CN102539890A - 一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力传输技术领域中的一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法。本发明首先获得绝缘的交流泄漏电流信号；然后对绝缘的交流泄漏电流信号进行滤波得到第一信号序列；并对第一信号序列再一次滤波，得到第二信号序列；对第二信号序列进行计算，得到第三信号序列；之后通过绝缘的交流泄漏电流信号和第三信号序列的差值得到第四信号序列；对第四信号序列进行判断，得到第五信号序列，则第五信号序列为陡脉冲分量；最后得到绝缘的交流泄漏电流信号和第五信号序列的差值为周期分量。本发明能有效分离交流泄漏电流中的陡脉冲和周期分量。

Description

一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法

技术领域

本发明属于电力传输技术领域，尤其涉及一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法。 

背景技术

绝缘的交流泄漏电流中含周期分量，也经常包含很陡的脉冲分量，二者均含有体现绝缘状况的信息，有多种基于泄漏电流的绝缘分析需要对周期分量和脉冲分量进行分析，如果不能将二者进行准确分离，必将影响基于泄漏电流的外绝缘分析的效果。数字滤波和非滤波方式可实现对周期性分量和脉冲分量的分离。滤波方法通过滤除脉冲分量从而获得周期性分量，原理简单实现容易，该方法对待分离的两部分没有频率重叠时能达到较好效果。但脉冲分量的频谱分布非常广泛，周期性分量也有多次谐波所组成，而基于滤波的方式，尤其是基于频域的方法仅能获得某一频段内的信号作为分析所得的周期性分量，这样所得的周期性分量中必然舍弃了部分周期性分量，同时又保留了部分脉冲分量，在一定程度上影响分离的效果。而非滤波方式通过阈值判断电流中是否有脉冲，有则用无脉冲的信号替换。该方法原理简单、实现容易，在信号中周期分量周期性强且脉冲分量与周期分量区别明显时具有很好的效果。但实际中存在的脉冲放电幅值有大有小，当有较小幅值的脉冲放电发生在电流的非峰值区时，根据信号的最大幅值来判断该周期内是否发生放电就存在一定的难度，尤其要实现自动阈值则难度更大。因此，绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离 有待于进一步研究。 

发明内容

针对上述背景技术中提到现有滤波方法只能对部分频段滤波等不足，本发明提出了一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法。 

本发明的技术方案是，一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法，其特征是该方法包括以下步骤： 

步骤1：用指定元件获得绝缘的交流泄漏电流信号； 

步骤2：通过第一指定方法以设定长度的滤波窗对绝缘的交流泄漏电流信号进行滤波得到第一信号序列；并以该第一指定方法以设定长度一半的滤波窗对第一信号序列再一次滤波，得到第二信号序列； 

步骤3：通过第二指定方法对第二信号序列进行计算，得到第三信号序列； 

步骤4：通过绝缘的交流泄漏电流信号和第三信号序列的差值得到第四信号序列；对第四信号序列进行判断，得到第五信号序列，则第五信号序列为陡脉冲分量； 

步骤5：绝缘的交流泄漏电流信号和第五信号序列的差值为周期分量。 

所述指定元件为无感电阻或Rogowski线圈。 

所述第一指定方法为改进的中值滤波算法。 

所述第二指定方法为汉宁平滑滤波器。 

所述通过第二指定方法对第二信号序列进行计算的公式为： 

s₃(i)＝0.25s₂(i-1)+0.5s₂(i)+0.25s₂(i+1)2≤i≤N-1 

                s₃(i)＝s₂(i)            i＝1，N 

其中： 

s₃(i)为第三信号序列； 

s₂(i)为第二信号序列； 

i为信号序列的序号； 

N为泄漏电流信号总长度。 

所述对第四信号序列进行判断，得到第五信号序列的过程为： 

步骤4.1：获得第4信号序列中幅值为0的信号点所对应的位置信息组成的数组p(i)，i＝1，2，......，L，L为信号幅值为0的次数； 

步骤4.2：若p(i)和p(i+1)之间的脉冲信号序列的绝对值的最大值大于等于设定的阈值，此最大值为陡脉冲，则保留此段脉冲信号；否则不属于陡脉冲，对应脉冲信号置0。 

所述设定的阈值的计算公式为： 

$I_{\mathrm{pc}}=\frac{1}{10N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|s\left(n\right)\right|$

其中： 

I_pc为设定的阈值； 

s(n)为绝缘的交流泄漏电流信号； 

N为泄漏电流信号总长度。 

本发明的优点有： 

(1)能有效分离交流泄漏电流中的陡脉冲和周期分量 

由于陡脉冲即为突变点，本发明改进的53H算法可有效识别突变点，且考虑了脉冲的特征，采用基于自适应阈值法，有效识别出了真正的陡放电脉冲，故，陡脉冲和周期分量得到了有效的分离。 

(2)适应能力强 

因为改进的53H算法均能有效发现突变点，无论脉冲的幅值是大还是小， 放电位置是在峰值还是在较小值上，本发明均能将陡脉冲分量与周期分量很好分离。 

附图说明

图1为本发明的流程图； 

图2为试验原理图； 

图3为脉冲幅值大时非滤波方式的分离结果；其中：图3a为原电流信号；图3b为分离得到的陡脉冲分量；图3c为分离得到的周期分量； 

图4为脉冲幅值大时改进的53H算法的分离结果；其中：图4a为原电流信号；图4b为分离得到的陡脉冲分量；图4c为分离得到的周期分量； 

图5为脉冲幅值小时改进的53H算法的分离结果；其中：图5a为原电流信号；图5b为分离得到的陡脉冲分量；图5c为分离得到的周期分量； 

图6为脉冲密集时改进的53H算法的分离结果；其中：图6a为原电流信号；图6b为分离得到的陡脉冲分量；图6c为分离得到的周期分量； 

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。 

为解决现有绝缘交流泄漏电流中陡脉冲分量分离方法存在的问题，本发明提供了一种基于53H算法的分离方法。 

本发明的技术方案是：其特征在于，包括以下步骤： 

用无感电阻或Rogowski线圈等方式获得绝缘的泄漏电流信号，记为S； 

利用改进的53H算法对泄漏电流信号进行滤波，得到信号S₁； 

S₂＝S-S₁，对S₂进行处理获得真正的放电脉冲分量，记为S₃； 

S₄＝S-S₃，S₄即为分离得到的周期分量； 

其中，该53H算法为改进的形式，2个滤波窗长度可调，并不固定为5和3。对S₂进行处理时假设脉冲是从过零点开始，然后幅值增加到峰值后再减少经过零点，根据此获得独立的脉冲。放电脉冲幅值大于临界值I_pc时认为该脉冲为陡放电脉冲。临界值I_pc为一个与绝缘的交流泄漏电流信号的幅值的均值成正比的量。 

下面对本发明实施例进行具体的介绍：结合图1，应用本发明的步骤为： 

用无感电阻或Rogowski线圈等方式获得绝缘的交流泄漏电流信号S； 

利用改进的53H算法对泄漏电流信号进行滤波，得到信号S₁； 

S₂＝S-S₁，根据阈值和波形特征对S₂进行处理获得真正的陡放电脉冲分量S₃； 

S₄＝S-S₃，S₄即为分离得到的周期分量； 

1.改进的中值滤波算法 

中值滤波是一种非线性的滤波方法，该方法通过对窗内信号取中值来抑制脉冲噪声的干扰，通过窗的向后移动最终得到滤波后信号。因为陡脉冲状分量持续时间不长且通常处于周围信号的极大值或极小值的位置，选择一定长度的窗，然后对窗内信号取中值通常能将脉冲噪声对应部分变为符合信号整体趋势的部分。因此，该算法对含脉冲状噪声叠加的信号尤为有效。中值滤波算法原理简单、实现容易、滤波效果不错。 

为了对信号开头和结尾的几个点也实现滤波，可以使用下面的改进形式来实现，滤波后所得信号为： 

$s_1\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Med}\left(\right\{s\left(j\right)|0\≤j\≤2i\}),& 0\≤i\≤k-1\\ \mathrm{Med}\left(\right\{s\left(j\right)|i-k\≤j\≤i+k\}),& k\≤i\≤N-k-1\\ \mathrm{Med}\left(\right\{s\left(j\right)|2i-N+1\≤j\≤N-1\}),& N-k\≤i\≤N-1\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，函数Med(S)获得序列S的中位数；2k+1为滤波窗的长度；s(j)和s₁(i)分别为绝缘的交流泄漏电流信号和滤波后的信号；k为滤波窗的长度；N为泄漏电流信号总长度。 

经过中值滤波处理后，反映突变部分的放电脉冲已经基本被滤除，s₂(n)＝s(n)-s₁(n)为脉冲分量。但考虑到中值滤波对除放电脉冲其他部分的信号也进行了滤波，由于量化误差等原因导致此时所得脉冲部分s₂(n)中含有虚假的小脉冲，应该予以抑制。考虑到放电陡脉冲是从过零点开始，然后幅值增加到峰值后再减少到过零点，每次放电脉冲的最大幅值应大于一临界值I_pc，而s₂(n)中虚假放电脉冲的最大幅值则小于此临界值I_pc，根据此可删除s₂(n)中的虚假放电脉冲。I_pc的取值将严重影响分离所得脉冲分量，可以设定一固定值或设定为与泄漏电流有关的某一值，本发明通过对大量测量所得绝缘子泄漏信号分离结果的分析发现，不同情况时，下式均具有不错的效果： 

$I_{\mathrm{pc}}=\frac{1}{10N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|s\left(n\right)\right|---\left(2\right)$

根据上式获得的阈值能随着信号的变化而变化，根据该阈值能自动舍弃峰值过小的突变信号而保留较大的脉冲放电信号，因此具有较好的自适应性。如果想在分离所得陡脉冲分量中保留一些稍大幅值的放电信号，则I_pc可选择适当大些。 

因为放电都是从0开始然后幅值上升最后再降到0结束。如果仅根据s₂(n) 中信号的幅值是否大于I_pc来判断该点是否属于脉冲放电，则将会使脉冲内的小幅值部分被忽略而影响分离效果，应该根据整个脉冲的幅值是否大于I_pc来决定脉冲的取舍。因此，对s₂(n)的处理如下： 

(1)获得s₂(n)中由幅值为0的信号点所对应的位置信息组成的数组p(i)，i＝1，2，......，L，L为信号幅值为0的次数，令过零点序号i＝1； 

(2)设A＝max{|s₂(j)||p(i)≤j≤p(i+1)}，如果A≥I_pc则属于陡脉冲，将{|s₂(j)||p(i)≤j≤p(i+1)}保留；否则脉冲信号不属于陡脉冲，对应脉冲信号置0，即{s₂(j)＝0|p(i)≤j≤p(i+1)}； 

(3)如果i≤L-2，则i＝i+1，返回(2)；否则结束转至(4)； 

(4)此时获得的s₂(n)即为放电陡脉冲分量，根据以上过程也可获得放电脉冲的数目。周期分量s₁(n)＝s(n)-s₂(n)。 

窗长度M对算法分离性能有非常大的影响，M选择过大则算法速度变慢；如果M选择过小则算法效果将严重下降。M的合理值与脉冲宽度以及信号的情况有关，对于泄漏电流来说主要取决于脉冲宽度，脉冲持续时间越短、采样频率越低，则M应该适当选择相对较小值，否则M应适当选择稍大些。对于本发明的情况M＝31取得不错的效果。 

2.改进的53H算法 

53H算法首先使用窗长分别为5和3的中值滤波(根据式1)产生一个新的信号序列，然后再使用一个3点的汉宁平滑滤波器对所得信号进行滤波，所得序列即为原序列的平滑估计。将泄漏电流信号和滤波所得新序列的差值序列处理后得到陡脉冲分量(方法在第4页3中介绍)，原信号与陡脉冲分量的差即为周期分量。但对试验室测量所得泄漏电流信号的分离结果表明，当采样频率较 高时(比如本发明采用的25kHz)，中值滤波窗的长度选择5、3则过小，使滤波性能下降。因此，本发明中对其进行改进，即选择53H算法中第一个滤波窗长度与改进中值滤波窗长度一致，第2个窗长为第一个的一半。同时算法的中值滤波使用改进的形式。算法通过中值滤波、平滑滤波以及平滑后信号与原信号的比较能有效发现信号中的突变点。但需要指出的是，与上节类似，得到差值序列后不能以其值是否大于阈值而判断该点是否为脉冲点，而需要对整个脉冲进行分析。算法具体步骤如下： 

(1)设采样所得绝缘的交流泄漏电流信号为序列s(n)，根据s(n)获得第一信号序列s₁(n)，方法为s₁(n)＝MF(s(n))，MF为改进中值滤波算法； 

(2)根据第一信号序列s₁(n)获得第二信号序列s₂(n)，方法为s₂(n)＝MF(s₁(n))，中值滤波窗长为(1)的一半；再次中值滤波以进一步滤除泄漏电流信号中的突变分量。 

(3)使用汉宁平滑滤波器处理第二信号序列s₂(n)获得第三信号序列s₃(n)，方法为当2≤i≤N-1时，s₃(i)＝0.25s₂(i-1)+0.5s₂(i)+0.25s₂(i+1)，当i＝1，N时s₃(i)＝s₂(i)； 

(4)第四信号序列s₄(n)＝s(n)-s₃(n)为差值序列，按照前面的分析，此时得到的s₄(n)中可能存在很多的虚假放电信号，将s₄(n)看成s₂(n)经过第1节中(即1改进的中值滤波算法部分)步骤(1)～(3)的处理。设得到的第五信号序列s₅(n)，此即为陡脉冲分量，第六信号序列s₆(n)＝s(n)-s₅(n)即为周期分量。 

至此泄漏电流的周期性分量和陡脉冲分量也得到了较好的分离。 

以下实验可说明本发明提供算法在具体实施中的效果： 

绝缘子泄漏电流试验原理图如图2所示。其中，T1为调压器，T2为隔离变压器，L为滤波器，T3为变压器，G为球隙，K为人工气候室，S为试品绝缘子，F为电容分压器，R1为变压器防振电阻，R2为球隙保护电阻，R3为无感电阻，TVS为瞬态电压抑制器，Y为示波器。 

试品为内蒙古精诚高压电瓷有限公司生产的XWP2-70高压线路耐污盘形悬式绝缘子，单片试品加恒压10kV，采样频率为25kHz，采样点数为2500。 

将基于非滤波方式的分离方法以及本发明使用的基于改进的53H算法都在MATLAB7.1中实现。将三种算法对大量的含有陡脉冲放电的泄漏电流信号进行了分离，现选取3个典型信号的分离结果进行说明。 

图3、图4所示例子中周期分量与陡脉冲放电信号幅值上有着明显的界限。非滤波方式的分离算法有望能选择合适的阈值，比如1毫安，则分离所得工频周期信号、陡脉冲放电分量如图3(b)和(c)所示，此时该方法能有效分离周期分量和陡脉冲分量。但分离的脉冲分量中含有少许噪声，这是因为用未放电的一个周期信号替换放电的一个周期信号时由于不同周期信号存在一些差异导致。本发明使用改进的53H算法也能得到较好的效果，但分离所得陡脉冲分量中亦有幅值很小的脉冲，这主要是因为污秽、湿度以及电压的影响导致泄漏电流信号在对应区域存在一定幅值的脉冲所致，将式(2)适当增大可抑制这些脉冲。 

但对于绝缘子，其脉冲放电分量并非固定不变，某些周期放电脉冲幅值大，某些周期放电脉冲幅值小的情况也难以避免，而且放电未必会发生于周期信号的峰值区。此时，仅含小幅值脉冲的周期对应电流的峰值与无放电周期的电流信号峰值非常接近，这给非滤波方式的分离方法中阈值的选择造成了较大的困难，此时该方法难以很好地判断信号中是否存在脉冲放电。而本发明使用的改进的53H算法就不存在这个问题，它不是基于幅值判断而是根据信号中的突变 点判断，这很好地适应了陡脉冲放电的情况，分离所得结果如图5所示：信号第一个周期的峰值仅大于未放电信号，峰值很小，故对于非滤波方式的分离方法，易将第一个周期的信号误认为没有放电而使分离结果存在一定的误差。 

随着污秽度和湿度的增加，绝缘子放电现象越来越频繁和严重，找到在一个周期内没有放电的信号将变得越来越困难。此时因为每个周期都存在放电，难以找到没有放电的信号去替换放电的信号，非滤波方式的泄漏电流分离方法使用起来存在一定的难度，甚至无法使用。而本发明使用的改进的53H算法则不存在这个问题，即使每个周期信号中都存在陡脉冲放电，两种算法都能很好分离其中的周期分量和脉冲放电分量。分离所得结果如下： 

对于图6中脉冲信号非常密集，本发明方法也能很好地分离，分离得到的周期分量比较平滑。如果将周期分量与原泄漏电流合在一起比较则会发现，没有放电的地方二者完全吻合，而有脉冲放电的区域分离所得周期分量很好地延续了信号的整体趋势。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (7)

1.一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：用指定元件获得绝缘的交流泄漏电流信号；

步骤2：通过第一指定方法以设定长度的滤波窗对绝缘的交流泄漏电流信号进行滤波得到第一信号序列；并以该第一指定方法以设定长度一半的滤波窗对第一信号序列再一次滤波，得到第二信号序列；

步骤3：通过第二指定方法对第二信号序列进行计算，得到第三信号序列；

步骤4：通过绝缘的交流泄漏电流信号和第三信号序列的差值得到第四信号序列；对第四信号序列进行判断，得到第五信号序列，则第五信号序列为陡脉冲分量；

步骤5：绝缘的交流泄漏电流信号和第五信号序列的差值为周期分量。

2.根据权利要求1所述的一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法，其特征是所述指定元件为无感电阻或Rogowski线圈。

3.根据权利要求1所述的一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法，其特征是所述第一指定方法为改进的中值滤波算法。

4.根据权利要求1所述的一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法，其特征是所述第二指定方法为汉宁平滑滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法，其特征是所述通过第二指定方法对第二信号序列进行计算的公式为：

s₃(i)＝0.25s₂(i-1)+0.5s₂(i)+0.25s₂(i+1)2≤i≤N-1

s₃(i)＝s₂(i)                           i＝1，N

其中：

s₃(i)为第三信号序列；

s₂(i)为第二信号序列；

i为信号序列的序号；

N为泄漏电流信号总长度。

6.根据权利要求1所述的一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法，其特征是所述对第四信号序列进行判断，得到第五信号序列的过程为：

步骤4.1：获得第4信号序列中幅值为0的信号点所对应的位置信息组成的数组p(i)，i＝1，2，......，L，L为信号幅值为0的次数；

步骤4.2：若p(i)和p(i+1)之间的脉冲信号序列的绝对值的最大值大于等于设定的阈值，此最大值为陡脉冲，则保留此段脉冲信号；否则不属于陡脉冲，对应脉冲信号置0。

7.根据权利要求6所述的一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法，其特征是所述设定的阈值的计算公式为：

$I_{\mathrm{pc}}=\frac{1}{10N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|s\left(n\right)\right|$

其中：

I_pc为设定的阈值；

s(n)为绝缘的交流泄漏电流信号；

N为泄漏电流信号总长度。

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