本發(fā)明涉及變壓器繞組匝間絕緣故障診斷技術(shù)，具體涉及一種變壓器繞組匝間絕緣故障診斷方法與裝置。

背景技術(shù)：

隨著電力系統(tǒng)的改造升級，電壓等級逐步提升。電力變壓器是電力系統(tǒng)的重要樞紐，一旦發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響相關(guān)區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在故障初期，潛在的匝間絕緣缺陷，特別是輕微的匝間短路故障，發(fā)展速度很快，如果處理不及時將會造成很嚴(yán)重的后果，因此及時發(fā)現(xiàn)早期輕微的匝間絕緣故障相當(dāng)重要。

對于變壓器繞組的故障診斷，目前采用的主流方式有兩種，其一是變壓器油中的溶解氣體分析(dga)，其二則是采用局部放電監(jiān)測技術(shù)。(1)基于dga的變壓器故障診斷乃是比較經(jīng)典的一種方法。其原理乃是考慮到當(dāng)變壓器發(fā)生嚴(yán)重的熱性故障或者是電氣故障時絕緣材料由于受熱分解會有多種氣體生成并溶解于變壓器油中，其中h2、ch4、c2h6、c2h2以及c2h4乃是五種常用的故障特征氣體。通過將其含量與正常的變壓器油進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)變壓器所產(chǎn)生的故障類型。并且目前學(xué)術(shù)界以及工程界對于該法的研究和使用都相對成熟，多種與之相關(guān)的智能診斷方式被相繼提出。該法實(shí)際上是一種綜合性的診斷方式，它可以發(fā)現(xiàn)包括局部放電、低溫過熱和高溫過熱等多種故障形式，但是值得注意的是，它存在兩大缺陷，一是故障類型與特征氣體之間的關(guān)系并不明確，可能多種故障類型導(dǎo)致了類似的氣體變化情況，特別是對于輕微匝間故障很難做出準(zhǔn)確的診斷，其次即便能夠診斷出故障類型，也并不能確定故障的確切位置。(2)基于局部放電檢測的變壓器故障診斷，乃是通過提取局部放電信號，來進(jìn)行變壓器運(yùn)行狀態(tài)的評判。局部放電信號有多種形式，常見的有懸浮放電、內(nèi)部放電以及匝間絕緣局部擊穿等，不同的放電形式對應(yīng)著不同的故障信號類型。采用這種診斷方式相對于dga有著更強(qiáng)的針對性，但是由于變壓器運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，存在多種絕緣缺陷類型以及放電種類，這些故障所導(dǎo)致的絕緣破壞現(xiàn)象各不相同，并且現(xiàn)場環(huán)境對于局部放電信號的干擾也帶來了極大的診斷困難。綜上所述，不管是基于dga還是基于局部放電信號，在對于變壓器的匝間短路故障診斷方面，特備是輕微故障方面，都存在明顯的局限性。

近年來，行波定位技術(shù)因具有原理和操作簡單，精確度高的優(yōu)點(diǎn)被成功應(yīng)用于電力電纜和發(fā)電機(jī)繞組故障定位等領(lǐng)域。但是，如何將其應(yīng)用于變壓器繞組匝間絕緣故障診斷，仍然是一項(xiàng)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種能夠簡化電力檢修過程，實(shí)現(xiàn)變壓器匝間故障的準(zhǔn)確診斷和定位，預(yù)測變壓器嚴(yán)重故障的發(fā)展趨勢，特別是針對比較輕微的變壓器匝間故障而言診斷準(zhǔn)確性明顯提升且操作簡便的變壓器繞組匝間絕緣故障診斷方法與裝置。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一方面，本發(fā)明提供一種變壓器繞組匝間絕緣故障診斷方法，實(shí)施步驟包括：

1)在變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號，采樣獲取行波反射信號；

2)針對行波反射信號，計(jì)算行波反射信號隨故障位置單調(diào)變化的故障特征，所述故障特征包括當(dāng)前的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值；

3)將變壓器繞組以預(yù)設(shè)的k匝為一組劃定定位區(qū)間，將所述故障特征輸入訓(xùn)練好的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定故障特征對應(yīng)的故障區(qū)間實(shí)現(xiàn)故障定位、并根據(jù)故障特征輸出故障診斷結(jié)果，所述遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含故障特征和對應(yīng)故障區(qū)間之間的映射關(guān)系。

優(yōu)選地，步驟2)中的行波系數(shù)包括電壓反射系數(shù)ku和折射系數(shù)hu，且所述電壓反射系數(shù)ku的計(jì)算函數(shù)表達(dá)式如式(1)所示，所述折射系數(shù)hu的計(jì)算函數(shù)表達(dá)式如式(2)所示；

式(1)和式(2)中，z2為輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的阻抗，z1是當(dāng)前的行波反射信號的阻抗。

優(yōu)選地，步驟2)中能量比值的計(jì)算函數(shù)表達(dá)式如式(3)所示；

式(3)中，e表示當(dāng)前的行波反射信號與正常行波反射信號的能量比值，u2為輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的電壓值，u1是當(dāng)前的行波反射信號的電壓值。

優(yōu)選地，步驟3)根據(jù)故障特征輸出故障診斷結(jié)果的詳細(xì)步驟包括：

3.1)判斷輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的阻抗z2和當(dāng)前的行波反射信號z1兩者相等、電壓反射系數(shù)ku的值為零兩個條件是否同時滿足，如果同時滿足則判定并輸出變壓器繞組線路無故障；否則，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

3.2)判斷輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的阻抗z2無窮大、電壓反射系數(shù)ku的值為1兩個條件是否同時滿足，如果同時滿足則判定并輸出變壓器繞組線路發(fā)生斷線故障；否則，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

3.2)判斷輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的阻抗z2為0、電壓反射系數(shù)ku的值為-1兩個條件是否同時滿足，如果同時滿足則判定并輸出變壓器繞組線路發(fā)生短路故障。

優(yōu)選地，步驟1)的詳細(xì)步驟包括：

1.1)預(yù)先在fpga芯片中設(shè)置狀態(tài)機(jī)的st0～st3四個狀態(tài)、狀態(tài)寄存器、脈寬寄存器、計(jì)數(shù)器以及用于存儲行波反射信號的fifo；

1.2)等待外部輸入的重置信號reset，當(dāng)外部輸入的重置信號reset有效時，則執(zhí)行初始化，設(shè)置狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)寄存器為st0、計(jì)數(shù)器清0、脈沖輸出為0、脈寬寄存器的脈寬值為count_m，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入st0狀態(tài)；在st0狀態(tài)等待外部輸入的開始信號start，當(dāng)開始信號start有效時，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

1.3)設(shè)置狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)寄存器為st1，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入st1狀態(tài)；在變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號的高電平，開始采樣獲取行波反射信號、啟動ad轉(zhuǎn)換并開始計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)值大于或等于脈寬值count_m時，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

1.4)設(shè)置狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)寄存器為st2，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入st2狀態(tài)，在變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號的低電平；檢測fifo是否已經(jīng)寫滿，如果fifo已寫滿，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

1.5)設(shè)置狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)寄存器為st3，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入st3狀態(tài)，行波反射信號采樣結(jié)束；跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟1.2)。

優(yōu)選地，步驟2)中遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練步驟包括：

s1)在無故障的變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號，采樣獲取非故障狀態(tài)下行波反射信號，計(jì)算非故障狀態(tài)下的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值，將非故障狀態(tài)下的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值、無故障區(qū)間的映射關(guān)系添加至訓(xùn)練樣本集；

s2)將變壓器繞組以預(yù)設(shè)的k匝為一組劃定定位區(qū)間，分別在不同定位區(qū)間故障情況下在有故障的變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號，采樣獲取有故障狀態(tài)下行波反射信號，計(jì)算有故障狀態(tài)下的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值，將有故障狀態(tài)下的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值、對應(yīng)故障區(qū)間的映射關(guān)系添加至訓(xùn)練樣本集；

s3)利用訓(xùn)練樣本集完成對遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。

另一方面，本發(fā)明還提供一種變壓器繞組匝間絕緣故障診斷裝置，包括fpga模塊、功率放大器、信號放大電路、高速a/d轉(zhuǎn)換電路、dsp處理器、人機(jī)交互模塊、通訊模塊和電源模塊，所述fpga模塊的輸出端和功率放大器相連，所述功率放大器的輸出端為用于和變壓器繞組線端相連的激勵信號輸入端，所述信號放大電路的輸入端為用于和變壓器繞組線端相連的行波反射信號輸入端，所述信號放大電路的輸出端通過、高速a/d轉(zhuǎn)換電路和fpga模塊的輸入端相連，所述fpga模塊和dsp處理器相互連接，且所述dsp處理器分別與人機(jī)交互模塊、通訊模塊相連，所述電源模塊的輸出端分別與fpga模塊、功率放大器、信號放大電路、高速a/d轉(zhuǎn)換電路、dsp處理器、人機(jī)交互模塊、通訊模塊相連。

優(yōu)選地，所述信號放大電路包括電阻r1、電阻r2、電阻r3、電阻r4、電阻r5、電容c1、電容c2、穩(wěn)壓管d1、穩(wěn)壓管d2和運(yùn)放芯片u1，所述電阻r1的一端作為用于和變壓器繞組線端相連的行波反射信號輸入端、另一端依次通過電阻r2、電容c2和運(yùn)放芯片u1的正極輸入端相連，電容c1和電阻r1并聯(lián)連接，運(yùn)放芯片u1的負(fù)極輸入端接地，電阻r5串接在運(yùn)放芯片u1的輸出端和負(fù)極輸入端上，運(yùn)放芯片u1的輸出端串接電阻r3后和高速a/d轉(zhuǎn)換電路的輸入端，且運(yùn)放芯片u1的輸出端依次串接電阻r3、電阻r4后接地，穩(wěn)壓管d1一端串接在電阻r1和電阻r2兩者之間、另一端接地，穩(wěn)壓管d2和穩(wěn)壓管d1并聯(lián)連接。

優(yōu)選地，所述高速a/d轉(zhuǎn)換電路包括時鐘電路、并轉(zhuǎn)串器件和多條a/d轉(zhuǎn)換支路，所述a/d轉(zhuǎn)換支路包括依次串聯(lián)的采樣保持電路和a/d轉(zhuǎn)換芯片，所述采樣保持電路的輸入端分別和信號放大電路的輸出端以及時鐘電路的時鐘信號輸出端相連，所有a/d轉(zhuǎn)換支路的a/d轉(zhuǎn)換芯片同時與并轉(zhuǎn)串器件的輸入端相連，所述并轉(zhuǎn)串器件的輸出端和fpga模塊的輸入端相連。

本發(fā)明變壓器繞組匝間絕緣故障診斷方法具有下述優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明變壓器繞組匝間絕緣故障診斷方法創(chuàng)造性地將行波定位技術(shù)引入變壓器繞組匝間短路故障定位研究中，通過在繞組線端輸入低壓脈沖獲取行波反射信號，將其作為分析故障的電氣量，首先分別采用行波系數(shù)法和能量比值法尋找隨故障位置單調(diào)變化的故障特征，即故障行波與正常行波的行波系數(shù)與能量比值；然后將繞組以k匝為一組劃定定位區(qū)間，利用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定故障特征和對應(yīng)故障區(qū)域的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)故障定位。

本發(fā)明變壓器繞組匝間絕緣故障診斷裝置具有下述優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明變壓器繞組匝間絕緣故障診斷裝置為本發(fā)明變壓器繞組匝間絕緣故障診斷方法對應(yīng)的裝置，包括fpga模塊、功率放大器、信號放大電路、高速a/d轉(zhuǎn)換電路、dsp處理器、人機(jī)交互模塊、通訊模塊和電源模塊，通過fpga模塊、功率放大器、信號放大電路、高速a/d轉(zhuǎn)換電路能夠完成在變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號、采樣獲取行波反射信號，通過dsp處理器針對行波反射信號進(jìn)行濾波輸出給上位機(jī)，通過上位機(jī)即可計(jì)算行波反射信號隨故障位置單調(diào)變化的故障特征，所述故障特征包括當(dāng)前的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值，將變壓器繞組以預(yù)設(shè)的k匝為一組劃定定位區(qū)間，將所述故障特征輸入訓(xùn)練好的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定故障特征對應(yīng)的故障區(qū)間實(shí)現(xiàn)故障定位、并根據(jù)故障特征輸出故障診斷結(jié)果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例方法的基本流程示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換原理示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例裝置的框架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為ads831的時序圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例裝置fpga模塊中的數(shù)據(jù)總線示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例裝置信號放大電路的電路原理圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例裝置高速a/d轉(zhuǎn)換電路的電路原理圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例裝置的軟件系統(tǒng)框圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例裝置的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)框圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)施例變壓器繞組匝間絕緣故障診斷方法的實(shí)施步驟包括：

1)在變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號，采樣獲取行波反射信號；本實(shí)施例中，低壓窄脈沖信號具體采用4ns左右寬度的低壓窄脈沖；

2)針對行波反射信號，計(jì)算行波反射信號隨故障位置單調(diào)變化的故障特征，所述故障特征包括當(dāng)前的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值；

3)將變壓器繞組以預(yù)設(shè)的k匝為一組劃定定位區(qū)間，將所述故障特征輸入訓(xùn)練好的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定故障特征對應(yīng)的故障區(qū)間實(shí)現(xiàn)故障定位、并根據(jù)故障特征輸出故障診斷結(jié)果，所述遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含故障特征和對應(yīng)故障區(qū)間之間的映射關(guān)系。

本實(shí)施例變壓器繞組匝間絕緣故障診斷方法是基于變壓器繞組的行波定位技術(shù)。本實(shí)施例變壓器繞組匝間絕緣故障診斷方法的基于行波定位技術(shù)進(jìn)行絕緣故障診斷的原理如下：變壓器繞組是由多匝均勻銅導(dǎo)線繞制而成，線匝之間的電氣量參數(shù)相差不大，電磁邊界在線匝換位時不連續(xù)，波阻抗在相鄰線匝換位處有比較明顯的變化，因此可以把每一匝近似的看成一根均勻傳輸線，即行波理論可應(yīng)用于變壓器匝間故障診斷領(lǐng)域；在對第n匝zn進(jìn)行分析時我們會發(fā)現(xiàn)：入射波經(jīng)歷n-1次折射和反射后，由第n-1匝zn-1輸出的折射波在第n匝zn與第n+1匝zn+1的連接點(diǎn)處分為反射波ufn和折射波uzn。反射波ufn在經(jīng)過n-1匝返回輸入端的過程中，同樣先在第n-1匝與第n匝交接處分為反射波ufnf1和折射波ufnz1，折射波繼續(xù)作為下一匝的入射波向輸入端口傳播。最終反射波ufn在經(jīng)歷n-1匝的反射和折射后，到達(dá)輸入端口的ufnzn才是采集到的第n匝對應(yīng)的反射特征波。當(dāng)?shù)趎匝被短路時，n匝之后的線匝對應(yīng)的反射波能量會有一定程度的增大,相應(yīng)波形也會有一定變化，而n匝之前的線匝反射波基本不受影響，而且短路匝距離行波注入端口距離越近，能量增值越明顯，波形變化越大。根據(jù)行波在變壓器繞組中的傳播特性分析可知，當(dāng)?shù)趎匝繞組發(fā)生匝間短路故障時，相對于非故障繞組狀態(tài)，行波在繞組中的傳播后反饋回來的反射行波會在第n匝對應(yīng)位置發(fā)生相應(yīng)能量和波形的變化。因此可使用相似度法和能量比值法進(jìn)行故障診斷研究。由于不同位置單獨(dú)發(fā)生匝間絕緣故障時候的反射行波與正常狀態(tài)下的反射行波的相似度與能量比值不同，理論上應(yīng)該按照故障位置的變化而單調(diào)性的變化。因此利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行故障定位。將變壓器繞組自上到下均分成k組，取每一組中間的一匝發(fā)生匝間短路故障時的反射行波與非故障時反射行波的相關(guān)系數(shù)和能量比值作為這一組的故障診斷特征量。然后利用仿真軟件獲取待測繞組的故障特征數(shù)據(jù)庫，并利用故障特征進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練確定故障組和故障特征的映射關(guān)系。

本實(shí)施例中步驟1)在變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號，采樣獲取行波反射信號具體是基于fpga芯片實(shí)現(xiàn)的。如圖2所示，步驟1)的詳細(xì)步驟包括：

1.1)預(yù)先在fpga芯片中設(shè)置狀態(tài)機(jī)的st0～st3四個狀態(tài)、狀態(tài)寄存器、脈寬寄存器、計(jì)數(shù)器以及用于存儲行波反射信號的fifo；

1.2)等待外部輸入的重置信號reset，當(dāng)外部輸入的重置信號reset有效時，則執(zhí)行初始化，設(shè)置狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)寄存器為st0、計(jì)數(shù)器清0、脈沖輸出為0、脈寬寄存器的脈寬值為count_m，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入st0狀態(tài)；在st0狀態(tài)等待外部輸入的開始信號start，當(dāng)開始信號start有效時，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

1.3)設(shè)置狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)寄存器為st1，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入st1狀態(tài)；在變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號的高電平，開始采樣獲取行波反射信號、啟動ad轉(zhuǎn)換并開始計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)值大于或等于脈寬值count_m時，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

1.4)設(shè)置狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)寄存器為st2，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入st2狀態(tài)，在變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號的低電平；檢測fifo是否已經(jīng)寫滿，如果fifo已寫滿，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

1.5)設(shè)置狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)寄存器為st3，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入st3狀態(tài)，行波反射信號采樣結(jié)束；跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟1.2)。

本實(shí)施例中，步驟2)中的行波系數(shù)包括電壓反射系數(shù)ku和折射系數(shù)hu，且所述電壓反射系數(shù)ku的計(jì)算函數(shù)表達(dá)式如式(1)所示，所述折射系數(shù)hu的計(jì)算函數(shù)表達(dá)式如式(2)所示；

式(1)和式(2)中，z2為輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的阻抗，z1是當(dāng)前的行波反射信號的阻抗。往變壓器繞組的端口輸入單個低壓窄脈沖，當(dāng)電波遇到阻抗不匹配點(diǎn)時，電波會出現(xiàn)反向的現(xiàn)象，通過傳輸線的理論可以獲知，每條傳輸線都有個特征阻抗zc，與其長度等信息無關(guān)，僅由線路結(jié)構(gòu)決定；假設(shè)行波是在均勻傳輸線中傳播，則可得到行波在阻抗不連續(xù)點(diǎn)處的電壓反射系數(shù)ku如式(1-1)所示、折射系數(shù)hu如式(2-1)所示。

式(1-1)和式(2-1)中，uf為反射波電壓，ur是入射波電壓，uz表示折射波電壓，z2為入射波阻抗，z1是出射波阻抗。而z為均勻傳輸線的波阻抗，l和c分別表示均勻傳輸線的單位長度電感和電容，則有均勻傳輸線的波阻抗z如式(2-2)所示；

式(2-2)中，z為均勻傳輸線的波阻抗，l和c分別為單位長度電感和電容。

根據(jù)行波在阻抗不連續(xù)點(diǎn)處的電壓反射系數(shù)ku如式(1-1)所示、折射系數(shù)hu如式(2-1)，即可得到行波在阻抗不連續(xù)點(diǎn)處的電壓反射系數(shù)ku如式(1)所示、折射系數(shù)hu如式(2)的計(jì)算函數(shù)表達(dá)式，進(jìn)而根據(jù)上述公式可以算出在傳輸線波阻抗突變點(diǎn)的反射電壓和折射電壓。因?yàn)樵诰鶆騻鬏斁€中，行波是按照一定速度傳播，所以可以根據(jù)入射波和反射波信號的時域波形進(jìn)行故障診斷。

本實(shí)施例中，步驟2)中能量比值的計(jì)算函數(shù)表達(dá)式如式(3)所示；

式(3)中，e表示當(dāng)前的行波反射信號與正常行波反射信號的能量比值，u2為輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的電壓值，u1是當(dāng)前的行波反射信號的電壓值。

因?yàn)樵诰鶆騻鬏斁€中，行波是按照一定速度傳播，所以可以根據(jù)入射波和反射波信號的時域波形進(jìn)行故障診斷：(1)線路無故障，此時z2＝z1，ku＝0，無反射；(2)斷線故障，z2＝∞，ku＝1，發(fā)生全反射，且反射波與入射波具有相同極性；(3)短路故障，z2＝0，ku＝－1，發(fā)生負(fù)極性的全反射，反射波與入射波具有相反的極性。本實(shí)施例中，步驟3)根據(jù)故障特征輸出故障診斷結(jié)果的詳細(xì)步驟包括：

3.1)判斷輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的阻抗z2和當(dāng)前的行波反射信號z1兩者相等、電壓反射系數(shù)ku的值為零兩個條件是否同時滿足，如果同時滿足則判定并輸出變壓器繞組線路無故障；否則，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

3.2)判斷輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的阻抗z2無窮大、電壓反射系數(shù)ku的值為1兩個條件是否同時滿足，如果同時滿足則判定并輸出變壓器繞組線路發(fā)生斷線故障；否則，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行下一步；

3.2)判斷輸入變壓器繞組線端的低壓窄脈沖信號的阻抗z2為0、電壓反射系數(shù)ku的值為-1兩個條件是否同時滿足，如果同時滿足則判定并輸出變壓器繞組線路發(fā)生短路故障。

本實(shí)施例中，步驟2)中遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練步驟包括：

s1)在無故障的變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號，采樣獲取非故障狀態(tài)下行波反射信號，計(jì)算非故障狀態(tài)下的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值，將非故障狀態(tài)下的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值、無故障區(qū)間的映射關(guān)系添加至訓(xùn)練樣本集；

s2)將變壓器繞組以預(yù)設(shè)的k匝為一組劃定定位區(qū)間，分別在不同定位區(qū)間故障情況下在有故障的變壓器繞組線端輸入低壓窄脈沖信號，采樣獲取有故障狀態(tài)下行波反射信號，計(jì)算有故障狀態(tài)下的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值，將有故障狀態(tài)下的行波反射信號與正常行波反射信號的行波系數(shù)及能量比值、對應(yīng)故障區(qū)間的映射關(guān)系添加至訓(xùn)練樣本集；

s3)利用訓(xùn)練樣本集完成對遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。

如圖3所示，本實(shí)施例變壓器繞組匝間絕緣故障診斷裝置包括fpga模塊1、功率放大器2、信號放大電路3、高速a/d轉(zhuǎn)換電路4、dsp處理器5、人機(jī)交互模塊6、通訊模塊7和電源模塊8，所述fpga模塊1的輸出端和功率放大器2相連，所述功率放大器2的輸出端為用于和變壓器繞組線端相連的激勵信號輸入端，所述信號放大電路3的輸入端為用于和變壓器繞組線端相連的行波反射信號輸入端，所述信號放大電路3的輸出端通過、高速a/d轉(zhuǎn)換電路4和fpga模塊1的輸入端相連，所述fpga模塊1和dsp處理器5相互連接，且所述dsp處理器5分別與人機(jī)交互模塊6、通訊模塊7相連，所述電源模塊8的輸出端分別與fpga模塊1、功率放大器2、信號放大電路3、高速a/d轉(zhuǎn)換電路4、dsp處理器5、人機(jī)交互模塊6、通訊模塊7相連。

fpga模塊1用于負(fù)責(zé)產(chǎn)生高頻脈沖、控制ad數(shù)據(jù)采集、存儲采樣數(shù)據(jù)以及和dsp處理器5通訊。fpga模塊1產(chǎn)生的脈沖信號電壓幅度只有3.3v，驅(qū)動能力滿足不了系統(tǒng)的發(fā)送要求，需要經(jīng)過功率放大才能發(fā)送給被測變壓器繞組。

fpga模塊1的主要功能模塊包括：

1)產(chǎn)生高頻脈沖。

fpga模塊1用于產(chǎn)生高頻脈沖，以及在啟動發(fā)送脈沖的同時需要啟動高速a/d轉(zhuǎn)換電路4進(jìn)行ad采樣。本實(shí)施例中，fpga模塊1采用了狀態(tài)機(jī)的寫法，設(shè)有st0，st1，st2，st3四個狀態(tài)。參見圖2，reset信號若有效，則初始化，狀態(tài)寄存器為st0，計(jì)數(shù)器清0，脈沖輸出為0，此時如果start＝1,則轉(zhuǎn)入st1，反之在st0循環(huán)等待start信號。st1狀態(tài)表示start信號有效，start2置1啟動ad轉(zhuǎn)換，脈沖輸出“1”并且計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)值大于等于脈寬寄存器的值count_m,則跳入st2狀態(tài),否則繼續(xù)在st1狀態(tài)循環(huán)等待。st2時脈沖輸出“0”，如果fifo已經(jīng)寫滿(wrfull＝‘1’)則跳入st3,反之繼續(xù)在st2循環(huán)等待，直到fifo寫滿。st3是一次測量完成后所處的狀態(tài)，start2置“0”，結(jié)束ad轉(zhuǎn)換。fpga模塊1采用系統(tǒng)時鐘50m，經(jīng)pll倍頻最高可達(dá)300m，可以滿足4ns左右寬度的低壓窄脈沖信號的要求。

2)ad采集邏輯時序控制。

高速a/d轉(zhuǎn)換電路4的ad高速采樣由fpga模塊1控制?？梢杂伤胊/d轉(zhuǎn)換電路4的adc芯片時序圖知其采樣周期及頻率，由其采樣頻率得到控制頻率。例如型號為ads831的adc芯片的時序圖如圖4所示，則其程序分八個步驟控制一次數(shù)據(jù)采集，故采用頻率是ad采樣頻率(clk_ad)八倍的高頻時鐘(clk)作為控制時鐘。對clk時鐘以8為周期計(jì)數(shù)。

3)fpga模塊1和dsp處理器5通訊。

fpga模塊1和dsp處理器5通訊主要有兩個任務(wù)：一是dsp處理器5把脈沖寬度和指令傳給fpga，二是dsp處理器5從fpga模塊1讀回存儲在fifo中的數(shù)據(jù)。dsp處理器5向fpga模塊1發(fā)送指令是單向的，用導(dǎo)線把其i/o口和對應(yīng)的fpga模塊1引腳連接起來便可。dsp處理器5和fpga模塊1之間的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，圖5顯示了在fpga模塊1中設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)總線bidir。數(shù)據(jù)總線有5個端口，a[7..0]是雙向端口(bidir)，連接dsp處理器5；b1連接脈寬寄存器；b2連接fifo數(shù)據(jù)輸出端；bidir_en是總線使能端，高電平有效；dir是方向選通端，dir＝'1',a端到b端,dir＝'0',b端到a端。

功率放大器2用于將fpga模塊1產(chǎn)生的4ns左右寬度的低壓窄脈沖信號進(jìn)行功率放大輸入變壓器繞組線端。fpga產(chǎn)生的脈沖信號電壓幅度只有3.3v，驅(qū)動能力滿足不了系統(tǒng)的發(fā)送要求，需要經(jīng)過功率放大器2進(jìn)行功率放大才能發(fā)送給被測繞組。

信號放大電路3用于對行波反射信號進(jìn)行放大。低壓窄脈沖信號發(fā)送待測變壓器繞組后，行波傳播過程中會發(fā)生功率衰減、波形畸變，返回波的幅度和波形可能不能滿足檢測精度的要求，所以在高速a/d轉(zhuǎn)換電路4前加一級放大，即信號放大電路3。如果回來的信號幅度比較高無需放大，可以把信號放大電路3連接成電壓跟隨器，但是信號放大電路3不能沒有，因?yàn)闆]有信號放大電路3的隔離，fpga模塊1的接收電路會影響發(fā)射脈沖的發(fā)射功率。此外，fpga模塊1的收發(fā)共用同一檢測點(diǎn)，發(fā)射脈沖的幅度在20v左右，在啟動檢測后，發(fā)射脈沖也會直接竄入接收通道。而接收電路中的信號放大電路3和高速a/d轉(zhuǎn)換電路4的額定輸入電壓都不超過5.5v，若發(fā)射和脈沖直接接入會燒毀信號放大電路3和高速a/d轉(zhuǎn)換電路4。如圖6所示，信號放大電路3包括電阻r1、電阻r2、電阻r3、電阻r4、電阻r5、電容c1、電容c2、穩(wěn)壓管d1、穩(wěn)壓管d2和運(yùn)放芯片u1，所述電阻r1的一端作為用于和變壓器繞組線端相連的行波反射信號輸入端、另一端依次通過電阻r2、電容c2和運(yùn)放芯片u1的正極輸入端相連，電容c1和電阻r1并聯(lián)連接，運(yùn)放芯片u1的負(fù)極輸入端接地，電阻r5串接在運(yùn)放芯片u1的輸出端和負(fù)極輸入端上，運(yùn)放芯片u1的輸出端串接電阻r3后和高速a/d轉(zhuǎn)換電路4的輸入端，且運(yùn)放芯片u1的輸出端依次串接電阻r3、電阻r4后接地，穩(wěn)壓管d1一端串接在電阻r1和電阻r2兩者之間、另一端接地，穩(wěn)壓管d2和穩(wěn)壓管d1并聯(lián)連接。電容c1和電阻r1的作用是提高傳輸速度，改善信號邊沿特性；穩(wěn)壓管d2和穩(wěn)壓管d1并聯(lián)來對接收模塊的最前端(電阻r1和電阻r2兩者之間)起到保護(hù)電路的功能，此外保護(hù)電路也可以根據(jù)實(shí)際功率需求采用單個穩(wěn)壓管或者采用更多穩(wěn)壓管并聯(lián)。

高速a/d轉(zhuǎn)換電路4用于對發(fā)射波形和返回波形進(jìn)行高速采樣，采樣數(shù)據(jù)存儲于fpga模塊1內(nèi)嵌fifo中。根據(jù)耐奎斯特采樣規(guī)則，對于一個有限帶寬的信號，必須用等于或高于它最高頻率2倍的速率采樣，所得的這組采樣值才能精確的描述這個原始連續(xù)信號。因此在設(shè)計(jì)高速a/d轉(zhuǎn)換電路4時，必須考慮a/d轉(zhuǎn)換時間。因?yàn)樵礁叩牟蓸勇誓艿玫皆礁叩墓收蠙z測精度，自然成本也隨之增長，而且，更高的采樣率對系統(tǒng)的時鐘及電路的制作工藝提出了更高的要求。因?yàn)楸緦?shí)施例裝置為了實(shí)現(xiàn)較高采樣率且為了降低成本(用低速的a/d轉(zhuǎn)換芯片44達(dá)到高速采樣的目的)，具體方法是用多條a/d轉(zhuǎn)換支路進(jìn)行并聯(lián)采樣同一信號，但是采樣時間上相鄰的a/d轉(zhuǎn)換支路滯后半個周期，這樣采樣率是單獨(dú)使用某一條a/d轉(zhuǎn)換支路的2倍。如圖7所示，高速a/d轉(zhuǎn)換電路4包括時鐘電路41、并轉(zhuǎn)串器件42和多條a/d轉(zhuǎn)換支路，所述a/d轉(zhuǎn)換支路包括依次串聯(lián)的采樣保持電路43和a/d轉(zhuǎn)換芯片44，所述采樣保持電路43的輸入端分別和信號放大電路3的輸出端以及時鐘電路41的時鐘信號輸出端相連，所有a/d轉(zhuǎn)換支路的a/d轉(zhuǎn)換芯片44同時與并轉(zhuǎn)串器件42的輸入端相連，所述并轉(zhuǎn)串器件42的輸出端和fpga模塊1的輸入端相連。

dsp處理器5的功能主要是掃描鍵盤并讀取輸入的數(shù)據(jù)和指令，顯示操作界面和測量結(jié)果。(1)數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)歸類、數(shù)據(jù)存貯、數(shù)值計(jì)算等。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)框圖如圖9所示。(2)軟件濾波，由于數(shù)據(jù)采集環(huán)境的影響，發(fā)射的行波信號會不同程度地受到各種噪聲的干擾。對發(fā)射波形和返回波形進(jìn)行高速采樣，采樣數(shù)據(jù)存儲于fpga模塊1內(nèi)嵌fifo中，其對采集數(shù)據(jù)應(yīng)足夠密集，并在處理數(shù)據(jù)之前，先對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以消除采樣數(shù)據(jù)帶來的隨機(jī)誤差。采樣數(shù)據(jù)的局部平滑，其實(shí)也是一種數(shù)字濾波的方法，它是通過計(jì)算機(jī)按照預(yù)先編好的程序?qū)Φ葧r間間隔中采集到的一組足夠密集的數(shù)據(jù)逐點(diǎn)進(jìn)行平滑。它按照數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)展的趨勢，根據(jù)最小二乘原理推導(dǎo)出平滑公式，對于采集的隨時間變化的信號，效果比多次觀測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值的方法好的多。

人機(jī)交互模塊6用于接收外界的指令輸入和顯示處理的結(jié)果，本實(shí)施例中人機(jī)交互模塊6具體包括一個4×4矩陣鍵盤供指令輸入和一個lcd液晶顯示器。同時，人機(jī)交互模塊6還包括一些led指示電路用于狀態(tài)指示。

通訊模塊7用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通訊，本實(shí)施例中通訊模塊7采用usb接口，通過usb通訊設(shè)計(jì)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。usb目前已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢，它為多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集提供了很大的便利，利用usb接口可以實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)方式更有效、更經(jīng)濟(jì)、點(diǎn)數(shù)更多的數(shù)據(jù)采集。usb支持3種信道速度，其中2.0的高速傳輸速率可達(dá)到480mb/s，傳輸速度快，能夠采用總線供電，不需外接電源，有4種傳輸模式(控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸、批量傳輸)以適應(yīng)不同設(shè)備的需要，使用靈活，而且通過使用hub擴(kuò)展可撥接多達(dá)127個外設(shè)，通過hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30m，易于擴(kuò)展，此外還具有低成本，低功耗，容易使用的優(yōu)點(diǎn)。

電源模塊8用于為fpga模塊1、功率放大器2、信號放大電路3、高速a/d轉(zhuǎn)換電路4、dsp處理器5、人機(jī)交互模塊6、通訊模塊7提供所需電源。

本實(shí)施例變壓器繞組匝間絕緣故障診斷裝置的控制模塊主要包括fpga模塊1和dsp處理器5，系統(tǒng)軟件主要包括fpga功能設(shè)計(jì)程序、dsp控制程序、人機(jī)交互程序三部分。如圖8所示，fpga功能設(shè)計(jì)程序包括脈沖發(fā)射和數(shù)據(jù)采集功能，dsp控制程序的數(shù)據(jù)處理主要包括濾波和數(shù)值計(jì)算，人機(jī)交互程序主要包括數(shù)據(jù)查詢和人機(jī)界面，其中人機(jī)界面用于系統(tǒng)配置、參數(shù)配置和圖形顯示。系統(tǒng)外圍設(shè)備檢測無故障后，本實(shí)施例變壓器繞組匝間絕緣故障診斷裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)入?yún)?shù)采集程序，將變壓器繞組無故障時發(fā)射脈沖的返回波形存入數(shù)據(jù)存儲器，即設(shè)為初始值，然后等待檢測。進(jìn)入測量環(huán)節(jié)后，先進(jìn)行測量數(shù)據(jù)初始化，主要是對發(fā)射信號的幅值、頻率以及采集數(shù)據(jù)的初始化。然后啟動信號發(fā)生程序發(fā)射脈沖，不斷采集數(shù)據(jù)并保存直到數(shù)據(jù)采集完畢。測量結(jié)束后，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行放大及去噪處理，dsp控制程序和上位機(jī)根據(jù)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析和判斷，得出變壓器繞組匝間是否發(fā)生故障及其故障位置等狀態(tài)參數(shù)并保存。如圖9所示，dsp處理器5的數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)讀取、采集數(shù)據(jù)、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲五大功能，數(shù)據(jù)讀取為讀取人機(jī)交互模塊6(鍵盤)的輸入，判斷是否已經(jīng)開始測量；已經(jīng)開始測量后，則執(zhí)行采集數(shù)據(jù)，讀取fpga模塊1的fifo中存儲的脈沖返回值；采集結(jié)束后，則執(zhí)行數(shù)據(jù)計(jì)算，比較發(fā)射波形及接收波形判斷是否發(fā)生故障；判斷后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)所得數(shù)據(jù)判斷故障位置；最終將執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲，將發(fā)生故障情況、發(fā)生故障位置等數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤。

綜上所述，本實(shí)施例變壓器繞組匝間故障診斷新方案，集數(shù)據(jù)采集和診斷分析軟硬件為一體，能快速進(jìn)行匝間短路故障定位，并對嚴(yán)重匝間短路故障進(jìn)行預(yù)測，提示相應(yīng)的防護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)對于變壓器的智能化維護(hù)工作，能夠解決變壓器匝間輕微故障難以檢測的問題，有利于電力檢修以及故障預(yù)防。其軟硬件系統(tǒng)的配套設(shè)計(jì)，增加了專利的實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)從行波信號注入，到接收反射波形，以及進(jìn)行后續(xù)的波形對比分析，能量值比對等一系列操作，最終輸出診斷結(jié)果。對于電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的意義。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。