关键词： 变压器   振动声纹   压缩感知   测量矩阵   特征提取  

摘要： 变压器是电力系统的重要设备之一,其安全稳定地运行具有重要意义。理论分析和实践经验表明,通过变压器的振动声纹信号可以分析和判断其运行状态。变压器振动声纹在线监测系统产生了海量数据,这给在线监测系统数据的采集、传输、存储和处理带来巨大的压力。本文针对变压器健康状态管理问题,基于压缩感知等理论和方法,分析研究变压器振动声纹特征。 首先,根据变压器振动声纹的产生机理,考虑变压器的基频周期,对实测声纹信号进行数据切分,分析不同松动故障下声纹信号的时频域特征,得到其不同频段内能量分布特征和变化规律。 其次,针对变压器声纹信号复杂,常规方法难以识别其运行状态的问题,深入分析变压器声纹信号在不同松动故障下各频率能量占比不同的特点,改进小波包分解方法,提取声纹信号的归一化小波信息熵作为故障特征。实验结果表明不同松动故障的特征值有明显差异,能够有效判断出变压器铁芯松动故障。 最后,针对变压器在线监测系统中声纹信号冗余度高,数据量大的问题,基于压缩感知理论,通过改进Hadamard矩阵构造出一种测量矩阵,用于变压器振动声纹信号的压缩,并设计出最佳的声纹信号压缩测量矩阵。在实测数据集上进行了压缩和故障诊断实验,实验结果表明,本文特征提取后的振动声纹信号诊断精度较高,在数据压缩后仍能有效识别变压铁芯的各类松动故障。 本文基于实测声纹数据的时频域特性分析,采用小波包分解有效提取其故障特征,应用压缩感知方法对压缩后的声纹信号直接求取其故障特征,研究基于振动声纹特征的变压器状态分析问题。这一方法降低了硬件成本又避免了信号重构引入新的误差,可为压缩感知理论在状态监测和故障诊断领域中的应用提供借鉴。

关键词： 压电变压器(PT)   温度特性   负载特性   导纳不动点   恒功率驱动  

摘要： 相比于传统的电磁变压器,压电变压器(piezoelectric transformer,PT)拥有频率响应高、功率密度高等诸多优点,在集成化、小型化的趋势下,压电变压器具有很大的发展潜力。压电变压器是一种振动型电子元件,工作频率对其输入输出特性有着很大的影响,然而在实际使用过程中,温度和负载的变化会对PT的频率特性造成一定的改变,使得PT在这些场合可能无法满足工作要求。为了提高PT的使用稳定性并拓展PT的使用范围,本文对PT的阻抗温度与负载频率特性进行了研究,并通过理论、仿真与实验等方法研究了其相应的变化规律。在PT阻抗负载特性研究的过程中,论文还发现了导纳不动点的存在,并基于导纳不动点提出了一种PT恒功率驱动方案。通过压电器件的恒功率驱动,避免因负载变化引起驱动电流的突变,实现短路保护。本论文的主要研究内容如下: (1)温度对压电参数的影响分析与实验。论文从压电本构方程出发,首先根据理论关系将压电参数与压电效应建立关联,调研分析压电参数随温度的变化特性,并对部分压电参数进行实验测量,获取压电材料的参数随温度变化的特性规律。 (2)压电变压器阻抗温度特性仿真与实验。基于压电参数随温度的变化关系,通过有限元多物理场仿真软件COMSOL对PT的阻抗特性进行仿真。通过模态仿真与频域稳态分析,论文研究了PT在平面扩张模态下谐振频率随温度的变化关系,并详细研究了PT的导纳频率特性曲线随温度变化的偏移情况。相关PT阻抗测量实验也验证了仿真结果的正确性。 (3)集成式压电变压器(integrated piezoelectric transformer,IPT)的阻抗温度特性分析。文章首先通过仿真证实了IPT在外接负载的情况下依然存在优异感性特征。然后基于阻抗温度特性的研究方法,研究了温度对IPT阻抗相位的影响,研究结果表明温度造成IPT感性区间的偏移,但不会影响感性区间的大小。 (4)压电变压器等效电路模型的推导及等效电路参数的测量。论文首先对单片独立压电振子的等效电路模型进行了理论分析,并推导出PT外接负载的等效电路模型,从而分析PT谐振频率随负载的变化关系。针对特定的等效参数,论文通过实验对PT的等效电路参数进行了实验测量。 (5)压电变压器负载特性研究及恒功率驱动。基于PT的带载等效电路模型,论文首先通过理论分析、仿真模拟绘制出PT阻抗随负载变化的频率特性曲线,并且仿真数据与实验结果非常吻合。其次,通过分析PT阻抗频谱的负载特性曲线,论文发现了PT导纳不动点的存在,通过对导纳不动点的深入分析和研究,实现了PT恒功率驱动。

关键词： 配电变压器   红外热成像   温度监测   图像处理   特征匹配  

摘要： 配电变压器是配电网中的关键设备之一,在电力系统中起到十分重要的作用,其运行状态与配电网的安全性、可靠性息息相关。随着工业与居民用电的需求逐渐上涨,配电变压器的工作负荷逐渐加大,易发生设备老化、损伤等问题,一旦没有及时发现故障将造成重大的损失。温度是反映配电变压器运行状态的重要物理量,而红外检测技术具备不接触、不断电的优势,适用于对配电变压器进行温度监测。由于配电设备数字化过程中存在数据量大、处理速度慢、对硬件设备要求严格的问题,基于红外检测实现计算量小、效率高的配电变压器温度监测意义重大。 高分辨率的红外成像仪成本高、驱动复杂,难以覆盖数量众多、分布广泛的配电变压器,本文提出一种基于双通道图像处理的配电变压器温度监测方法,结合高分辨率可见光图像与低分辨率红外成像两个通道的图像,通过图像处理技术自动提取配电变压器的温度信息,实现智能温度监测。针对HU矩阵提取对称图形特征时,特征矩阵区分度降低的问题,使用不变矩多项式空间的基构造新的中心矩,构建在对称图形中保持识别精度的HU不变矩,仿真分析实验结果表明,相对传统的HU不变矩,使用改进后的不变矩识别对称图形时精确度提升15.43%。针对如何实现高效率、小计算量的ROI自动提取问题,提出对聚类图像框选连通区域,并根据先验知识局部增强图像补充ROI的提取方案,仿真实验证明该方案可快速识别可见光图像中的ROI。在红外图像的处理中,针对红外成像模块像素少、边缘不明显、缺乏信息量的问题,提出一种Linearcubic插值方法,通过二值化图像识别背景图像与前景图像的边界,并结合双线性插值与三次多项式插值算法,实现红外成像的快速超分辨率重构,双线性插值、三次多项式插值和与本文插值方法的仿真分析对比表明,本文插值方法处理速度快、质量高。

关键词： 牵引变压器   储能系统   10k V系统   长大坡道   容量优化  

摘要： 随着我国铁路行业的快速发展,在高速铁路运营里程不断增加、行车速度不断提高的同时,也带来了更大的能耗需求,据统计,2022年国家铁路能源消耗折算标准煤就达到1512.58万吨。电气化铁路经过了多次大提速,牵引供电系统能耗问题已逐渐严重,因此,降低电气化铁路能耗有助于“低碳交通”的实现。电力机车在高速铁路长大坡道区段运行时,牵引负荷具有冲击性强、变化频率快、峰谷差距大等特点,导致牵引变压器以负荷需求为安装容量。牵引变压器瞬时负载率高而全日平均负载率低,产生了大量电费成本,严重影响了系统的经济性。同时,在高速铁路长大坡道区段,电力机车产生了大量的再生制动能量只能实现较少部分的利用,剩余能量返送于公共电网会造成浪费。因此考虑引入储能与铁路10k V配电系统(后文简称为10k V系统)协调配合对高速铁路长大坡道牵引变压器容量进行优化,以减小牵引变压器的安装容量,提高再生制动能量的利用率。这对于高铁节能运行,提升系统经济性具有重要的现实意义。本文以高速铁路长大坡道为背景,以实现牵引变压器容量优化为目标,采用混合储能与10k V系统联合配置对再生制动能量进行存储利用,进而降低牵引变压器的安装容量,提升系统经济性。本文首先阐述了不同类型变压器容量优化及牵引供电系统中储能技术的研究现状,总结了含有储能的交流牵引供电系统(AC Traction Power Supply Systems,AC-TPSS)的不同结构及优缺点。在此基础上,确定了储能接入AC-TPSS的整体结构,并对系统能量流动机理、功率分配和运行工况进行分析,根据功率分配策略对高速铁路牵引负荷实测数据进行处理,为牵引变压器的容量优化配置提供基础数据。然后以等年值经济效益为目标,考虑超级电容储能系统对再生制动能量的存储利用,建立了牵引变压器的容量优化配置模型,分别利用PSO与LWOA算法进行牵引变压器的容量优化。最后考虑混合储能与10k V系统配合,给出了混合储能与10k V系统接入AC-TPSS结构,通过制定相互匹配的功率分配策略,建立了以系统等年值成本最低为目标的适合于混合储能与10k V系统的牵引变压器容量优化模型,并利用LWOA算法进行牵引变压器容量优化,进而将单一超级电容储能、混合储能与10k V系统配合两种方案容量优化的结果对比分析。通过在MATLAB平台中建立单一超级电容储能的牵引变压器容量优化配置模型、混合储能与10k V系统联合配置的容量优化配置模型并进行对比计算分析,利用优化算法将两种方案与未进行优化的方案进行对比分析,两种方案分别降低了经济成本5.8%与10.7%,混合储能与10k V系统相较于单一超级电容储能经济成本降低了5.2%,验证了牵引变压器容量优化配置方法的有效性。

关键词： 变压器油   气泡   电场强度   聚并   湍流   层流   形变  

摘要： 油浸式变压器作为电力系统最重要的核心设备,其安全问题直接影响整个电力系统的稳定运行,其中的变压器油对变压器的绝缘起到重要作用。变压器油受潮及劣化分解等状况会析出气体乃至形成悬浮气泡,受电磁、热、流等多物理场耦合作用,气泡将呈现出极其复杂的电流体动力学行为,从而显著影响变压器油的绝缘性能,因此研究变压器油中气泡的形态演变和运动规律具有重要意义。在运动过程中当多个气泡之间的距离足够近时,此时有可能出现气泡聚并行为。本文采用湍流运动模型和层流运动模型相结合的方式分别模拟不同环境下变压器油流状态,利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics构建了多场耦合作用下悬浮气泡的动力学分析模型,研究了极间电压、油流速度、气泡尺寸及气泡数目等因素对悬浮气泡聚并行为的影响,并分析了气泡形态演变过程中其内部电场的分布特征。研究结果表明,湍流运动状态下,极间电压的升高、气泡尺寸的增大均延迟气泡聚并行为的发生,气泡一旦开始聚并形成连接体,其内部场强将呈现极大值,且该极大值与极间电压、气泡尺寸呈正相关变化;油流速度和气泡数目的增加将促使气泡聚并行为提前发生;油流速度越大,气泡受到的压力梯度和形变越大,气泡连接体内部场强越小,而气泡数量增加将导致气泡连接体内部场强随之增大。气泡相对角度越大,聚并发生的时间越晚,场强越小。层流运动状态下,极间电压的升高、气泡尺寸的增大及气泡相对角度的增大均使得气泡聚并时间发生延迟;而气泡数目的增加和油流速度的增大则使得气泡聚并行为提前发生。在改变极间电压、油流速度、气泡数目、气泡相对位置、气泡尺寸时,气泡连接体内部最大场强与以上条件均表现为正相关。湍流和层流两种不同的运动状态并未对聚并时间产生较大影响,而对于气泡连接体内部最大场强,在改变油流速度和气泡相对位置时,两种运动状态表现为相反的变化规律,产生差异的原因主要是层流运动状态下气泡受到油流曳力而影响形变,湍流运动状态下并未受到影响。本文的研究结果对变压器油局部放电在线监测及改善绝缘性能有一定的积极意义。

关键词： 电力变压器   局部放电   时域有限差分法   特高频传感器   柔性蝶形天线  

摘要： 电力变压器作为电力系统中的核心设备之一,承担着电力传输及电压转换的作用。但变压器绝缘结构复杂、内部电压跨度大,并且受到温度、电场、机械等因素的影响,易引发绝缘故障。因此,研究变压器的绝缘状态对保障电网的安全稳定具有重要学术意义和应用价值。针对现行的变压器局部放电（partial discharge,PD）故障诊断方法,特高频法（ultra-high frequency,UHF）具有灵敏度高、抗干扰能力强等优势被广泛应用,但现有UHF检测法主要采用硬质UHF传感器检测,易受安装位置、尺寸以及变压器复杂结构的限制,导致传感器性能和安装结构等无法兼顾。为此,本文结合电磁场仿真技术和时域有限差分法（finite difference time domain,FDTD）开展了变压器UHF信号传播特性的研究;结合微波与天线理论、柔性天线技术设计了一款适用于变压器复杂结构的柔性UHF传感器,以此减少传感器的重复设计而造成的资源浪费,提高传感器的利用率。最后,搭建高压试验平台开展了柔性UHF传感器的可行性验证。论文主要包括以下内容:首先根据PD电磁波感应原理,对UHF传感器感应电磁波的相关参数进行理论分析。采用FDTD重点研究了PD UHF信号在变压器高压套管中的传播特性,主要分析了电磁波信号在变压器油箱、套管法兰、中部、顶部等位置的幅值及频谱特征,以及分析了电磁波信号在传播过程中的衰减特性及传播特点。为后文柔性UHF传感器的优化设计及安装位置的选取提供理论依据。接着主要针对传统蝶形天线进行优化设计,在此引入了指数渐变微带巴伦结构,并结合柔性天线技术,设计了柔性蝶形天线。蝶形天线在加入巴伦结构和经过柔性弯曲设计以后,其尺寸大小相对传统蝶形天线减少了40.9%,质量也大幅度减小。通过电磁仿真软件HFSS分析了在不同弯曲状态下柔性蝶形天线回波损耗S参数、电压驻波比（voltage standing wave ratio,VSWR）、方向图等的变化情况。仿真结果表明柔性蝶形天线经过柔性弯曲以后仍然具有良好的性能。最后搭建变压器PD试验平台,设计了两种人工绝缘缺陷模型。通过不同传感器之间的对比试验及柔性蝶形天线的弯曲试验,验证了柔性蝶形天线的弯曲及检测性能;根据变压器套管电磁波信号传播特性仿真以及UHF传感器相关试验,提出了柔性蝶形天线在变压器套管处的封装方案。试验结果表明柔性蝶形天线具有良好的弯曲性能,可有效应用于变压器套管处PD UHF信号的检测。

关键词： 三维集成电路   三维变压器   硅通孔   等效电路模型   磁耦合系数  

摘要： 变压器作为至关重要的片上集成器件,被广泛应用在各种模拟和射频电路中,然而随着集成电路不断朝着高性能、高集成度和小型化的方向发展,传统的平面类型变压器已不能更好的在高性能和低面积之间折中,为解决这一瓶颈问题,研究人员开始将目光投向三维变压器。基于TSV(Through-Silicon-Via,TSV)的三维变压器由垂直TSV和水平RDL(Redistribution layer,RDL)搭建而成,相比于传统平面类型,这种特殊的空间螺旋结构导致其具有更高的电感密度以及更强的耦合能力。 尽管TSV变压器是目前的研究热门,但对其等效电路模型的研究相对较少,绝大多数模型都是通过仿真或实验测量的方法提取元件参数,成本高且不具普适性。同时,由于等效电路模型未考虑高频效应的影响,导致其在高频段仿真时准确性较差。为此,本文针对TSV变压器的结构特性,提出了一种参数化的等效电路模型,具体的工作内容如下: 1、将基于TSV的三维变压器结构参数分为两类,即设计参数和工艺参数,利用电磁仿真软件分别研究各参数变化对于其性能指标的影响,并给出其背后的物理成因,分析过程有利于我们对TSV变压器进行更好的设计和优化。此外,限定TSV变压器和两种典型的平面变压器在硅衬底中所占面积相同,根据仿真结果总结三维变压器的性能优势。 2、针对三维变压器的耦合系数提取困难问题,提出了一种能够准确计算k值的解析模型。为降低复杂度,该模型将三维变压器分为垂直TSV和水平RDL两组阵列,利用解析公式分别求解各自的自感以及部分互感,之后根据耦合系数的定义进一步计算出k值。将模型的计算值分别与HFSS和Q3D的仿真值比较,最大误差分别为4.4%和3.8%,且极大地缩短了计算时间。同时,通过改变不同设计参数的取值,进一步验证了该解析模型的可伸缩性。 3、基于TSV的三维变压器由两个三维电感螺旋缠绕而成,为此TSV变压器的等效电路模型采用了两个对称的“π”模型结构,为保证其在更宽频带的准确性和适用性,加入了一些能够模拟高频效应的电路结构,并综合考虑了端口之间的耦合电容。此外,等效电路模型中的各元件参数均可以通过闭式表达式计算得到,只需给定TSV变压器的物理设计参数,便可通过仿真确定其性能指标。通过对比HFSS与ADS的仿真结果验证了该模型的准确性和伸缩性。

关键词： 电力电子变压器   级联H桥   双有源桥   虚拟同步机  

摘要： 在环境问题日益突出的今天,新能源的应用成为一个亟待解决的问题。在传统变压器基础上,引入了电力电子变换技术的电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)应运而生。PET具备灵活控制功率流向、隔离故障与谐波、提高电能质量等优点,在解决风能、水能等分布式电源可靠并网方面前景广阔。因此,为了更好地实现PET的功能,对其控制策略的研究十分关键。级联H桥(Cascaded H-bridge,CHB)型PET是目前广泛应用的一种PET,由整流级、隔离级、逆变级构成。对整流级并网的研究,大部分都是建立在理想的电网环境下,但是在实际电网中,经常会出现三相电压不平衡的现象,这种现象可能由于短路故障、负荷不平衡等原因导致,针对此问题,在传统虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)控制策略的基础上,采用了一种电网电压不平衡时的改进VSG技术,以实现多目标控制。又有PET的逆变级输出侧带不平衡负载时,输出电压会出现严重不平衡的现象,对主网影响很大,因此,为了解决这个问题,采用了一种具备带不平衡负载功能的逆变级的VSG控制策略。对整流级、隔离级、逆变级的控制策略具体设计如下。电网电压不平衡时,整流级主要采用改进的VSG控制策略:在dq坐标系下,利用电流平衡VSG控制策略得到基准正序电流指令,结合电网电压不平衡参数以及瞬时功率数学模型,得到不同控制目标下的正、负序电流指令值,并分别对正、负序电流指令进行跟踪得到正、负序电压调制信号,将正、负序电压调制信号合成为最终调制信号,同时,整流级还结合了子模块均压、相间均压以及载波移相调制(Carrier phase-shifted SPWM,CPS-SPWM)技术。针对逆变级带不平衡负载时输出功率含有二倍频波动分量的问题,在传统VSG控制策略的基础上,采用了一种在电压环中利用比例积分(Proportional integral,PI)和比例谐振(Proportion resonant,PR)复合控制的改进VSG控制策略,其中PI控制器用于实现dq轴电压分量中直流分量的无差跟踪,PR控制器用于实现二倍频交流分量的无差跟踪。另外,隔离级采用开环控制方式,其高低压两侧均为占空比为50%的方波。在Matlab/Simulink仿真环境中,搭建整流级、隔离级、逆变级以及整机仿真模型。仿真结果为:电网电压不平衡时改进的VSG控制策略能够分别实现电流平衡、有功功率以及无功功率的恒定;开环控制策略能够使隔离级实现低压直流电压稳定输出,且功率传输效果良好;具备带不平衡负载功能的改进VSG控制策略在逆变级负载突然增大后,仍能维持频率、电压的稳定,消除二倍频波动,且输出稳定的三相电压,效果较传统VSG控制策略有所提升。仿真结果验证了控制策略的正确性与有效性。

关键词： 变压器   差动保护   励磁涌流   电流互感器饱和   电弧故障电流  

摘要： 电力安全是保障能源安全供应之需,是保护人民群众生命财产安全、维护改革发展大局之要。电力变压器作为电力系统中最重要的设备之一,其安全稳定运行尤为重要。然而,受自身电磁特性和外部运行环境影响,电力变压器在复杂工况及故障冲击下的继电保护动作正确率长期偏低,致使电网面临严重安全风险。其中,尤以励磁涌流、电流互感器(Current transformer,CT)饱和、电弧故障等最为棘手,最易引起变压器差动保护错误动作,成为阻碍电力变压器继电保护技术发展的关键难题。 首先,本文论述了变压器差动保护的动作特性,探究了变压器励磁涌流、CT饱和及电弧故障的形成机理、波形特征和影响因素。从多个方面对比了现有励磁涌流识别方法,并且在考虑励磁涌流、CT饱和及电弧故障等干扰情况下,对已有的传统方法进行了分析与评价。 为避免励磁涌流及CT饱和干扰下电力变压器差动保护的错误动作,分析了CT饱和对传统变压器励磁涌流识别方法的干扰问题,提出了一种基于特征数据判定的变压器故障信号辨识方法。根据差动电流波形变化率差异,采用特征数据识别常规故障电流;通过辨识电流形式,识别单向励磁涌流;针对饱和故障电流的识别问题,对特定取值区域内的波形数据进行多元线性回归拟合,利用正弦系数辨识饱和故障电流。 进一步,既要保障变压器差动保护不受励磁涌流与CT饱和的干扰,又要抵抗电弧故障干扰的威胁,提出了一种基于四分法的变压器差动保护防误动方法。具体地,第一步考虑到实际工况下励磁涌流波形的单向特性,通过单向指数(Unidirectional index,UI)识别单向励磁涌流;第二步,通过干扰数据滤除后进行分段拟合求出四分相似性指数(Quartering-based similarity index,QSI),克服了整体拟合的缺陷,实现故障电流与励磁涌流的辨识。最后,对已有方法进行对比分析,体现出本文所提算法在多干扰下的优越性。 最后,利用MATLAB和PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了变压器扰动与区内故障仿真模型,进行算法仿真测试。此外,利用实际现场录波数据、动态模拟实验室实际变压器测试系统和电弧故障平台,进行了实验测试。测试结果均表明,所提方法即使在上述各种干扰影响下仍能可靠辨识电力变压器故障电流,保障变压器差动保护的正确动作。 目前随着电力系统工况越来越复杂,传统的识别方法在面对一项或多项干扰时准确性严重降低,所提方法从多方面进行考量,充分利用了励磁涌流、CT饱和及电弧故障等干扰的不同特征,能对多干扰下的变压器故障电流进行准确辨识,保障电力系统安全稳定运行。 图47幅,表5个,参考文献72篇。