基于回波模型参数估计的变压器套管内引线超声检测方法与流程

1.本发明属于电气设备检测领域，尤其涉及基于回波模型参数估计的变压器套管内引线超声检测方法。


背景技术：

2.随着人民对电力的需求越来越高，电力系统面临着提供更大容量、更高质量电能的挑战，变压器作为电力系统中最重要的电力设备承担着这一艰巨的任务。近些年，由于变压器套管发生故障所导致的电力事故越来越多，在220kv以上的电压等级的变压器故障中，变压器套管发生故障的次数占到了变压器总故障数的四分之一以上，并且随着电压等级的提升，变压器套管发生故障的比例越来越高。变压器套管作为变压器主绝缘部分之一，主要的目的是将变压器内部的引线引出到变压器油箱的外部，套管起到了隔离、稳定引线的作，如果套管的绝缘性能受到影响，可能会威胁到变压器的正常运行，严重时会造成大面积停电事故。油浸式变压器在长期运行过程中，套管内的引线因受到外力、电动力等因素的影响容易脱离原固定位置，发生形变故障，引线的形变会导致套管内电场分布不均，火花放电会对套管造成严重的冲击，严重时会造成套管管壁裂缝或者套管爆炸故障。综上，为了保障变压器的安全运行，必须对变压器套管内引线的状态进行实时检测。
3.现有的检测变压器套管内引线状态方法是定期性维修和红外检测方法。定期性维修的缺点是：1.停电变压器进行试验，造成不必要的经济损失；2.依靠工作人员的经验进行检测判断，检测结果具有主观性。红外检测套管温度的缺点是：1.只能检测套管瓷壁的温度，无法检测内部温度场；2.不能有效呈现套管内部引线的状态。因此，急需一种可以对变压器套管内引线状态进行实时地、在线地检测的方法。
4.考虑到超声无损检测技术可以在不影响变压器内部结构、不受电气因素影响的优势下对变压器套管内引线进行检测，国内展开了对超声波法检测变压器引线的研究。
5.然而由于引线被固定在变压器套管内，使用超声波技术对引线状态检测时，超声波信号会在套管内穿透两次，导致超声探头接收到的超声波信号衰减很严重，还会造成回波信号指向性偏差或相位偏差等问题，加之变压器运行时会有噪声影响，针对大型变压器的厚套管进行检测时，这些问题会被放大，传统的超声检测方法可能会失效。因此亟需提高超声回波信号的信噪比，提高超声渡越时间的精度。


技术实现要素：

6.本发明的技术目的是提供一种基于回波模型参数估计的变压器套管内引线超声检测方法，以解决变压器套管内引线检测易受噪声影响、精度低的技术问题。
7.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
8.一种基于回波模型参数估计的变压器套管内引线超声检测方法，包括如下步骤：
9.s1：向待测变压器套管内引线发射超声波信号，接收得到回波信号。
10.s2：基于回波信号构建超声回波模型f(θ,t)，其中，θ为特征参数，t为时间。
11.s3：根据超声回波模型通过最小二乘法进行参数估计，构建得到目标函数minf(θ
k
)。
12.s4：基于目标函数通过粒子群优化算法进行计算，得到目标函数达到最小值时所对应的特征参数θ。
13.s5：根据超声回波模型和步骤s4中得到的特征参数θ，通过超声回波模型计算得到回波信号在变压器套管内的渡越时间t,根据渡越时间t进行距离转换得到变压器套管外壳至引线的距离，并判断引线的状态是否异常。
14.其中，在步骤s2中，超声回波模型为
15.其中，
16.为特征参数，f0为初始幅值，τ为延迟时间，α为取值1或2或3的正整数，f
c
为用于发射超声波信号的超声换能器的频率，为初始相位，t’为超声回波模型处于波峰处的时间。
17.其中，在步骤s3中，目标函数为
18.其中，
19.x(t)为回波信号，s(θ
k
,t)为第k次迭代计算后的特征参数θ所对应的超声回波函数值。
20.具体地，回波信号x(t)为x(t)＝f(θ,t) n(t),其中，n(t)为变压器运行过程中的噪声信号。
21.具体地，步骤s4中，基于目标函数通过粒子群优化算法进行计算得到目标函数达到最小值时所对应的特征参数θ，具体包括如下步骤
22.s41：设置粒子群优化算法的粒子数量为m，权重为ω,加速度常数字为c1、c2，选取一粒子作为第一粒子，并初始化粒子的运动位置x和速度v，得到第一粒子的运动位置x
ix
，第一粒子的速度v
ix
,其中,i＝1表示第一粒子,x＝1表示第一空间维度；
23.s42：基于第一粒子的运动位置x
11
和速度v
11
通过目标函数进行计算，得到第一粒子当前空间维度下的最优位置p，其中,i＝1为第一粒子,x＝1为第一空间维度；
24.s43：基于第一粒子的运动位置x
11
和速度v
11
通过判断公式判断第一粒子下一时刻的运动位置和速度，若下一时刻的第一粒子超过边界则停止运算，进入步骤s45，若下一时刻的第一粒子未超过边界则进入步骤s44；
25.s44：基于第一粒子下一时刻的运动位置和速度通过目标函数进行计算，得到第一粒子下一时刻的空间维度下的最优位置，跳转至步骤s43；
26.s45：选取剩余粒子并重复步骤s41至步骤s44，直至对所有粒子完成粒子群优化算法，基于各粒子的最优位置得到相对应的最优路径，选取各粒子中的最小路径长度作为目标函数的最小值，以此获取特征参数θ。
27.具体地，判断公式为
28.v
ij
(t 1)＝wv
ix
(t) r1c1(p
ix
‑
x
ix
(t)) r2c2(g
ix
‑
x
ix
(t))；
29.x
ij
(t 1)＝x
ix
(t) v
ij
(t 1)；
30.其中，j表示为第i粒子的下一时刻的粒子,g
ix
表示为第i粒子的第x空间维度前的
最优路径。
31.其中，粒子的运动位置定义为x＝(x
i1
，x
i2
，l，x
id
)，i＝1，2，l，m；粒子的速度定义为v＝(v
i1
，v
i2
，l，v
id
)，i＝1，2，l，m；粒子的最优位置定义为p＝(p
i1
,p
i2
,l,p
id
)；其中，i为第i个粒子，d为空间维度。
32.进一步优选地，在步骤s1与步骤s2之间，还包括对接收得到的回波信号进行小波去噪和包络处理。
33.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
34.本发明提出了使用超声回波模型参数估计的方法提高变压器套管内引线状态检测的准确性。非线性的超声回波信号可以使用数学模型来表示，此数学模型包含着超声回波信号重要的特征：超声回波的接收时间、回波信号的频率、相位差、幅值等等，通过使用参数估计的方法即可以准确求出模型中的参数，从而大大提高了检测精度。
附图说明
35.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
36.图1为本发明的一种基于回波模型参数估计的变压器套管内引线超声检测方法的流程示意图；
37.图2为本发明的变压器套管内引线超声检测方法原理图；
38.图3为本发明的超声高斯模型包络图；
39.图4为本发明的回波信号采样的波形图；
40.图5为本发明的回波信号去噪后的波形图；
41.图6为本发明的去噪回波信号包络分析后的波形图。
具体实施方式
42.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。
43.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
44.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于回波模型参数估计的变压器套管内引线超声检测方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
45.实施例
46.参看图1，本实施例提供一种基于回波模型参数估计的变压器套管内引线超声检
测方法。
47.首先，参看图2，对本实施例的实现手段进行说明，通过超声波探头通过耦合剂贴在变压器套管瓷壁上，不断地向套管内部发射高能量的超声波信号。超声波信号穿透套管后在变压器油中朝引线方向传播，因为变压器油和引线材质之间声阻抗相差很大，超声波信号遇到引线时会发生爆炸反射现象，信号沿发射路径原路返回，再次穿透套管瓷壁被探头接收。将超声波探头接收到的回波信号转换为电信号后并采集储存，再对回波信号进行信号处理，最终得到超声波信号在变压器套管内的渡越时间(time of flight,tof)。渡越时间包含了两部分
48.t＝t1 t249.其中，t为超声波信号在变压器套管内的渡越时间，t1为超声波信号在变压器套管瓷壁中传播的时间，t2为超声波信号在变压器油中传播的时间。对渡越时间t进行瓷壁时间补偿后即可计算出超声波信号在变压器油中的传播时间，经过距离转换算法即可求出引线至套管瓷壁的距离，从而判断套管内引线的状态。因此，渡越时间t的获取是变压器套管内引线超声检测的一个关键问题，渡越时间获取的精度直接决定了检测的精度。因此，提出本实施主要为了解决大型变压器的套管厚度较宽，超声波在套管中的衰减十分严重，不能采集到完整的回波波形，需要对回波波形进行拟合；以及变压器运行时的噪声不可忽略，噪声会造成测量的困难和误差，需要对回波波形进行去噪处理，提高回波信号的信噪比等技术问题。于此，本实施例为了提高变压器套管内引线超声检测方法的精度，提出使用超声回波模型参数估计的方法拟合超声回波，利用最小二乘算法预估回波模型的参数，拟合超声回波信号，精确计算超声渡越时间。提出如下方法
50.参看图1，本实施例包括如下步骤：
51.首先，步骤s1中，通过超声波探头向待测变压器套管内引线发射超声波信号，接收得到回波信号。本实施中为了减少信号在套管瓷壁中的信号衰减，实验选用1mhz压电式超声波换能器，超声换能器通过耦合剂贴合在变压器套管表面，主控电路发射高压信号驱使换能器向套管内部发射超声信号，使用采样频率为5mhz的数据采集卡对回波信号进行数模转换。参看图4至图6，较优地，在步骤s1之后，需要对接收得到的回波信号进行放大、去噪和包络分析。如图4所示，第一个回波波形被引线反射，第二个波形是超声波信号遇到对侧套管陶瓷壁时的反射信号。图5则为去噪后的波形图，图6为包络分析的波形图。
52.接着，在步骤s2中，基于回波信号构建超声回波模型f(θ,t)，其中，θ为特征参数，t为时间。超声回波信号的数学模型包括线性模型和非线性模型。线性模型是将超声回波信号作为线性系统的输出响应，输出响应是超声发射信号响应和信号路径传输响应的卷积。由于超声信号的路径传输响应受变压器套管瓷壁和噪音的影响无法直接计算，并且信号的包络能够在具备一定抗噪声干扰能力下描述波形的趋势，所以本专利使用非线性模型拟合实际回波包络信号。
53.而在油介质中所构建的超声高斯模型即超声回波模型如下式所示：
[0054][0055]
其中，为特征参数，f0为初始幅值，τ为延迟时间，α为取值1或2或3的正整数，f
c
为用于发射超声波信号的超声换能器的频率，为初始相位，
t’为超声回波模型处于波峰处的时间。参看图3为该超声高斯模型的包络图，是一种上升沿较快，下降沿衰减较缓慢的超声信号，此模型能够较好的适用于变压器套管内引线的检测。
[0056]
具体地，由于在对变压器进行检测过程中，变压器运行所产生的噪声对超声波影响很大，所以实际的超声回波信号，如下式表示：
[0057]
x(t)为x(t)＝f(θ,t) n(t)
[0058]
其中，n(t)为变压器运行过程中的噪声信号。
[0059]
接着，在步骤s3中需要对步骤s2中的实际超声回波信号进行参数估计才能准确获取超声渡越时间，通过最小二乘法对实际超声回波信号x(t)进行参数估计，从而构建得到目标函数minf(θ
k
)，具体如下式
[0060][0061]
其中，x(t)为实际超声回波信号，s(θ
k
,t)为第k次计算后的特征参数θ所对应的超声回波函数值。只需要计算得到使目标函数minf(θ
k
)达到最小值时所对应的特征参数θ，从而得到延迟时间τ。最小二乘法是使用残差平方和最小来求得最优解，通过对实际超声回波信号x(t)求偏导，具体采用牛顿迭代法进行计算。
[0062]
然后，在步骤s4中，使用粒子群优化算法对上述目标函数minf(θ
k
)进行计算，得到目标函数达到最小值时所对应的特征参数θ，即可求出延迟时间τ。步骤s4又具体包括如下步骤
[0063]
首先在步骤s41中，设置粒子群优化算法中的参数，包括粒子数量为m，权重为ω,加速度常数字为c1、c2。接着，选取其中一粒子作为第一粒子，并初始化粒子的运动位置x和速度v，获取第一粒子的运动位置x
ix
，以及第一粒子的速度v
ix
,其中,i＝1，表示为第一粒子,x＝1，表示第一空间维度。由于需要对所有粒子都进行计算，因此，可将第i个粒子的运动位置的序列定义为x＝(x
i1
，x
i2
，l，x
id
)，i＝1，2，l，m；d为空间维度。同理，第i个粒子的速度定义为v＝(v
i1
，v
i2
，l，v
id
)，i＝1，2，l，m；d为空间维度。
[0064]
接着，在步骤s42中，将第一粒子的运动位置x
11
和速度v
11
带入目标函数进行计算，得到第一粒子在第一空间维度下的最优位置p
ix
，其中,i＝1,x＝1为第一空间维度，即得到最优位置p
11
。由于每个空间维度内均有最优位置，因此将粒子整个移动过程中经历的最优位置定义为p＝(p
i1
,p
i2
,l,p
id
)；d为空间维度。
[0065]
然后，进入步骤s43，将第一粒子的位置x
11
和速度v
11
通过判断公式判断下一时刻的运动位置和速度，若下一时刻的第一粒子超过边界则停止运算，进入步骤s45，若下一时刻的第一粒子未超过边界则进入步骤s44。具体地，该判断公式可以提供粒子下一时刻的运动位置和速度的预测。判断公式具体为v
ij
(t 1)＝wv
ix
(t) r1c1(p
ix
‑
x
ix
(t)) r2c2(g
ix
‑
x
ix
(t))；x
ij
(t 1)＝x
ix
(t) v
ij
(t 1)；其中，大部分参数在步骤s41中设置完成，另外，j表示为第i粒子的下一时刻的粒子,g
ix
表示为第i粒子的第x空间维度前的最优路径。
[0066]
在步骤s44中，获取基于第一粒子下一时刻的运动位置和速度再带入目标函数进行计算，得到第一粒子下一时刻的空间维度下的最优位置，然后再跳转至s43进行下一轮判
断。
[0067]
最后，在步骤s45中，对剩余未选择的粒子重复步骤s41至步骤s44，直至将所有粒子完成粒子群优化算法，基于各粒子的最优位置得到相对应的最优路径，最后得到各粒子的最优路径组p
g
＝(g1,g2,
…
g
m
)，选取其中的最小路径长度作为目标函数的最小值，以此获取特征参数θ。
[0068]
跳出步骤s4进入步骤s5，根据超声回波模型和步骤s4中得到的特征参数θ中延迟时间τ,通过超声回波模型计算得到回波信号在变压器套管内的渡越时间t,根据渡越时间t进行距离转换得到变压器套管外壳至引线的距离，并判断引线的状态是否异常。
[0069]
为比较本实施例所提出方法的抗噪声性能，通过增加噪声的方法，在不同信噪比(实验取20db、10db、5db、0db)情况下，验证基于粒子群优化估计高斯模型参数方法的有效性，参数估计结果如表1所示。
[0070]
表1.不同信噪比下的参数估计结果
[0071][0072]
由表1可以看出，信噪比发生变化的时候，使用粒子群优化算法可以准确估计高斯回波模型的参数，本实施例提出的超声回波参数估计方法具有一定抗噪声的能力，可以实时地、在线地、准确地检测变压器套管内引线的状态。
[0073]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。