一种基于多频振动相位差的换流变压器故障诊断方法

本发明属于电力设备故障检测，具体涉及一种基于多频振动相位差的换流变压器故障诊断方法。

背景技术：

1、随着新能源并网规模和直流输电容量持续增长，电力设备运行安全面临更加严峻的挑战；换流变压器作为直流输电系统中的核心设备，其运行可靠性直接关系到整个直流输电系统的安全稳定。实际运行中发现：高压直流换流变压器的故障率约为交流电力系统中变压器故障率的两倍，其中换流变和换流阀设备故障是直流系统停运的主要因素。由于换流变压器长期处于谐波、直流偏磁及复杂电磁力共同作用下，其内部机械结构易出现振动加剧、局部松动、疲劳损伤以及绕组变形等问题，严重时甚至可能引发短路故障和系统停运。因此，对换流变压器机械振动状态进行准确评估，对于保障直流输电系统安全稳定运行具有重要意义。

2、目前，换流变压器是近年来高压直流输电(hvdc)领域较新的应用变压器，现有的关于换流变压器的故障诊断方法主要是借鉴、迁移传统交流变压器的诊断方法，主要着眼于振动频谱中各频率成分的振动幅值信息，如文献[s. wu、s. ji、y. zhang、s. wang和h.liu. 一种用于换流变压器绕组机械状态检测的新型振动频率响应分析方法, ieee工业电子学汇刊, 第71卷, 第7期, 第8176-8180页, 2024年7月]提出了基于谐波电流产生的高幅值、宽频电磁力的在线振动频率响应分析(vfra)方法，vfra定义为振动加速度与电流平方的比值，通过振动扫频绘制vfra随振动频率的变化曲线，计算曲线相关系数来判定曲线的变化程度从而反映换流变压器的机械故障。但这类方法仍存在诸多不足：换流变压器空载时与负载时的振动频谱相差甚远，其主导频率及各频带的能量分布与负载水平强相关，故障引入的振动变化的不可预测性导致目前没有有效的手段判断振动能量结构的变化是源于故障还是谐波电流本身；且现有故障诊断方法大多都是在实验室模拟环境下开发并测试的，其在实际运行环境下的有效性及泛用性仍未可知。因此基于振动频率幅值谱分析的故障诊断方法的推进充满困难，急需新型故障诊断方法的设计与开发。

3、另一方面，针对相位的故障诊断研究已取得一些进展，文献[j. zheng、h. huang、p. jie、y. hu和x. jiang. 基于变压器振动相位变化的机械故障特征提取, 应用声学,2022年, 第185卷, 编号108440]首次系统地阐明了变压器振动相位信息与其机械稳定性之间的内在联系。相比传统基于振幅或频谱的分析方法，相位变化特征对机械故障更为敏感和直接，且受运行电流、电压和温度变化的影响更小；它指出绕组松动会导致相位角显著增大，而绕组变形则会引起更剧烈的相位变化，且变形对系统稳定性的影响大于松动。文献[j. zhao、j. zheng、y. yuan和n. wang. 基于变压器多传感器振动相位差的绕组变形检测, 第六届电子工程与信息学国际会议, 中国重庆, 2024年, 第169-175页]指出变压器绕组的变形会改变其结构刚度和振动传递路径，导致振动信号从源头(绕组和铁芯)传播到油箱表面不同位置产生时间延迟，即存在相位差，并从实验验证这一现象，因此基于多传感器间振动相位差变化的指标能有效、可靠地检测电力变压器绕组变形。然而，目前针对换流变压器振动相位特征，尤其是多频相位差特征的故障诊断研究仍较为缺乏，尚难满足复杂工况下换流变压器机械状态在线评估与故障诊断的实际需求。

4、公开号为cn111273100a的中国专利申请提供了一种基于振动相位的电力变压器绕组状态评估方法，该方法基于绕组振动产生机理，利用了振动相位对故障引起的机械结构变化更为敏感且不易受环境因素的影响的特点，将绕组故障与振动相位信息直接进行关联，为故障诊断的有效性与科学性提供依据。公开号为cn118643448a的中国专利申请提供了一种三相变压器绕组故障定位方法，通过提取到的振动信息获取三相变压器各相绕组振动分量的相位，得到振动相位；根据振动相位计算各相对应的初始振动参数；依据初始振动参数分析三相变压器的运行状态，得到当前运行状态，当前运行状态包括运行正常和运行故障；在运行故障的情况下，依据振动相位分别进行双相参数计算和单相参数计算，得到双相参数最大值和单相参数最大值；根据双相参数最大值和单相参数最大值计算各相的异常贡献值，并基于异常贡献值定位故障相。

5、上述方法主要基于交流变压器多测点之间的振动相位差进行状态表征，但换流变压器在谐波电流与直流偏磁共同作用下，振动源更加复杂，在空间上分布不均匀且强度随负载动态变化，使得测点间相位关系不再唯一取决于机械结构，影响诊断结果的准确性。现有方法仅提取100hz基频振动相位进行诊断，但换流变压器在谐波电流作用下，振动频率成分复杂，覆盖直至2000hz等宽频范围，且主频在不同负载条件下会发生显著迁移；现有方法均未能有效利用谐波信息，特别是对故障变化更为敏感的高频段振动相位信息。

6、此外，现有方法在计算相位时需要同步采集电流信号作为参考基准进行校正，但换流变压器电流实测困难，现场可实施性差；且波形严重畸变，100hz振动分量可能由谐波间相互作用产生，使得以工频电流相位作为参考的数学前提不再成立。另一方面，计算多测点间的两两差值，使得当某一测点信号异常(如传感器脱落、局部信噪比低、受环境干扰)时，所有与之相关的差值全部失真，影响最终测量结果，系统鲁棒性较差。

技术实现思路

1、鉴于上述，本发明提供了一种基于多频振动相位差的换流变压器故障诊断方法，通过提取基频及倍频振动相位信息构造频率间相位差矩阵，实现无需电流参考、对测点与工况不敏感且灵敏可靠的故障诊断。

2、一种基于多频振动相位差的换流变压器故障诊断方法，包括：

3、在换流变压器表面对应绕组位置布置振动传感器，用以采集振动信号，计算振动信号的频谱并提取频谱中的基频及其倍频的幅值和相位；

4、计算确定振动传感器的振动主频和高负荷区段，并构造振动传感器的多频相位矩阵；

5、在高负荷区段内利用多频相位矩阵计算振动传感器的多频相位差稳定性指标和多频相位差波动模式一致性指标；

6、根据多频相位差稳定性指标和多频相位差波动模式一致性指标对换流变压器进行故障诊断。

7、进一步地，所述振动主频的计算确定方式如下：

8、对于振动传感器所采集的任一振动信号

m，根据以下表达式计算其频谱中各频率成分能量在所有成分总能量中的占比：

9、

10、其中：为振动信号

m频谱中

n阶频率的幅值，为振动信号

m频谱中

n阶频率成分能量在所有成分总能量中的占比，

m为振动信号的样本编号且1≤

m≤

m，

m为振动传感器所采集的振动信号样本数量；

11、对于2≤

n≤20的

n次谐波，根据以下表达式计算其在所有样本中的平均归一化能量：

12、

13、其中：

r(

n)表示

n次谐波在所有样本中的平均归一化能量；

14、最后确定振动传感器的振动主频为

k

i

f0，

i为自然数且1≤

i≤

k，

f0为基频，

k为振动主频的数量，

k1,

k2,…,

k

k为所有

r(

n)中最大的前

k个能量值所对应的谐波阶次。

15、进一步地，所述高负荷区段的计算确定方式为：首先计算振动传感器所采集的每一振动信号的活动度；然后采用otsu(大津)法在活动度直方图上最大化类间方差，自动求得高负荷与低负荷两类的分割阈值；选取活动度大于等于分割阈值的振动信号，将这些振动信号的样本编号构成高负荷区段。

16、进一步地，所述活动度的计算方式为：对于任一振动信号

m，其在振动主频

k

i

f0处的幅值为，首先计算归一化后幅值为，进而得到振动信号

m的活动度，其中表示对各振动主频的幅值取中位数，表示对振动传感器采集的所有振动信号在振动主频

k

i

f0处幅值取中位数所得到的振幅值。

17、进一步地，所述多频相位矩阵的表达式如下：

18、

19、其中：多频相位矩阵s中第

i行第

m列元素值为校正后振动信号

m振动主频

k

i

f0的相位，等于校正前振动信号

m振动主频

k

i

f0的相位减去

k

i倍的基频相位。

20、进一步地，所述多频相位差稳定性指标的计算过程如下：

21、首先定义任意两个振动主频

k

i

f0与

k

j

f0的相位差：

22、

23、其中：为多频相位矩阵中第

i行第

m列元素值，为多频相位矩阵中第

j行第

m列元素值；

24、然后在高负荷区段内统计相位差的环形标准差：

25、

26、其中：为相位差在高负荷区段ω内的环形标准差，表示高负荷区段内的样本数量，为中间变量；

27、最后将所有环形标准差构成序列sσ=[

σ12,

σ13,…,

σ

k-1,

k]，取序列sσ的均值和最大值分别作为振动传感器的多频相位差稳定性指标和。

28、进一步地，所述多频相位差波动模式一致性指标的计算过程为：首先定义任意两个振动主频

k

i

f0与

k

j

f0的环形相关系数：

29、

30、其中：为多频相位矩阵中第

i行第

m列元素值，为多频相位矩阵中第

j行第

m列元素值；为在高负荷区段ω内的环形均值，为在高负荷区段ω内的环形均值，表示高负荷区段内的样本数量；

31、然后将所有环形相关系数构成序列sr=[

r12,

r13,…,

r

k-1,

k]，取序列sr的均值作为振动传感器的多频相位差波动模式一致性指标。

32、进一步地，对换流变压器进行故障诊断的标准为：仅当且且，判定换流变压器运行状态正常；除此之外，均判定换流变压器运行状态异常，其中、、为设定的阈值。

33、进一步地，在振动传感器积累了多台正常或故障状态下换流变压器的振动数据基础上，将多频相位差稳定性指标和以及多频相位差波动模式一致性指标组成特征量，换流变压器的状态作为特征量的标签，采用有监督或无监督的机器学习方法进行训练，得到换流变压器状态评估模型；对于待诊断的换流变压器，利用振动传感器采集到的振动信号计算多频相位差稳定性指标和以及多频相位差波动模式一致性指标，将这些指标组成特征量输入至换流变压器状态评估模型中，使模型自动输出得到换流变压器的状态评估结果。

34、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器用于执行该计算机程序以实现上述基于多频振动相位差的换流变压器故障诊断方法。

35、一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时以实现上述基于多频振动相位差的换流变压器故障诊断方法。

36、基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

37、1.本发明不再局限于基频单点，而是提取基频及其2~20倍频的振动幅值与相位信息，覆盖100~2000hz的宽频范围；在此基础上，依据各频率成分的能量水平动态筛选主频集合，使诊断特征能够适应不同型号换流变压器及不同运行工况，提升系统的可靠性。同时，高频段振动相位对故障更为敏感(实测故障设备高频段相位差波动显著大于低频段)，将其纳入诊断指标能够提升故障诊断的灵敏度。

38、2.本发明对同一测点提取多个频率成分与自身基频之间的相位差，构造频率间相位差矩阵，测点之间不存在差值交叉计算，特征不再受振动源空间分布不均及传播路径差异的影响，仅反映变压器内部机械特性；并通过相位校正与高负荷区段自适应选取，最大程度消除外部工况与负荷波动的影响，鲁棒性强。

39、3.本发明对每个测点独立进行特征提取，单个传感器失效不影响其他测点的正常工作，诊断系统仍可基于剩余有效测点输出可靠结论，提升了监测系统的工程可靠性。且本发明方法以振动自身基频分量为参考，不需要电流参考信号，也不依赖“工频电流-振动相位同步”假设，适用于电流波形畸变、100hz振动分量由谐波相互作用产生的场景，降低了系统的测量复杂度。

40、4.本发明提取的双指标从“波动幅度”和“波动模式”两个互补维度刻画机械状态，形成互补约束，避免单指标误判；且两指标对相位差的整体平移与符号不确定不敏感，无需绝对相位标定，不同测点、不同设备间的指标可直接横向比较。此外，两两差稳定性矩阵可定位发生劣化的频率对，为故障类型与部位辨识提供线索。

41、5.本发明基于相位波动特征进行诊断，对测点布置位置不敏感；指标反映的是频率间相位差的波动量与一致性，传播路径引入的恒定相位偏移对二者均不产生影响，幅值响应差异亦不参与指标计算。因此同一变压器即使测点布置于油箱壁不同位置，仍可得到一致的诊断结论，便于工程安装及多台设备间的横向对比。