[发明专利]一种变压器热点温度测量系统及方法

权利要求书

1.一种变压器热点温度测量方法，其特征是，包括如下步骤：

控制发射超声波信号，获取经过变压器内部的超声波信号；

识别获取的超声波信号中，波形发生变化的超声波信号；

根据设置的超声波传感器的位置，识别超声波波形发生变化的超声波信号的传播路径，确定传播路径中叠加的区域为热点区域；

根据热点区域的位置以及经过的超声波信号，基于径向基函数构建热点区域求解矩阵，计算热点区域的温度分布；

所述超声波传感器设置有多组，每组相对设置在变压器油箱外壁，设置不同的超声波传感器发射的声波的频率不同；

合理设置超声波传感器发出超声波的持续时间，超声波传感器接收到某一声波的时刻与发射该声波的时刻之差，如果该差值超过超声波传感器发出声波的持续时间与声波在该路径上理论飞行时间之和的话，认为该声波为多条路径声波叠加的混叠波，忽略该时刻接收到的信号，在预处理的步骤中剔除该信号；

根据设置的超声波传感器的位置，识别超声波波形发生变化的超声波信号的传播路径，具体的方法可以为：

步骤31、根据超声波传播的传播速度和入射角的关系，确定不同介质接触面上的入射角；

步骤32、根据介质面上的入射角及发射超声波传感器和接收传感器的安装位置，绘制超声波传播的分段曲线即为超声波信号的传播曲线；

超声波在变压器油、绕组和变压器外壁之间传播时会有折射现象，折射角的大小与超声波在两种介质中传播速度以及入射角的大小有关，超声波传播的传播速度和入射角的关系如下：

sinθ₁/v₁＝sinθ₂/v₂

取油中和变压器绕组、外壁中的波速分别为理论值：V₁＝1 420m/s，V₂＝5 800m/s,其中，V₁为变压器油中的波速，V₂为变压器绕组或者外壁中的波速；再根据超声波传感器在变压器外壁安装的位置，可以确定超声波在传播至另一种介质时的入射角；通过上式可以计算出超声波折射角，进而确定任意两传感器之间的超声波传播路径；

接收到的信号波形发生变化的超声波信号及该超声波信号对应的传播路径，多条传播路径共同经过的区域即为热点区域；

根据热点区域的位置以及经过的超声波信号，基于径向基函数构建热点区域求解矩，计算热点区域的温度分布的方法，如下：

将热点区域均匀划分成n个立体网格，将第i个网格中心点坐标表示为(x_i,y_i,z_i)；

其中，任一声波传播路径p_k上，超声波的飞行时间g_k与声速的倒数f(x,y,z)的函数关系为：

其中，f(x,y,z)是声速的倒数，m是穿过热点区域的声波路径数，将热点区域均匀划分成n个立体网格，将第i个网格中心点坐标表示为(x_i,y_i,z_i)；

将声速的倒数f(x,y,z)离散为多个n个基函数的线性组合，如下：

其中，ε_i为待定系数，φ_i(x,y,z)为径向基函数：

其中，a为径向基函数的形状参数；

求解公式(2)中待定系数ε_i，合并1、2、3式得：

其中，

定义：A＝(a_ki)_{k＝1,...,m；i＝a,...,n}；矩阵A就是与超声波的路径数及网格划分有关的矩阵；

g＝(g₁,...,g_k)^T,ε＝(ε₁,...,ε_n)

则公式(4)可以写成：

g＝Aε (5)

通过重建矩阵A，对热点区域求解矩阵ε进行求解；

对重建矩阵A做奇异值SVD分解：

其中，σ₁≥σ₂≥...≥σ_γ≥0是重建矩阵A的γ个非零奇异值，γ是重建矩阵A的秩，U和V是列向量分别为正交矩阵AA^T和A^TA的特征向量；

由此，可以推出A的伪逆为：

通过奇异值分解，令p表示非零奇异值总数，则式(5)的最小二乘解可表示为：

由此，通过求解待定系数的值代入式(2)就可获得被测区域的声速分布，然后就可以求出n个空间网格的中心点温度值，最后采用插值算法获得细致的温度分布；

通过构建求解矩阵识别热点区域的温度分布，通过求解矩阵识别热点区域的温度分布，能够有效实现变压器热点区域温度场的可视化，可以直观地看出热点区域的温度分布和温差大小，进而实现对变压器温度状态的检测和控制，根据实时监测的变压器绕组温度的结果，及时调整变压器的运行状态或者进行检修,控制变压器绕组温度在正常范围之内。