CN109581268B

CN109581268B - 一种光纤电流互感器故障诊断方法及装置

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Publication number: CN109581268B
Application number: CN201811528452.1A
Authority: CN
Inventors: 刘宸; 张志鑫; 王长胜; 郭利; 王鼎; 李成钢; 余达菲; 苏阔; 李贞城; 王佳颖; 王家尊; 王利清; 靳俊杰; 司磊
Original assignee: STATE GRID JILINSHENG ELECTRIC POWER SUPPLY Co ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE; Beijing Aerospace Times Optical Electronic Technology Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co Ltd
Current assignee: STATE GRID JILINSHENG ELECTRIC POWER SUPPLY Co ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE; Beijing Aerospace Times Optical Electronic Technology Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co Ltd
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: CN109581268A

Abstract

一种光纤电流互感器故障诊断方法及装置，对光纤电流互感器原有的光路和电路结构保持不变，将互感器输出数据量‘保护通道1数据’、‘保护通道2数据’、‘计量通道数据’和状态量‘光功率计数值’、‘电压值’、‘温度值’分别进行相关数据处理，并与设定的阈值进行比较，若超出阈值范围则启动相关诊断程序，做出预警和告警提示。本发明集成化、综合化的诊断方法能够准确、实时检测互感器工作状态并对故障情况及时进行预警和报警。

Description

一种光纤电流互感器故障诊断方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光纤电流互感器故障诊断方法及装置，属于光纤电流互感器领域。

背景技术

互感器是监测电网运行状态的重要设备，变电站中测量、监控和保护控制依靠它来获得测量、计量、保护所需的电流、电压等信息。传统电磁式互感器存在电气绝缘薄弱、体积笨重、动态范围小、铁磁谐振过电压等问题，难以在大范围内保持一定的精度和线性度。随着数字化变电站智能电网的不断发展推进，光纤电流互感器凭借其区别于传统电磁式互感器的独特优势，越来越受到智能化电网建设的青睐。但目前制约光纤电流互感器进一步大规模应用的主要因素是其长期运行稳定性差、故障率高的问题，所以研究光纤电流互感器的故障诊断方法对其性能提升有重要影响。

目前，国内外对光纤电流互感器故障诊断方法的研究主要集中在基于光路改进和基于信号处理两方面。基于光路改进的方法如公开号为CN105467188A和公开号为CN107328986A的中国专利，在光纤电流互感器常规光路结构基础上额外增加光电探测器及AD采样电路，用来对整个光路的状态进行监测和诊断，这种方法不仅使光纤电流互感器整体成本增加，更加剧了系统的复杂性。基于信号处理的方法如公开号为CN107784170A的中国专利，利用Allan方差研究电流互感器的噪声分布，从而推测其故障状况，这种方法由于Allan方差难以分析动态非稳定信号从而在实际应用中不能准确识别故障和精确定位故障源头。公开号为CN108627793A的中国专利利用波形反演的方法对基于罗氏线圈原理的电子式电流互感器进行故障识别，针对互感器常见的渐变性故障诊断具有一定的局限性。

最近，利用互感器现场运行数据进行状态监控和故障诊断的方法受到了越来越多研究者的注意，例如公开号为CN106093824A的中国专利提出的互感器内部状态量监测方法和公开号为CN107885179A的中国专利所述的利用小波变换进行互感器故障诊断的方法，虽然都是基于互感器现场运行数据对其进行监测和诊断，但方法单一不能实时准确器进行故障预警和告警，且不能有效区分电网故障还是互感器自身故障。如果造成后端保护装置误动作，将会带来巨大的安全隐患和经济损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光纤电流互感器故障诊断方法及装置，对光纤电流互感器原有的光路和电路结构保持不变，将互感器输出数据量‘保护通道1数据’、‘保护通道2数据’、‘计量通道数据’和状态量‘光功率计数值’、‘电压值’、‘温度值’分别进行相关数据处理，并与设定的阈值进行比较，若超出阈值范围则启动相关诊断程序，做出预警和告警提示。本发明集成化、综合化的诊断方法能够准确、实时检测互感器工作状态并对故障情况及时进行预警和报警。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种光纤电流互感器故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤一、对电网运行数据中的温度值、电压值、光功率计数值进行判断，如果其中任一数值超过相应的阈值时，启动互感器故障告警诊断程序，否者转入步骤二；

步骤二、对电网运行数据中的计量通道数据和保护通道2数据分别进行小波变换，然后对小波变换后的数据分别进行奇异值检测获得相应奇异值；如果小波变换后的计量通道数据和保护通道2数据中瞬时电流突变量均超过相应的阈值，且，计量通道数据的奇异值和保护通道2数据的奇异值发生时刻相同，且，步骤一中所述的温度值、电压值、光功率计数值均未超过相应的阈值时，启动电网诊断程序；

基于电网运行数据中的保护通道1数据，利用动态Allan方差方法计算获得噪声分量的噪声系数，如果噪声分量的噪声系数超过相应的阈值时，启动互感器故障预警程序。

上述光纤电流互感器故障诊断方法，所述步骤一中的温度值包括采集单元温度值和传感单元温度值；所述采集单元温度值的测量点位于户内或户外空调柜中，采集单元温度值的正常阈值为-40℃～65℃，且，采集单元温度值每天的温度变化范围大于等于0.5℃且小于等于30℃；

所述传感单元温度值的测量点位于户外一次高压侧，传感单元温度值的正常阈值为-60℃～70℃，且，传感单元温度值每天的温度变化范围大于等于0.5℃且小于等于30℃。

上述光纤电流互感器故障诊断方法，所述步骤一中的电压值包括SLD光源的驱动电压值和电路板供电值；所述SLD光源的驱动电压值的正常阈值为2V～3V；所述电路板供电值的正常阈值为4V～6V。

上述光纤电流互感器故障诊断方法，所述步骤一中光功率计数值的正常阈值为探测器接收到的有效光功率占总光功率的40％～100％。

上述光纤电流互感器故障诊断方法，所述步骤二中的噪声分量包括量化噪声分量、角度随机游走噪声分量、零偏不稳定性噪声分量、角速率随机游走噪声分量、速率斜坡噪声分量和正弦噪声分量；如果其中任一噪声分量的噪声系数超过相应的阈值时，启动互感器故障预警诊断程序。

一种光纤电流互感器故障诊断装置，包括第一诊断模块、第二诊断模块、第三诊断模块；

所述第一诊断模块对电网运行数据中的温度值、电压值、光功率计数值进行判断，如果其中任一数值超过相应的阈值时，启动互感器故障告警诊断程序；

所述第二诊断模块对电网运行数据中的计量通道数据和保护通道2数据分别进行小波变换，然后对小波变换后的数据分别进行奇异值检测获得相应奇异值；如果小波变换后的计量通道数据和保护通道2数据中瞬时电流突变量均超过相应的阈值，且，计量通道数据的奇异值和保护通道2数据的奇异值发生时刻相同，且，第一诊断模块中所述的温度值、电压值、光功率计数值均未超过相应的阈值时，启动电网诊断程序；

所述第三诊断模块基于电网运行数据中的保护通道1数据，利用动态Allan方差方法计算获得噪声分量的噪声系数，如果噪声分量的噪声系数超过相应的阈值时，启动互感器故障预警诊断程序。

上述光纤电流互感器故障诊断装置，所述第一诊断模块中的温度值包括采集单元温度值和传感单元温度值；所述采集单元温度值的测量点位于户内或户外空调柜中，采集单元温度值的正常阈值为-40℃～65℃，且，采集单元温度值每天的温度变化范围大于等于0.5℃且小于等于30℃；

上述光纤电流互感器故障诊断装置，所述第一诊断模块中的电压值包括SLD光源的驱动电压值和电路板供电值；所述SLD光源的驱动电压值的正常阈值为2V～3V；所述电路板供电值的正常阈值为4V～6V。

上述光纤电流互感器故障诊断装置，所述第一诊断模块中光功率计数值的正常阈值为接收到的有效光功率占总光功率的40％～100％。

上述光纤电流互感器故障诊断装置，所述第二诊断模块中的噪声分量包括量化噪声分量、角度随机游走噪声分量、零偏不稳定性噪声分量、角速率随机游走噪声分量、速率斜坡噪声分量和正弦噪声分量；如果其中任一噪声分量的噪声系数超过相应的阈值时，启动互感器故障预警诊断程序。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明克服了现有光纤电流互感器故障识别精细度不高、诊断方法单一的问题。将光纤电流互感器现场运行数据中的数据量和状态量分别进行分析，可以实现对其不同故障类型即温度传感器故障、电路故障、光路故障的的定位；

(2)本发明可以在不增加光路和电路结构复杂性的基础上，利用光纤电流互感器现场实时运行数据进行分析能够更方便、快捷的实现光纤电流互感器的故障自诊断；

(3)本发明充分利用小波变换的方法优势，准确提取电网故障时信号突变的故障特征，能够识别和区分电网故障和光纤电流互感器自身故障；

(4)本发明不仅可以实现不同类型的故障定位，同时利用动态Allan方差(DAVAR)分析的优势，在光纤电流互感器性能发生劣变的时候及时做到故障预警。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例的步骤流程图；

图3为本发明实施例小波变换算法进行故障诊断的流程图；

图4为本发明实施例利用动态Allan方差分析样本数据结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种光纤电流互感器故障诊断方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤101、对电网运行数据中的温度值、电压值、光功率计数值进行判断，如果其中任一数值超过相应的阈值时，启动互感器故障告警诊断程序，否者转入步骤二。

所述步骤一中的温度值包括采集单元温度值和传感单元温度值；所述采集单元温度值的测量点位于户内或户外空调柜中，采集单元温度值的正常阈值为-40℃～65℃，且，采集单元温度值每天的温度变化范围大于等于0.5℃且小于等于30℃；所述传感单元温度值的测量点位于户外一次高压侧，传感单元温度值的正常阈值为-60℃～70℃，且，传感单元温度值每天的温度变化范围大于等于0.5℃且小于等于30℃。所述步骤一中的电压值包括SLD光源的驱动电压值和电路板供电值；所述SLD光源的驱动电压值的正常阈值为2V～3V；所述电路板供电值的正常阈值为4V～6V。所述步骤一中光功率计数值的正常阈值为接收到的有效光功率占总光功率的40％～100％。

步骤102、对电网运行数据中的计量通道数据和保护通道2数据分别进行小波变换，然后对小波变换后的数据分别进行奇异值检测获得相应奇异值；如果小波变换后的计量通道数据和保护通道2数据中瞬时电流突变量均超过相应的阈值，且，计量通道数据的奇异值和保护通道2数据的奇异值发生时刻相同，且，步骤101中所述的温度值、电压值、光功率计数值均未超过相应的阈值时，启动电网诊断程序；

基于电网运行数据中的保护通道1数据，利用动态Allan方差方法计算获得噪声分量的噪声系数，所述噪声分量包括量化噪声分量、角度随机游走噪声分量、零偏不稳定性噪声分量、角速率随机游走噪声分量、速率斜坡噪声分量和正弦噪声分量；如果其中任一噪声分量的噪声系数超过相应的阈值时，启动互感器故障预警诊断程序。

所述第一诊断模块对电网运行数据中的温度值、电压值、光功率计数值进行判断，如果其中任一数值超过相应的阈值时，启动电网诊断程序。第一诊断模块中的温度值包括采集单元温度值和传感单元温度值；所述采集单元温度值的测量点位于户内或户外空调柜中，采集单元温度值的正常阈值为-40℃～65℃，且，采集单元温度值每天的温度变化范围大于等于0.5℃且小于等于30℃；所述传感单元温度值的测量点位于户外一次高压侧，传感单元温度值的正常阈值为-60℃～70℃，且，传感单元温度值每天的温度变化范围大于等于0.5℃且小于等于30℃。第一诊断模块中的电压值包括SLD光源的驱动电压值和电路板供电值；所述SLD光源的驱动电压值的正常阈值为2V～3V；所述电路板供电值的正常阈值为4V～6V。第一诊断模块中光功率计数值的正常阈值为接收到的有效光功率占总光功率的40％～100％。

第二诊断模块中的噪声分量包括量化噪声分量、角度随机游走噪声分量、零偏不稳定性噪声分量、角速率随机游走噪声分量、速率斜坡噪声分量和正弦噪声分量；如果其中任一噪声分量的噪声系数超过相应的阈值时，启动互感器故障预警诊断程序。

实施例：

本发明的一种基于现场运行数据分析的光纤电流互感器故障诊断方法，如图2所示，详细说明如下：

在本实施例中，状态量‘温度值’默认为4个字节，前两个字节表示二次采集器温度数据，后两个字节表示一次传感器温度数据。所构建的故障诊断方法，具体如下：

由于一般输出的为十六进制数据，先对‘温度值’进行数据处理，将每次采集获得的温度数据分别转化为十进制的温度值T₁和T₂。

设定温度判断阈值范围分别为集合

和

(1)如果

或

则直接启动诊断程序，显示温度传感器故障；

将每24小时内的温度变化差，即温度最大值T_1max、T_2max与最小值T_1min、T_2min之差记作△T₁和△T₂，

△T₁＝T_1max-T_1min

△T₂＝T_2max-T_2min

设定温度最小变化量和最大变化量阈值分别为t_max和t_min，

(2)如果△T₁>t_max或△T₁<t_min或△T₂<t_min或△T₂>t_max，则直接启动诊断程序，显示温度传感器故障。

(3)如果上述条件(1)不成立，即温度数值在设定阈值范围内，但条件(2)中有任一成立，即温度变化不满足设定上限或下限，则同样直接启动诊断程序，显示温度传感器故障。

(4)以上(1)、(2)、(3)如果都不成立，则重新返回进行下一次温度数据处理和阈值判定，直到启动故障报警程序。

在本实施例中，状态量‘电压值’默认也为4个字节，前两个字节表示电路板供电电压数据，后两个字节表示SLD光源驱动电压数据。所构建的故障诊断方法，具体如下：

由于一般输出的为十六进制数据，先对‘电压值’进行数据处理，将每次采集获得的电压数据分别转化为十进制的电压值V₁和V₂。

设定电压判断阈值范围分别为集合{ψ₁}和{ψ₂}，

(1)如果

或

则直接启动诊断程序，显示电路故障；

(2)如果上述条件不成立，则判断电路正常，返回进行下一次电压数据处理和阈值判定，直到启动故障报警程序。

在本实施例中，状态量‘光功率计数值’默认为2个字节，表示的是探测器可接收到的有效干涉光强比例，所构建的故障诊断方法，具体如下：

由于一般输出的为十六进制数据，先对‘光功率计数值’进行数据处理，将每次采集获得的光功率计数数据转化为十进制的光功率计数值p。

设定光功率计数值判断阈值范围为集合{P}，

(1)如果

则直接启动诊断程序，显示光路故障；

(2)如果上述条件不成立，则判断光路正常，返回进行下一次光功率计数数据处理和阈值判定，直到启动故障报警程序。

在本实施例中，数据量‘保护通道2数据’和‘计量通道数据’默认都为4个字节，表示光纤电流互感器输出的一次电流值数字信号，分别记为S_b2(t),S_j(t)。所构建的基于小波变换的故障诊断方法，如图3所示，具体如下：

(1)小波变换

将信号S_b2(t)进行db4小波变换，得到小波变换后的逼近系数矩阵Wa_b2和细节系数矩阵Wd_b2；

将信号S_j(t)进行db4小波变换，得到小波变换后的逼近系数矩阵Wa_j和细节系数矩阵Wd_j。

(2)模极大值与阈值比较

小波变换数据窗设定为n，则第m组细节系数中的第k个小波变换细节系数为Wd_b2m[k]、Wd_jm[k’]，其中k,k’∈[1,n]

如果满足|Wd_b2m[k]|≠0，|Wd_jm[k’]|≠0，则k和k’点处为模极大值点，此值Wd_b2m[k]、Wd_jm[k’]为模极大值。

将得到的模极大值与设定的阈值△W_db2和△W_dj比较，如果满足

Wd_b2m[k]>△W_db2

Wd_jm[k’]>△W_dj

其中，△W_db2＝1.5*max|Wd_b2m[k]|,

△W_dj＝1.5*max|Wd_jm[k’]|；

(3)比较模极大值对应时刻

对比这两路数据进行小波变换后对应的模极大值是否发生在同一时刻，即取得模极大值的Wd_b2m[k]、Wd_jm[k’]分别对应时刻T1和T2，如果T1＝T2，则验证了该点即为信号奇异点，同时记录下该奇异点时刻。

(4)如果上述条件(1)和(2)同时满足，且此时状态量’光功率计数值‘没有启动光路故障告警，即返回的结果是正常，那该两路数据量启动电网故障报警程序。

(5)如果上述条件(1)和(2)有一个不满足，则返回重新进行小波变换和条件判断，直到启动故障报警程序。

为满足该项故障诊断功能要求需要具备：电网与光纤电流互感器不同时发生故障，即假设电网故障和互感器故障是相互独立的事件。

在本实施例中，数据量‘保护通道1数据’为4个字节，表示光纤电流互感器输出一次侧电流值信号。所构建的基于动态Allan方差(DAVAR)的故障诊断模型，如图4所示，具体如下：

Allan方差法是测量和评价光纤电流互感器各类误差和噪声特性的一种重要手段，但其主要适用于对平稳信号进行分析，即可计算得到特定时间内的一组噪声系数。但是，光纤电流互感器由于长期受到变电站复杂电磁环境、振动和温湿度等影响，实际的误差信号则包含了很多的非稳定性特征。动态Allan方差(DAVAR)法是Allan方差法的扩展和完善，其本质是分别计算信号在不同时段内的Allan方差，更准确的反映信号的各噪声分量在整个时域内的动态变化特征。

Allan方差法可以在时域上对光纤电流互感器数据频域稳定性进行计算，并在logτ-logσ_τ双对数坐标图上利用曲线斜率来辨识各项随机误差的模型即参数。Allan方差可以写为：

其中，Q为量化噪声系数；N为角度随机游走噪声系数；B为偏值不稳定性噪声系数；K为速率随机游走噪声系数；R为速率斜坡噪声系数。以上每种类型的噪声误差在Allan方差-相关时间双对数图上对应不同的斜率，分别为-1，-0.5，0，0.5，1。

用最小二乘法进行曲线拟合，可以得到以上各噪声项的噪声系数如下：

Allan方差具体的计算步骤如下：

(1)获取电流数据。以固定的采样频率f对光纤电流互感器的输出数据量‘保护通道1数据’进行采集，共采样L个点，得到长度为L的电流样本集合[ω₁，ω₂，...，ω_L]；

(2)生成独立数组。将上述电流样本集合中每m(m＝1,2，...，M，M<L/2)个电流数据分成一组，得到J个独立数组，J＝[L/m]，[]表示向下取整；

(3)平均电流数据。对每组原始数据取平均值，即求群平均aver(ω(m))，得到元素为群平均的随机变量集合：

式中，k＝1,2,…J

(4)计算方差。定义每个数组的持续时间τ_m＝mTs为相关时间，Allan方差可按下式计算：

选取不同的τ，可以得到不同噪声的分布。

动态Allan方差法(DAVAR)通过设定时间t和观察间隔τ，反复计算Allan方差，把获得的全部Allan方差集合在一起进行分析，就能得到信号的各噪声分量随时间变化的统计特性。

求取DAVAR的具体步骤如下：

(1)随机选择一个分析时间点t₁，即得t＝t₁；

(2)用中心点为t₁、长度为W的窗函数截断随机信号x(t)；

(3)计算Allan方差

(4)选择另一分析时间点t₂，即得t＝t₂。同时需要满足该时间点的窗函数截断数据应与前一时间点t₁截断数据交叠，然后重复步骤(2)；

(5)得到Allan方差的集合

对应不同的分析时间点t_k和不同的观测间隔τ，表征了随机信号x(t)实时测量的稳定性。

(6)利用得到的分别求得在每次统计时间周期t_m内各个噪声系数的最大值Q_mmax、N_mmax、B_mmax、K_mmax、R_mmax；

(7)将上面每次得到的噪声系数最大值分别与各自设定的对应阈值△Q_m、△N_m、△B_m、△K_m和△R_m进行比较，如果有其中任意两项或以上同时超出阈值，则启动故障预警程序，显示‘注意检修’。

本发明采用动态Allan方差和小波变换相结合的方法对光纤电流互感器的输出数据进行分析，充分利用动态Allan方差和小波变换优秀的时频分析特点，能够有效的识别故障特征，做出预警和报警指示。

本发明采用对光纤电流互感器输出数据中的状态量进行分析，通过设定合理的判别条件，能够准确判定和识别‘光路故障告警’、‘电路故障告警’和‘温度传感器故障告警’。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种光纤电流互感器故障诊断方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种光纤电流互感器故障诊断方法，其特征在于：所述步骤一中的温度值包括采集单元温度值和传感单元温度值；所述采集单元温度值的测量点位于户内或户外空调柜中，采集单元温度值的正常阈值为-40℃～65℃，且，采集单元温度值每天的温度变化范围大于等于0.5℃且小于等于30℃；

3.根据权利要求1所述的一种光纤电流互感器故障诊断方法，其特征在于：所述步骤一中的电压值包括SLD光源的驱动电压值和电路板供电值；所述SLD光源的驱动电压值的正常阈值为2V～3V；所述电路板供电值的正常阈值为4V～6V。

4.根据权利要求1所述的一种光纤电流互感器故障诊断方法，其特征在于：所述步骤一中光功率计数值的正常阈值为探测器接收到的有效光功率占总光功率的40％～100％。

5.根据权利要求1所述的一种光纤电流互感器故障诊断方法，其特征在于：所述步骤二中的噪声分量包括量化噪声分量、角度随机游走噪声分量、零偏不稳定性噪声分量、角速率随机游走噪声分量、速率斜坡噪声分量和正弦噪声分量；如果其中任一噪声分量的噪声系数超过相应的阈值时，启动互感器故障预警诊断程序。

6.一种光纤电流互感器故障诊断装置，其特征在于：包括第一诊断模块、第二诊断模块、第三诊断模块；

7.根据权利要求6所述的一种光纤电流互感器故障诊断装置，其特征在于：所述第一诊断模块中的温度值包括采集单元温度值和传感单元温度值；所述采集单元温度值的测量点位于户内或户外空调柜中，采集单元温度值的正常阈值为-40℃～65℃，且，采集单元温度值每天的温度变化范围大于等于0.5℃且小于等于30℃；

8.根据权利要求6所述的一种光纤电流互感器故障诊断装置，其特征在于：所述第一诊断模块中的电压值包括SLD光源的驱动电压值和电路板供电值；所述SLD光源的驱动电压值的正常阈值为2V～3V；所述电路板供电值的正常阈值为4V～6V。

9.根据权利要求6所述的一种光纤电流互感器故障诊断装置，其特征在于：所述第一诊断模块中光功率计数值的正常阈值为接收到的有效光功率占总光功率的40％～100％。

10.根据权利要求6所述的一种光纤电流互感器故障诊断装置，其特征在于：所述第三诊断模块中的噪声分量包括量化噪声分量、角度随机游走噪声分量、零偏不稳定性噪声分量、角速率随机游走噪声分量、速率斜坡噪声分量和正弦噪声分量；如果其中任一噪声分量的噪声系数超过相应的阈值时，启动互感器故障预警诊断程序。