一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法

1.本发明涉及电力设备局部放电检测领域，特别是涉及一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法。


背景技术：

2.目前，随着电力需求的快速增长，在全球许多国家和地区，特高压直流输电系统在高容量和低损耗方面具有优势，特别是在面积大、人口分布不均衡的中国，除了传统化石燃料发电外，风能、太阳能等新能源发电基地也远离负荷中心，因此，电力负荷与发电量之间都存在不平衡的问题，特高压直流输电系统的发展更为迅速，而作为高压直流输电系统的关键设备，换流变压器承担着重要的运行责任，故其绝缘状态对系统的安全运行尤为重要，换流变压器的阀侧绕组需要承受交直流复合电压的考验。局部放电是一种能反映绝缘失效过程的放电现象，不同电压形式下不同缺陷模型的放电特性并不相同。
3.在所有交流电压下局部放电分析模式中，prpd模式是应用最为广泛的，在prpd模式中，反映局部放电相位、放电量和放电重复率的三维谱图是研究的基础，局部放电的放电量检测受多种因素影响，难以达到标准化的一致性，基于放电量的局部放电分析模式再现性较差，而这些模式的现场应用比实验室研究有更多的障碍。
4.稳态直流电压下的局部放电检测与交流电压下的不同，没有关于频率为50hz或60hz的电源电压的相位信息。因此，局部放电脉冲的放电量和时间是在直流电压下可以获得的两个基本参数，等待恢复模型是来描述直流电压下的局部放电过程的分析模式，用时间间隔表示局部放电脉冲的时间信息，基于这些参数，建立了类似于prpd模式的时间和放电量的局部放电分析模式。
5.在交直流复合电压下，交流和直流的电压分量都会影响局部放电的特性，因此交直流复合电压下的局部放电可以得到各种参数，如放电量、放电相位、放电时间间隔和等效频率等，且交直流分量的比例对放特性的影响很大，但测试条件对局部放电量的影响会导致测试结果重复性差的问题，并且在采用视在放电量的模式中需要对局部放电量进行校准，受到局部放电检测方法的限制。同时放电过程中的放电量数值归一化一般需使用最大最小值归一化方法，在放电等效模型有差异的情况下各模型的放电量数值之间参考性较低，并且放电发展全过程中放电量的上限在实际运行的电气设备中是难以确定的，更限制了放电量的归一化的应用。
6.因此，针对换流变压器的交直流复合电压环境，传统基于放电量的纯交流和纯直流电压下的局部放电识别方法并不适用，需要提供一种新的局部放电评估方法来打破传统方法的限制，能够准确校准换流变压器的局部放电量，克服视在放电量数值在不同等效放电模型和放电发展阶段之间难以归一化产生的问题。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是提供一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估
方法，针对复合电压下的换流变压器油纸绝缘局部放电，基于局部放电脉冲的相位、时间差、放电重复率建立放电谱图；可以清楚地反映局部放电的特性，使用该局部放电谱图的数据矩阵抽取一维化并提取主成分，作为输入建立随机森林分类器模型对局部放电的等效模型及发展阶段进行识别；可以克服视在放电量数值在不同等效放电模型和放电发展阶段之间难以归一化产生的问题，随机森林分类器模型对高维特征量、大数据量问题识别速度快效果好；可以提高换流变压器在交直流复合电压下局部放电状态评估的检测方法和放电等效模型适应性，增强绝缘状态监测的可靠性。
8.为了解决上述技术问题，本技术提供了如下技术方案：
9.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，包括以下步骤：
10.s1，采集局部放电信号；
11.s2，建立基于相位、时间差和放电重复率的局部放电分析模式三维谱图；
12.s3，谱图矩阵一维化及主成分分析；
13.s4，随机森林分类模型建立；
14.s5，放电状态评估。
15.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，其中所述换流变压器的阀侧绝缘所承担的对地电压为交直流复合电压，所述步骤s1中，在采集局部放电信号时，将交直流复合电压比例设置为1:1、1:3、1:5和1:7。
16.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，其中所述步骤s1在恒压条件下，采用脉冲电流法采集4种等效放电模型的全放电过程局放信号。
17.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，其中所述步骤s2中三维谱图在建立图谱时，以50个工频周期的局部放电脉冲信号的为每个图谱的样本，数据采集模式为每3min采集5个连续工频周期，以0.5h为一个时间段，50个工频周期的放电数据为一个样本。
18.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，其中所述步骤s2的谱图及放电程度分析以半小时为时间步长。
19.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，其中所述步骤s3具体为：
20.s31，采用抽取的方式，将每个样本矩阵中的行向量取出，按照行顺序首尾拼接，组成1
×
72000形式的矩阵；
21.s32，采用主成分分析，根据贡献率前10位主成分，按顺序组成每个样本的特征量，形成10维特征量样本集。
22.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，其中所述样本集是指将指定某一等级的交直流电压分量比例下实验收集后标准化降维处理所得的样本集，按照4类等效放电模型分类，包括放电起始、放电发展、放电稳定和预计穿四个阶段，所有样本对应的响应类型为16种。
23.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，其中所述步骤s4随机森林分类模型建立具体为：
24.s41.给定一个训练集x＝x1,...,xn，其响应即每个样本对应的分类为y＝y1,...,yn，包含所有16种分类并达到训练数量，从{x,y}中有放回地随机从袋中抽取n个样本，共抽
取b次，形成{xb,yb}，其中b＝1，...，b，并将它们作为每个决策树fb的根节点样本；
25.s42.初始化随机森林参数，使用训练集得到最优的随机森林参数，构建某一指定交直流分量比例下，换流变压器油纸绝缘局部放电状态评估随机森林模型。
26.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，其中所述步骤s5放电状态评估具体为：根据换流变压器油纸绝缘局部放电状态评估随机森林模型，对某一指定交直流分量比例下局部放电脉冲电流法所得信号的测试样本集合进行诊断，并根据全部决策树的投票结果确定最终的分类结果，从而输出换流变压器油纸绝缘局部放电等效放电模型的类型及放电所处阶段。
27.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
28.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，可针对不同交直流复合电压比例建立数据库，解决传统局部放电识别方法在换流变压器领域运用时，电压条件的不匹配问题；解决局部放电在不同测试条件下、设备实际运行中，全放电过程最大视在放电量数值无法预知，导致基于放电量的识别模式在极值归一化处理方面实际运用效果不佳的问题；将不同局部放电等效模型的全过程放电信息进行标准化降维处理，降低计算量，提高计算速度；利用随机森林鲁棒性强、准确度高的特性，对局放状态进行高效评估；总体可以达到提高换流变压器在交直流复合电压下局部放电状态评估的检测方法和放电等效模型适应性，增强设备绝缘状态监测的可靠性。
29.下面结合附图对本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法作进一步说明。
附图说明
30.图1为本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法的步骤示意图；
31.图2为本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法的流程示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地详细说明。
33.为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
34.如图1和图2所示，图1为本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法的步骤示意图；图2为本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法的流程示意图。本实施例一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，包括以下步骤：s1.采集局部放电信号；换流变压器阀侧绝缘所承担的对地电压为交直流复合电压的形式，因换流阀的连接形式及所处位置影响，不同位置的阀侧绝缘所承担的交直流复合电压一般有1:1、1:3、1:5和1:7四种比例(四舍五入取整后的比例，交流电压有效值比直流电压平均值)，在四种不同交直流分量比例情况下，恒压条件下，使用脉冲电流法采集板-板、针-板、气隙和沿面四种等效放电模型的全放电过程局放信号；此步骤针对不同交直流复合电压比例建立数据库，解决了传统局部放电识别方法在换流变压器领域运用时，电压条件的不匹配问题。
35.s2.建立φ-δt-n局部放电分析模式三维谱图即建立基于相位、时间差和放电重复率的局部放电分析模式三维谱图；φ-δt-n局部放电分析模式中需要建立三维谱图hn(δt,φ)，δt是两个局部放电脉冲之间的时间间隔，δtk用于表征第k个局部放电脉冲与前一个脉冲的时间间隔，并且δtk＝t
k-t
k-1
，如果将一个工频周期的360deg划分为i个相位窗口，并且将20ms划分为j个时间窗口，则n
ij
是第i个相位窗口和第j个时间窗口中的局部放电重复率，本实施中i＝360，j＝200。由于谱图中的放电重复率指标以“/s”为单位，因此每个图谱的样本包括50个工频周期的局部放电脉冲信号。而本文中的数据采集模式为每3min采集5个连续工频周期，所以在建立谱图时以0.5h为一个时间段，统计这50个工频周期的放电数据个以此为一个样本，后续的谱图及放电程度分析均以半小时为时间步长来展开；主要用于解决局部放电在不同测试条件下、设备实际运行中，全放电过程最大视在放电量数值无法预知，导致基于放电量的识别模式在极值归一化处理方面实际运用效果不佳的问题。
36.s3.谱图矩阵一维化及主成分分析；前步骤中产生的全放电过程谱图，每一个样本均为一个360
×
200的数字矩阵，其中非零位置为出现放电脉冲的窗格，其余无放电脉冲的窗格中数据以0填充。在进行算法判断之前，需要按照以下步骤对样本矩阵进行一维化处理生成特征量矩阵，并进行主成分分析使特征量降维，便于识别计算：s31.采用抽取的方式，将每个样本矩阵中的行向量取出，按照行顺序首尾拼接，组成1
×
72000形式的矩阵；s32.采用主成分分析，根据贡献率前10位主成分，按顺序组成每个样本的特征量，形成10维特征量样本集；用于将不同局部放电等效模型的全过程放电信息进行标准化降维处理，降低计算量，提高计算速度。
37.s4.随机森林分类模型建立；将指定某一等级的交直流电压分量比例下实验收集后标准化降维处理所得的样本集，按照4类等效放电模型分类，每一类等效放电模型的全放电过程按照发展阶段，分为放电起始、放电发展、放电稳定、预计穿四个阶段。因此所有样本对应的响应类型为16种，并按照以下步骤进行随机森林分类模型建立：s41.给定一个训练集x＝x1,...,xn，其响应即每个样本对应的分类为y＝y1,...,yn，包含所有16种分类并达到训练数量。从{x,y}中有放回地随机从袋中抽取n个样本，共抽取b次，形成{xb,yb}，其中b＝1，...，b，并将它们作为每个决策树fb的根节点样本；s42.初始化随机森林参数，使用训练集得到最优的随机森林参数，构建某一指定交直流分量比例下，换流变压器油纸绝缘局部放电状态评估随机森林模型。
38.s5.放电状态评估；利用换流变压器油纸绝缘局部放电状态评估随机森林模型，对某一指定交直流分量比例下局部放电脉冲电流法所得信号的测试样本集合进行诊断，并根据全部决策树的投票结果确定最终的分类结果，从而输出换流变压器油纸绝缘局部放电等效放电模型的类型及放电所处阶段；利用随机森林鲁棒性强、准确度高的特性，对局放状态进行高效评估，出评估结果报告。
39.本发明一种换流变压器油纸绝缘局部放电状态的评估方法，可针对不同交直流复合电压比例建立数据库，解决传统局部放电识别方法在换流变压器领域运用时，电压条件的不匹配问题；解决局部放电在不同测试条件下、设备实际运行中，全放电过程最大视在放电量数值无法预知，导致基于放电量的识别模式在极值归一化处理方面实际运用效果不佳的问题；将不同局部放电等效模型的全过程放电信息进行标准化降维处理，降低计算量，提
高计算速度；利用随机森林鲁棒性强、准确度高的特性，对局放状态进行高效评估；总体可以达到提高换流变压器在交直流复合电压下局部放电状态评估的检测方法和放电等效模型适应性，增强设备绝缘状态监测的可靠性。
40.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。