CN103245839B - 电力绝缘设备性能测量及电流传感器固有相移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电流传感器测量绝缘设备性能的方法，其包括：步骤1、在测量绝缘设备漏电流的电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号；步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯噪声混合而成的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向；步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移；步骤4、利用所述电流传感器的固有相移，在测量绝缘设备两端的电压信号和电流传感器的输出信号之间的相位差的过程中校正该相位差，进而得到绝缘设备的性能。

Description

电力绝缘设备性能测量及电流传感器固有相移测量方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，特别是一种电力绝缘设备性能测量及电流传感器固有相移测量方法。

背景技术

电力设备绝缘监测技术是保证电力系统安全运行的关键技术。它是结合传感器技术、计算机技术、电子技术、信号处理以及网络技术，在电力系统运行状态下，对其中的电气设备的绝缘状况进行实时监测，其基本要求是：监测过程不改变系统的运行方式，并保证测量精度等。

容性电力设备的介质损耗(tanδ)是表征设备绝缘性能的一个重要参数，主要通过比较流经设备的漏电流与加在设备两端的高压信号的相位差δ来获得。其中，漏电流的获取主要通过设备接地点处的电流传感器测量获得，要求电流传感器具有较高的测量准确度。

然而，目前应用于各种电力设备绝缘在线监测的电流传感器，都是用高导磁材料作为磁芯绕制而成。在实验室环境下进行测试，这类电流传感器对电流信号角差的监测能够达到较高的精度，同时其稳定性也能满足测量的要求。但实际在线运行后，由于现场的强电磁干扰、环境温度及湿度的大幅度变化、强冲击电流等对磁性材料的作用，使得电流传感器磁芯的性能降低。另一方面，电流传感器中的电子电路同样会受电磁干扰、工作温度及湿度、器件老化等影响，使得输出信号的幅度变比，特别是角差特性发生较大变化。因此，要对电流传感器的角差进行实时监测，以保证绝缘在线监测系统在实际运行中能够获得高精度、稳定可靠的测量结果。

一种在线监测电流传感器角差系统，是人为在传感器的输入端加入已知频率和相位的单频正弦测试电流，在输出端得到的是正常工作时的输出电流与测试电流的混合。采用独立分量分析(ICA)方法将测试信号和电流传感器的原始输出电流分离，通过比较测试信号输入与输出前后相位变化来确定电流传感器的相位。这样就可以通过计算机软件的方法，在电流传感器监测电力设备正常工作的电流的同时获得它的相位，从而实现在线测量。

现阶段最可靠的ICA方式为FastICA算法，该算法的特点是，逐次分离出每一个源分量，而分离顺序依赖于分离矩阵的初值，通常这个初值是随机给定的。FastICA算法在本应用中最主要的问题就是，分离顺序是不可控的，而分离效果却又严重依赖于分离顺序：若其中一个标准信号先于噪声信号被分离出来，则分离结果可能包含比较大的误差；相反，若噪声信号第一个被分离出来，则误差较小。这是因为ICA要求各源分量统计独立；而本模型中的两个附加的标准信号并非统计独立，而仅仅只是满足“正交”这样一个弱分离条件，所以分离这两个标准信号的过程会给噪声分量的分离带来很大的误差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种半盲源分离算法，来替代FastICA算法在正弦信号相位测量中的应用，以改进电力绝缘设备tanδ的测量精度。该算法能有效解决FastICA分离顺序不可控的问题，从而改进测量的精度和速度，并保留原算法抗干扰能力强的优点。

本发明公开了一种利用电流传感器测量绝缘设备性能的方法，其包括：

步骤1、在测量绝缘设备漏电流的电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号；

步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯混合的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向；

步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移；

步骤4、利用所述电流传感器的固有相移，在测量绝缘设备两端的电压信号和电流传感器的输出信号之间的相位差的过程中校正该相位差，进而得到绝缘设备的性能。

本发明还公开了一种测量电流传感器固有相移的方法，其包括：

步骤1、在电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号；

步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯混合的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向；

步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移。

可见，由于漏电流就是通过电流传感器来测量的，但是电流传感器包含一个固有的相位偏移(角差)这造成了对δ的测量误差。因此，本发明提出的上述方法就是在电流传感器正常工作的状态下把这个固有误差测出来，即“在线测量”。然后在每次测量相位差δ时，使用所述相位偏移进行校正。

附图说明

图1是本发明中电力绝缘设备在线测量系统的示意图；

图2是本发明中基于半盲源分离的正弦信号相位测量方法的流程图；

图3是本发明中基于半盲源分离的正弦信号相位测量方法的一次测量的实验样本，其中2(a)为原始正弦信号，2(b)为噪声信号，2(c)为待测信号；

图4是本发明中基于半盲源分离的正弦信号相位测量方法的运行结果，其中3(a)为分离出来的噪声分量，3(b)为恢复出来的正弦分量；

图5是本发明中基于半盲源分离的正弦信号相位测量方法多次运行得到误差分布，其中4(a)中的待测信号的信噪比为6dB，4(b)中的待测信号的信噪比为10dB。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种电力绝缘设备在线测量系统及其方法。

图1示出了本发明公开的电力绝缘设备在线测量系统。该系统包括：

PT信号隔离开关：其用于测量绝缘设备两端的电压U；

电流电压传感器：其用于测量流经绝缘设备的漏电流I_D，在线校正该设备是本发明的核心内容；

过零比较器：其用于测量U和I_D之间的相位差δ；

电子开关：其用于控制测量；

图2示出了本发明公开的电力绝缘设备在线测量方法。如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤1：在测量绝缘设备漏电流的电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，其频率ω_c的优选值为37.5Hz，则电流传感器的输入为测试信号与工频工作信号的线性混合，所述工频工作信号即为流经绝缘设备两端的信号。电流传感器的传递函数在频域内可以表示为一个常数即幅值增益为a，相移(或角差)为因而电流传感器的输出信号即为待测信号，其如下表示：

其中，是由工作信号产生的方波分量，sqr表示方波函数，b为方波分量的幅值，θ为流经绝缘设备的漏电流的相位，ω_p表示工频50Hz，n(t)表示耦合进电流传感器的高斯噪声，a为待测信号中正弦分量的幅值，ω_c为正弦分量的频率。

步骤2：将待测量信号x(t)扩展为三维观测信号X(t)，其中第一维为x(t)，第二维和第三维分别为标准正弦信号sin(ω_ct)和标准余弦信号cos(ω_ct)；

步骤3：计算X(t)的协方差矩阵C＝E{XX^T}；

步骤4：将三维观测信号矩阵分别投影到三个正交的源信号方向上，其中前两个投影方向分别钳制在标准正弦信号和标准余弦信号的方向之上，而第三个投影方向为包括工频工作信号和高斯噪声的噪声分量的投影方向；

由于待测信号x(t)可以分解为一个正弦信号分量和噪声分量g(t)之和，其中噪声分量g(t)为工频工作信号和高斯噪声的混合，而正弦信号分量又可以分解为两个任意的正交的正弦信号sin(ω_ct+ψ)和cos(ω_ct+ψ)的线性混合，其中ψ为一个任意取值的相位参数，所以三维观测信号X(t)是g(t)、sin(ω_ct+ψ)和cos(ω_ct+ψ)这三个彼此正交的信号的线性组合：

因为混合矩阵非奇异，而g(t)、sin(ω_ct+ψ)和cos(ω_ct+ψ)这三个源信号又彼此正交，所以可以通过独立分量分析(ICA)技术来盲分离观测信号X(t)从而恢复出这三个源信号，即

其中是归一化常数。

得到解混矩阵后，利用第一行即可求得电流传感器的固有相移

以FastICA为代表的ICA技术无法控制各个源分量分离出来的顺序，而分离顺序对的求解精度至关重要。

为了控制分离顺序，在本步骤，直接取ψ＝0，将所述两个正交的正弦信号钳制为标准正弦信号和标准余弦信号，从而得到两个投影方向w₁＝[0 1 0]和w₂＝[0 0 1]，分别表示两个正弦源信号的投影方向；

步骤5：求解噪声分量的投影方向；本步骤使用与FastICA相同的技术，在各分量统计独立的约束下最大化负熵。记求解结果为w₃′，则

$\left\{\begin{array}{c}{w_3}^{\′}=\arg \underset{w}{\max }J\left(\mathrm{wX}\right)\\ s.t.w{\mathrm{Cw}}_i^T=0,i=\mathrm{1,2}\end{array}\right.$

其中，J(y)表示信号y的负熵，在这里用下式近似

$J\left(y\right)\≈\frac{1}{4}{\left(E\right\{y^4\}-E\{v_y^4\left\}\right)}^2$

v_y表示与y具有相同均值和方差的高斯信号。

最优优化过程通过随机选取初值再执行牛顿迭代算法来完成，为了保证满足约束条件，在迭代的每一步末尾都补充执行Gram-Schmidt正交化。

步骤6：再次利用独立分量分析，提高噪声分量投影方向的求解精度；上一步的求解过程相当于先分离出两个正弦信号，最后分离出g(t)，这种分离顺序得到的精度w₃′不够高，为了进一步提高噪声分量投影方向的求解精度，本步骤再次运行独立分量分析，但保证噪声分量第一个分离出来，具体操作方式为，使用上步骤得到的w₃′作为初值，再次使用牛顿迭代法，在无约束的条件下最大化负熵J(wX)，得到更精确的求解结果，求解结果记为w₃。

步骤7：显然，w₃的理论值为所以可以根据噪声分量的投影方向w₃计算待测信号中正弦分量的相位，该相位即为电流传感器的固有相移，即角差。具体为：

构造复数z＝-(w₃₂+iw₃₃)/w₃₁，其中w_3i表示w₃的第i个分量，i＝1，2，3，然后提取z的相位，即得到电流传感器的角差

步骤8：将记录在存储设备中，在后续测量δ时，每当求得绝缘设备两端的电压信号与漏电流传感器的输出信号之间的相位差δ时，使用来校正δ，再计算绝缘设备的介质损耗tanδ，进而得到绝缘设备的绝缘性能。

可见，上述方法中由于漏电流就是通过电流传感器来测量的，但是电流传感器包含一个固有的相位偏移(角差)这造成了对δ的测量误差。因此，上述方法就是在电流传感器正常工作的状态下把这个固有误差测出来，即“在线测量”。然后在每次测量相位差δ时，使用所述相位偏移进行校正。

为验证本发明提供的上述绝缘设备的在线测量方法的效果，进行了相应的实验。

图3示出了测量获得的实验样本信号示意图，其中3(a)为原始正弦信号，3(b)为噪声信号，包括部分工频噪声和部分白噪声，3(c)为待测信号x(t)，它是3(a)与3(b)的线性混合。

本实验采用本发明提供的上述方法测量3(c)中正弦信号分量的相位，然后比较其与原始信号3(a)的相位差，并根据该相位差最终获得绝缘设备的绝缘性能。

图4示出了上述实验得到的测量结果。如图4所示，4(a)表示使用本发明步骤1～6提供的方法得到w₃，然后求得的噪声分量g(t)＝w₃X(t)，该分量理论上应该为一个方波信号和一个高斯噪声的叠加。图4(b)为从x(t)中去除噪声分量g(t)后恢复出来的原始正弦信号，这两个信号都只是为了显示求解效果，实际操作中不需要求解这两个信号。

选择不同的信噪比分别重复200次上述实验，信噪比的定义为

$\mathrm{SNR}=\frac{a^2/2}{b^2+{\mathrm{\σ}}_{n\left(t\right)}^2}$

测量误差分布如图5所示。其中5(a)中示出了待测信号的信噪比为6dB时的测量误差分布图，5(b)中示出了待测信号的信噪比为10dB时的测量误差分布图。

由图可见，对于6dB的信噪比，测量误差绝对值小于0.06°的实验次数约占72％；对于10dB的信噪比，测量误差绝对值小于0.06°的实验次数约占90％。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用电流传感器测量绝缘设备性能的方法，其包括：

步骤1、在测量绝缘设备漏电流的电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号；

步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯噪声混合而成的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向；

步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移；

步骤4、利用所述电流传感器的固有相移，在测量绝缘设备两端的电压信号和电流传感器的输出信号之间的相位差的过程中校正该相位差，进而得到绝缘设备的性能；

其中，步骤2具体包括：

步骤21、将待测信号扩展为一个三维观测信号矩阵；其中第一维为待测信号x(t)，第二维和第三维分别为标准正弦信号sin(ω_ct)和标准余弦信号cos(ω_ct)；

步骤22、利用独立分量分析方法将三维观测信号矩阵分别投影到三个正交的源信号的方向上；

步骤23、将前两个投影方向分别钳制在标准正弦信号和标准余弦信号的方向之上，获得其投影方向分别为w₁＝[0 1 0]和w₁＝[0 0 1]，然后在正交化约束的条件下利用最大化负熵的方法求解得到近似第三投影方向；

步骤24、将所述近似第三投影方向作为初始值，在没有约束的情况下重新最大化负熵，计算得到最终的第三投影方向，该第三投影方向即为噪声分量的投影方向；

步骤22中利用独立分量分析方法将三维观测信号矩阵分别投影到三个正交的源信号的方向上具体为：

待测信号分解为一个正弦信号分量和噪声分量之和，其中噪声分量为工频工作信号和高斯噪声的混合，而所述正弦信号分量又分解为两个正交的正弦信号的线性混合，从而三维观测信号是噪声分量、两个正交的正弦信号这三个正交源信号的线性混合，利用独立分量分析盲源分离所述三维观测信号，最终将所述三维观测信号投影到这三个正交的源信号方向上，所述盲源分离结果表示如下：

其中，g(t)为噪声分量，sin(ω_ct+ψ)和cos(ω_ct+ψ)为所述两个正交的正弦信号，a为待测信号中正弦分量的幅值，c为归一化常数，X(t)为三维观测信号，ω_c为待测信号中正弦分量的频率，ψ为一个任意取值的相位参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤22中在有约束的条件下利用最大化负熵的方法求解得到近似第三投影方向，具体如下表示：

$\left\{\begin{array}{c}{w_3}^{\′}=\arg \underset{w}{\max }J\left(\mathrm{wX}\right)\\ s.t.\mathrm{wC}{w}_i^T=0,i=\mathrm{1,2}\end{array}\right.$

其中，w₃′为近似第三投影方向，w_i表示前两个投影方向，J(y)表示信号y的负熵。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移具体为：

构造复数z＝-(w₃₂+iw₃₃)/w₃₁，其中w_3i表示第三投影方向w₃的第i个分量，i＝1，2，3，然后提取z的相位，即得到电流传感器的固有相移。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，取ψ＝0，以将所述两个正交的正弦信号钳制为标准正弦信号和标准余弦信号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中使用来校正δ，再计算绝缘设备的介质损耗tanδ，进而得到绝缘设备的绝缘性能，其中δ为所述相位差，为所述电流传感器的角差。

6.一种测量电流传感器固有相移的方法，其包括：

步骤1、在电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号；

步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯混合的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向；

步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移；

其中，步骤2具体包括：

步骤21、将待测信号扩展为一个三维观测信号矩阵；其中第一维为待测信号x(t)，第二维和第三维分别为标准正弦信号sin(ω_ct)和标准余弦信号cos(ω_ct)；

步骤22、利用独立分量分析方法将三维观测信号矩阵分别投影到三个正交的源信号的方向上；

步骤23、将前两个投影方向分别钳制在标准正弦信号和标准余弦信号的方向之上，获得其投影方向分别为w₁＝[0 1 0]和w₁＝[0 0 1]，然后在正交化约束的条件下利用最大化负熵的方法求解得到近似第三投影方向；

步骤24、将所述近似第三投影方向作为初始值，在没有约束的情况下重新最大化负熵，计算得到最终的第三投影方向，该第三投影方向即为噪声分量的投影方向；

步骤22中利用独立分量分析方法将三维观测信号矩阵分别投影到三个正交的源信号的方向上具体为：

待测信号分解为一个正弦信号分量和噪声分量之和，其中噪声分量为工频工作信号和高斯噪声的混合，而所述正弦信号分量又分解为两个正交的正弦信号的线性混合，从而三维观测信号是噪声分量、两个正交的正弦信号这三个正交源信号的线性混合，利用独立分量分析盲源分离所述三维观测信号，最终将所述三维观测信号投影到这三个正交的源信号方向上，所述盲源分离结果表示如下：

其中，g(t)为噪声分量，sin(ω_ct+ψ)和cos(ω_ct+ψ)为所述两个正交的正弦信号，a为待测信号中正弦分量的幅值，c为归一化常数，X(t)为三维观测信号，ω_c为待测信号中正弦分量的频率，ψ为一个任意取值的相位参数。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电流传感器用于测量电力绝缘设备的漏电流，所述电流传感器的固有相移用于校正电力绝缘设备漏电流相位的测量值，提高电力绝缘设备的tanδ的测量精度。