專利名稱：基于時頻特征參數(shù)的變電站多源局部放電檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電カ系統(tǒng)高電壓與絕緣技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于時頻特征參數(shù)的變電站多源局部放電檢測方法及裝置。
背景技術(shù)：
國內(nèi)現(xiàn)有對變電站的局部放電進行監(jiān)測及定位的方法基本都是先針對變電站內(nèi)單個電力設備進行局部放電監(jiān)測與定位，然后綜合各個電カ設備的監(jiān)測情況評估整個變電站電カ設備的局部放電狀況。針對單個變電站設備(GIS地理信息系統(tǒng)、變壓器、容性設備等)的局部放電檢測，一般通過監(jiān)測局部放電所產(chǎn)生的電信號、射頻信號、聲信號或者其他化學量或物理量來實現(xiàn)。在長期的檢測與維修過程中，因為設備一直處于維護過程中，單個設備多處同時發(fā)生局部放電的可能性比較小，目前應用到單個設備的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)基本都不考慮多源局部放電的情況。而針對整個變電站進行局部放電監(jiān)測，變電站中的任何高壓電カ設備均可能會發(fā)生局部放電故障，要想對全站的一次電氣設備實施監(jiān)測，采用上述監(jiān)測方式，就需要在每ー個設備上都安裝局部放電監(jiān)測裝置，這樣可以自動區(qū)分不同電カ設備的局部放電信號，但是這樣需要安裝多套局部放電監(jiān)測裝置，需要耗費大量的時間、財カ進行設備采購及安裝；測試時需攜帶多套不同類型儀器，操作不便；眾多監(jiān)測裝置的維護和管理也需耗費大量的時間和人力。目前的監(jiān)測形式難以適應今后智能變電站遠程管理的發(fā)展需要。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了基于時頻特征參數(shù)的變電站多源局部放電檢測方法及裝置，能夠檢測由不同局部放電源所產(chǎn)生的局部放電UHF (Ultra HighFrequency,超高頻)信號。本發(fā)明提供了基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法，包括在預設時間內(nèi)采集UHF天線接收的超高頻信號；從所述UHF天線獲取所述超高頻信號的脈沖波形的片段，組成波形片段序列；根據(jù)所述波形片段序列計算時頻參數(shù)，確定時頻特征向量，對時頻特征向量進行模糊聚類分析；將聚類分析的結(jié)果中分好類的各類脈沖波形的特征與預設的超高頻脈沖波形的特征進行對比，確定所述脈沖波形的類型。相應地，本發(fā)明還提供了基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類裝置，包括信號采集單元，用于在預設時間內(nèi)采集UHF天線接收的超高頻信號；與所述信號采集單元相連的波形片段獲取単元，用于從所述UHF天線獲取所述超高頻信號的脈沖波形的片段，組成波形片段序列；與所述波形片段獲取単元相連的聚類分析単元，用于根據(jù)所述波形片段序列計算時頻參數(shù)，確定時頻特征向量，對 時頻特征向量進行模糊聚類分析；與所述聚類分析単元相連的對比識別單元，用于將聚類分析的結(jié)果中分好類的各類脈沖波形的特征與預設的超高頻脈沖波形的特征進行對比，確定所述脈沖波形的類型。實施本發(fā)明，具有如下有益效果本發(fā)明在變電站場地內(nèi)安裝若干個寬帶全向UHF天線傳感器陣列接收局部放電發(fā)出的電磁波信號，可用ー套裝置對全站設備進行局部放電的監(jiān)測，獲取和定位整個變電站站域的放電情況。通過基于不同局部放電源所產(chǎn)生超高頻放電信號在時域與頻率的特征不同，運用模糊聚類的方法對其進行聚類，以分離不同局部放電源所產(chǎn)生的局部放電UHF信號。進ー步地，可將其分類結(jié)果與系統(tǒng)定位結(jié)果的分類結(jié)果進行交叉対比，以確認多局部放電源的存在與定位的準確性。


圖I是典型放電UHF信號波形及其頻譜；圖2是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法的流程圖；圖3是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法的示意圖；圖4是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法的第一實施例流程圖；圖5是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法的第二實施例流程圖；圖6是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類裝置的示意圖；圖7是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類裝置的第一實施例的聚類分析単元示意圖；圖8是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類裝置的第二實施例的參數(shù)設定單元示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步地詳細描述。絕緣故障是電カ設備在運行中最主要的可能故障之一，電カ設備發(fā)生絕緣故障前，一般都會有一個逐漸發(fā)展的局部放電過程，最終導致絕緣擊穿。如果在這個過程能夠?qū)\行設備進行局部放電監(jiān)測和診斷，及時發(fā)現(xiàn)局部放電信號，提前對缺陷進行處理，就能有效避免絕緣擊穿故障的發(fā)生。對局部放電位置的定位，也有助于制定更有針對性的檢修處理方案，減少停電時間，提高檢修效率。超高頻(UHF)電磁波法是局部放電檢測的ー種新方法，該方法通過UHF天線傳感器接收當電カ設備內(nèi)發(fā)生局部放電過程輻射的電磁波中的超高頻段(300 3000MHz)信號來檢測局部放電。超高頻電磁波檢測的優(yōu)點為檢測頻段較高，可以有效地避開常規(guī)局部放電測量中的電暈、開關(guān)操作等多種電氣干擾；檢測頻帶寬，所以其檢測靈敏度很高，且電磁波在空氣中的傳播速度近似光速，通過構(gòu)建ー個UHF天線矩陣，利用傳播到天線矩陣內(nèi)各個UHF天線的UHF信號的時差可以用來計算局部放電源的位置。相對于單個電カ設備的局部放電監(jiān)測而言，由于整個變電站的局部放電監(jiān)測的電カ設備對象多，所以多個電カ設備同時發(fā)生局部放電的可能性大，在監(jiān)測過程中區(qū)分不同局部放電源所激發(fā)的UHF信號，以便更加準確的定位。圖I是典型放電UHF信號波形及其頻譜。如圖I所示，對變電站電カ設備的局部放電信號進行分類整理，可以將其歸納為針尖放電，沿面放電、懸浮放電、金屬微粒、絕緣內(nèi)部放電等。另外電力設備中局部放電發(fā)生空間的絕緣介質(zhì)可能為空氣，SF6和絕緣油等。理論上而言，不同的放電類型，局部放電形成的機理不同，其放電的過程不盡相同。 其所激發(fā)的局部放電UHF信號在時域內(nèi)與頻域內(nèi)的特性則不盡相同。另外局部放電所激發(fā)UHF信號的特性受到局部放電空間的絕緣介質(zhì)有關(guān)，同時也和局部放電周圍空間電カ設備的幾何結(jié)構(gòu)與所用材料，接受UHF信號的傳感器與局部放電源之間的空間距離與路徑有夫，因為上述因素會影響UHF信號的傳播。試驗研究也證實了上述理論分析。以下數(shù)據(jù)給出了相同的放電形式在不同的絕緣介質(zhì)中所激發(fā)的UHF信號頻譜分布不同，以及不同放電形式在相同絕緣介質(zhì)中所激發(fā)的UHF信號頻譜分布不同的示例?；贕IS實物模型的四種缺陷模擬試驗結(jié)果也反映出不同的放電類型其放電波形及頻譜不同，試驗結(jié)果如圖I所示。而下表則總結(jié)了不同放電類型所產(chǎn)生的UHF信號的頻帶分布特征。表I :
局放模3!針臾放電氣洗故電懸浮放電沿面放電
脈沖持_時間(ns)30。 4。0400—50045。左右3D0 400
J 首脈沖半波寬度(ps)135丨64丨91139
^ 頻譜分布 (CHz)1—62~40.4—40.5 6.5
5 主要能量分布(GKz)1~32. 5—3. 32—2. 7I 3
微 LLLLL以上試驗結(jié)果充分證明，對于局部放電相同的絕緣介質(zhì)不同的放電類型，相同的放電類型不同的絕緣介質(zhì)，其激發(fā)的UHF信號波形及其頻譜特征存在很大的差異。對變電站局部放電進行整體監(jiān)測，可以通過分析所監(jiān)測到的局部放電UHF信號的波形及頻譜特性，用以區(qū)分多源局部放電信號。圖2是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法的流程圖，包括SlOl :在預設時間內(nèi)采集UHF天線接收的超高頻信號；S102 :從所述UHF天線獲取所述超高頻信號的脈沖波形的片段，組成波形片段序列；S103:根據(jù)所述波形片段序列計算時頻參數(shù)，確定時頻特征向量，對時頻特征向量進行模糊聚類分析；S104:將聚類分析的結(jié)果中分好類的各類脈沖波形的特征與預設的超高頻脈沖波形的特征進行對比，確定所述脈沖波形的類型。變電站局部放電監(jiān)測與定位系統(tǒng)所監(jiān)測的對象為所監(jiān)測變電站整體。變電站中存在眾多的電カ設備，如變壓器，斷路器，互感器，避雷器等，不排除整個變電站存在多個局部放電源，同時產(chǎn)生局部放電的可能性，如果存在這樣的情況，判斷是否存在多源局部放電信號，并對其進行定位與識別成為變電站整體監(jiān)測與定位系統(tǒng)的關(guān)鍵性能。本發(fā)明在變電站場地內(nèi)安裝寬帶全向UHF天線傳感器陣列接收局部放電發(fā)出的電磁波信號，可用ー套裝置對全站設備進行局部放電的監(jiān)測，獲取和定位整個變電站站域的放電情況。首先，連續(xù)采集UHF天線接收的UHF信號；然后，獲取所述UHF信號內(nèi)包含的局部放電UHF脈沖波形的片段，組成波形片段序列；當所述UHF天線陣列由一根天線組成時，所 述波形片段序列只包括該跟天線接收的UHF信號所包含的波形片段；當所述UHF天線陣列由多根天線組成時，所述波形片段序列包括由這些天線接收的UHF信號所包含的波形片段。最后，從所述波形片段序列中提取時頻參數(shù)確定特征向量，以該特征向量進行模糊聚類分析，根據(jù)聚類分析的結(jié)果與典型的UHF脈沖波形的特征進行對比，確定所述局部放電UHF脈沖波形的類型。當所述波形片段序列只包括單根天線接收的UHF信號所包含的波形片段時，可由該波形片段序列提取時頻參數(shù)，進行聚類分析；當所述波形片段序列包括由多天線接收的UHF信號所包含的波形片段時，可從該波形片段序列中根據(jù)實際需要從中選取波形片段序列提取時頻參數(shù)，進行聚類分析。通過將聚類分析的結(jié)果與與預設的超高頻脈沖波形的特征進行對比，可以分離不同局部放電源所產(chǎn)生的局部放電UHF信號，從而對其進行定位與識別。通過該裝置首先粗選有缺陷的設備或設備部件，確定設備或設備部件有了缺陷和故障風險后再進行深入分析和定位，成本低，效率高。圖3是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法的示意圖；圖4是本發(fā)明基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法的第一實施例流程圖，與圖2相比，本發(fā)明實施例的采用傳統(tǒng)的模糊聚類方法對時頻特征向量進行分類。S201 :在預設時間內(nèi)采集UHF天線接收的超高頻信號；S202 :從所述UHF天線獲取所述超高頻信號的脈沖波形的片段，組成波形片段序列；S203 :根據(jù)所述波形片段序列計算時頻參數(shù)，確定時頻特征向量；S204 :計算設定聚類分析的分類數(shù)，根據(jù)所述時頻特征向量獲取模糊聚類的目標函數(shù)的極小值；S205:在所述目標函數(shù)取扱小值時，將各個聚類原型矢量組成最佳模糊分類矩陣；S206 :根據(jù)所述最佳模糊分類矩陣，獲取各類分類信號的聚類中心；S207:將聚類分析的結(jié)果中分好類的各類脈沖波形的特征與預設的超高頻脈沖波形的特征進行對比，確定所述脈沖波形的類型。在變電站安裝數(shù)個寬帶全向UHF天線傳感器,構(gòu)成UHF天線陣列,接收全站范圍內(nèi)激發(fā)的UHF信號。局部放電監(jiān)測系統(tǒng)采用脈沖觸發(fā)方式檢測UHF天線接收的UHF信號，并對檢測的信號分段進行采集與存儲。整個檢測過程是連續(xù)的，天線陣內(nèi)n個天線接收的UHF信號是同步采集并存儲的，該存儲的信號為ー含局部放電UHF脈沖的波形片段序列a。每個局部放電UHF脈沖的波形片段組所含的波形數(shù)與UHF天線陣所含UHF天線數(shù)相等。系統(tǒng)采樣率在I. 5GS/s以上。以記錄的局部放電UHF脈沖的波形片段序列中分離出同一根天線獲取的局部放電UHF脈沖波形序列b，如圖3所示，提取序列b中局部放電脈沖的時頻參數(shù)t0, f0, T，W，并已之作為局部放電UHF脈沖信號的特征量。采用傳統(tǒng)的模糊聚類方法，以提取的時頻參數(shù)為特征量，對記錄的變電站局部放電UHF脈沖的波形片段b進行分類。確定分類數(shù)，以及每類信號的典型波形及其時頻參數(shù)。具體地，求取所使用的時頻參數(shù)有中心時間b，中心頻率ち，等效時長T，等效頻寬W等，其計算公式為
權(quán)利要求
1.一種基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法，其特征在于，包括 在預設時間內(nèi)采集UHF天線接收的超高頻信號； 從所述UHF天線獲取所述超高頻信號的脈沖波形的片段，組成波形片段序列； 根據(jù)所述波形片段序列計算時頻參數(shù)，確定時頻特征向量，對時頻特征向量進行模糊聚類分析； 將聚類分析的結(jié)果中分好類的各類脈沖波形的特征與預設的超高頻脈沖波形的特征進行對比，確定所述脈沖波形的類型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法，其特征在于，對時頻特征向量進行模糊聚類分析的步驟，包括 計算設定聚類分析的分類數(shù)，根據(jù)所述時頻特征向量獲取模糊聚類的目標函數(shù)的極小值； 在所述目標函數(shù)取扱小值時，將各個聚類原型矢量組成最佳模糊分類矩陣； 根據(jù)所述最佳模糊分類矩陣，分類多源局部放電信號，并獲取各類分類信號的聚類中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法，其特征在干，計算設定聚類分析的分類數(shù)的計算步驟，包括 以每個時頻特征向量作為假定中心，根據(jù)其它時頻特征向量與該假定中心的距離，獲取該假定中心的可能性權(quán)值； 取可能性權(quán)值最大的假定中心作為第一聚類中心，并將該可能性權(quán)值作為最大權(quán)值Pmax ； 設定可能性權(quán)值最小值Pmin= e XPmax,根據(jù)所述可能性權(quán)值Pi>Pmin,確定分類數(shù)，其中，e為預設的分類系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法，其特征在于所述分類系數(shù)e的范圍包括,0.15 < e <0.2。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4任一項所述的基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類方法，其特征在干，將聚類分析的結(jié)果中分好類的各類脈沖波形的特征與預設的超高頻脈沖波形的特征進行對比，確定所述脈沖波形的類型的步驟，包括 當所述聚類分析的結(jié)果中分好類的各類脈沖波形的特征與預設的超高頻脈沖波形的特征不相匹配時，確定該分類為干擾信號的波形。
6.一種基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類裝置，其特征在于，包括 信號采集單元，用于在預設時間內(nèi)采集UHF天線接收的超高頻信號； 與所述信號采集單元相連的波形片段獲取単元，用于從所述UHF天線獲取所述超高頻信號的脈沖波形的片段，組成波形片段序列； 與所述波形片段獲取単元相連的聚類分析単元，用于根據(jù)所述波形片段序列計算時頻參數(shù)，確定時頻特征向量，對時頻特征向量進行模糊聚類分析； 與所述聚類分析単元相連的對比識別單元，用于將聚類分析的結(jié)果中分好類的各類脈沖波形的特征與預設的超高頻脈沖波形的特征進行對比，確定所述脈沖波形的類型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類裝置，其特征在于，所述聚類分析單元包括參數(shù)設定單元，用于計算設定聚類分析的分類數(shù)，根據(jù)所述時頻特征向量獲取模糊聚類的目標函數(shù)的極小值； 與所述參數(shù)設定單元相連的最佳分類單元，用于在所述目標函數(shù)取扱小值時，將各個聚類原型矢量組成最佳模糊分類矩陣； 與所述最佳分類單元相連的聚類中心確定單元，用于根據(jù)所述最佳模糊分類矩陣，分類多源局部放電信號，并獲取各類分類信號的聚類中心。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類裝置，其特征在于，所述參數(shù)設定單元包括 可能性分析単元，用于以每個時頻特征向量作為假定中心，根據(jù)其它時頻特征向量與該假定中心的距離，獲取該假定中心的可能性權(quán)值； 與所述可能性分析単元相連的第一聚類中心単元，用于取可能性權(quán)值最大的假定中心作為第一聚類中心，并將該可能性權(quán)值作為最大權(quán)值Pmax ； 與所述第一聚類中心単元相連的聚類中心確定單元，用于設定可能性權(quán)值最小值Pmin= e XPmax,根據(jù)所述可能性權(quán)值Pi>Pmin,確定分類數(shù),其中，e為預設的分類系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類裝置，其特征在于，所述聚類中心確定單元包括分類系數(shù)設定單元，用于預設所述分類系數(shù)e。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9所述的基于時頻參數(shù)的變電站多源局部放電信號檢測分類裝置，其特征在于，還包括 與所述對比識別單元相連的干擾判斷単元，用于在所述聚類分析的結(jié)果中包含與預設的超高頻脈沖波形的特征不相匹配的聚類中心時，確定該分類為干擾信號的波形。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于時頻特征參數(shù)的變電站多源局部放電檢測方法及裝置。該方法包括在預設時間內(nèi)采集UHF天線接收的超高頻信號；從所述UHF天線獲取所述超高頻信號的脈沖波形的片段，組成波形片段序列；根據(jù)所述波形片段序列計算時頻參數(shù)，確定時頻特征向量，對時頻特征向量進行模糊聚類分析；將聚類分析的結(jié)果中分好類的各類脈沖波形的特征與預設的超高頻脈沖波形的特征進行對比，確定所述脈沖波形的類型。采用本發(fā)明，可以通過基于不同局部放電源所產(chǎn)生超高頻放電信號在時域與頻率的特征不同，運用模糊聚類的方法對其進行聚類，以分離不同局部放電源所產(chǎn)生的局部放電UHF信號。
文檔編號G01R31/12GK102645620SQ20121015475
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者劉亞東, 朱文俊, 李峰, 柯春俊, 梁文進, 江秀臣, 王紅斌, 盛戈皞, 胡岳, 謝善益, 鄭曉光 申請人:上海交通大學, 廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院