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电压互感器在线故障检测技术
摘要
传统的电压互感器(CVTs)由于其可靠性高、绝缘性能好、随时间和温度的低漂移而在电网中广泛应用。它们坚固的结构经常被用来作为跳过不定期测试和校准的理由。因为这些测试和校准需要将它们脱机，这会耗费大量时间和金钱。因为这个原因，在过去的几年中，人们对在线诊断和校准程序的研究越来越感兴趣。其中最典型的方法是基于频率响应分析，在允许正弦激励的情况下，检测传统的电压互感器(CVTs)的行为恶化可能性。它主要的目的是检查已经安装并在网格上运行的传统的电压互感器(CVTs)机群，而检查的前提是不需要它们与网格断开连接。众所周知，配电栅极电压具有不可忽略的谐波失真，而它可以通过简单地连接一个参考传感器来在线评估变压器的频率响应。但由于传统的电压互感器(CVTs)的非线性特性，这种方法不能直接应用于最基本的谐波。对此，本文提出了一种基于简化沃尔泰拉模型的传统的电压互感器(CVTs)的创新状态监测技术。这为传统的电压互感器(CVTs)的现场特性的新方法开辟了道路。这种方法利用了电网的实际电压，因此不需要它的断开。
关键词
电压互感器 沃尔泰拉模型 谐波监测 频率响应 诊断
介绍
如今，随着可持续发展的概念逐渐得到推广，大多数可再生能源发电机，如太阳能电池板和风力涡轮机，都开始通过开关模式的界面转换器连接到电网。另一方面，许多电力负荷也都进入了使用电力电子的输入阶段。由于这些发电机和转换器都是非线性器件所以导致了电网谐波失真在过去几年显著增加。电网谐波需要被监测，因为它们可能导致能源损耗增加、电力变压器过热和电子开关故障。所以，安装在电网中的传感器必须保证测量精度不仅在电源频率上同时还要在合适的频率带宽上。
传感器的另一个强制性先决条件是高可靠性和可忽略的漂移随时间的测量精度。任何对这些设备的替换和/或离线校准都意味着对网格服务的中断，从而产生巨大的经济影响。
尽管新一代的非传统仪器变压器(NCITs)是基于电子学、光学技术等技术。然而传统仪器变压器(CIT)仍是目前最广泛应用于中、高电压系统中电流和电压测量的设备。非传统仪器变压器(NCITs)的特点是拥有较宽的带宽、较高的线性度和较小尺寸。在整体评价中，它们的鲁棒性、被动工作原理和长期稳定性也十分优秀。
因此，传统的电压互感器(CVTs)也用于电压谐波监测。为了保证其性能，所以有必要对其在频率范围内的精度进行表征。传统的方法是用正弦频率扫描来评估比率和相位误差和频率。在过去的几年里，许多研究都致力于利用传统的电压互感器(CVT)频率响应的知识来对其进行改造来提高性能。尤其是以目标是通过实时频率补偿技术扩展和提高设备的带宽[1-3]。令人惊讶的是，频率响应分析(FRA)可以作为诊断工具，用于检测由变压器内部的几何或电气变化引起的故障诊断工具。反过来说，频率响应可以分为几个子波段，每一个子波段允许检测不同的变压器故障[4-7]。例如，在[6]中，作者总结了在2 kHz范围内频率响应的任何变化都表明了变压器绕组的一个可能的故障，该故障导致了大约20%的变压器故障[8]。
尽管人们对这个概念很感兴趣，但这种基于频率响应的方法并不适合在线实现。CVT本质上是非线性的，它不使用纯正弦输入操作，而是使用一个复杂的信号。在实际工作条件下，基础和谐波之间的互调在输入-输出关系中起着重要的作用[9]。因此，很明显，这种方法不能在不将变压器脱机并以正弦波的形式提供其主要的情况下应用。
在文献中，可以找到几种用于诊断的在线方法。大部分是基于溶解气体分析(DGA)[10-14]。采用三角法、模糊逻辑、支持向量机和人工神经网络对溶解气体分析(DGA)结果进行故障检测[10,15,16]。然而，溶解气体分析(DGA)方法复杂，且只能应用于充油变压器。从振动信号[17-19]和声波信号[20-22]中得到的诊断方法仍在研究中，所以只能应用于少数故障情况。此外，这些技术不允许监测分析系统的计量特征。在上述方法中，唯一可用于计量表征的是频率响应分析(FRA)。
实际上，该故障检测技术比较了参考模型与实际系统的输入-输出关系。很明显，如果分析的系统是非线性的，那么参考模型不能是一个简单的频率响应函数，比如传统的频率响应分析(FRA)。事实上，模型误差还会影响诊断决策。此外，由于目标是作为测试信号的畸变电源线电压(在线诊断)，所以必须考虑互调。因此，必须采用非线性模型作为参考。作者在此提出一种可能的解决方案，这是由作者在最近的一篇论文中提出的简化频率域沃尔泰拉模型来表示的[23]。沃尔泰拉模型通常是极其复杂的，包含了大量的系数。然而，利用交流电力系统中的电信号由主要的基本成分和低振幅的谐波组成的事实可以大大降低这个数字。
作者提出的方法要求初步确定被考虑的传统的电压互感器(CVT)的简化的沃尔泰拉模型。它可以精确地预测准正弦输入电压的输出。通过与用相同输入电压的模型预测的实际输出相比较，可以对分析的传统的电压互感器(CVT)的健康状态进行评估[24]。所选的诊断指标是每个谐波的TVE(总矢量误差)。在此基础上，作者又提出了一种基于此方法的在线故障检测技术，并对其识别交叉短路的能力进行了实验评价。该方法可用于分析传统的电压互感器(CVT)的健康状况和计量特征。
在第2和第3节中简要回顾了作者在之前的工作中所开发的沃尔泰拉理论和简化模型。在第4节中，该模型已通过实验验证。在第5节中，我们描述了建议的诊断方法，在第6节中给出了它的实验验证。
- 沃尔泰拉模型
沃尔泰拉系列是最广泛使用的表示非线性系统的方法之一。对于单输入，单输出(SISO)的时不变系统，基于沃尔泰拉级数的输入/输出表示由Eq给出。(1) [25]
(1)
其中u(t)为输入信号，y(t)输出，yi(t)对第i阶齐次子系统输出的贡献，其特征为其核hi，这是线性时不变系统脉冲响应的推广。
Eq(1)不能在实际应用中使用，因为它是连续的时间，其他的有无数的内核和无限的内存长度。因此，从实用的角度来看，非线性系统的一个更重要的表示是截断的、离散的沃尔泰拉系列:
(2)
I是非线性的顺序K是内存长度。可以看出，截断的沃尔泰拉模型的特征是一些独立系数Cind，它随着I和K快速增长。 [26]:
(3)
现在，让我们假设输入信号是周期性的，其特征是基本的角频率x0，包含一组谐波分量，是最高阶的。在这种情况下，可以通过移动到频域来显著简化模型。我们把U(jmx0) = U(m)和Y(jmx0) = Y(m)分别称为输入和输出的光谱。(2)的频域表达式为:
(4)
(5)
(4) 表示输入和输出信号的谐波分量之间的关系。独立系数的总数现在是:
(6)
基本上，它等于(3)K被M = 2N 1所取代;由于M通常比内存长度K要低得多，所以频率域表示可以大大简化模型。然而，由于I的系数仍然快速增长，因此在实际应用中通常考虑到低的非线性。
- 简化的沃尔泰拉模型
如前所述，为了在实际工作条件下测试仪器变压器，测试电压必须与电网中真实存在的电压相似。特别是标准en50160[27]定义了谐波振幅的极限，如表1所示。
现在，让我们来研究频率域沃尔泰拉方法在仪器变压器上的应用。根据(4)，输出结果的m-th谐波分量来自于I非线性齐次子系统的贡献。对于每一阶i，子系统输出的计算方法是将输入谐波分量之间的所有可能的i阶互调产品组合在一起，由相应的i-th阶系数加权。如果输入信号符合表1，最大谐波分量的振幅仅为基本频率的6%。由于这个原因，涉及多个谐波分量的互调产品的输出量很小。换句话说，对于每一阶i，只要考虑到基本频率分量和至多一个谐波分量，即那些可以以形式书写的互调产品，就可以显著地简化模型。
表格1
EN 50160的谐波电压限制
|
奇次谐波 |
偶次谐波 |
||||||||
|
不是3的倍数 |
是3的倍数 |
顺序 |
Relitive 振幅 |
||||||
|
顺序 |
Relitive振幅 |
顺序 |
Relitive 振幅 |
||||||
|
5 |
6.0% |
3 |
5.0% |
2 |
2.0% |
||||
|
7 |
5.0% |
9 |
1.5% |
4 |
1.0% |
||||
|
11 |
3.5% |
15 |
0.5% |
6...24 |
0.5% |
||||
|
13 |
3.0% |
21 |
0.5% |
||||||
|
17 |
2.0% |
||||||||
|
19 |
1.5% |
||||||||
|
23 |
1.5% |
||||||||
|
25 |
1.5% |
||||||||
(7)
这便允许我们获得一个简化的沃尔泰拉模型，这样就可以在不需要估计大量系数的情况下使用更高的订单。实际上，现在系数的最大数量减少为:
(8)
此外，并不是所有的系数都是独立的:因此要识别的系数的数量实际上低于c”max。然而，即使忽略了这一点，很明显(8)比(6)小得多，因此关于输入信号的假设允许对模型进行彻底的简化。本文所采用的第五阶简化模型已在[23]中提出并深入讨论;显然，模型中只考虑了独立系数。
对于每个光谱分量，简化模型的输入-输出关系可以写成:
(9)
(m)和Hred(m)是不多于L元素的向量。现在，目标是识别模型:它对应于被认为的光谱分量的计算Hred(m)。这可以通过将一组R L独立的输入信号应用到系统中来识别和测量响应。然后，可以写:
(10)
- 模型的实验验证
在上一节中回顾的第五次简化的沃尔泰拉模型已经被用来表示传统变压器在测试(TUT)下的行为，它有0.5精度等级，200v / 100v电压比和20 VA额定负载。它的主绕组连接到一个任意的电压发生器，类似于[28]所描述的，能够产生测试所需的适当的电压信号。采用两种高精度的电阻分压器来收集图t的主绕组和二次绕组的电压。分规在我们部门的校准实验室中进行了校准，采用的是Fluke 8508 a 8.5数字万用表。分规的线性度，是进行分析的关键参数，比被认为的传统变压器要高得
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