CVT电容量在线监测方法、装置、终端设备及存储介质

技术领域

本发明涉及电力在线检测技术领域，具体涉及一种CVT电容量在线监测方法、装置、终端设备及存储介质。

背景技术

电容式电压互感器（CVT）是一种用来测量高电压的电力系统设备，因其具有体积小、重量轻、结构简单与价格低的特点，在电力系统的高电压测量中得到了广泛应用。电容式电压互感器主要采用电容分压原理，其中的分压电容器由高压电容与中压电容串联而成。随着使用时间的增加，分压电容器容易发生绝缘老化与电容量降低的现象，严重的甚至会出现电容单元被击穿。因此对电容量的有效测量十分关键

目前，针对CVT电容量测量方法主要有以下几种：第一种是西林电桥法，即利用介损仪准确测量出CVT的电容量，但此方法属于离线测量方法，不仅会影响电网正常运行，也无法实现对CVT电容分压器电容量的实时监测；第二种是获取母线PT电压与CVT对地电流，在假设母线PT电压值为真实电压值的情况下实现对CVT电容量的计算，但由于母线PT通常也是采用CVT，因此无法保证测量电压值的准确性；同时该方法需要在CVT内部加装电流互感器以获取电流，在安全性、可靠性上无法保证；第三种是根据CVT二次电压变化反过来预测电容量的变化，但该方法在应用时无法有效排除电网电压波动的干扰，且由于分压电容老化为缓慢过程，使用该方法也无法有效检测电容量的变化过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CVT电容量在线监测方法、装置、终端设备及存储介质，以解决现有技术中CVT电容量监测存在的无法实时监测、测量结果不准确，安全性、稳定性低的技术问题。

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种CVT电容量在线监测方法，包括：

利用隐马尔可夫模型建模，得到CVT二次侧谐波电压与电容量变化的对应关系，其中，CVT二次侧谐波电压、电容量、CVT二次侧谐波电压与电容量的对应概率及电容量变化概率分别用观测状态量、隐藏状态量、对应概率矩阵及转移概率矩阵表示；

获取

获取

根据所述转移概率矩阵与所述对应概率矩阵，计算得到

进一步地，所述根据所述转移概率矩阵与所述对应概率矩阵，计算得到

计算

其中

根据所述

进一步地，所述利用隐马尔可夫模型建模，得到CVT二次侧谐波电压与电容量变化的对应关系，包括：

获取CVT等效电路；

利用星角变换对所述CVT等效电路进行处理，得到CVT简化电路；

根据所述CVT简化电路，获取CVT的网络传递函数；

改变所述网络传递函数中的电容量，得到不同电容量下的CVT二次侧谐波电压。

进一步地，所述电容量的变化规律满足正态分布。

本发明还提供了一种CVT电容量在线监测装置，包括：

建模单元，用于利用隐马尔可夫模型建模，得到CVT二次侧谐波电压与电容量变化的对应关系，其中，CVT二次侧谐波电压、电容量、CVT二次侧谐波电压与电容量的对应概率及电容量变化概率分别用观测状态量、隐藏状态量、对应概率矩阵及转移概率矩阵表示；

转移概率矩阵计算单元，用于获取

对应概率矩阵计算单元，用于获取

隐藏状态量计算单元，用于根据所述转移概率矩阵与所述对应概率矩阵，计算得到

进一步地，所述隐藏状态量计算单元，还用于：

计算

其中

根据所述

进一步地，所述建模单元，还用于：

获取CVT等效电路；

利用星角变换对所述CVT等效电路进行处理，得到CVT简化电路；

根据所述CVT简化电路，获取CVT的网络传递函数；

改变所述网络传递函数中的电容量，得到不同电容量下的CVT二次侧谐波电压。

进一步地，所述电容量的变化规律满足正态分布。

本发明还提供了一种终端设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上任一项所述的CVT电容量在线监测方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行实现如上任一项所述的CVT电容量在线监测方法。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明利用隐马尔可夫模型建立了CVT分压电容容值与二次侧谐波电压的关系，并且认为电容容值与CVT二次侧谐波电压的对应关系以及电容量自身变化规律满足正态分布规律，根据此模型实现CVT电容分压器电容量的在线监测。本发明克服了电网电压波动对预测算法的影响，引入谐波电压的监测变量也大大提高了预测算法的准确度，同时本发明提供的方法不用改变CVT内部结构和额外增加测量设备，具有较高的可行性与便利性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的CVT电容量在线监测方法的流程示意图；

图2是本发明某一实施例提供的隐马尔可夫模型的结构示意图；

图3是本发明某一实施例提供的CVT等效电路模型的结构示意图；

图4是本发明某一实施例提供的星角变换后的CVT简化电路模型的结构示意图；

图5是本发明某一实施例提供的在MATLAB中计算得到的CVT二次侧基波电压；

图6是本发明某一实施例提供的在MATLAB中计算得到的CVT三次谐波电压；

图7是本发明某一实施例提供的在MATLAB中计算得到的CVT五次谐波电压；

图8是本发明某一实施例提供的在MATLAB中计算得到的CVT七次谐波电压；

图9是本发明又一实施例提供的CVT电容量在线监测方法的流程示意图；

图10是本发明某一实施例提供的在MATLAB中计算得到转移概率矩阵；

图11是本发明某一实施例提供的时刻为1计算的CVT二次侧谐波电压；

图12是本发明某一实施例提供的时刻为5计算的CVT二次侧谐波电压；

图13是本发明某一实施例提供的时刻为10计算的CVT二次侧谐波电压；

图14是本发明某一实施例提供的时刻为15计算的CVT二次侧谐波电压；

图15是本发明某一实施例提供的时刻为20计算的CVT二次侧谐波电压；

图16是本发明某一实施例提供的时刻为25计算的CVT二次侧谐波电压；

图17是本发明某一实施例提供的时刻为30计算的CVT二次侧谐波电压；

图18是本发明某一实施例提供的时刻为35计算的CVT二次侧谐波电压；

图19是本发明某一实施例提供的时刻为40计算的CVT二次侧谐波电压；

图20是本发明某一实施例提供的时刻为45计算的CVT二次侧谐波电压；

图21是本发明某一实施例提供的时刻为47计算的CVT二次侧谐波电压；

图22是本发明某一实施例提供的时刻为50计算的CVT二次侧谐波电压；

图23是本发明某一实施例提供的CVT电容量在线监测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

第一方面：

请参阅图1，在本发明某一实施例中，提供了一种CVT电容量在线监测方法，包括：

S10、利用隐马尔可夫模型建模，得到CVT二次侧谐波电压与电容量变化的对应关系，其中，CVT二次侧谐波电压、电容量、CVT二次侧谐波电压与电容量的对应概率及电容量变化概率分别用观测状态量、隐藏状态量、对应概率矩阵及转移概率矩阵表示；

在这一步中，首先利用隐马尔可夫模型实现对分压电容的电容量与CVT二次侧谐波电压的建模，根据隐马尔可夫模型所需要的五个要素，分别把CVT二次侧谐波电压作为观测状态量O；把电容量作为隐藏状态量H；把CVT二次侧谐波电压与电容量的对应概率作为对应概率矩阵HO；把电容量自身变化的概率作为转移概率矩阵HT；把电容量的容值初始值估计作为初始化概率集SP，在本方法中，由于电容量的初始值是可以具体确定的，因此可以忽略初始化概率集SP。如图2所示，其中

进一步地，在本实施例中，首先需要获得分压电容器电容量与CVT二次侧谐波电压关系，利用电工原理，CVT的工作电路可以用如图3所示的电路模型进行等效，在图3中，

在某一个实施例中，利用星角（Y-Δ变换）对图3的电路进行等效，获得简化电路，如图4所示，其中：

其中，

（11）

获得以上传递参数之后，通过改变分压电容C1、C2的值得到不同电容参数下的CVT二次侧谐波电压。

需要说明的是，主电容C1和C2是CVT的主绝缘部分，负责隔离高压和传递低压，输出工频和通信的信号。虽然随着电容器用绝缘介质技术的发展，高压并联电容器生产已广泛使用全薄膜介质，但对于CVT用分压器，考虑到温度变化会使得电容器的电容值发生不利于CVT运行的变化，因此，在CVT的设计中应用的是纸介质和薄膜介质复合的纸膜复合介质绝缘结构（一般为二膜三纸或二膜一纸），原因是纸介质具有正的温度系数，而薄膜介质具有负的温度系数，这样，通过采用两种温度系数互补的方法，可以使得分压电容器的电容值较为稳定，不会因在运行温度范围内出现过大的变化而影响其高频特性，降低高频通信的传输质量。合成的纸膜复合结构介质的温度系数

S20、获取

需要说明的是，隐藏状态也即是分压电容的电容量，具体的就是C1，C2的值。在n=1时，我们可以通过现场测量得到电容数值，当n>1时，

进一步地，在本实施例中，影响分压电容器容值的因素有介质温度、受潮程度以及绝缘老化，这些因素对分压电容器容值的影响是个缓慢的过程，当变化积累到一定程度之后才会导致电容单元击穿。因此，容值的变化规律可以视为满足正态分布规律，其中期望值

进一步地，由于分压电容器具有C1、C2两个独立影响因子，因此可以将公式（12）变形为：

当

式中，

S30、获取

在本实施例中，观测状态为CVT二次电压谐波。在分压电容电容量的在线监测中，CVT一次电压波动是造成监测误差的主要因素。电力系统运行时，电压会受到负荷、发电机出力等因素的影响，产生围绕额定值的随机波动。如采用单一的基波电压观测状态量，则无法区分CVT二次电压的变化是由一次电压波动引起还是分压电容数值改变引起。由于电网中的基波以及谐波电压波动属于随机波动不可能同时符合因电容量改变导致的CVT二次变化规律。因此，为了提高精度，需要引入谐波电压观测状态量。理论上，所引入的观测状态越多，模型应该更加准确，但考虑到现实中高次谐波的含量较少，且以目前的采样技术，谐波次数越高，测量精度越难保证。综合以上考虑，本方法采用的观测状态分别为CVT二次电压基波，三次谐波，五次谐波，以及七次谐波。

进一步地，根据步骤S10所计算的电容量变化与CVT二次侧谐波电压的对应关系，以及步骤S40所获取的CVT二次侧谐波电压，理论上可以就计算得到最有可能的电容参数。然而，如果电网长期或在一段时间内，因负荷变化导致电压有规律的处于偏高或偏低状态，如按照步骤S10所得到的对应关系，得出的电容参数将会出现较大误差。因此，本方法的对应概率计算方法采用了电压增量对应电容增量的方式，且电容量与谐波电压的对应也满足正态分布规律，则有：

其中，

S40、根据所述转移概率矩阵与所述对应概率矩阵，计算得到

根据公式（13-15），可分别求得转移概率矩阵与所述对应概率矩阵，然后代入公式（16），计算

式中，

最后，根据所述

本发明实施例利用隐马尔可夫模型建立了CVT分压电容容值与二次侧谐波电压的关系，并且认为电容容值与CVT二次侧谐波电压的对应关系以及电容量自身变化规律满足正态分布规律，根据此模型实现CVT电容分压器电容量的在线监测。本发明实施例通过引入谐波电压的监测变量，大大提高了测量结果的准确度，且在应用时无需改变CVT内部结构和额外增加测量设备，具有较高的可行性与便利性。

在某一实施例中，为了说明本发明的所能实现的效果，根据图3所示CVT等效电路模型，设置五组不同的分压电容容值组合，得出对应的CVT二次谐波输出值。利用随机数产生一组模拟随机电压波动。产生一组模拟CVT二次侧谐波电压的序列，如下表1所示。把表1的谐波电压序列作为可观测状态，根据式子（16）计算每个隐藏状态的最大概率，得出计算结果如图11-22所示，从结果可以看出，仿真结果与表1的预设结果一致，因此证明了本方法的可行性。

表1 各个时刻的谐波电压预设值

如图11-22所示，假设时刻1的CVT谐波电压值为额定电容C1、C2下对应的谐波电压值；时刻 2-9的随机波动指的是在时刻1的谐波电压基础上附加上一个随机数，模拟谐波电压在无规律的波动；时刻10表示，当电容C1、C2较时刻1分别变化了99%与97.5%时对应的谐波电压值。以此类推，表1模拟了CVT二次侧谐波电压的测量序列。把表1的谐波电压序列作为可观测状态，根据式（16）计算每个隐藏状态的最大概率，得出计算结果。由图11、图12可见，概率最高点对应的C1、C2的值分别为C1*100%与C2*100%，说明计算结果表明C1、C2的值最大概率为额定值，这与表1的预设结果一致。同时也表明算法能够克服时刻5电压随机波动带来的干扰。由图13、图14可见概率最高点对应的C1、C2的值分别为C1*99%与C2*97.5%，也符合表1所设时刻10、时刻15的结果。以此类推，图15、图16及图17-22分别印证了表1所设时刻20、时刻25、时刻30、时刻35、时刻40、时刻45、时刻47及时刻50的结果，因此证明了本方法的可行性。

第二方面：

本发明某一实施例还提供了一种CVT电容量在线监测装置，如图23所示，所述装置包括：

建模单元01，用于利用隐马尔可夫模型建模，得到CVT二次侧谐波电压与电容量变化的对应关系，其中，CVT二次侧谐波电压、电容量、CVT二次侧谐波电压与电容量的对应概率及电容量变化概率分别用观测状态量、隐藏状态量、对应概率矩阵及转移概率矩阵表示；

转移概率矩阵计算单元02，用于获取

对应概率矩阵计算单元03，用于获取

隐藏状态量计算单元04，根据所述转移概率矩阵与所述对应概率矩阵，计算得到

本发明实施例提供的装置在执行对应的方法时，利用隐马尔可夫模型建立了CVT分压电容容值与二次侧谐波电压的关系，并且认为电容容值与CVT二次侧谐波电压的对应关系以及电容量自身变化规律满足正态分布规律，根据此模型实现CVT电容分压器电容量的在线监测。本发明实施例通过引入谐波电压的监测变量，大大提高了测量结果的准确度，且在应用时无需改变CVT内部结构和额外增加测量设备，具有较高的可行性与便利性。

在某一个实施例中，所述隐藏状态量计算单元，还用于：

计算

其中

根据所述

在某一个实施例中，所述建模单元，还用于：

获取CVT等效电路；

利用星角变换对所述CVT等效电路进行处理，得到CVT简化电路；

根据所述CVT简化电路，获取CVT的网络传递函数；

改变所述网络传递函数中的电容量，得到不同电容量下的CVT二次侧谐波电压。

在某一个实施例中，所述电容量的变化规律满足正态分布。

第三方面：

本发明某一实施例还提供了一种终端设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的CVT电容量在线监测方法。

处理器用于控制该终端设备的整体操作，以完成上述的CVT电容量在线监测方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific1ntegrated Circuit，简称AS1C) 、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP) 、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device ,简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD) 、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array ，简称FPGA) 、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行如上述任一项实施例所述的CVT电容量在线监测方法，并达到如上述方法一致的技术效果。

本发明某一实施例还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述的CVT电容量在线监测方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由终端设备的处理器执行以完成如上述任一项实施例所述的CVT电容量在线监测方法，并达到如上述方法一致的技术效果。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。