一种变压器油荧光信号多元校正采集分析装置及方法

1.本发明属于变压器故障诊断技术领域，涉及一种变压器油荧光信号多元校正采集分析装置及方法。


背景技术：

2.变压器作为电能生产和配送过程中能量转换的核心，数量巨大，影响广泛，其运行状态直接影响电力系统的安全可靠运行，变压器一旦发生事故，不仅损坏昂贵(单台变压器价格高达5000万元)的电气设备，还会造成大面积的停电，甚至造成人员伤亡，环境污染，经济和社会损失巨大，因此对变压器运行状态的监控变得尤为重要。
3.变压器油是指用于变压器、电抗器、互感器、套管、油开关等充油电气设备中，起绝缘、冷却、灭弧作用的一类绝缘油品。变压器油是石油的一种分馏产物，它的主要成分是烷烃、环烷族饱和烃、芳香族不饱和烃和非烃化合物。变压器油在紫外线或x射线照射下可发出荧光。所谓的荧光是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线或x射线)照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光(通常波长在可见光波段)；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失，具有这种性质的出射光就被称之为荧光。
4.变压器运行状态荧光检测技术(fms)通过荧光检测装置分析变压器油的本身光学信号的变化，从而达到对变压器进行监控的目的；例如，申请公布日为2021年07月13日、申请公布号为cn113109682a的中国发明专利文献《一种变压器油荧光在线检测装置》，公布了的变压器油荧光在线检测装置具有灵敏度高，分析时间短、不受周围环境磁场和电场干扰、稳定性和重现性好等特点，可以实现变压器运行状态下的在线故障检测需求。
5.现有技术直接采用荧光光谱仪对变压器油产生的荧光光谱信号进行采集分析，荧光光谱仪采用发射单色仪、探测器进行荧光光谱信号的采集，然后再经过后台软件算法对采集的信号进行分析处理；然而荧光光谱仪的结构复杂，存在体积大、笨重的缺点，现场操作空间有限，携带体积大、重量重的设备，十分不方便，而且造价不菲。


技术实现要素：

6.本发明的所要解决的技术问题在于如何设计一种变压器油荧光信号多元校正采集分析装置及方法，以解决现有技术采用荧光光谱仪对变压器油产生的荧光光谱信号进行采集分析时存在的体积和重量大、造价高、使用不方便的问题。
7.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
8.一种变压器油荧光信号多元校正采集分析装置，包括：荧光信号采集分析暗室(140)、荧光探测器(141)、滤光片轮(142)、多元校正滤光片组(143)、光纤头(145)、光纤接口(146)；所述的荧光探测器(141)、滤光片轮(142)均设置在荧光信号采集分析暗室(140)内部；所述的多元校正滤光片组(143)由一对配合使用的正多元校正滤光片和负多元校正滤光片组合而成，多元校正滤光片组(143)安装在滤光片轮(142)上，所述的滤光片轮(142)
可旋转地设置在荧光探测器(141)与光纤头(145)之间；所述的光纤头(145)设置在荧光信号采集分析暗室(140)内部侧壁上，所述的光纤接口(146)设置在荧光信号采集分析暗室(140)外部的侧壁上，所述的光纤头(145)与光纤接口(146)配合连接；所述的荧光探测器(141)用于接收变压器油发射的荧光信号并记录荧光总强度值，所述的多元校正滤光片组(143)用于对变压器油发射的荧光信号进行采集分析；使用时，将正多元校正滤光片或负多元校正滤光片旋转到位，使得光纤头(145)、正多元校正滤光片或负多元校正滤光片以及荧光探测器(141)的接收镜头的中心线在一条直线上，变压器油发射的荧光依次通过光纤接口(146)、光纤头(145)、正多元校正滤光片或负多元校正滤光片以及荧光探测器(141)的接收镜头；
9.所述的多元校正滤光片组(143)的设计方法包括以下步骤：
10.s1、采用多元回归校正方法计算变压器油荧光光谱与芳香烃化合物浓度之间的映射关系，获得多元回归校正系数；
11.s2、将步骤s1中所述的多元回归校正系数硬件化，具体如下：
12.s21、将多元回归校正系数向量标准化后的正、负系数作为滤光片的透过率；
13.s22、根据透过率设计正多元校正滤光片和负多元校正滤光片的膜系结构。
14.本发明采用多元校正滤光片组用于对变压器油发射的荧光信号进行采集分析，代替了荧光光谱仪的发射单色仪部件，不仅降低了设备成本、缩小了设备体积，而且数据处理快速，提升了变压器油故障检测的性价比。
15.进一步地，步骤s1中所述的映射关系具体如下：
16.变压器油荧光光谱和芳香烃化合物浓度直接相关，采用多元线性回归计算芳香烃化合物浓度的计算公式：
17.c＝a1s1+a2s2+
…
+ansn+b
18.其中，c为芳香烃浓度，a1～an为第1～n个波段得到荧光光谱的多元回归校正系数，s1～sn为第1～n个波段的荧光光谱，b为偏置系数；
19.芳香烃化合物浓度的多元线性回归校正计算公式的向量形式为：
20.c＝
·
a+b
21.其中，a＝(a1，a2…an
)，a为回归校正系数向量；s＝(s1，s2…
sn)
t
，s为荧光光谱向量。
22.进一步地，步骤s21中所述的透过率的计算过程如下：
23.定义半系数和和和分别为ai的正数部分和负数部分，即：
[0024][0025]
找到半系数的最大值：
[0026][0027]
由此，获得正、负滤光片的透过率分别为：
[0028]
t
i+
＝a
i+
/m；t
i-＝a
i-/m
[0029]
其中，i＝1,2
…
n，n为自然数，ai为回归校正系数向量a的第i个元素。
[0030]
进一步地，步骤s22中所述的膜系结构设计的流程为：将透过率向量t按正负值分成两部分，形成正值向量a和负值向量b，将负值向量b取绝对值得到向量b2分别以向量a和
向量b2为目标优化设计正滤光片和负滤光片；首先分别选择滤光片初始膜系结构，接着改变各个膜层厚度，并判断滤光片透过率与向量a以及向量b2的相似性是否达到阈值，如果是则正滤光片和负滤光片设计完成；如果否判断迭代是否达到预定的次数，如果迭代未达到预定的次数，则继续变各个膜层厚度；如果迭代已达到预定的次数，则增加膜系层数后重新选择滤光片初始膜系结构。
[0031]
进一步地，所述的变压器油荧光信号多元校正采集分析装置还包括：荧光探测器安装支架(147)，所述的荧光探测器安装支架(147)设置在荧光信号采集分析暗室(140)的内部底板上，所述的荧光探测器(141)固定安装在荧光探测器安装支架(147)上；所述的荧光探测器安装支架(147)上开设有与荧光探测器(141)的接收镜头相配合的通孔，荧光探测器(141)的接收镜头与通孔对齐。
[0032]
进一步地，所述的变压器油荧光信号多元校正采集分析装置还包括：滤光片轮驱动电机(144)以及滤光片轮驱动电机安装支架(148)；所述的滤光片轮驱动电机(144)固定安装在滤光片轮驱动电机安装支架(148)上，滤光片轮驱动电机安装支架(148)设置在荧光信号采集分析暗室(140)的内部底板上，滤光片轮(142)套在滤光片轮驱动电机(144)的旋转轴上，滤光片轮驱动电机(144)带动滤光片轮(142)旋转。
[0033]
进一步地，所述的荧光信号采集分析暗室(140)的内壁上涂有吸光涂料。
[0034]
本发明的优点在于：
[0035]
本发明采用多元校正滤光片组用于对变压器油发射的荧光信号进行采集分析，代替了荧光光谱仪的发射单色仪部件，不仅降低了设备成本、缩小了设备体积，而且数据处理快速，提升了变压器油故障检测的性价比。
附图说明
[0036]
图1是本发明实施例的变压器油荧光信号多元校正采集分析装置的主视图；
[0037]
图2是本发明实施例的变压器油荧光信号多元校正采集分析装置的前视图；
[0038]
图3是本发明实施例的变压器油荧光信号多元校正采集分析装置的后视图；
[0039]
图4是本发明实施例的变压器油荧光信号多元校正采集分析装置的左视图；
[0040]
图5是本发明实施例的变压器油荧光信号多元校正采集分析装置的右视图；
[0041]
图6是本发明实施例的变压器油荧光信号多元校正采集分析装置的俯视图；
[0042]
图7是本发明实施例的滤光片轮的结构示意图；
[0043]
图8是本发明实施例的多元校正滤光片的透过率计算原理示意图；
[0044]
图9是本发明实施例的多元校正滤光片的膜系结构的设计流程图。
具体实施方式
[0045]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
[0047]
实施例一
[0048]
如图1至图6所示，本实施例的变压器油荧光信号采集分析装置包括：荧光信号采集分析暗室(140)、荧光探测器(141)、滤光片轮(142)、多元校正滤光片组(143)、滤光片轮驱动电机(144)、光纤头(145)、光纤接口(146)、荧光探测器安装支架(147)、滤光片轮驱动电机安装支架(148)。
[0049]
所述的荧光探测器(141)固定安装在荧光探测器安装支架(147)上，荧光探测器安装支架(147)设置在荧光信号采集分析暗室(140)内部的底板上，荧光探测器安装支架(147)上开设有与荧光探测器(141)的接收镜头相配合的通孔，荧光探测器(141)的接收镜头与通孔对齐；所述的荧光信号采集分析暗室(140)的内壁上涂有吸光涂料，避免外部干扰环境光进入，消除内部多次反射光影响。
[0050]
所述的滤光片轮驱动电机(144)固定安装在滤光片轮驱动电机安装支架(148)上，滤光片轮驱动电机安装支架(148)设置在荧光信号采集分析暗室(140)内部的底板上，所述的滤光片轮(142)设置在荧光探测器(141)与滤光片轮驱动电机(144)之间，滤光片轮(142)套在滤光片轮驱动电机(144)的旋转轴上，滤光片轮驱动电机(144)带动滤光片轮(142)旋转。
[0051]
所述的光纤头(145)固定设置在荧光信号采集分析暗室(140)内部右端的侧壁上，所述的光纤接口(146)固定设置在荧光信号采集分析暗室(140)外部右端的侧壁上，所述的光纤头(145)与光纤接口(146)配合连接。
[0052]
如图7所示，所述的滤光片轮(142)为圆盘状的，滤光片轮(142)的边缘安装有多个不同波长的多元校正滤光片组(143)。所述的光纤头(145)、多元校正滤光片组(143)、荧光探测器安装支架(147)上开设的通孔以及荧光探测器(141)的接收镜头的中心线在一条直线上。
[0053]
装置的工作流程如下：
[0054]
滤光片轮驱动电机(144)带动滤光片轮(142)旋转，切换相应波长的多元校正滤光片组(143)与荧光探测器(141)的接收镜头对齐，变压器油发射的荧光依次通过光纤接口(146)、光纤头(145)、多元校正滤光片组(143)、荧光探测器安装支架(147)上开设的通孔以及荧光探测器(141)的接收镜头；所述的多元校正滤光片组(143)用于对变压器油发射的荧光进行采集分析处理；所述的荧光探测器(141)采用光电倍增管，用于接收变压器油发射的荧光并记录荧光总强度值。
[0055]
所述的多元校正滤光片组(143)的设计方法如下：
[0056]
多元校正滤光片的设计原理是将计算芳香烃化合物浓度的多元线性回归校正系数向量进行硬件化，通过设计正、负两部分校正滤光片实现多元校正系数硬件化。
[0057]
变压器油荧光光谱和芳香烃化合物浓度直接相关，采用多元线性回归计算芳香烃化合物浓度的计算公式：
[0058]
c＝a1s1+a2s2+
…
+ansn+b
[0059]
其中，c为芳香烃浓度，a1～an为第1～n个波段得到荧光光谱的回归校正系数，s1～sn为第1～n个波段的荧光光谱，b为偏置系数；
[0060]
芳香烃化合物浓度的多元线性回归校正计算公式的向量形式为：
[0061]
c＝s
·
a+b
[0062]
其中，a＝(a1，a2…an
)，a为回归校正系数向量；s＝(s1，s2…
sn)
t
，s为荧光光谱向
量。
[0063]
如图8所示，将回归校正系数向量a的正、负部分制作成两个校正滤光片，即回归校正系数向量a标准化后的正、负系数作为滤光片的透过率。
[0064]
定义半系数和和和分别为ai的正数部分和负数部分，即：
[0065][0066]
找到半系数的最大值：
[0067][0068]
由此，获得正、负滤光片的透过率分别为：
[0069]
t
i+
＝a
i+
/m；t
i-＝a
i-/m
[0070]
假设当前检测目标荧光光谱为si，则探测器接收到的能量表示为：
[0071]
p
+
＝si·
t
+
；p-＝si·
t-[0072]
分别测量p
+
和p-，最终芳香烃浓度c计算如下：
[0073]
c＝c
+-c-+b＝(p
+-p-)m+b
[0074]
其中，c
+
＝(p
+
)m；c-＝(p-)m；i＝1,2
…
n，n为自然数，ai为回归校正系数向量a的第i个元素，t
i+
为向量t
+
的第i个元素，t
i-为向量t-的第i个元素。
[0075]
如图9所示，膜系结构设计的流程为：将透过率向量t按正负值分成两部分，形成正值向量a和负值向量b，将负值向量b取绝对值得到向量b2分别以向量a和向量b2为目标优化设计正滤光片和负滤光片；首先分别选择滤光片初始膜系结构，接着改变各个膜层厚度，并判断滤光片透过率与向量a以及向量b2的相似性是否达到阈值，如果是则正滤光片和负滤光片设计完成；如果否判断迭代是否达到预定的次数，如果迭代未达到预定的次数，则继续变各个膜层厚度；如果迭代已达到预定的次数，则增加膜系层数后重新选择滤光片初始膜系结构。
[0076]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。