一种基于荧光分析的变压器故障诊断方法及系统

技术领域

本发明属于变压器故障诊断技术领域，涉及一种基于荧光分析的变压器故障诊断方法及系统。

背景技术

变压器作为电能生产和配送过程中能量转换的核心，其运行状态直接影响到电力系统的安全可靠运行，因此对变压器运行状态的监控尤为重要。

变压器运行状态的研判方法主要包括油中溶解气体测量间接方法和绝缘油特性测量直接方法两种。其中油中溶解气体分析(Dissolved Gas Analysis，DGA)存在气体检出限低和分析时间长的问题，无法提前预警及实时监测，造成状态监测迟缓，存在一定的安全风险；绝缘油特性测量通常对绝缘油做各种理化试验，比如酸值、色谱分析、体积电阻率等，其缺点是需要采样及消耗油样品且测量时间较长，无法满足实时在线监控需求。随着绝缘油在线监测的需求越来越迫切，多种光学监测方法被提出并应用，如NIR(近红外光谱)、FTIR(傅里叶变换红外光谱)和荧光光谱等。光学监测方法利用绝缘油中烃类化合物在光学谱段上的发射、反射及吸收特性完成定性定量判别。

鉴于红外光谱方法在复杂度和器件成本上都要高于荧光光谱方法，近年来基于荧光分析的变压器绝缘油状态监测研究逐步增多，通过测量绝缘油发射光谱特征的变化表征油的状态，主流的方法主要包括固定激发荧光光谱、同步荧光光谱、激发发射荧光强度矩阵，这些方法往往需要借助荧光光谱仪测得整个波段的荧光信号甚至激发发射二维荧光信号，不但信号采集时间长、数据处理复杂，且硬件成本高，时效性较差。

如图6所示，公开日期为2011年5月31日的文献《用于检测变压器局部放电的荧光光纤传感系统研制》(唐炬等，重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室)，公开了一种变压器局部放电检测试验平台，但是局部放电试验存在以下缺点：1)局部放电会导致电气设备出现过热情况，从而对电气设备造成损坏；2)局部放电会产生一系列不的现象和反应，例如化学反应、电脉冲、电磁辐射等，这些不良现象和反应将对周边环境和人民群众的生命健康造成严重危害；3)局部放电极易导致变压器的绝缘层被击穿，从而大大的降低变压器的绝缘性能，最终导致事故发生。

发明内容

本发明的目的在于如何据变压器绝缘油老化后荧光特性建立变压器故障诊断模型，实现对变压器放电击穿量或氧化程度的判断。

1、本发明技术方案的原理分析

变压器绝缘油是从石油中提炼的一种包含多种有机化合物分子的混合油品，其中的芳烃分子具有荧光效应，即被激发光源照射后会出现荧光现象，常见的变压器绝缘油荧光光谱如图1所示。

绝缘油荧光光谱通常在300nm-500nm之间有若干特征峰，绝缘油在受到放电击穿、氧化等因素作用导致变质老化后，其荧光光谱不仅在强度上会减弱，而且特征峰会向长波移动，发生“红移”现象，如图2所示，从图中看出，变压器绝缘油的两个荧光光谱特征峰随着不同的老化程度发生大小反转且向长波移动的变化。因此可采集各特征峰及其附近的荧光信号，通过比较荧光信号的变化情况判断老化程度。

因此，本发明的技术方案根据绝缘油老化后荧光特征发生“红移”的特点，建立变压器故障诊断模型，实现其放电击穿量或氧化程度判别。

2、本发明的技术方案

一种基于荧光分析的变压器故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤一：获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征峰值；

步骤二：由于绝缘油荧光光谱的荧光特征值分布在300nm-500nm波段之间，因此定义变压器绝缘油荧光光谱的长波与短波的荧光特征值的比例为FP，其计算公式为：

其中，V(λ

步骤三：定义老化油与新油的荧光比例差为ΔFP，其计算公式为：

ΔFP＝FP

其中，FP

步骤四：依据不同放电击穿量的老化油与新油的荧光比例差和放电击穿时间的对应关系，通过数据拟合方法建立绝缘油状态判别模型如下：

T

其中，T

步骤五：根据步骤四中所述的判别模型，利用绝缘油不同放电击穿试验实测数据完成模型拟合参数求解，得到模型曲线并进行变压器绝缘油运行故障在线诊断。

传统光谱法通常需要通过训练获得模型，且模型处理多光谱数据、计算复杂度较高，本发明提供模型算法在大量放电击穿实验下的绝缘油荧光光谱数据采样的基础上，总结其信号变化规律，设计出一种基于荧光分析的变压器故障诊断方法，在数据处理阶段提出基于双色比例差的信号处理算法模型，数据处理点数少，处理速度快，不需要提供训练获得模型，相于传统采集时间漫长的同步荧光或二维荧光光谱法，本发明的技术方案在实时性上具备较大优势。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤一中所述的获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征峰值的方法为：采用三色宽波段探测器获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征峰值。

在数据采集阶段采用RGB三色探测器，省去了高成本的荧光光谱仪，三色荧光信号的获取响应时间快速，满足实时采集要求。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤一中所述的三个色宽波段指的是蓝光波段、绿光波段、红光波段。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤一中所述的荧光特征值指的是每个色宽波段内的绝缘油荧光光谱的特征峰值。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤二中所述的长波指的是绿光波段，所述的短波指的是蓝光波段。

一种基于荧光分析的变压器故障诊断系统，包括：荧光特征峰值获取模块、荧光特征值的比例计算模块、荧光比例差计算模块、判别模型模块、故障诊断模块；

所述的荧光特征峰值获取模块用于获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征峰值；

所述的荧光特征值的比例计算模块用于计算变压器绝缘油荧光光谱的长波与短波的荧光特征值的比例为FP，其计算公式为：

其中，V(λ

所述的荧光比例差计算模块用于计算老化油与新油的荧光比例差为ΔFP，其计算公式为：

ΔFP＝FP

其中，FP

所述的判别模型模块用于通过数据拟合方法建立绝缘油状态判别模型，所述的判别模型如下：

T

其中，T

所述的故障诊断模块用于根据所述的判别模型，利用绝缘油不同放电击穿试验实测数据完成模型拟合参数求解，得到模型曲线并进行变压器绝缘油运行故障在线诊断。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征峰值的方法为：采用三色宽波段探测器获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征峰值。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的三个色宽波段指的是蓝光波段、绿光波段、红光波段。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的荧光特征值指的是每个色宽波段内的绝缘油荧光光谱的特征峰值。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的长波指的是绿光波段，所述的短波指的是蓝光波段。

3、本发明的优点

(1)传统光谱法通常需要通过训练获得模型，且模型处理多光谱数据、计算复杂度较高，本发明提供模型算法在大量放电击穿实验下的绝缘油荧光光谱数据采样的基础上，总结其信号变化规律，设计出一种基于荧光分析的变压器故障诊断方法，在数据处理阶段提出基于双色比例差的信号处理算法模型，数据处理点数少，处理速度快，不需要提供训练获得模型，相于传统采集时间漫长的同步荧光或二维荧光光谱法，本发明的技术方案在实时性上具备较大优势。

(2)在数据采集阶段采用RGB三色探测器，省去了高成本的荧光光谱仪，三色荧光信号的获取响应时间快速，满足实时采集要求。

附图说明

图1为变压器绝缘油荧光光谱示意图；

图2为变压器绝缘油不同老化程度的荧光光谱对比图；

图3为三色荧光信号探测示意图；

图4为荧光比例差多项式拟合结果；

图5为本发明的方法与滴定法变压器绝缘油的实验分析比较图，

图6为现有技术的变压器局部放电检测试验平台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

一种基于荧光分析的变压器故障诊断方法，包括以下步骤：

1、如图3所示，采用三色宽波段探测器获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征值；所述的三个色宽波段指的是蓝光波段、绿光波段、红光波段；所述的荧光特征值指的是每个色宽波段内的绝缘油荧光光谱的峰值。

2、由于绝缘油荧光光谱的荧光特征值分布在300nm-500nm波段之间，因此定义变压器绝缘油荧光光谱的长波与短波的荧光特征值的比例为FP，所述的长波指的是绿光波段，所述的短波指的是蓝光波段，FP的计算公式为：

其中，V(λ

3、定义老化油与新油的荧光比例差为ΔFP，其计算公式为：

ΔFP＝FP

其中，FP

4、通过测量不同放电击穿量的老化油与新油的荧光比例差，通过数据拟合方法建立绝缘油状态判别模型如下：

T

其中，T

5、如图4所示，根据所述的判别模型，利用绝缘油不同放电击穿试验实测数据完成模型拟合参数求解，得到模型曲线并进行变压器绝缘油运行故障在线诊断。

如图5所示为本发明的绝缘油状态判别模型的实验验证结果，实验条件为：绝缘油品(尼纳斯)，激发波长：280nm，放电击穿时间(分钟)：0～800。

与滴定实验数据作同步比较，可以看出，二者趋势基本吻合，表明本发明方法的有效性。

实施例二

一种基于荧光分析的变压器故障诊断系统，包括：荧光特征峰值获取模块、荧光特征值的比例计算模块、荧光比例差计算模块、判别模型模块、故障诊断模块；

所述的荧光特征峰值获取模块用于获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征峰值；所述的获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征峰值的方法为：采用三色宽波段探测器获取变压器绝缘油荧光光谱的三个色宽波段的荧光特征峰值；所述的三个色宽波段指的是蓝光波段、绿光波段、红光波段。所述的荧光特征值指的是每个色宽波段内的绝缘油荧光光谱的特征峰值。

所述的荧光特征值的比例计算模块用于计算变压器绝缘油荧光光谱的长波与短波的荧光特征值的比例为FP，其计算公式为：

其中，V(λ

所述的荧光比例差计算模块用于计算老化油与新油的荧光比例差为ΔFP，其计算公式为：

ΔFP＝FP

其中，FP

所述的判别模型模块用于通过数据拟合方法建立绝缘油状态判别模型，所述的判别模型如下：

T

其中，T

所述的故障诊断模块用于根据所述的判别模型，利用绝缘油不同放电击穿试验实测数据完成模型拟合参数求解，得到模型曲线并进行变压器绝缘油运行故障在线诊断。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。