《Applied Sciences》：A Vibration Response Analysis Technique for Condition Monitoring of Transformer Winding
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准确评估电力变压器（Power Transformer）绕组状态对于确保现代电力系统的稳定运行至关重要。振动信号已被视为绕组诊断的有效且有前景的评估工具。尽管在线振动监测为绕组状态提供了连续、非侵入式的在役评估，但建立可变振动模式与特定绕组状态之间的精确关联仍
准确评估电力变压器（Power Transformer）绕组状态对于确保现代电力系统的稳定运行至关重要。振动信号已被视为绕组诊断的有效且有前景的评估工具。尽管在线振动监测为绕组状态提供了连续、非侵入式的在役评估，但建立可变振动模式与特定绕组状态之间的精确关联仍具挑战性。为此，研究人员提出了一种离线振动响应分析（Vibration Response Analysis, VRA）技术。具体而言，首先利用所开发的振动响应测试系统（包括恒流变频电源、中间变压器、加速度计、数据采集、控制与分析系统）激励变压器，获取表征绕组响应的振动频率响应（Vibration Frequency Response, VFR）曲线；随后，通过四种相关性指标对VFR曲线进行定量全面描述；最后，提出层级融合策略将上述指标聚合为状态评估的定量判据。所提方法在真实变压器的正常与故障条件下进行了验证，表现出优异性能。值得注意，评估判据下降10%表明绕组存在早期松动，而下降25%及以上则提示严重松动，需及时提出维护建议。
现代电力系统以高比例可再生能源接入和广泛电力电子接口为特征，这给准确识别电力变压器绕组状态带来了日益严峻的挑战。高次谐波、宽带振荡及直流偏磁等非传统应力因素显著加速了变压器绕组的绝缘老化与机械疲劳，而变压器意外故障将引发电网扰动并可能造成巨大经济损失及人员风险。因此，及时准确地识别绕组状态对于保障现代电网的韧性、早期故障预警能力及优化资产管理至关重要。
现有变压器绕组变形诊断技术主要包括三类：短路阻抗法（Short-circuit Impedance, SCI）、频率响应分析法（Frequency Response Analysis, FRA）及基于振动的分析法。SCI和FRA均可通过电气参数变化识别绕组变形，其中SCI在工频（典型为50 Hz或60 Hz）下测量，FRA则因内部电容与电感耦合随机械变形而改变，被公认为评估绕组机械完整性最灵敏的诊断工具。然而，频率响应曲线的解读困难导致其对操作人员专业知识的高度依赖，一致性与可重复性不足。基于振动的分析技术通过分析从变压器油箱获取的振动信号来识别绕组状态，但信号源于绕组、铁芯及冷却系统等多个强耦合振动源，难以分离表征绕组故障微弱特征的特定振动信号，且易受负载电流、绝缘油温度及油箱结构影响，建立确定性定量映射关系仍具挑战。此外，现有在线振动分析技术很少研究变压器绕组的固有动态特性，而这些特性与绕组结构变化的关联远比常规 examined 特征更为紧密。
为此，研究人员在《Applied Sciences》发表了题为"A Vibration Response Analysis Technique for Condition Monitoring of Transformer Winding"的研究论文，提出了一种新型离线VRA技术用于高效识别变压器绕组状态。该研究通过自主研发的VFR测试系统激励绕组，测量并综合分析多条VFR曲线以探索绕组状态评估判据，并在220 kV和110 kV两台真实变压器上验证了方法的有效性。
研究采用的主要关键技术方法包括：基于恒流变频电源、中间变压器、加速度计及数据采集控制系统的VFR测试系统；采用细化快速傅里叶变换（Zoom-FFT）技术提取振动响应的双频分量振幅以构建VFR曲线；计算邓氏灰色关联度、灰色梯度关联度、灰色面积关联度及递归相似性四种相关性指标；运用D-S证据理论（Dempster-Shafer Evidence Theory）进行动态证据融合以解决指标冲突；采用基于标准差和皮尔逊相关系数的CRITIC（Criteria Importance through Intercriteria Correlation）赋权法结合逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution, TOPSIS）进行多位置信息融合；最终通过平均融合策略获得统一评估参数。
研究结果部分涵盖以下三方面内容：
**VFR曲线相关性指标结果**：以Normal1为参考曲线，计算了四种相关性指标。结果显示，正常状态的相关性指标均高于三种松动状态，验证了扫频过程的良好重复性。不同指标对绕组松动的敏感性和区分能力存在差异：邓氏灰色关联度与灰色梯度关联度在绕组逐渐松动时仍保持相对较高值；灰色面积关联度在绕组逐渐松动时呈现较大幅度下降；递归相似性的变化趋势与灰色梯度关联度类似。部分指标存在异常或冲突，如No. ac2、No. ac6和No. ac9位置的灰色梯度关联度，以及No. ac6和No. ac10位置的灰色面积关联度，这与不同位置振动响应差异、加速度计可靠性或干扰存在有关。
**融合结果**：根据各证据可信度计算动态权重，以邓氏灰色关联度为例，通过Jousselme距离构建置信度矩阵并计算可信度，有效抑制了冲突证据的影响。继而采用CRITIC-TOPSIS方法依次融合不同位置的相关性指标，正理想解（Positive Ideal Solution, PIS）、负理想解（Negative Ideal Solution, NIS）及贴近度系数结果表明，融合后的相关性变化与预设绕组状态一致。最终通过平均融合策略获得评估参数及其变化率，发现评估参数下降约10%可初步判定绕组轻微松动，下降达25%及以上则建议启动有效维护措施。
**对比验证**：将所提方法与Dempster组合规则及传统SCI方法进行对比。直接应用Dempster组合规则融合时，灰色梯度关联度和递归相似性显示Loosen2高于Loosen1，灰色面积关联度显示Loosen3高于Loosen1和Loosen2，未能准确反映实际松动状态，归因于不同位置VFR曲线相关性间的严重证据冲突。而SCI测量结果依据IEC 60076-5及GB/T 1094.5-2008标准判定无绕组变形，与实际绕组状态明显偏离，验证了所提VRA方法的优越性。
讨论部分首先分析了评估判据的适用性。所提离线VFR技术基于VFR曲线相关性的相对变化，理论基础具有普适性，理论上适用于不同电压等级和容量的变压器。在110 kV新变压器上的进一步验证显示，绕组松动和垫块脱落两种预设故障条件下评估参数分别下降13.29%和17.22%，与预设故障一致。同时提出了推荐策略：应与历史数据比较，三相变压器应比较同相或相间评估指标；无基线数据时与同等电压等级、功率等级、服役时间及结构设计的变压器比较；仍不可得时考虑类似运行条件下的其他变压器。此外，应避免在油箱加强筋位置布置加速度计。关于高频谐波影响，研究指出VFR曲线主要提取双频分量振幅，因现有测试系统容量下该分量为振动信号主导分量，但高次谐波在特定条件下不可忽略，未来需进一步研究。
研究结论指出：本文提出的离线VRA技术通过VFR测试系统可靠采集振动信号，经处理计算VFR曲线，通过由动态证据融合、CRITIC-TOPSIS融合及平均融合组成的层级策略获得绕组状态评估判据。在220 kV和110 kV两台变压器上的实验验证表明，评估判据下降约10%预示绕组早期松动，下降25%及以上建议启动维护措施。该方法可作为现场变压器例行试验的重要补充，但实际应用仍面临加速度计布置位置优化、不同结构和电压等级变压器评估判据修订、智能诊断模型构建及高次谐波系统研究等挑战。
