一种变压器绕组运动位移的测量方法、介质及系统
阅读说明：本技术 一种变压器绕组运动位移的测量方法、介质及系统 (Method, medium and system for measuring transformer winding movement displacement ) 是由 倪辉 马飞越 艾绍贵 樊益平 刘卫东 邹军 黄永宁 刘志远 史磊 丁茂生 李秀广 于 2021-05-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种变压器绕组运动位移的测量方法、介质及系统。该方法用于暂态动稳定性试验,包括：在变压器绕组正面设置摄像机,以及,在变压器绕组的至少一侧面设置至少一个用于反射所述变压器绕组侧面的平面镜；在变压器绕组静止和运动的过程中,通过所述摄像机连续采集包含检测点的多帧图像,其中,所述图像包括变压器绕组正面的直视图像以及变压器绕组侧面的反射图像,所述检测点位于变压器绕组上,所述检测点同时出现在同帧的所述直视图像和至少一个所述反射图像中；根据所述检测点在所述图像中的位移计算得到所述检测点在三维空间中的位移。本发明可以得到更加充分和准确的变压器绕组运动位移,对于变压器的研发和设计具有重要意义。(The invention discloses a method, medium and system for measuring the movement displacement of a transformer winding. The method is used for transient dynamic stability test, and comprises the following steps: arranging a camera on the front side of the transformer winding, and arranging at least one plane mirror for reflecting the side surface of the transformer winding on at least one side surface of the transformer winding; continuously acquiring multi-frame images containing detection points by the camera in the processes of the static and moving of the transformer winding, wherein the images comprise direct-view images of the front surface of the transformer winding and reflection images of the side surface of the transformer winding, the detection points are positioned on the transformer winding, and the detection points simultaneously appear in the direct-view images and at least one reflection image in the same frame; and calculating the displacement of the detection point in the three-dimensional space according to the displacement of the detection point in the image. The invention can obtain more sufficient and accurate transformer winding movement displacement and has important significance for the research and development and design of the transformer.)
技术领域
本发明涉及变压器绕组运动位移测量技术领域，尤其涉及一种变压器绕组运动位移的测量方法、介质及系统。
背景技术
电力系统短路故障会产生短路电流，也称故障电流。系统中的继电保护和断路器需要快速动作，开断故障电流，切除故障线路，保证电力系统和电力设备的安全运行。
在故障电流被开断之前，故障电流的幅值可达数十千安，持续时间可达数十毫秒。巨大的故障电流产生巨大的电动力，能够损坏电力设备。电力设备耐受短时故障电流电动力破坏的能力，称为暂态动稳定性。暂态动稳定性参数通常表示为最大允许故障电流。对于可能遭受故障电流的电力设备，如变压器、断路器、隔离开关、电流互感器和母线等，暂态动稳定性是其重要的性能参数，以表征其安全运行的条件。
变压器是绕组型设备，较容易受故障电流电动力破坏，导致绕组变形和绝缘损坏等。电动力破坏是导致变压器损坏的重要原因之一。限制变压器故障电流，提高变压器暂态动稳定性，以及检测变压器绕组变形等，是变压器制造和运行中经常面临的问题。
变压器的暂态动稳定性主要通过试验进行考核，在变压器绕组中作用模拟的故障电流，观测变压器绕组的运动、变形和其他的参数变化，评估其暂态动稳定性。现有的变压器绕组运动测量方法主要有：
(1)绕组变形结果观测：在变压器暂态动稳定性试验中，观测绕组几何形状在试验前后的变化情况，评估暂态动稳定性。该观测方法缺少对绕组运动变化过程的观测，无法细致了解其电磁力学过程，也不能很好支撑和检验变压器暂态动稳定性的数字仿真。
(2)基于位移和加速度传感器的关键位置点运动测量：在变压器绕组的关键位置点安装位移传感器或加速度传感器，在变压器暂态动稳定性试验中观测绕组关键位置点的运动。该观测方法的缺点是，测量工作量大，有大量导线连接，通常为一维运动测量。
(3)基于激光点振仪的关键位置点运动测量：激光点振仪的激光束照射在变压器绕组的关键位置点，可以测量该位置点在激光束方向上的振动。该测量为无接触测量，操作简单，但是也是一维运动测量。
在变压器暂态动稳定性试验中，绕组运动是三维的，现有的测量方法不能很好满足绕组三维运动的测量。
发明内容
本发明实施例提供一种变压器绕组运动位移的测量方法、介质及系统，以解决现有技术无法实现变压器绕组三维运动位移测量的问题。
第一方面，提供一种变压器绕组运动位移的测量方法，用于变压器暂态动稳定性试验，所述测量方法包括：在变压器绕组正面设置摄像机，以及，在变压器绕组的至少一侧面设置至少一个用于反射所述变压器绕组侧面的平面镜；在变压器绕组静止和运动的过程中，通过所述摄像机连续采集包含检测点的多帧图像，其中，所述图像包括变压器绕组正面的直视图像以及变压器绕组侧面的反射图像，所述检测点位于变压器绕组上，所述检测点同时出现在同帧的所述直视图像和至少一个所述反射图像中；根据所述检测点在所述图像中的位移计算得到所述检测点在三维空间中的位移。
第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述第一方面实施例所述的变压器绕组运动位移的测量方法。
第三方面，提供一种变压器绕组运动位移的测量系统，包括：如上述第二方面实施例所述的计算机可读存储介质。
这样，本发明实施例，通过在变压器绕组侧面设置平面镜反射变压器绕组侧面的图像，并通过在变压器绕组正面设置摄像机同时采集变压器绕组正面的图像和平面镜反射的变压器绕组侧面的图像，根据图像中的检测点位移与空间中的检测点位移的几何关系，建立联立方程组，通过求解方程组可以得到更加充分和准确的变压器绕组运动位移，对于变压器的研发和设计具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的变压器绕组运动位移的测量方法的流程图；
图2是本发明实施例的变压器的结构示意图；
图3是本发明实施例的变压器绕组、平面镜和摄像机的位置示意图；
图4是本发明实施例的变压器绕组和平面镜的位置的俯视图；
图5是本发明实施例的空间位移方程组的原理示意图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种变压器绕组运动位移的测量方法，用于变压器绕组暂态动稳定试验。因此，该变压器绕组运动指的是变压器暂态动稳定性试验中的绕组运动。本发明实施例的方法在暂态动稳定性试验中能够同步测量绕组不同位置点的三维空间运动轨迹。如图1所示，该变压器绕组运动位移的测量方法包括如下的步骤：
步骤S1：在变压器绕组正面设置摄像机，以及，在变压器绕组的至少一侧面设置至少一个用于反射变压器绕组侧面的平面镜。
该摄像机可采用高速摄像机。高速摄像机的拍摄速度为Frame(帧)/s，即单位时间拍摄的画面帧数。
步骤S2：在变压器绕组静止和运动的过程中，通过摄像机连续采集包含检测点的多帧图像。
图2所示是一台单相变压器的主视图(a)，侧视图(b)和俯视图(c)，其包含铁芯1和绕组2两种部件。绕组2套设在铁芯1上。绕组2为导线绕制结构，包含线匝。
在电动力的作用下，绕组运动包含整体运动，也包含线匝之间的相互运动。此外，绕组运动为三维空间运动，任意一点的运动都包含上下、左右和前后(即三维空间直角坐标系x,y,z坐标的三个方向)的三个分量。
在x,y,z三维空间中，如果摄像机从x方向拍摄变压器绕组的图像，则只能够解析出绕组在y和z方向上的二维运动，无法获得绕组在x方向(拍摄方向)上的运动信息。在x,y,z三维空间中，如果采用两台摄像机，同时从x和y两个方向拍摄变压器绕组的图像，则可以分别解析出绕组在y和z方向上的二维运动以及在x和z方向上的二维运动；但是，由于两台摄像机很难实现准确的时间同步，因此还是难以获得绕组在x,y,z方向上的三维运动。
基于此，本发明提出在绕组的至少一个侧面附近放置至少一个平面镜。如图3和4所示，在一具体实施例中，在绕组2两个侧面附近放置平面镜3反射变压器绕组2侧面，采用一台摄像机4在绕组2的正面拍摄图像。拍摄的图像同时包括变压器绕组2正面的直视图像以及变压器绕组2两个侧面的反射图像，以便通过解析多图像数据，获得绕组2运动位移。
摄像机和平面镜的位置应满足：检测点同时出现在同帧的直视图像和至少一个反射图像中。检测点位于变压器绕组上，即检测点为绕组上选定的任一位置点。平面镜的数量及放置位置根据检测点确定，一般情况下，检测点的位置位于变压器绕组右侧，则检测点同时出现在正面的直视图像和右侧平面镜的反射图像中；检测点的位置位于变压器绕组左侧，则检测点同时出现在正面的直视图像和左侧平面镜的反射图像中。应当理解的是，检测点也可能同时出现在变压器左侧和右侧的平面镜的反射图像中，此时，只需要采用其中一个反射图像即可。此外，若检测点数量为多个，且有检测点不能被已放置的平面镜照到，则再增加平面镜以便使该增加的平面镜照到之前未被照到的检测点。总而言之，在一次试验中应使得所有检测点均可被设置的至少一个平面镜照到，以得到包含检测点的反射图像。
此外，变压器绕组运动表现为高频振动，该振动包含众多的频率分量，设最高振动频率为fmax。绕组运动测量要求能够准确测量绕组振动的所有频率分量。根据采样定理，信号不失真采样的条件是采样率不小于信号最高频率的两倍。据此，若要准确测量绕组振动，要求在绕组振动的最高频率分量的一个周期内至少采样2次以上，即：摄像机的拍摄速度需不小于2倍的变压器绕组振动的最高频率。通常可以选择，采样率为最高频率的4倍。例如，当绕组振动的最高频率为fmax＝1kHz时，高速摄像机的拍摄速度选择为4000Frame/s。
步骤S3：根据检测点在图像中的位移计算得到检测点在三维空间中的位移。
该步骤具体包括如下的过程：
(1)建立变压器绕组静止时以检测点为原点的三维空间直角坐标系O-xyz。
(2)选取检测点静止状态下在t0时刻采集的图像作为参考图像。
(3)在参考图像包含的直视图像中建立以检测点为原点的第一平面直角坐标系O-dq，以及，在参考图像包含检测点的一个反射图像中建立以检测点为原点的第二平面直角坐标系O-wv。
三维空间直角坐标系O-xyz、第一平面直角坐标系O-dq和第二平面直角坐标系O-wv如图5所示。
(3)对于变压器绕组运动过程中采集的tn时刻的图像，根据tn时刻相对于t0时刻检测点在图像中的位移，采用联立方程组，计算得到tn时刻相对于t0时刻检测点在三维空间中的位移。
检测点在三维空间中的位移通过该位移在三维空间直角坐标系的三个坐标轴上的投影表示。
具体的，联立方程组为：
以及，
如图5所示，用O’表示检测点O在tn时刻移到的位置，则tn时刻相对于t0时刻检测点在三维空间中的位移为OO’，距离为Δl，(Δx，Δy，Δz)表示tn时刻相对于t0时刻检测点在三维空间中的位移Δl在三维空间直角坐标系O-xyz的三个坐标轴上的投影。
如图5所示，tn时刻相对于t0时刻检测点在直视图像中的位移为Δh。(Δd，Δq)表示tn时刻相对于t0时刻检测点在直视图像中的位移Δh在第一直角坐标系O-dq的两个坐标轴上的投影。
如图5所示，tn时刻相对于t0时刻检测点在一个反射图像中的位移为Δp。(Δw，Δv)表示tn时刻相对于t0时刻检测点在一个反射图像中的位移Δp在第二直角坐标系O-wv的两个坐标轴上的投影。
kdx，kdy，kdz，kqx，kqy，kqz，kwx，kwy，kwz，kvx，kvy，kvz为位移系数，具体指的是检测点在三维空间直角坐标系O-xyz的任一坐标轴方向的单位位移在第一直角坐标系O-dq以及第二直角坐标系O-wv的各个坐标轴方向对应的位移。应当理解的是，在第一平面直角坐标系O-dq和第二平面直角坐标系O-wv中的位移可以用像素数量来表示。
在上述方程组中，(Δd，Δq)和(Δw，Δv)均可通过图形软件直接从图像上读取像素数。kdx，kdy，kdz，kqx，kqy，kqz，kwx，kwy，kwz，kvx，kvy，kvz可预先标定。因此，可以通过上述的方程组求得检测点在该时间间隔中的空间位移。
具体的，该位移系数可通过如下的方法标定：
(1)在变压器绕组的检测点位置设置三个分别重合于三维空间直角坐标系O-xyz的三个坐标轴的给定长度的标尺。
具体的，选定检测点后，可在依据检测点为原点建立的三维空间直角坐标系中，重合于三个坐标轴各放置一标尺。其中，标尺的零点靠近检测点。优选的，标尺的零点可以与检测点重合。该标尺是相对较小的标尺即可。
(2)通过摄像机采集包含三个标尺的图像。
(3)分别读取每一单位长度标尺在第一直角坐标系O-dq的两个坐标轴上的投影，以及，在第二直角坐标系O-wv的两个坐标轴上的投影。
(4)根据标尺的给定长度和读取的第一直角坐标系O-dq的两个坐标轴上的投影以及第二直角坐标系O-wv的两个坐标轴上的投影，计算标尺的单位长度在第一直角坐标系O-dq以及第二直角坐标系O-wv的各个坐标轴方向的位移，得到位移系数。
具体的，可以在O-xyz坐标系的O点的x,y,z方向分别放置三个Dx，Dy，Dz长度的标尺，并通过图形软件分别读取三个标尺在图像中各个坐标轴上的投影Dd，Dq和Dw，Dv，并计算相应的比值得到位移系数。
具体计算方法为，在第一直角坐标系O-dq中，平行于x坐标轴的标尺长度Dx在d轴上的投影Dd，则Dd/Dx即为kdx，平行于x坐标轴的标尺长度Dx在q轴上的投影Dq，则Dq/Dx即为kqx，平行于y坐标轴的标尺长度Dy在d轴上的投影Dd，则Dd/Dy即为kdy，平行于y坐标轴的标尺长度Dy在q轴上的投影Dq，则Dq/Dy即为kqy，平行于z坐标轴的标尺长度Dz在d轴上的投影Dd，则Dd/Dz即为kdz，平行于z坐标轴的标尺长度Dz在q轴上的投影Dq，则Dq/Dz即为kqz。同理，在第二直角坐标系O-wv中，采用相同的方法处理，平行于x坐标轴的标尺长度Dx在w轴上的投影Dw，则Dw/Dx即为kwx，平行于x坐标轴的标尺长度Dx在v轴上的投影Dv，则Dv/Dx即为kvx，平行于y坐标轴的标尺长度Dy在w轴上的投影Dw，则Dw/Dy即为kwy，平行于y坐标轴的标尺长度Dy在v轴上的投影Dv，则Dv/Dy即为kvy，平行于z坐标轴的标尺长度Dz在w轴上的投影Dw，则Dw/Dz即为kwz，平行于z坐标轴的标尺长度Dz在v轴上的投影Dv，则Dv/Dz即为kvz。
应当理解的是，当摄像机的直视视线与三维空间直角坐标系的x,y,z坐标的某一坐标轴重合时，该坐标方向运动在正面的直视图像上的位移系数将为0。摄像机的直视视线指的是检测点与摄像机的镜头中心的连线。如图5所示，当直视视线与y轴重合时，kdy和kqy为0。同样，当摄像机的反射视线与x,y,z坐标的某一坐标轴重合时，该坐标方向运动在侧面反射图像上的位移系数也将为0。摄像机的反射视线指的是检测点与在检测点看到的平面镜中摄像机的镜头中心的连线。如图5所示，当反射视线与x轴重合时，kwx和kvx为0。
还应当理解的是，每个检测点都要单独标定位移系数。
因此，通过上述的步骤，依次求取采集参考图像以后采集每一帧图像时刻相对于采集参考图像时刻的绕组不同检测点位置的三维空间位移，由此可以获得绕组三维空间运动的轨迹，从而得到检测点三维空间位移随时间变化的特性。
本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的变压器绕组运动位移的测量方法。
本发明实施例还公开了一种变压器绕组运动位移的测量系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。
综上，本发明实施例，通过在变压器绕组侧面设置平面镜反射变压器绕组侧面的图像，并通过在变压器绕组正面设置摄像机同时采集变压器绕组正面的图像和平面镜反射的变压器绕组侧面的图像，根据图像中的检测点位移与空间中的检测点位移的几何关系，建立联立方程组，通过求解方程组可以得到更加充分和准确的变压器绕组运动位移，对于变压器的研发和设计具有重要意义。
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，可轻易想到变化或替换，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。
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