一种变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统及方法，涉及电力系统安全监测技术领域，本发明专利技术采用全分布式光纤振动传感技术对变压器油箱内部绕组和铁芯的振动状态进行动态直接测量和在线监测。利用光纤的无源及柔韧性，安装在变压器高温油箱内部，通过沿绕组缠绕方式进行敷设；此外通过深度学习特征与传统人工特征同步提取与融合方式，来挖掘变压器绕组不同故障模式下时空振动信号的可分辨特征，并采用多种分类器对其进行分类识别，评估分类器性能，最终选择性能最优的分类器进行事件分类，实现绕组在线监测诊断，该发明专利技术方法可以实现高可靠、高稳定的故障类型识别，能有效避免其他在油箱外部进行间距测量的不准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统及方法
本专利技术涉及电力系统安全监测
，更具体涉及一种变压器油箱内部绕组振动的光纤无源在线监测系统及方法。
技术介绍
变压器是电网中重要的输变电设备，价格昂贵,其稳定运行状态对电网的安全可靠具有重要意义。但是由于变压器自身结构以及工作环境等因素影响,铁芯和绕组故障占据了事故的90％以上，这些故障对电网的安全运行造成严重威胁，并且造成巨大的经济损失。因此对变压器进行在线监测，在发生故障之前及早发现并排除其存在的故障隐患，成为保证供电可靠性的重要方法。近年来，采用振动分析法进行变压器状态监测与故障诊断成为国内外研究的热点。因为在现有的各种监测方法中，基于振动分析法的变压器状态监测对变压器内部机械结构变化反应灵敏，且与电力系统无电气连接，是一种便捷有效的带电监测方法。但是目前的振动监测方法，无论采用有源和无源振动传感技术，均是将加速度传感器置于变压器箱体表面，无法直接测量箱体里面铁芯和绕组的振动；通过箱体上阵列信号分析与振动特征提取来间接分析铁芯和绕组的故障，对铁芯和绕组本身的故障分析不准确，且无法定位故障点具体位置。光纤传感器基于其体积小、重量轻、易于安装在复杂机械结构内部等特点，并且光纤传感器自身无源，抗电磁干扰能力强，能够在复杂电磁干扰环境下实现在线监测，也不会对变压器工作产生影响，是一种理想的变压器在线监测传感器。目前已有基于光纤中布里渊散射(B-OTDR)和拉曼散射(R-OTDR)机理研究绕组形变和温度在线监测方法，但该类技术只侧重绕组形变及附近温度等准静态量的直接测量，目前在变压器振动在线监测方法中，尚未有使用全分布式光纤振动传感技术对绕组和铁芯的振动状态进行动态直接测量和在线监测的先例。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：为了解决上述技术问题，提出一种对变压器箱体内部绕组振动的在线监测方法，利用光纤的无源及柔韧性，安装在变压器高温油箱内部，通过沿绕组缠绕方式进行敷设，实现对变压器箱体内绕组及铁芯振动的直接动态在线监测。此外通过深度学习特征与传统人工特征同步提取与融合方式，可以实现高可靠、高稳定的故障类型识别模型。一种变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统，其特征在于，包括绕组上敷设的分布式光纤、光纤传感信号解调仪、信号处理主机和显示终端，光纤传感信号解调仪包括激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、滤波器、干涉仪、光电探测器和模数转换器，激光器发射的激光脉冲经过声光调制器调制后得到高度窄相干的激光脉冲，在经过掺铒光纤放大器放大后通过环形器进入绕组上敷设的分布式光纤，从光纤中返回的瑞利背向散射光将受到变压器绕组振动的调制，携带振动信息，散射光经过滤波器后进入干涉仪进行相位解调，并通过光电探测器和模数转换器变成数字信号传入信号处理主机，进行后续的分析和数据处理得到检测结果，检测结果通过显示终端进行显示。进一步地，绕组上分布式光纤的有效敷设方式，利用光纤的柔韧性和无源特点，在变压器通电前，沿绕组线圈的缠绕方式进行外部缠绕和安装，在变压器绕组表面采用光缆外敷螺旋形缠绕的铺设方式。光缆缠绕直径由绕组线圈直径确定；该系统光纤传感信号解调装置的光脉冲宽度与缠绕一圈的周长匹配，这样的脉冲宽度决定了其空间分辨率为缠绕变压器绕组的周长，确保实际故障点的定位精度由光缆线圈间的螺旋线的螺距确定；安装光纤时，用绝缘卡带间隔固定光纤，目的是使绕组的振动能够直接有效的传递至光纤。进一步地，由超窄线宽激光器产生一路连续相干光信号，经声光或电光调制器调制成光脉冲信号，光脉冲信号由掺铒光纤放大器(EDFA)集中放大，放大后的光脉冲信号依次经隔离器、环形器的1端口、2端口注入探测光缆；光脉冲信号沿光缆传输过程产生瑞利散射，其后向瑞利散射光信号沿光缆返回，由环形器的2端口、3端口接收，经光学滤波器滤除噪声信号后经第一耦合器耦合后，再将其注入到一个非平衡马赫曾德尔或迈克尔逊干涉仪，经由3*3的第二耦合器输出三路相位差为120°的外界扰动引入的相位变化信息，即可获得振动在光纤上的作用信号，解调出的光信号由光电探测器转换成电信号，再由波形发生卡控制的同步触发模数转换器进行信号同步采集，最后数字电信号通过网络等接口实时传输给信号处理主机进行后续分析和处理，通过不断发出激光脉冲，接收瑞利散射信号，该系统能够持续测量出铺设在变压器绕组上的整个传感光纤上每个位置的振动情况。变压器绕组空间范围小，故障定位精度要求比较高，因此本专利技术中采用的解调器是一种短距离、高空间分辨率的分布式光纤振动传感系统，其空间分辨率达到2m，有效监测长度为200m，采样频率为1kHz，为了实现该要求，解调器根据绕组特殊的机械结构特点进行了系统定制化研制和参数调整，包括：进一步压窄脉冲宽度，从200ns压窄为20ns，空间分辨率提高至2m，实现系统高空间分辨率监测；光脉冲压窄后，光纤内入射光功率比较低，一般低于-30dBm，所以需要特定的EDFA对该小信号进行放大，同时光的非线性效应明显增加，针对这种短距离的监测需求，需要合理调整光路结构，抑制脉冲光在光纤中传输时的非线性效应，提高系统的光学信噪比和光信号随光纤分布的均衡性。一种变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统不同故障的诊断与分类识别方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、将采集的时空矩阵，根据时间段(比如1分钟)进行分帧操作，每一帧的时空矩阵代表了某一个时间段整个变压器绕组空间上的振动情况，作为一个信号样本；步骤2、根据故障类型(绕组正常、绕组松动、绕组表面凹陷、绕组表面鼓包以及其他异常事件)对各个信号样本分别贴上相应的事件标签，累积足够数据量构建数据库，称为时空矩阵数据库；步骤3、采用深度学习与传统多分析域特征提取相结合的方法，来挖掘变压器绕组不同故障模式下时空振动信号的可分辨特征，并采用多种分类器对其进行分类识别，评估分类器性能，最终选择性能最优的分类器进行事件分类，实现绕组在线监测诊断。步骤3中，所述的深度学习是一种一维卷积神经网络(1D-CNN)模型，获得的分帧后的时空矩阵中每一个空间点事件分割后的时间信号贴上事件类型标签，建立典型事件信号数据集；构建一维卷积神经网络(1D-CNN)模型，利用典型事件信号数据训练集对网络进行迭代更新训练得到最优网络参数，利用最优网络学习、提取不同类型事件的1D-CNN可分辨特征，得到深度学习特征矢量,具体步骤如下：步骤a、对获得的分帧后的时空矩阵，将每个空间点的事件分割后的时间信号分别贴上振动事件标签，构建典型事件信号数据集raw_data；步骤b、基于步骤a得到的典型事件信号数据集raw_data，通过设计1D-CNN深度学习网络结构，并设置网络结构参数、训练网络、网络调优和输出1D-CNN特征这四个环节完成原始数据到特征矢量的转换。步骤3中，传统人工特征提取方法是另一种信号特征提取的方法，典型事件信号数据集通过利用专家的先验知识，从信号的时域、频域、倒频域等方面进行分析，提取相应特征，在进行分析之前，通常需要对数据进行加窗分帧，转化成短时信号，然后再本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统，其特征在于，包括变压器油箱内部绕组上敷设的分布式光纤、光纤传感信号解调仪、信号处理主机和显示终端，光纤传感信号解调仪包括激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、滤波器、干涉仪、光电探测器和模数转换器，激光器发射的激光脉冲经过声光调制器调制后得到高度窄相干的激光脉冲，在经过掺铒光纤放大器放大后通过环形器进入绕组上敷设的分布式光纤，从光纤中返回的瑞利背向散射光将受到变压器绕组振动的调制，携带振动信息，散射光经过滤波器后进入干涉仪进行相位解调，并通过光电探测器和模数转换器变成数字信号传入信号处理主机，进行后续的分析和数据处理得到检测结果，检测结果通过显示终端进行显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统，其特征在于，包括变压器油箱内部绕组上敷设的分布式光纤、光纤传感信号解调仪、信号处理主机和显示终端，光纤传感信号解调仪包括激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、环形器、滤波器、干涉仪、光电探测器和模数转换器，激光器发射的激光脉冲经过声光调制器调制后得到高度窄相干的激光脉冲，在经过掺铒光纤放大器放大后通过环形器进入绕组上敷设的分布式光纤，从光纤中返回的瑞利背向散射光将受到变压器绕组振动的调制，携带振动信息，散射光经过滤波器后进入干涉仪进行相位解调，并通过光电探测器和模数转换器变成数字信号传入信号处理主机，进行后续的分析和数据处理得到检测结果，检测结果通过显示终端进行显示。


2.根据权利要求1所述的变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统，其特征在于，绕组上分布式光纤的有效敷设方式，利用光纤的柔韧性和无源特点，在变压器通电前，沿绕组线圈缠绕方式进行外部缠绕和安装，在变压器绕组表面采用光缆外敷螺旋形缠绕的铺设方式，光缆缠绕直径由绕组线圈直径确定；该系统光纤传感信号解调装置的光脉冲宽度与缠绕一圈的周长匹配，这样的脉冲宽度决定了其空间分辨率为缠绕变压器绕组的周长，确保实际故障点的定位精度由光缆线圈间的螺旋线的螺距确定；安装光纤时，用绝缘卡带间隔固定光纤，目的是使绕组的振动能够直接有效的传递至光纤。


3.根据权利要求1所述的变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统，其特征在于，由超窄线宽激光器产生一路连续相干光信号，经声光或电光调制器调制成光脉冲信号，光脉冲信号由掺铒光纤放大器(EDFA)集中放大，放大后的光脉冲信号依次经隔离器、环形器的1端口、2端口注入探测光缆；光脉冲信号沿光缆传输过程产生瑞利散射，其后向瑞利散射光信号沿光缆返回，由环形器的2端口、3端口接收，经光学滤波器滤除噪声信号后经第一耦合器耦合后，再将其注入到一个非平衡马赫曾德尔或迈克尔逊干涉仪，经由3*3的第二耦合器输出三路相位差为120°的外界扰动引入的相位变化信息，即可获得振动在光纤上的作用信号，解调出的光信号由光电探测器转换成电信号，再由波形发生卡控制的同步触发模数转换器进行信号同步采集，最后数字电信号通过网络等接口实时传输给信号处理主机进行后续分析和处理，通过不断发出激光脉冲，接收瑞利散射信号，该系统能够持续测量出铺设在变压器绕组上的整个传感光纤上每个位置的振动情况；
变压器绕组空间范围小，故障定位精度要求比较高，因此本发明中采用的解调器是一种短距离、高空间分辨率的分布式光纤振动传感系统，其空间分辨率达到2m，有效监测长度为200m，采样频率为1kHz，为了实现该要求，解调器根据绕组特殊的机械结构特点进行了系统定制化研制和参数调整，包括：进一步压窄脉冲宽度，从常用的200ns压窄为20ns，空间分辨率提高至2m，实现系统高空间分辨率监测；光脉冲压窄后，光纤内入射光功率比较低，一般低于-30dBm，所以需要特定的EDFA对该小信号进行放大，同时光的非线性效应明显增加，针对这种短距离的监测需求，需要合理调整光路结构，抑制脉冲光在光纤中传输时的非线性效应，提高系统的光学信噪比和光信号随光纤分布的均衡性。


4.根据权利要求3所述的变压器绕组振动的光纤无源在线监测系统不同故障的诊断与分类识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将采集的时空矩阵，根据时间段(比如1分钟)进行分帧操作，每一帧的时空矩阵代表了某一个时间段整个变压器绕组空间上的振动情况，作为一个信号样本；
步骤2、根据故障类型(绕组正常、绕组松动、绕组表面凹陷、绕组表面鼓包以及其他异常事件)对各个信号样本分别贴上相应的事件标签，累积足够数据量构建数据库，称为时空矩阵数据库；
步骤3、采用深度学习与传...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴慧娟，王宇丰，王超群，粟永阳，袁平恒，
申请(专利权)人：南京艾森斯智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32