储特征高次谐波比d1和频谱时序相关性均值d2的判断阈值，等待数据计算模块的更新和调用；

38、数据计算模块：对采集到的振动信号数据进行处理和分析，包括对振动信号进行频谱分析、高次谐波比d1计算、频谱时序相关性均值d2计算、偏磁系数计算、过电压系数计算、偏磁状态判别、过电压状态判别和松动状态判别，以提供机械状态的准确评估；

39、控制模块：负责协调各个模块的工作，包括触发数据采集、调配数据计算流程、控制数据的存储与删除、数据与外部的通讯；

40、通讯模块：用于将原始数据、告警信息和判断结果传输给外部系统或监控中心；

41、计时器：用于定期触发各个模块的操作，确保在规定的时间间隔内执行数据采集和分析，以保持监测的同步性、连续性和及时性。

42、与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：本发明通过引入自适应阈值调节功能和采用多参数辅助参量，有效地解决了传统变压器机械缺陷诊断技术中存在的个体差异、异常状态干扰、风机干扰、缺陷部件无法确定等问题，从而提高了机械缺陷监测的准确性和可靠性。