本发明涉及电力系统中具有早期故障的变压器建模及仿真的技术领域，尤其是涉及一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，作为一种具有绕组变形、轻微匝间故障的电磁场-电路模型的仿真模拟、模型准确性校核的综合仿真系统，电力变压器早期故障表现为故障电流小变压器差动保护不动作，包括绕组变形和轻微匝间故障。本发明涉及到研究变压器早期故障的研究平台的设计。
背景技术：
电力变压器是电力系统中最大、最昂贵的电力设备且承担着输配变电等重要功能。变压器在运输、安装调试过程中可能由于机械的碰撞或挤压造成绕组变形，也可能正常运行时时，遭受到多次区外短路的故障电磁力的冲击，使得绕组端部或者中部发生变形。由于绕组发生机械变形并没有完全破坏绕组绝缘，没有发生内部绕组短路故障，变压器保护不会动作，使得绕组变形很难被察觉，如果绕组收到冲击进一步发生变形，可能使得绝缘被进一步破坏，发生匝间短路，严重损坏变压器。变压器发生轻微故障，由于可能发生小匝数短路，或者短路故障并不持续存在，或有或无，故障电流达不到差动保护定值，保护无法动作。对去变压器早期故障研究需要对绕组变形轻微匝间短路故障进行准确的模拟，才能研制出有效的在线检测算法，对变压器绕组做出正确的诊断，所以建立变压器早期故障仿真系统对在线诊断算法的研究由为重要。
现有的对变压器故障的仿真系统主要满足变压器保护算法的研究要求。各研究机构使用比较多的rtds仿真系统，仅能够的仿真变压器端口故障，对于绕组内部的故障还没有准确的仿真模型。对于变压器内部绕组匝间故障的仿真，通常使用模拟动模实验变压器，但是也仅能够仿真匝数较多的稳定短路故障，不能仿真间断性、小匝间故障。对于绕组变形的仿真，目前还没有有效的仿真方法。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，该系统包括物理变压器、电压电流互感器和光纤磁场测量子系统和变压器早期故障仿真建模分析主机，其中：
所述物理变压器，用于模拟具有早期故障的实际变压器；
所述电压电流互感器和光纤磁场测量子系统，用于测量变压器端口的电压、电流和绕组内部的分布磁场参数；
所述变压器早期故障仿真建模分析主机，用于建立三维的早期故障变压器的磁场及电路模型，通过测量子系统采集到的物理变压器的数据校核验证正确性，输出早期故障研究所需的仿真数据结果。
进一步地，所述的物理变压器采用干式变压器，所述干式变压器包括铁芯和线圈绕组，所述线圈绕组包括正常绕组和变形绕组，所述干式变压器的铁轭为可拆卸铁轭。
进一步地，所述的干式变压器采用三相两圈、三柱式干式变压器，所述三相两圈、三柱式干式变压器的低压侧绕组外侧和高压侧绕组内侧分别安装有多个光纤磁场传感器环，每个所述光纤磁场传感器环上设有多个光纤传感器探头，每个所述光纤传感器探头经光纤与所述电压电流互感器和光纤磁场测量子系统相连接。
进一步地，所述的变形绕组包括类型分别为端部变短、端部缺角以及中部凹陷的变形绕组。
进一步地，所述三相两圈、三柱式干式变压器的每一相绕组上还设置有电流、电压互感器，所述电流、电压互感器的二次电缆与所述电压电流互感器和光纤磁场测量子系统相连接。
进一步地，所述的电压电流互感器和光纤磁场测量子系统包括数据采集装置，所述数据采集装置与每个所述光纤传感器探头经光纤相互连接，所述数据采集装置还与所述电流、电压互感器的二次电缆相连接。
进一步地，所述的高压侧绕组采用4层绕制，所述的低压侧绕组采用2层绕制，所述的高压侧绕组和所述的低压侧绕组的高度均为1.2m。
进一步地，所述的数据采集装置和所述变压器早期故障仿真建模分析主机均设置于试验控制屏上。
进一步地，所述的数据采集装置内置有用于转换采集信号的a/d转换采集卡、用于光纤磁场采集的激光电源和激光接收模块以及用于与所述变压器早期故障仿真建模分析主机进行数据交互的通讯模块。
进一步地，所述的变压器早期故障仿真建模分析主机采用安装有电磁-电路模型建模的仿真软件的变压器早期故障仿真建模分析主机，所述的变压器早期故障仿真建模分析主机内置有用于与所述电压电流互感器和光纤磁场测量子系统进行数据交互的通讯模块。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)能够满足变压器早期故障检测算法的研究需求。现有的rtds和物理动模仿真系统仅能够对严重的变压器区内故障进行仿真分析，目前市面上还没有对变压器早期故障的仿真研究系统。本发明通过设计具有变形绕组、小匝间短路的物理变压器，开发具有电磁-电路仿真环境的仿真主机，通过数据校核，提供能够反映变压器早期故障的仿真模型，提供一个研究早期故障的研究平台。
(2)本发明软硬件仿真系统中变压器早期故障仿真建模分析主机所生成的电磁-电路仿真模型具有很高的仿真精度，和实际的早期故障变压器一致。通过设计实际的可以动模仿真实际故障的模拟变压器，采集电气量和漏磁感应强度获取故障数据，和电磁-电路仿真模型进行校核，反复修改模型达到校核指标，建立和早期故障变压器相似的仿真模型，提高仿真精度。
附图说明
图1为本发明提供的早期故障仿真系统示意图；
图2为本发明提供的磁光测量光纤传感器环及安装方式示意图；
图3为本发明提供的仿真系统控制屏的结构示意图；
图4为本发明提供的模拟变压器结构示意图；
图5为本发明提供的绕组变形类型示意图，其中图5(a)为低压侧两端变短，图5(b)为低压侧上端缺角，图5(c)为高低压绕组中部内凹；
图6为本发明提供的轻微故障匝间短路抽头的设计；
图7为本发明提供的变形绕组的建模示意图，其中图7(a)为低压侧上端变短，图7(b)为低压侧下端变短，图7(c)为高低压绕组中部内凹；
图8为本发明提供的早期故障仿真系统运行流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明为了解决目前对绕组小匝间故障、非持续和非稳定短路、绕组变形的准确模拟和仿真，建立了一套用于模拟变压器早期故障的仿真系统，用于在线诊断算法的研究，具体技术方案包括以下部分：
部分一、设计可以模拟绕组变形和轻微匝间故障的干式变压器，并安装电压、电流互感器和光纤磁场传感器；
包括设计三相两圈、三柱式干式变压器，干式变压器不含绝缘油，便于更换绕组和光纤传感器换位置，对于研究漏磁的分布，较为适合。并设计正常变压器绕组和变形的绕组，变压器铁轭可以打开，更换绕组，更换后不改变变压器绕组的安装尺寸。设计光纤传感器安装换，安装在低压绕组外部和高压绕组内部。
具体技术细节包括：
包含铁芯和线圈绕组的干式变压器，干式变压器的铁轭可以拆卸，更换变压器绕组。变压器分为正常绕组和变形绕组，用于模拟绕组正常和变形情况。绕组更换后，绕组的安装尺寸不变，误差很小。
变压器双绕组变压器，低压绕组外侧和高压绕组内侧分别安装上光纤磁场传感器环。共计安装6个安装环，高、低压绕组各3个，每个环上4个光纤传感器探头，共计24个传感器，每个传感器两根光纤引出线，共计48根光纤线，可连接到控制屏上。
高、低压绕组高1.2米，变压器容量50kva。高压侧绕组一共4层绕制，低压绕组一共2层。高压绕组每层都有短路抽头，总计抽头约20个，0.2％-8％的绕组总匝数进行抽头，用于测试。
除正常绕组外，还有6个变形绕组，其中高压侧3个，低压侧3个。变形绕组的类型包括：单端或两端变短、单端缺角、中间鼓包或凹陷。
部分二、具有采集电压、电流电气量和漏磁场感应强度的采集装置，并把采集结果通过通讯的方式送到仿真分析后台主机；
数据采集装置内部具有a/d转换采集卡，采集连续变化的电压、电流信号，还包含激光电源、激光接收模块等用于光纤磁场采集的模块，同时还包含通讯模块。
具体技术细节包括：
变压器每一相绕组上都设置有电流、电压互感器，绕组内部的光纤磁场传感器环上安装了磁场传感器，互感器二次电缆和光纤连接到仿真控制屏上的电气和磁场采集装置上。
电气和磁场采集装置采集变压器绕组的电流和电压，绕组之间的漏磁场感应强度，通过通讯的方式把数据传给仿真建模分析主机。
部分三、具有仿真分析后台主机，接收变压器端口电气量和漏磁感应强度数据，校核建立的变压器磁场-电路耦合模型，运行模型输出符合设定要求的仿真结果。
包含用于实际建模分析的商业电磁场建模分析软件：根据模拟变压器绕组和铁芯的结构和尺寸，搭建和模拟变压器一致的电磁场-电路分析多个仿真模型，模型包括正常绕组模型、变形绕组模型、轻微匝间短路模型。
还包括用于校核的模型比较校验软件模块，根据采集到的模拟变压器模型的电流、电压和漏磁场感应强度，对电磁场-电路模型进行校验。如果校核指标达不到要求，更改电磁场-电路模型进行从新校核。
根据搭建的电磁场-电路模型，设置不同的绕组变形类型、轻微匝间故障的类型，进行仿真，输出变压器模型的电流、电压和漏磁场感应强度数据，用于变压器早期故障的研究。
具体技术细节包括：
仿真分析后台主机具有电磁-电路模型建模的仿真软件环境，根据变压器绕组尺寸和铁芯尺寸、绕组的安装位置、绕组的联结组别，以及外电路的拓扑结构和参数，可以建立任意的绕组变形类型和任意小匝间短路的故障类型。同时，仿真主中还有通讯模块，可以接收采集装置发送的数据，通过电磁-电路模型仿真数据和采集装置数据的校核，调整仿真模型，使之和模拟变压器电气和电磁参数接近满足仿真精度的要求。最后根据变形绕组类型、小匝间短路的设定，输出仿真数据。
具体实际实施例
1)变压器早期故障仿真系统简介
变压器早期故障仿真系统包含物理变压器、数据采集装置和仿真后台机，如图1所示，图中，1为电流、电压互感器，2为光纤传感器测量环，3为数据采集装置，4为变压器早期故障仿真后台机。其中变压器绕组内部包含光纤传感器环，安装于绕组外部，或绕组中间。数据采集装置中包含激光收发测量终端，用于发射激光到光纤传感器，接收激光，并计算出磁场强度，通过通讯的方式传送出去。后台仿真主机，主要用于建模，输出仿真数据及变压器早期故障检测算法和其他应用研究。
2)磁光传感器头
磁光测量的光纤传感头的安装如图2所示，每相绕组安装32个传感头。
由于绕组空道中磁场强度最大，所以光纤传感器头主要放置在高低压绕组的之间的空道部分，包括1～6号传感器圆圈。每个传感器圆圈包含4个传感器头，均匀分布在圆周上。绕组变形后，绕组内部的磁感应强度增加，所以在高低压绕组的中心处分布安装7号和8号传感器组。每相绕组共计安装32个传感头。
3)试验控制屏
按照标准控制屏柜组屏，数据采集装置和仿真主机放置在实验控制屏上，如图3所示，图中，5为仿真控制主机，6为数据采集终端。
4)只有铁芯和绕组的干式变压器
干式变压器的结构图如图4所示，为三相芯式变压器，低压绕组在内侧，高压绕组在内侧，上部的铁轭可以打开，便于更换高低压正常或变形绕组。
5)变形绕组的类型
变形绕组分为端部变短、端部缺角和中部凹陷三个类型，如图5所示。
分别设计不同的变形绕组，用于替换正常绕组，仿真不同的绕组变形情况。
6)轻微匝间短路抽头的设计
高压侧绕组有11个抽头外接，可以做0.5％～8％左右的匝间短路试验，如图6所示。
7)变压器早期故障仿真建模分析主机
仿真建模分析主机具有电磁-电路模型建模仿真环境，建立的变压器绕组端部变短和中部鼓出的三维模型如图7所示。
具体整个系统的运行流程如图8所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
1.一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，该系统包括物理变压器、电压电流互感器和光纤磁场测量子系统和变压器早期故障仿真建模分析主机，其中：
所述物理变压器，用于模拟具有早期故障的实际变压器；
所述电压电流互感器和光纤磁场测量子系统，用于测量变压器端口的电压、电流和绕组内部的分布磁场参数；
所述变压器早期故障仿真建模分析主机，用于建立三维的早期故障变压器的磁场及电路模型，通过测量子系统采集到的物理变压器的数据校核验证正确性，输出早期故障研究所需的仿真数据结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，所述的物理变压器采用干式变压器，所述干式变压器包括铁芯和线圈绕组，所述线圈绕组包括正常绕组和变形绕组，所述干式变压器的铁轭为可拆卸铁轭。
3.根据权利要求2所述的一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，所述的干式变压器采用三相两圈、三柱式干式变压器，所述三相两圈、三柱式干式变压器的低压侧绕组外侧和高压侧绕组内侧分别安装有多个光纤磁场传感器环，每个所述光纤磁场传感器环上设有多个光纤传感器探头，每个所述光纤传感器探头经光纤与所述电压电流互感器和光纤磁场测量子系统相连接。
4.根据权利要求2所述的一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，所述的变形绕组包括类型分别为端部变短、端部缺角以及中部凹陷的变形绕组。
5.根据权利要求3所述的一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，所述三相两圈、三柱式干式变压器的每一相绕组上还设置有电流、电压互感器，所述电流、电压互感器的二次电缆与所述电压电流互感器和光纤磁场测量子系统相连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，所述的电压电流互感器和光纤磁场测量子系统包括数据采集装置，所述数据采集装置与每个所述光纤传感器探头经光纤相互连接，所述数据采集装置还与所述电流、电压互感器的二次电缆相连接。
7.根据权利要求3所述的一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，所述的高压侧绕组采用4层绕制，所述的低压侧绕组采用2层绕制，所述的高压侧绕组和所述的低压侧绕组的高度均为1.2m。
8.根据权利要求6所述的一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，所述的数据采集装置和所述变压器早期故障仿真建模分析主机均设置于试验控制屏上。
9.根据权利要求6所述的一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，所述的数据采集装置内置有用于转换采集信号的a/d转换采集卡、用于光纤磁场采集的激光电源和激光接收模块以及用于与所述变压器早期故障仿真建模分析主机进行数据交互的通讯模块。
10.根据权利要求1所述的一种用于变压器早期故障研究的软硬件仿真系统，其特征在于，所述的变压器早期故障仿真建模分析主机采用安装有电磁-电路模型建模的仿真软件的变压器早期故障仿真建模分析主机，所述的变压器早期故障仿真建模分析主机内置有用于与所述电压电流互感器和光纤磁场测量子系统进行数据交互的通讯模块。
技术总结