基于UWB-CMI方法的電力變壓器繞組徑向變形檢測(cè)研究

宋云東,苑經(jīng)緯,韓洪剛,王冠宇,郭 鐵,劉 旸

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 110006)

電力變壓器在輸電或短路過程中產(chǎn)生的機(jī)械力可能會(huì)導(dǎo)致變壓器繞組故障,發(fā)生徑向變形或軸向位移。徑向變形會(huì)使變壓器繞組表面突起,而軸向位移則會(huì)使繞組向上或向下移動(dòng)。變壓器繞組故障將會(huì)造成變壓器及其它設(shè)備的損壞,影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,因此,電力系統(tǒng)變壓器繞組的在線監(jiān)測(cè)[1]和故障評(píng)估顯得尤為重要。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)繞組機(jī)械故障檢測(cè)方法進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2-4]將散射參數(shù)法用于繞組位移的診斷;文獻(xiàn)[4]計(jì)算了散射參數(shù),并將其大小和相位存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中,然后采用k最近鄰(k-Nearest Neighbor,KNN)分類算法和決策樹分類算法分別進(jìn)行故障診斷,展示了KNN相對(duì)于決策樹分類算法的優(yōu)越性。變壓器故障檢測(cè)的另一種常用方法是傳遞函數(shù)法[5-7]。在文獻(xiàn)[7]中,為了檢測(cè)變壓器繞組中的異常情況,計(jì)算了傳遞函數(shù),并通過基于向量空間的透視圖改善了透明度不足的問題。在文獻(xiàn)[8]中,通過變壓器特性阻抗的變化來檢測(cè)繞組中的不同缺陷。還有許多其他檢測(cè)變壓器繞組故障的方法,如低壓脈沖法、短路阻抗法[9]和超寬帶(Ultra wide band,UWB)傳感器法[10-12]等。

本文提出了一種基于超寬帶和微波共焦成像(Ultra wide band and confocal microwave imaging,UWB-CMI)方法的波束形成新方法來檢測(cè)變壓器繞組徑向變形,利用天線發(fā)射UWB短脈沖,接收器接收來自變壓器繞組的后向散射響應(yīng)并計(jì)算后向散射能量分布,再采用微波共焦成像(Confocal microwave imaging,CMI)方法獲得繞組的2D圖像,來確定電力變壓器繞組徑向變形的大小和位置。將這種方法用于不同位置徑向變形的變壓器模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果證明,這種方法對(duì)檢測(cè)和確定徑向變形位置的有效性。

1 UWB-CMI方法檢測(cè)繞組變形原理

CMI方法廣泛用于乳腺組織中的腫瘤檢測(cè)[13-15],因?yàn)檎Ｈ橄俳M織和惡性組織在微波頻率下的介電特性有顯著區(qū)別,與組織的其他部分相比,腫瘤表現(xiàn)為散射體,反射入射脈沖的強(qiáng)度更高。本文利用這一技術(shù)檢測(cè)變壓器繞組的變形。變壓器繞組中的各種變形將導(dǎo)致變壓器中繞組的形狀不同,因此變形前后接收到的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致不同的衍射和散射強(qiáng)度。因此,這種方法能夠檢測(cè)2D圖像中的變形。本文所提出的方法可以在線檢測(cè)變壓器繞組的主要機(jī)械故障。

為了收集變壓器繞組的更多信息,收發(fā)機(jī)天線在線性路徑中移動(dòng),并且在多個(gè)點(diǎn)處重復(fù)發(fā)射和接收過程。在每個(gè)位置,天線發(fā)射UWB脈沖,接收器接收來自變壓器繞組的后向散射響應(yīng),并計(jì)算后向散射能量分布,再利用CMI方法重建繞組的圖像。在合成圖像中,繞組顯示為圓形。如果發(fā)生徑向變形,繞組將在合成圖像中顯示為一個(gè)突起。因此,可以通過檢查繞組的UWB圖像來檢測(cè)徑向變形。此外,由于圖像中突起的位置與繞組上的位置匹配,因此可以檢測(cè)徑向變形的位置。

2 UWB雷達(dá)成像

在UWB成像中,通常有3種不同的方式來測(cè)距,分別為單邊雙向測(cè)距[16]、雙邊雙向測(cè)距[17]和多邊雙向測(cè)距[18,19]。本文采用雙邊雙向測(cè)距方式,因?yàn)檫@種方式更適合設(shè)置和參數(shù)配置。

UWB雷達(dá)成像數(shù)據(jù)測(cè)量過程如圖1所示。收發(fā)器用于產(chǎn)生短脈沖并通過天線傳播。傳播的短脈沖擊中目標(biāo)后,會(huì)提供目標(biāo)脈沖響應(yīng)信息。

圖1 UWB雷達(dá)成像數(shù)據(jù)測(cè)量過程

如果使用寬波束天線[20],可以從X軸上的寬范圍點(diǎn)“看到”目標(biāo)。通過在X軸上滑動(dòng)天線,可以收集來自目標(biāo)的更多信息。在沿X軸的預(yù)先設(shè)定的測(cè)量點(diǎn)上重復(fù)測(cè)量響應(yīng)過程。

在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過程中,相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的距離(測(cè)量點(diǎn)步長(zhǎng))是恒定的。為了提高圖像的分辨率,應(yīng)選擇盡可能寬的測(cè)量點(diǎn)范圍。

在某一點(diǎn)測(cè)量的反射響應(yīng)稱為掃描。所有掃描的集合形成一個(gè)2D信號(hào),它是時(shí)間和測(cè)量位置的函數(shù)。進(jìn)一步處理以形成目標(biāo)的2D圖像[21]。

UWB成像可以使用不同種類的脈沖和調(diào)制進(jìn)行。本文采用正弦載波調(diào)制的高斯脈沖,如圖2所示。

圖2 發(fā)射UWB脈沖

在采用CMI方法之前,應(yīng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,以去除并非源自變壓器繞組的后向散射信號(hào),并補(bǔ)償信號(hào)振幅的傳播損耗[11]。

天線處接收到的信號(hào)包括直接視線信號(hào)、變壓器加噪聲的響應(yīng)以及多徑反射產(chǎn)生的干擾信號(hào),這些信號(hào)的接收時(shí)間晚于變壓器繞組反射信號(hào)。

圖3為某次掃描的結(jié)果由3個(gè)部分組成,第一部分是接收器接收到的入射脈沖,稱為串?dāng)_;第二部分是目標(biāo)反射,這是所需的目標(biāo)信號(hào);第三部分由墻壁和桌子等物體的反射組成,稱為環(huán)境光。

圖3 樣本掃描結(jié)果的不同部分

在移除串?dāng)_和環(huán)境部分之前,必須估計(jì)掃描的時(shí)間零點(diǎn),即UWB脈沖的傳輸瞬間。因此,首先,串?dāng)_信號(hào)的時(shí)間延遲TTXRX為TX和RX之間的距離除以波速。如果串?dāng)_信號(hào)在τct處達(dá)到峰值,則時(shí)間零點(diǎn)(τ0)計(jì)算如下

τ0=τct-TTXRX

(1)

如圖3所示,由于變壓器距離兩個(gè)天線足夠遠(yuǎn),因此接收信號(hào)的目標(biāo)信號(hào)(變壓器反射)是可分離的。因此,可以采用時(shí)間窗方法來移除非目標(biāo)信號(hào)。

時(shí)間窗為

(2)

式中:TPulse是持續(xù)發(fā)射脈沖的時(shí)間,N是窗口長(zhǎng)度。選擇窗口長(zhǎng)度,以便消除環(huán)境信號(hào)。在消除接收信號(hào)的非目標(biāo)信號(hào)之后,對(duì)于相干處理,加窗信號(hào)延遲若干樣本,并與來自期望焦點(diǎn)(位置r0處的點(diǎn))的返回對(duì)齊。這種時(shí)間延遲可通過發(fā)射器和接收器位置以及焦點(diǎn)位置計(jì)算,如式(3)所示

(3)

最后,需要考慮傳播衰減的影響。由于目標(biāo)是金屬的,反射足夠強(qiáng),因此衰減不大;因此,對(duì)于圖像形成,信號(hào)振幅被歸一化處理。

3 CMI算法

延遲-求和(Delay and sum,DAS)可控波束定位法是一種CMI算法,已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療應(yīng)用[14,15,17]。算法的第一步是預(yù)處理。在聚焦過程中,焦點(diǎn)在成像平面中從一個(gè)位置變化到另一個(gè)位置,形成各種空間光束[22-24]。

在每個(gè)位置,將時(shí)移信號(hào)的所有值平方后相干相加,然后對(duì)求和進(jìn)行積分,如公式(4)所示[13]

(4)

式中:I(r0)是焦點(diǎn)r0的強(qiáng)度,y(r0)是接收器處的預(yù)處理信號(hào),ni(r0)是為對(duì)準(zhǔn)計(jì)算的時(shí)間延遲。指數(shù)i表示第i個(gè)測(cè)量點(diǎn),M表示測(cè)量點(diǎn)數(shù)量。L是應(yīng)用帶寬,即設(shè)置中使用的入射脈沖帶寬。

為了保留繞組各點(diǎn)的圖像細(xì)節(jié),去掉等式(4)中的平方,如式(5)所示

(5)

當(dāng)變壓器在加窗接收信號(hào)中的響應(yīng)相干時(shí),信號(hào)的大多數(shù)I(r0)樣本是正的。響應(yīng)越不連貫,I(r0)樣本中的負(fù)樣本就越多。因此,當(dāng)r0接近變壓器位置時(shí),這些對(duì)齊的信號(hào)將變得更加相干,并且I(r0)會(huì)產(chǎn)生更大的正值。相反,對(duì)于遠(yuǎn)離變壓器位置的點(diǎn),公式(5)會(huì)得到更大的負(fù)值。因此,忽略這些負(fù)值(替換為零),I(r0)矩陣結(jié)果就顯示為2D RGB圖像[24]。

這種算法可概括如下:

①確定所有接收信號(hào)的時(shí)間零點(diǎn);

②設(shè)計(jì)一個(gè)具有適當(dāng)長(zhǎng)度的時(shí)間窗口,用于將目標(biāo)信號(hào)與接收信號(hào)分離。

③信號(hào)相對(duì)于每個(gè)焦點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊,以便進(jìn)行相干處理。

④為補(bǔ)償損失,校準(zhǔn)加窗和時(shí)間對(duì)齊信號(hào)y(r0)。

⑤對(duì)步驟④中的信號(hào)求和進(jìn)行積分,以計(jì)算每個(gè)焦點(diǎn)的強(qiáng)度。

⑥將所得矩陣的負(fù)值替換為零,然后將I(r0)矩陣描述為2D RGB圖像。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

為了實(shí)現(xiàn)UWB成像過程,使用了文獻(xiàn)[12]中的設(shè)置和繞組模型,如圖4所示。

圖4 用于測(cè)試算法的繞組模型

圖5為實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖。繞組模型為一個(gè)圓形,其表面有一個(gè)矩形凸起,表示徑向變形。天線移動(dòng)方向標(biāo)記為X軸,波傳播方向標(biāo)記為Z軸。徑向變形的尺寸表示為Rdif和Ddif。天線位于繞組模型的左側(cè)。因此,大多數(shù)入射波都會(huì)擊中變壓器繞組左側(cè)部分,故大多數(shù)反射波都來自繞組左側(cè)部分。因此,繞組模型的此部分將在結(jié)果圖像中高亮顯示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖

為了評(píng)估所提方法的有效性,設(shè)計(jì)了4次不同的試驗(yàn)。在第一次試驗(yàn)中,繞組完好無損,沒有徑向變形。對(duì)于圖5中的觀測(cè)者,在第二次、第三次和第四次試驗(yàn)中,變壓器盤的右側(cè)、左側(cè)和中心分別產(chǎn)生一定尺寸的徑向變形。

這四個(gè)試驗(yàn)表征了實(shí)際變壓器繞組中不同位置的徑向變形。模型試驗(yàn)的參數(shù)配置如下:測(cè)量步長(zhǎng),即相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的距離,選擇小于UWB中心頻率波長(zhǎng)的一半(本文中為31 mm);測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)測(cè)量跨度(設(shè)置為1 200 mm)確定。徑向變形的大小為Ddif=40 cm,Rdif=20 cm。

對(duì)于每個(gè)試驗(yàn),采用CMI方法進(jìn)行測(cè)量掃描、預(yù)處理和波束形成等步驟。10個(gè)對(duì)準(zhǔn)信號(hào)樣本的積分步長(zhǎng)L通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。然后以彩色圖比例繪制2D圖像函數(shù)(I(r0)),以獲得模型的2D圖像。在彩色圖比例圖中,像素的顏色表示這種像素處圖像函數(shù)的大小。冷色表示低值,暖色表示高值。

圖6(a)為繞組模型沒有徑向變形(試驗(yàn)1)的合成圖像。在此圖像和后續(xù)DAS圖像中,模型顯示為多個(gè)紅色圓弧。多弧是由UWB的脈沖形式引起的。正弦載波的每個(gè)周期都可能在圖像函數(shù)中產(chǎn)生一個(gè)峰值,從而導(dǎo)致僅由一個(gè)表面反射引起的多個(gè)峰值。在圖6(b)中,將DAS圖像放大以便于觀察。如圖所示,圓弧具有相當(dāng)均勻的圖案,沒有不對(duì)稱的熱點(diǎn)。這種形式的弧表示繞組完好無損,沒有徑向變形。

圖6(c)～6(e)分別為繞組模型試驗(yàn)2、試驗(yàn)3和試驗(yàn)4的DAS圖像,即相對(duì)于圖5中的觀測(cè)者,繞組的右側(cè)、左側(cè)和中心分別發(fā)生了變形。在試驗(yàn)1(圖6(c))中,由于右側(cè)繞組位移,熱點(diǎn)位于變壓器右側(cè)。在圖6(d)中,左側(cè)繞組位移,熱點(diǎn)位于繞組左側(cè),在圖6(e)中,繞組位移導(dǎo)致圓弧中心的圓弧形狀變形。圖像右側(cè)的圖例描述了與每種顏色對(duì)應(yīng)的光譜值大小。

圖6 模型的DAS圖像

在每個(gè)DAS圖形中,變形的正確位置由白色矩形標(biāo)記。從圖中可以看出,波束形成算法能夠檢測(cè)并確定變壓器繞組中的徑向變形位置。

將CMI算法結(jié)果與文獻(xiàn)[12]的基爾霍夫算法結(jié)果進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn),CMI算法都具有高分辨率,圖像清晰,且都能準(zhǔn)確判斷變壓器繞組的變形大小和位置信息,通過比較繞組位移前后獲得的圖像,可以檢測(cè)到繞組變形位置,但算法獲得最終圖像需要更長(zhǎng)的時(shí)間,而基爾霍夫算法速度快,在較少的時(shí)間內(nèi)就能得到最終結(jié)果。但對(duì)于實(shí)現(xiàn)過程,CMI算法更簡(jiǎn)單,也更直觀。

5 結(jié)束語

為了能快速準(zhǔn)確診斷繞組變形故障,提出了一種基于UWB-CMI方法的變壓器繞組徑向變形檢測(cè)與定位新方法,設(shè)計(jì)了測(cè)試裝置,包括變壓器繞組模型和UWB收發(fā)器,利用天線發(fā)射UWB短脈沖,接收器接收來自變壓器繞組的后向散射響應(yīng)并計(jì)算后向散射能量分布,再采用CMI方法獲得繞組的2D圖像,來確定電力變壓器繞組徑向變形的大小和位置。為了驗(yàn)證所提出方法的有效性,對(duì)4種不同位置的變壓器徑向變形模型進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,利用變壓器模型的二維圖像,可以檢測(cè)變壓器徑向變形的發(fā)生、尺寸和位置。與基爾霍夫方法相比,兩種方法都能對(duì)電力變壓器繞組變形大小和位置實(shí)現(xiàn)有效檢測(cè)。雖然CMI方法運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),但CMI算法簡(jiǎn)單易懂,也更直觀。