基于分数Poynting–Thomson模型和灰色熵权的变压器油纸绝缘状态评估方法

本发明涉及变压器油纸绝缘状态评估领域，具体涉及一种基于分数poynting–thomson模型和灰色熵权的变压器油纸绝缘状态评估方法。

背景技术：

1、电力变压器是配合发电机组进行能量交换和能量传输的重要输变电设备，其安全稳定运行是保障大电网可靠供电的基础。油浸式变压器是典型的油纸绝缘设备，其内部主绝缘是由绝缘纸、绝缘纸板和绝缘油组成的复合绝缘结构。由于长时间运行在复杂的环境下，温度、水分、机械应力、化学腐蚀等因素会导致变压器主绝缘的绝缘性能下降，容易引发绝缘故障。因此，迅速准确的评估油纸绝缘的老化状态，进而制定合理的运维检修策略，能够有效延长电力设备的使用寿命、降低故障发生率。

2、灰色系统理论是一种适用于研究少数据、贫信息不确定性问题的新方法。电力变压器在长期运行过程中，容易受到水分、老化、温度等多种不确定因素的影响，因此其内部油纸绝缘系统可视为一个典型的灰色系统。

3、传统的油纸绝缘状态的评估方法往往是采用单个评价指标，如化学评价指标和电学评价指标对变压器油纸绝缘状态进行判别，但单一老化评价指标的评估方法往往无法真实反映变压器油纸内部绝缘老化情况。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于分数poynting–thomson模型和灰色熵权的变压器油纸绝缘状态评估方法，该方法选取分数poynting–thomson模型参数辨识后的老化特征参量α、β、εa、τ与介电特征参量adp、δadp作为电学评价指标；选取绝缘油的酸值av作为化学评价指标，应用改进灰色关联法，实现了基于多个评价指标对变压器油纸系统的绝缘状态准确评估。

2、本发明采取的技术方案为：

3、基于分数poynting–thomson模型和灰色熵权的变压器油纸绝缘状态评估方法，包括以下步骤：

4、步骤1：制备不同老化、受潮程度的多组绝缘油纸试样，对制备的绝缘油纸试样进行fds测量，并测量绝缘纸板聚合度dp值和绝缘油的酸值av；

5、步骤2：提取分数poynting–thomson模型中的特征参数α、β、εa、τ来作为表征变压器的老化特征参数，基于测量得到的介电模量频谱提出了介电特征参量adp、δadp作为表征变压器的介电老化特征参数；

6、步骤3：根据变压器油浸纸预期dpv的判断标准，将3种受潮评价等级与3种老化评价等级对绝缘油纸的绝缘状态进行组合划分，得到x1～x9共计9种变压器油纸绝缘状态；

7、步骤4：将步骤1～步骤3中测量和计算绝缘油纸的老化特征参数，建立比较序列和参考序列；

8、步骤5：消除单位、数量级对灰色关联分析的影响，采用均值化算子对各参考序列进行无量纲化处理，并计算差向量；

9、步骤6：计算得到绝缘油纸的熵权—灰色关联度ri，基于评价指标对被测绝缘油纸试样的影响程度，将r1～r7从大到小进行排序，得出绝缘油纸的绝缘状态评估结果。

10、所述步骤1包括以下步骤：

11、s1.1：首先，制备各组不同老化、受潮程度油纸绝缘试样：

12、将绝缘油纸试样放置在130℃下进行加速热老化处理，制备不同绝缘油纸老化试样；

13、s1.2：分别在进行热老化0天、21天、42天时各取出一组绝缘油纸老化试样，为了制备不同受潮程度的油纸绝缘样品，将其放置于室温下进行自然受潮，使用高精度电子称对单张绝缘油纸进行称重至目标含水量：1％、2％、4％；

14、s1.3：使用idax–300在30℃下进行fds测量，测量电压设置为140v，测量频率为0.1mhz～1khz，取3次fds测量结果的平均值，作为最终测量结果；

15、s1.4：在fds测量完成后，再测量绝缘纸板聚合度dp值和绝缘油的酸值av。

16、所述步骤2中，采用加权最小二乘法，对分数poynting–thomson模型进行参数拟合，目标约束函数为：

17、

18、式中：r为优化目标；m′fi和m″fi分别为第i个测量频率下复介电模量实部、虚部拟合值；m′mi和m″mi分别为第i个测量频率下复介电模量实部、虚部的测量值；

19、i表示的含义为第i次频率测量点，23为在绝缘油纸频域介电测量时共测量了23个频率点，测量频域范围为(10-4～103hz)。

20、经参数拟合后，得到α、β、εa、τ与绝缘纸板聚合度dp值存在拟合度较高的函数关系，故选取α、β、εa、τ为评估油纸绝缘的老化特征参数。

21、所述步骤2中，在对油纸绝缘进行频域介电测量时得到的是频域介电谱，测量得到的是介电常数(ε*)，介电常数和介电模量(m*(ω))之间的转化公式为：

22、

23、将实测得到的每个频率点介电常数转化为介电模量形式，能够得到介电模量频谱。

24、介电特征参量adp、δadp，计算公式如下所示：

25、

26、

27、表示在103hz频率点的介电模量实部；表示在10-4hz频率点的介电模量实部。

28、介电特征参量adp、δadp与绝缘纸板聚合度dp也存在拟合度较高的函数关系，故介电特征参量adp、δadp也能够表征油纸绝缘的老化状态。

29、所述步骤3中，在dl/t 984–2018《油浸式变压器绝缘老化判断导则》中对矿物油变压器绝缘油纸的聚合进行了规定，划定了三个等级分别为500,250,150,诊断变压器状态：绝缘油纸聚合度dpv大于500时，油纸绝缘状态良好，当绝缘油纸聚合度dpv处于250和150之间时，油纸绝缘状态较差，需要引起注意。当绝缘油纸聚合度dpv小于150时，油纸绝缘状态老化严重，不宜继续使用。

30、将3种受潮评价等级和3种老化评价等级，对绝缘油纸的绝缘状态进行组合划分，得到x1～x9共计9种变压器油纸绝缘状态；

31、组合划分以绝缘纸板聚合度dp为1200、1000、650为界限、绝缘油纸含水量1.5％，2.5％为界限。

32、dl/t 596–2021《电力设备预防性试验规程》中规定，对于500kv、330kv和220kv电压等级的油浸式电力变压器，其绝缘纸(绝缘纸板)的含水量分别不应超过1％、2％和3％。在此基础上，本发明以含水量m.c.为1.5％、2.5％为界限，将植物油纸绝缘系统的受潮状态由低到高分为干燥、潮湿、严重3种评价等级。当m.c.≤1.5％，判定植物油纸绝缘系统受潮状态为干燥；当1.5％＜m.c.≤2.5％，判定植物油纸绝缘系统受潮状态为潮湿；当m.c.＞2.5％，判定植物油纸绝缘系统受潮状态为严重。

33、在dl/t 984–2018《油浸式变压器绝缘老化判断导则》中对矿物油变压器绝缘油纸的聚合进行规定，划定了三个等级分别为500,250,150,本发明以绝缘纸板聚合度dp为1000、650为界限，将植物油纸绝缘系统的老化状态由好至坏分为优秀、中等、严重3种评价等级。当1000＜dp≤1200，判定植物油纸绝缘系统老化状态为优秀；当650＜dp≤1000，判定植物油纸绝缘系统老化状态为中等；当dp≤650，判定植物油纸绝缘系统老化状态为严重。

34、所述步骤4中，确定比较序列和参考序列：

35、设待诊断绝缘油纸试样的绝缘状态为比较序列x0：

36、x0＝[x0(1),x0(2),…,x0(7)]

37、式中：x0(1)、x0(2)、x0(3)、x0(4)为分数poynting–thomson模型参数辨识后提取的特征参量α、β、εa、τ；x0(5)为复介电模量虚部的积分值adp；x0(6)为复介电模量实部的幅值差δadp；x0(7)为绝缘油的酸值av。

38、建立不同老化、受潮程度绝缘油纸的绝缘状态为参考序列xi，i＝1，2，…，9：

39、xi＝[xi(1),xi(2),…,xi(7)]

40、其中：xi(1),xi(2),…,xi(7)(i＝1，2，…，9)中的为不同老化、受潮程度植物油纸绝缘系统的绝缘状态为参考序列；

41、所述步骤5包括以下步骤：

42、s5.1：采用均值化算子对各参考序列进行无量纲化处理，均值化算子定义为：

43、

44、式中：i代表序列的行数，i＝1，2，…，9；j代表序列的列数，j＝1，2，…，7。参考序列中各评价指标对应值：

45、

46、s5.2：寻找最小差值和最大差值，将比较序列x0(j)中的每一项分别与参考序列xi(j)中的每一项作差，并取绝对值，得到差向量δi(j)：

47、

48、上式中：x0(1)、x0(2)、x0(3)、x0(4)为分数poynting–thomson模型参数辨识后提取的特征参量α、β、εa、τ；x0(5)为复介电模量虚部的积分值adp；x0(6)为复介电模量实部的幅值差δadp；x0(7)为绝缘油的酸值av。

49、采用均值化算子对各参考序列进行无量纲化处理，均值化算子定义为：

50、

51、式中：i代表序列的行数，i＝1，2，…，9；j代表序列的列数，j＝1，2，…，7。

52、x1′(1)x2′(1)x9′(1)x1′(2)x2′(2)x9′(2)x1′(7)x2′(7)……x9′(7)分别表示各个参考序列进行无量纲化处理后的均值化算子。

53、s5.3：从差向量δi(j)中找出最大值和最小值，分别记为m和m：

54、

55、所述步骤6中，记ξ为分辨系数，其物理意义为第i种状态下第j个评价指标与评价对象之间的关联程度，灰色关联系数rij定义为：

56、

57、第j个(j＝1，2，…，7)指标对第i种(i＝1，2，…，9)状态的指标比重pij：

58、

59、根据上式计算得到的指标比重pij，求得指标熵值ej：

60、

61、ln(pij)是对指标比重pij取对数后得到的。

62、各评价指标的熵权wj：

63、

64、将灰色关联系数rij与各评价指标的熵权wj相乘，得到绝缘油纸的熵权-灰色关联度ri：

65、

66、将计算得到的r1～r7从大到小进行排序，得到绝缘油纸的绝缘状态评估结果。

67、本发明一种基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，有益效果如下：

68、1)针对传统单一指标评价无法真实反映变压器油纸绝缘状态的问题，本发明将分数阶理论运用到油纸绝缘的弛豫过程中，从分数poynting–thomson模型中得到了更多变压器油纸绝缘的介电评价指标，介电评价指标可表征变压器油纸绝缘状态。

69、2)本发明中将变压器内部油纸绝缘系统可视为一个典型的灰色系统，基于熵权法和灰色系统理论将一系列模型老化特征量、介电特征参数和理化特征参数结合起来，提出一种评估油纸绝缘状态新方法，可实现对变压器油纸系统的绝缘状态准确评估。