本發(fā)明屬于變壓器絕緣油檢測，具體而言，涉及一種變壓器絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估裝置。

背景技術(shù)：

1、變壓器是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要設備,其絕緣油的狀態(tài)直接影響變壓器的運行性能和使用壽命。隨著變壓器使用年限的增加,絕緣油中會逐漸積累一些固態(tài)雜質(zhì)顆粒,這些雜質(zhì)會吸附在鐵心和繞組表面,降低絕緣強度,加速變壓器的絕緣劣化。因此,準確評估變壓器內(nèi)絕緣油中固態(tài)雜質(zhì)的含量,對于預防絕緣故障、延長變壓器使用壽命至關(guān)重要。

2、傳統(tǒng)的絕緣油雜質(zhì)檢測方法主要有以下幾種:取油樣進行離心沉淀、濾網(wǎng)過濾或溶劑萃取等,再通過質(zhì)量或體積法測定雜質(zhì)含量。這類方法需要將樣品帶回實驗室進行分析,周期長,效率低,且易受操作人員和環(huán)境因素的影響,難以實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測。另一些方法如紅外光譜法、uv-可見光譜法等,雖然可以在現(xiàn)場進行測試,但都需要復雜的光學儀器設備,操作繁瑣,無法實現(xiàn)自動化和連續(xù)監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種變壓器絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估裝置，能夠解決常規(guī)檢測方法無法實現(xiàn)自動化和連續(xù)監(jiān)測的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明提供一種變壓器絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估裝置，其中，包括杯體、杯蓋以及控制器，所述杯體和所述杯蓋均為玻璃制成，所述杯體和所述杯蓋均設置有中空夾層，所述中空夾層內(nèi)填充設置有吸光材料；所述杯體上相對設置有入油管和出油管；所述杯體通過所述入油管和出油管連接在變壓器絕緣油的外部回路中，所述杯體的中軸線上還固定設置有帶有攪拌葉的攪拌軸，所述攪拌軸的外徑小于所述杯體內(nèi)徑的1/4；所述杯體的側(cè)壁上還設置有遮擋板，所述遮擋板的延長線經(jīng)過所述中軸線，所述遮擋板與所述攪拌軸的最近距離小于所述杯體內(nèi)徑的m倍；所述遮擋板的兩側(cè)分別設置有第一激光發(fā)射器和第二激光發(fā)射器，兩個激光發(fā)射器發(fā)出的激光平行于所述遮擋板且與所述杯體內(nèi)壁相交，在兩個相交點上分別設置有第一激光接收器和第二激光接收器；所述第一激光發(fā)射器、第二激光發(fā)射器均可發(fā)出多種不同波長的激光，所述控制器與所述第一激光發(fā)射器、第二激光發(fā)射器、第一激光接收器、第二激光接收器電連接，所述控制器內(nèi)設置有激光發(fā)射控制模塊以及絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估模塊，所述激光發(fā)射控制模塊用于控制所述第一激光發(fā)射器、第二激光發(fā)射器設定最優(yōu)波長進行激光發(fā)射，所述絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估模塊用于對所述第一激光接收器和第二激光接收器接收到的第一信號和第二信號進行處理，得到變壓器內(nèi)的絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估結(jié)果。

4、其中，所述激光發(fā)射控制模塊，用于執(zhí)行以下步驟：

5、s11、遍歷所述第一激光發(fā)射器的發(fā)射激光波長和亮度進行激光發(fā)射，同時實時獲取所述第一激光發(fā)射器接受到激光并生成的臨時亮度信號；

6、s12、對所述臨時亮度信號進行預處理得到預處理亮度信號；

7、s13、對所述預處理亮度信號計算幅值波動，選擇幅值波動最小的發(fā)射激光波長和亮度作為所述第一激光發(fā)射器的預設發(fā)射激光波長和亮度；

8、s14、采用s11-s13的方法，確定所述第二激光發(fā)射器的預設發(fā)射激光波長和亮度。

9、進一步的，所述絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估模塊，用于執(zhí)行以下步驟：

10、s21、實時獲取第一激光接收器和第二激光接收器采集的第一亮度信號和第二亮度信號；

11、s22、對第一亮度信號和第二亮度信號預處理后進行傅里葉變換,分別得到第一頻域特征和第二頻域特征；

12、s23、將第一頻域特征和第二頻域特征分別輸入預先訓練好的絕緣油固態(tài)雜質(zhì)濃度評估模型，得到第一頻域特征對應的第一固態(tài)雜質(zhì)濃度以及第二頻域特征對應的第二固態(tài)雜質(zhì)濃度；

13、s24、基于所述杯體的尺寸以及所述第一固態(tài)雜質(zhì)濃度和第二固態(tài)雜質(zhì)濃度，計算所述杯體內(nèi)的絕緣油的固態(tài)雜質(zhì)濃度；

14、s25、根據(jù)持續(xù)獲取的杯體內(nèi)的絕緣油的固態(tài)雜質(zhì)濃度，生成雜質(zhì)濃度曲線，并利用動態(tài)系統(tǒng)識別和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合的方式，計算所述變壓器內(nèi)絕緣油的固態(tài)雜質(zhì)濃度，作為變壓器絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估結(jié)果。

15、其中，所述m取值范圍為2～5。

16、其中，所述變壓器絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估裝置使用時，所述攪拌軸按照預設的固定轉(zhuǎn)速圓軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向是從所述第一激光發(fā)射向所述第二激光發(fā)射器。最優(yōu)轉(zhuǎn)速的計算方程具體表示如下:

17、

18、式中,ωopt為最優(yōu)轉(zhuǎn)速(rad/s)；g為重力加速度(m/s2)；r為杯體半徑(m)；ρoil為絕緣油密度(kg/m3)；ρimpurity為固態(tài)雜質(zhì)平均密度(kg/m3)；i為虛數(shù)單位；η為絕緣油動力粘度(pa·s)；α為絕緣油熱擴散系數(shù)(m2/s)；t為絕緣油溫度(k)。

19、參數(shù)獲取方法:g取9.8m/s2；r通過杯體尺寸測量獲得；ρoil和η通過絕緣油樣品測試獲得；ρimpurity通過多次采樣測試取平均值；α通過熱物性測試儀測定；t通過溫度傳感器實時測量。

20、進一步的，所述杯體為圓柱形；所述杯蓋為與所述杯體匹配的圓形蓋。

21、所述吸光材料具體是氧化石墨烯(go)與聚二甲基硅氧烷(pdms)復合材料。該材料具有優(yōu)異的光吸收性能和熱穩(wěn)定性,可有效減少外部光干擾。

22、進一步的，所述入油管的高度高于所述出油管的高度,帶來的效果是利用重力形成自然流動,增強油液循環(huán),提高雜質(zhì)分布均勻性,同時減少泵的功耗。

23、進一步的，所述遮擋板上還設置有多個半球形內(nèi)凹,帶來的效果是增加流體擾動,產(chǎn)生微觀湍流,提高雜質(zhì)懸浮均勻性。

24、進一步的，所述多個半球形內(nèi)凹的排列方式為中心等距排列。所述半球形內(nèi)凹與所述遮擋板表面形成的圓的最優(yōu)直徑計算方程具體表示如下:

25、

26、式中,dopt為最優(yōu)直徑(m)；ν為絕緣油運動粘度(m2/s)；ω為攪拌軸角速度(rad/s)；r為杯體半徑(m)；ρoil為絕緣油密度(kg/m3)；η為絕緣油動力粘度(pa·s)；k為絕緣油熱導率(w/(m·k))；cp為絕緣油比熱容(j/(kg·k))；為徑向溫度梯度(k/m)；we為韋伯數(shù)；fr為弗勞德數(shù)。

27、參數(shù)獲取方法:

28、ν,ρoil,η,k,cp通過絕緣油樣品測試獲得；ω由攪拌電機控制；r通過杯體尺寸測量獲得；通過多點溫度傳感器測量計算；we和fr通過流體力學參數(shù)計算得到。

29、所述利用動態(tài)系統(tǒng)識別和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)合的方式，具體計算方程如下：

30、

31、式中，ctransformer為變壓器內(nèi)絕緣油的固態(tài)雜質(zhì)濃度(mg/l)；fcnn為訓練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡函數(shù)；k(t)為系統(tǒng)脈沖響應函數(shù)；ccup(t)為杯體內(nèi)絕緣油固態(tài)雜質(zhì)濃度隨時間的變化函數(shù)；t為總測量時間(s)；an為傅里葉級數(shù)系數(shù)；t為變壓器油循環(huán)周期(s)；n為考慮的諧波階數(shù)。

32、參數(shù)獲取方法：fcnn通過大量歷史數(shù)據(jù)訓練得到；k(t)通過系統(tǒng)辨識方法確定；ccup(t)由s40步驟持續(xù)獲得；t為系統(tǒng)計時器記錄的總時間；an和t通過對歷史數(shù)據(jù)進行傅里葉分析獲得；n通常取3-5，具體取值根據(jù)實際系統(tǒng)復雜度確定。

33、其中，所述絕緣油固態(tài)雜質(zhì)濃度評估模型采用多層感知機結(jié)構(gòu)，

34、具體如下:

35、輸入層:接收傅里葉變換后的頻域特征,維度為[batch_size,feature_dim]；

36、隱藏層1:256個神經(jīng)元,使用relu激活函數(shù)；

37、隱藏層2:128個神經(jīng)元,使用relu激活函數(shù)；

38、隱藏層3:64個神經(jīng)元,使用relu激活函數(shù)；

39、輸出層:1個神經(jīng)元,使用線性激活函數(shù)；

40、模型數(shù)學表達式如下:

41、c＝f(x)＝w3·relu(w2·relu(w1·relu(w0·x+b0)+b1)+b2)+b3；

42、其中:

43、x:輸入的頻域特征向量；

44、wi:第i層的權(quán)重矩陣；

45、bi:第i層的偏置向量；

46、relu(x)＝max(0,x):relu激活函數(shù)；

47、c:輸出的固態(tài)雜質(zhì)濃度；

48、2.訓練數(shù)據(jù)集:

49、訓練數(shù)據(jù)集包含以下內(nèi)容:

50、輸入:絕緣油樣本的頻域特征(通過傅里葉變換獲得)；

51、輸出:對應的固態(tài)雜質(zhì)濃度(通過標準實驗室方法測定)；

52、數(shù)據(jù)來源:

53、a)實驗室控制樣本:使用不同類型和濃度的雜質(zhì)配制的絕緣油樣本；

54、b)現(xiàn)場采集樣本:從運行中的變壓器定期采集的絕緣油樣本；

55、c)加速老化樣本:通過加速老化試驗獲得的不同程度劣化的絕緣油樣本；

56、數(shù)據(jù)增強:

57、a)添加高斯噪聲；

58、b)隨機縮放頻域特征；

59、c)特征組合；

60、數(shù)據(jù)集大小:至少10000組頻域特征-濃度對；

61、數(shù)據(jù)集劃分:訓練集70％,驗證集15％,測試集15％。

62、所述杯體內(nèi)的絕緣油的固態(tài)雜質(zhì)濃度計算方程具體表示如下：

63、

64、式中，ccup為杯體內(nèi)絕緣油的固態(tài)雜質(zhì)濃度(mg/l)；c1為第一固態(tài)雜質(zhì)濃度(mg/l)；c2為第二固態(tài)雜質(zhì)濃度(mg/l)；v1為第一激光穿過的油體積(l)；v2為第二激光穿過的油體積(l)；vtotal為杯體總體積(l)；為雜質(zhì)濃度對溫度的偏導數(shù)(mg/(l·k))；δt為測量溫度與標準溫度的差值(k)；t為測量時間(s)；τ為系統(tǒng)特征時間常數(shù)(s)；i為虛數(shù)單位；ω為攪拌角速度(rad/s)；ωc為臨界角速度(rad/s)。

65、參數(shù)獲取方法：c1和c2通過s30步驟獲得；v1、v2和vtotal通過杯體尺寸計算得到；通過多溫度條件下的實驗測定；δt通過溫度傳感器實時測量；t為系統(tǒng)計時器記錄的時間；τ通過系統(tǒng)響應實驗確定；ω由攪拌電機控制；ωc通過流體力學分析和實驗確定。

66、可選的，所述激光發(fā)射控制模塊的具體控制方式包括:遍歷所述第一激光發(fā)射器的各種波長和亮度進行激光發(fā)射,實時采集第一激光接收器接收到的亮度信號,對這些亮度信號進行預處理以去除噪聲干擾,計算預處理后信號的波動幅值,選擇波動幅值最小的激光參數(shù)作為第一激光發(fā)射器的預設發(fā)射參數(shù)。同樣的方法確定第二激光發(fā)射器的預設發(fā)射參數(shù)。這樣可以確保兩個激光發(fā)射器輸出的激光最有利于后續(xù)雜質(zhì)含量檢測。

67、可選的，所述絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估模塊的使用的方式包括:實時采集第一激光接收器和第二激光接收器的亮度信號,對這些信號進行預處理并傅里葉變換,得到對應的頻域特征。然后將這兩個頻域特征分別輸入預先訓練好的兩個雜質(zhì)濃度評估模型,得到第一頻域特征對應的第一固態(tài)雜質(zhì)濃度,以及第二頻域特征對應的第二固態(tài)雜質(zhì)濃度?；诒w的幾何參數(shù),計算出杯體內(nèi)絕緣油的總固態(tài)雜質(zhì)濃度。

68、可選的，所述絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估模塊還包括利用動態(tài)系統(tǒng)識別和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的方法,預測變壓器內(nèi)部絕緣油的固態(tài)雜質(zhì)濃度。具體包括:首先通過系統(tǒng)辨識確定變壓器油品雜質(zhì)濃度變化的脈沖響應函數(shù),然后輸入杯體內(nèi)雜質(zhì)濃度的時間序列數(shù)據(jù)到預訓練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型中,得到變壓器內(nèi)部雜質(zhì)濃度的預測結(jié)果。同時結(jié)合傅里葉分析獲得的油品流動周期特性,進一步提高預測精度。

69、可選的，所述激光發(fā)射控制模塊在確定最優(yōu)激光參數(shù)時,具體執(zhí)行以下步驟:首先遍歷第一激光發(fā)射器的各種波長和亮度組合,記錄對應的臨時亮度信號；對這些臨時亮度信號進行時域濾波和頻域濾波等預處理,去除噪聲干擾；計算預處理后信號的波動幅值,選擇波動幅值最小的激光參數(shù)作為第一激光發(fā)射器的預設發(fā)射參數(shù)。同樣的方法確定第二激光發(fā)射器的預設參數(shù)。

70、可選的，所述絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估模塊在預測變壓器內(nèi)雜質(zhì)濃度時,具體執(zhí)行以下步驟:首先實時采集第一激光接收器和第二激光接收器的亮度信號,對這些信號進行預處理和傅里葉變換,得到兩個頻域特征；然后將這兩個頻域特征分別輸入到預訓練好的濃度評估模型中,得到第一頻域特征對應的第一固態(tài)雜質(zhì)濃度,以及第二頻域特征對應的第二固態(tài)雜質(zhì)濃度；最后基于杯體的幾何參數(shù),計算出杯體內(nèi)絕緣油的總固態(tài)雜質(zhì)濃度。

71、可選的，所述絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估模塊在預測變壓器內(nèi)雜質(zhì)濃度時,還采用了動態(tài)系統(tǒng)識別和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的方法。具體包括:首先通過系統(tǒng)辨識確定變壓器油品雜質(zhì)濃度變化的脈沖響應函數(shù)；然后輸入杯體內(nèi)雜質(zhì)濃度的時間序列數(shù)據(jù)到預訓練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型中,得到變壓器內(nèi)部雜質(zhì)濃度的預測結(jié)果；同時結(jié)合傅里葉分析獲得的油品流動周期特性,進一步提高預測精度。這種方法充分利用了杯體內(nèi)雜質(zhì)濃度的時間序列特征,可以更準確地預測變壓器內(nèi)部的雜質(zhì)濃度變化。

72、可選的，所述激光發(fā)射控制模塊在確定最優(yōu)激光參數(shù)時,首先會遍歷第一激光發(fā)射器的各種波長和亮度組合,并實時記錄第一激光接收器接收到的臨時亮度信號。然后對這些臨時亮度信號進行時域濾波和頻域濾波等預處理,去除高頻噪聲和零頻漂移等干擾,得到預處理后的亮度信號。接下來計算這些預處理信號的波動幅值,選擇波動幅值最小的激光參數(shù)作為第一激光發(fā)射器的預設發(fā)射參數(shù)。同樣的方法確定第二激光發(fā)射器的預設參數(shù)。這樣可以確保兩個激光發(fā)射器輸出的激光最有利于后續(xù)雜質(zhì)含量檢測。

73、可選的，所述絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估模塊在預測變壓器內(nèi)雜質(zhì)濃度時,首先實時采集第一激光接收器和第二激光接收器的亮度信號,對這些信號進行預處理和傅里葉變換,得到兩個頻域特征。然后將這兩個頻域特征分別輸入到預先訓練好的兩個雜質(zhì)濃度評估模型中,得到第一頻域特征對應的第一固態(tài)雜質(zhì)濃度,以及第二頻域特征對應的第二固態(tài)雜質(zhì)濃度。最后基于杯體的幾何參數(shù),計算出杯體內(nèi)絕緣油的總固態(tài)雜質(zhì)濃度。這種加權(quán)平均的方式可以更準確地反映杯體內(nèi)雜質(zhì)的實際濃度水平。

74、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的一種變壓器絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估裝置的有益效果是：

75、首先,該裝置采用雙波長平行激光檢測技術(shù),利用激光在絕緣油中的吸收和散射特性,可以間接推算出油品中固態(tài)雜質(zhì)的濃度分布。與單一波長激光相比,使用兩束不同波長的激光可以增強檢測靈敏度,提高分辨率。同時,還設計了一種自適應激光參數(shù)優(yōu)化機制,通過遍歷不同波長和強度組合,選擇最有利于檢測的激光參數(shù),可以有效消除外部環(huán)境干擾。

76、其次,該裝置集成了動態(tài)系統(tǒng)識別和深度學習算法,可以準確預測變壓器內(nèi)部的絕緣油固態(tài)雜質(zhì)濃度變化趨勢。首先根據(jù)杯體內(nèi)雜質(zhì)濃度的時間序列特征,通過系統(tǒng)辨識建立變壓器內(nèi)油品濃度變化的動態(tài)模型；然后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進一步學習杯體和變壓器之間的復雜關(guān)系,并融合傅里葉分析獲得的流動周期特性,大幅提高了預測精度。這種方法能夠充分利用多源信息,抓住關(guān)鍵動態(tài)特征,相比于傳統(tǒng)的靜態(tài)分析方法更加穩(wěn)健和可靠。

77、此外,該裝置還采用了細心設計的流體動力學機理,如最優(yōu)攪拌轉(zhuǎn)速、半球狀流動擾動等,確保杯體內(nèi)部雜質(zhì)分布均勻,提高了檢測準確性。同時,創(chuàng)新性地采用了玻璃制杯體和吸光復合材料,有效減少了外部光干擾,保證了檢測的重復性和穩(wěn)定性。

78、總的來說,本發(fā)明的變壓器絕緣油固態(tài)雜質(zhì)含量快速評估裝置,通過融合光學檢測、流體力學分析、智能算法等前沿技術(shù),大幅提高了絕緣油狀態(tài)評估的速度、準確性和自動化水平，解決了常規(guī)檢測方法無法實現(xiàn)自動化和連續(xù)監(jiān)測的技術(shù)問題。