有载分接开关机械状态的在线监测与故障诊断技术研究

论文摘要

变压器有载调压分接开关（On-load Tap Changer,OLTC）在电力系统中发挥着稳定负荷中心电压、调节无功潮流、增加电网调度灵活性等重要作用,而机械故障是其主要故障类型。在线监测OLTC的机械运行性能,对保障电力系统的安全、稳定与可靠运行具有重要意义。针对OLTC机械状态在线监测与故障诊断技术的研究现状和尚待解决的关键技术课题,本文开展了系统的研究工作,重点集中在以下几个方面:基于非介入性传感技术,研究多路信号的监测方法,进而构成OLTC在线监测的硬件系统;从混沌动力学的角度去研究能反映OLTC操作时不同振动模式变化的特征参数提取方法,并建立相应的故障诊断策略;将应用于语音识别领域的隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model,HMM）引入到OLTC机械性能的故障诊断中,从新的角度发展OLTC的机械故障诊断方法;分析复合式SYJZZ型有载分接开关的常见故障与发生机理,构建OLTC机械性能的综合式故障诊断专家系统;基于图形化编程和虚拟仪器技术,设计开发OLTC机械性能的在线监测软件系统。通过论文的研究工作,取得了如下主要成果:将非介入性与多传感器式综合量测技术应用到OLTC的机械状态监测中,在不影响变压器正常运行的条件下,有效获取反映设备运行状况的多路传感信号——机械振动信号、局部过热高频噪声信号、驱动电机电流信号与旋转角度信号,使得机械状态特征的提取多样化并更加有效。通过监测驱动电机的旋转角度与电流信号,可间接反映OLTC操作过程中电机驱动力矩的变化,继而结合瞬态频率分析与小波分析等算法,提出一种评估OLTC操动机构机械运行状态的特征提取方法,为实现故障诊断提供了一个有效依据。针对OLTC操作时的机械振动模式进行混沌动力学分析,研究一种基于多维坐标空间的相轨图几何特征提取方法;进一步提出将模糊集理论引入到OLTC的机械故障诊断中,建立各状态模糊集的正态型隶属函数,并针对单个待测样本与待测样本集两种情况,分别应用最大隶属度原则与择近原则进行模糊推理,最终实现OLTC的机械故障诊断。通过振动功率谱的区间化、归一化和矢量量化,建立了一种振动信号离散谱矢量的特征提取方法。针对提取的振动信号特征向量,进一步提出了基于HMM的OLTC机械故障诊断新方法。通过不断积累现场监测的原始数据,可实现HMM标准状态训练和模式库的自动更新,提高OLTC机械故障诊断的成功率。大量的实验模拟和现场测试表明,该故障诊断方法具有非常优异的故障分类功能。通过分析复合式SYJZZ型OLTC的常见故障与发生机理,总结了在线监测信号的故障特征变化规律。在前述的各种特征提取方法和故障诊断算法的基础上,构建了基于决策树推理与监测信号综合分析相结合的OLTC机械性能综合式故障诊断专家系统。该专家系统既能发挥决策树擅于处理非数值型数据和推理迅速的优点,又能发挥各个诊断子程序对监测信号的多角度分析与综合故障诊断能力。研制成功综合式网络化的“有载分接开关机械性能的在线监测与故障诊断系统”,并在山东电网获得了实际推广应用。该监测与诊断系统由功能完备的硬件和软件子系统构成,实现了基于局域网技术的“虚拟医院”功能。在硬件系统设计中,还提出了橡胶棒式软连接方法用于固定旋转角度传感器,解决了现场安装技术难题,可有效提高测量精度并延长传感器的使用寿命。软件系统开发采用模块化结构,实现了数据采集、分析、存储、检索、打印以及网络传输等丰富功能,可保证大量现场监测信号的准确获取与积累更新,具有较好的可拓展性与可移植性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 有载分接开关简介
• 1.2.1 有载分接开关结构简介与操作原理
• 1.2.2 有载分接开关故障类型简介
• 1.3 有载分接开关机械状态监测与故障诊断技术的发展
• 1.3.1 状态监测与故障诊断的基本原理
• 1.3.2 设备在线监测与故障诊断技术的智能化发展
• 1.3.3 有载分接开关状态监测技术的研究现状
• 1.4 基于振动信号特征分析的状态监测与故障诊断研究现状
• 1.4.1 振动事件出现时间及幅值
• 1.4.2 动态时间规整法
• 2偏差测试法'>1.4.3 X²偏差测试法
• 1.4.4 自组织映射方法
• 1.4.5 小波分析法
• 1.4.6 神经网络法
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 有载分接开关机械状态在线监测硬件系统设计
• 2.1 振动波传播的基本理论
• 2.1.1 线性运动微分方程的谐波分析
• 2.1.2 等截面长杆中的波动
• 2.2 传感测试系统设计
• 2.2.1 机械振动信号的监测
• 2.2.2 OLTC局部过热高频噪声信号的监测
• 2.2.3 驱动电机旋转角度的监测
• 2.2.4 驱动电机电流的监测
• 2.3 硬件系统总体结构
• 2.4 本章小结
• 第三章 有载分接开关驱动电机性能的综合诊断
• 3.1 驱动电机电流信号的特征提取
• 3.2 驱动电机旋转角度信号的综合分析方法
• 3.2.1 旋转角度信号分析的一阶导数法
• 3.2.2 旋转角度信号分析的小波分析法
• 3.2.3 旋转角度信号分析的瞬态频率跟踪法
• 3.3 驱动电机性能的综合诊断依据
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于相轨图几何特征分析和模糊集理论的故障诊断方法
• 4.1 混沌工程学的基本理论与相空间重构方法
• 4.1.1 混沌运动及其特点
• 4.1.2 相空间重构的基本理论与方法
• 4.2 多维空间内OLTC振动信号的相轨图几何特征提取方法
• 4.2.1 相空间内指定区域的选择
• 4.2.2 求取相空间中所有相点与指定区域内点的平均几何距离
• 4.2.3 试验数据分析
• 4.3 基于模糊集理论和相轨图几何特征分析的故障诊断方法
• 4.3.1 故障模糊集隶属函数的建立
• 4.3.2 针对单样本的模糊诊断原理
• 4.3.3 针对样本集的模糊诊断原理
• 4.3.4 实验研究和应用分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于 HMM的有载分接开关机械故障诊断研究
• 5.1 HMM基本理论和算法
• 5.1.1 Markov链
• 5.1.2 HMM定义与组成
• 5.1.3 HMM基本算法
• 5.2 OLTC振动信号离散谱矢量的特征提取方法
• 5.3 基于 HMM的 OLTC机械故障诊断方法
• 5.4 实验研究和应用分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 有载分接开关机械性能的综合故障诊断方法研究
• 6.1 有载分接开关常见故障机理分析
• 6.1.1 复合式 SYJZZ型有载分接开关机构剖析
• 6.1.2 开关滑档故障分析
• 6.1.3 切换开关切换异常故障分析
• 6.1.4 电动机构故障分析
• 6.2 有载分接开关机械性能的综合故障诊断
• 6.2.1 OLTC机械性能综合故障诊断专家系统
• 6.2.2 综合故障诊断实例
• 6.3 本章小结
• 第七章 有载分接开关机械状态在线监测软件系统设计
• 7.1 概述
• 7.2 软件系统程序结构
• 7.3 软件系统总体模块化设计
• 7.3.1 数据采集模块设计
• 7.3.2 网络传输模块设计
• 7.3.3 数据分析模块设计
• 7.3.4 数据存储模块设计
• 7.3.5 数据检索模块设计
• 7.3.6 报表打印模块设计
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文与科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表