CN103454564A - 高压开关柜局部放电检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压开关柜局部放电检测系统及方法，以基于信息融合技术的声电联合在线监测系统，即以采用超声波、超高频监测法共同对智能高压开关柜进行在线监测。本发明集中了超声波监测法和超高频监测法的优点，利用信息融合技术将得到的放电信号进行特征层和决策层的信息融合，并根据融合后的放电信息进行故障诊断。通过在线监测及时发现智能高压开关柜中的绝缘故障和放电情况，保障智能电网安全运行。解决了现有技术的超声波检测范围较窄，不利于放电信息的分析；检测装置不能就地的显示放电信息，不利于工作人员检修和维护；检测装置不具有故障信号模式识别功能，无法判断干扰信号造成误警等问题。

Description

高压开关柜局部放电检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高压开关柜局部放电在线监测系统及故障诊断方法，尤其涉及一种智能高压开关柜的局部放电信号声电联合在线监测和故障诊断。

背景技术

随着国民经济的发展，国家对电力系统运行可靠性的要求越来越高。高压开关柜是保证电网正常运行的重要环节，是电力系统中非常重要的电气设备。根据中国电力科学研究院的相关资料显示，国家电力公司发生的绝缘故障中大部分是由局部放电引起的。因此，通过研制一种应用于高压电力设备局部放电在线监测系统，通过实时在线监测，及时发现故障隐患、采取措施检修、处理，避免事故进一步扩大，对电力设备的安全稳定运行具有重要意义。

局部放电过程除了会发生电荷转移和能量损耗外，还会产生电脉冲、电磁辐射、声、光、振动以及生成一些新的物质。局部放电检测就是以放电所产生的各种现象为依据，通过表述该现象的物理量来表征局部放电的状态。根据观测现象的不同，局部放电的检测方法可分为电测量法和非电测量法两类。电测量法包括脉冲电流法、超高频检测法等；非电测量法主要包括超声波检测法、红外检测法、光检测法、气相色谱检测法等。其中，超声波检测法和超高频检测法是目前使用最多并且效果较好的两种方法。

申请号为“201120244971.2”，名称为“基于超声信号的智能开关柜局部放电检测装置”通过超声波传感器采集开关柜局部放电信号，经A/D转换后将采集到的模拟信号转换成数字信号送入DSP进行处理，然后送入上位机。超声波检测法具有较强的抗干扰能力，检测频带主要为20-180kHz，而局部放电所产生的放电信号十分复杂，高频信号可达几十GHz，超声波检测的检测范围较窄，不利于放电信息的分析。再者，上述装置不能就地的显示放电信息，不利于工作人员检修和维护；并且，上述装置不具有故障信号模式识别功能，无法判断所得信号是放电信号还是干扰信号，容易造成误警。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压开关柜局部放电检测系统及方法，以基于信息融合技术的声电联合在线监测系统，即以采用超声波监测法和超高频监测法共同对智能高压开关柜进行在线监测。本发明集中了超声波监测法和超高频监测法的优点，利用信息融合技术将得到的放电信号进行特征层和决策层的信息融合，并根据融合后的放电信息进行故障诊断。通过在线监测及时发现智能高压开关柜中的绝缘故障和放电情况，避免事故进一步发生，保障智能电网安全运行。解决现有技术的超声波检测的检测范围较窄，不利于放电信息的分析；检测装置不能就地的显示放电信息，不利于工作人员检修和维护；检测装置不具有故障信号模式识别功能，无法判断干扰信号造成误警等一系列技术问题。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种高压开关柜局部放电检测系统，包括超声波传感器单元1、超声波信号调理单元2、超高频传感器单元3、超高频信号调理单元4、MCU单元5、通信单元6、系统电源单元7和上位机监控单元8；所述超声波传感器单元1输出端与超声波信号调理单元2输入端相连，超高频传感器单元3输出端与超高频信号处理单元4输入端相连，超声波信号调理单元2输出端、超高频信号调理单元4输出端、通信单元6与MCU单元5相连，MCU单元5通过通信单元6与上位机监控单元8相连并实现双向通信，系统电源单元7为超声波传感器单元1、超声波信号调理单元2、超高频传感器单元3、超高频信号调理单元4、MCU单元5、通信单元6提供电源。

可选的，所述MCU单元5包括显示电路17、报警电路18、时钟电路19、DSP数字信号处理器20，所述显示电路17、报警电路18、时钟电路19与DSP数字信号处理器20相连；所述超声波传感器单元1包括多个超声波传感器9，所述超高频传感器单元3包括多个超高频传感器13；所述超声波信号调理单元2包括超声波放大电路10、超声波滤波电路11和A/D转换电路12，所述超声波传感器9与超声波放大电路10相连，所述超声波放大电路10与超声波滤波电路11相连，所述超声波滤波电路11与A/D转换电路12相连，所述A/D转换电路12与DSP数字信号处理器20相连；所述超高频信号调理单元4包括超高频放大电路14、超高频滤波电路15和检波电路16，所述超高频传感器13与超高频放大电路14相连，所述超高频放大电路14与超高频滤波电路15相连，所述超高频滤波电路15与检波电路16相连，所述检波电路16与DSP数字信号处理器20相连。

可选的，所述超声波滤波电路11为2阶巴特沃斯低通滤波和4阶巴特沃斯高通滤波相连组成的带通滤波器，低通滤波的截止频率为100KHz，高通滤波的截止频率为20KHz。

可选的，所述超高频滤波电路15为带通滤波电路，低通滤波的截止频率为1500KHz，高通滤波的截止频率为500KHz。

可选的，所述检波电路16为包络检波电路，将振荡信号中的高频部分滤除，保留信号的幅值和相位信息。

一种高压开关柜局部放电检测方法，包括：

使用多个超声波传感器检测局部放电产生的超声波信号，

将超声波信号转换成微电压信号，

将微电压信号进行放大，

将放大后的电压信号进行滤波处理，然后A/D转换成数字信号，

将数字信号进行短时傅里叶加窗函数变换，得到超声波放电信号的频谱特征，

进行超声波放电信号特征提取，

对各个超声波放电信号进行特征层的信息融合，特征层信息融合采用加权平均法，即将多个超声波放电信号加权平均后作为融合值；

使用多个超高频传感器检测局部放电产生的超高频信号，

将超高频信号转换成微电压信号，

将微电压信号进行低噪音放大，

将放大后的信号进行滤波处理，然后进行检波处理，

将检波后的信号进行模数转换得到数字信号，

对数字信号进行FIR数字滤波和时频联合分析去除干扰信号，

进行超高频放电信号特征提取，

对各个超高频放电信号进行特征层的信息融合，特征层信息融合采用加权平均法；

采用D-S证据理论方法进行决策层信息融合，得到放电信号的待检模式；

将待检模式与样板模式进行对比，判断出是干扰信号还是由于绝缘故障而产生的放电信号。

可选的，所述对超声波信号的滤波处理为2阶巴特沃斯低通滤波和4阶巴特沃斯高通滤波，低通滤波的截止频率为100KHz，高通滤波的截止频率为20KHz。

可选的，所述对超高频信号的滤波处理为低通滤波的截止频率为1500KHz，高通滤波的截止频率为500KHz。

可选的，所述对超高频信号的检波处理为进行包络检波，将振荡信号中的高频部分滤除，保留信号的幅值和相位信息。

可选的，所述对超高频放电信号和或超声波放电信号进行特征提取，选择的主要特征值为视在放电量q、最大放电量相位Φ、平均放电量相位φ、单位时间放电次数n。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用超声波监测法和超高频监测法共同对智能高压开关柜进行在线监测，集中了超声波监测法和超高频监测法的优点，避免了现有技术的超声波检测的检测范围较窄，不利于放电信息的分析的弊端。利用信息融合技术将得到的放电信号进行特征层和决策层的信息融合，并根据融合后的放电信息进行故障诊断；检测装置具有模式识别功能，可以判断干扰信号造成误警等技术问题。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明检测电路部分结构图；

图3是本发明系统的模式识别流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明系统包括超声波传感器单元1、超声波信号调理单元2、超高频传感器单元3、超高频信号调理单元4、MCU单元5、通信单元6、系统电源单元7和上位机监控单元8；所述超声波传感器单元1输出端与超声波信号调理单元2输入端相连，超高频传感器单元3输出端与超高频信号处理单元4输入端相连，超声波信号调理单元2输出端、超高频信号调理单元4输出端、通信单元6与MCU单元5相连，MCU单元5通过通信单元6与上位机监控单元8相连并实现双向通信，系统电源单元7为超声波传感器单元1、超声波信号调理单元2、超高频传感器单元3、超高频信号调理单元4、MCU单元5、通信单元6提供电源。

如图2所示，所述MCU单元5包括显示电路17、报警电路18、时钟电路19、DSP数字信号处理器20，所述显示电路17、报警电路18、时钟电路19与DSP数字信号处理器20相连；所述超声波传感器单元1包括多个超声波传感器9，所述超高频传感器单元3包括多个超高频传感器13；所述超声波信号调理单元2包括超声波放大电路10、超声波滤波电路11和A/D转换电路12，所述超声波传感器9与超声波放大电路10相连，所述超声波放大电路10与超声波滤波电路11相连，所述超声波滤波电路11与A/D转换电路12相连，所述A/D转换电路12与DSP数字信号处理器20相连；所述超高频信号调理单元4包括超高频放大电路14、超高频滤波电路15和检波电路16，所述超高频传感器13与超高频放大电路14相连，所述超高频放大电路14与超高频滤波电路15相连，所述超高频滤波电路15与检波电路16相连，所述检波电路16与DSP数字信号处理器20相连。

由于开关柜体积较大，并且放电位置的不确定性，单一的传感器难以全面、准确的接收放电信号，故需采用多个传感器，本系统采用了三个超声波传感器，在开关柜中的放置位置呈三维坐标系结构。超声波传感器9接收智能高压开关柜局部放电产生的超声波信号，并将其转换成微电压信号，然后送至超声波放大电路10，超声波放大电路10将微电压信号进行放大，然后将放大后的电压信号送入超声波滤波电路11，所述超声波滤波电路11为2阶巴特沃斯低通滤波和4阶巴特沃斯高通滤波相连组成的带通滤波器，低通滤波的截止频率为100KHz，高通滤波的截止频率为20KHz，经滤波电路11进行滤波处理，得到约20KHz-100KHz的带通滤波信号。超声波传感器安装在开关柜内部，受到环境噪声和振动信号等一些干扰信号，滤波的目的就是滤除这些干扰信号，得到含干扰信号较少的放电信号。然后将滤波后的信号送入A/D转换电路12中，转换成符合DSP输入要求的数字信号送入DSP。

同超声波传感器一样，本系统采用三个超高频传感器。超高频传感器13接收智能高压开关柜局部放电产生的超频信号，并将其转换成微电压信号，然后送至超高频放大电路14，放大电路将微电压信号进行低噪音放大，并将放大后的信号送入超高频滤波电路15。存在的干扰信号主要是电力设备的载波通讯和高频保护信号（频率范围在30-500kHz）及无线电广播的干扰（频率范围>500kHz），所以需滤波滤除干扰信号。本系统的超高频滤波电路15为带通滤波电路，低通滤波的截止频率为1500KHz，高通滤波的截止频率为500KHz。然后将信号送至检波电路16，本系统中的检波电路16为包络检波，其作用是从高频信号中提取出低频信号，将超高频传感器输出的振荡信号中的高频部分滤除，保留信号的幅值和相位信息。经检波电路等处理得到的信号送入DSP。

MCU单元5主要由DSP数字信号处理器20、时钟电路19、显示电路17和报警电路18组成，能对所得到的放电信号进行信息融合、模式识别，并能直观的显示放电信息。报警电路18具有故障报警等功能，时钟电路19为DSP数字信号处理器提供时钟基准，具有掉电数据保护功能。MCU单元5通过通信单元6与上位机监控单元8相连并实现双向通信,通信单元6主要为以太网通信，RS485为备用通信方式。MCU单元5将数据通过通信单元6送入后台上位机监控单元8，实现远程在线监测。

上位机监控单元8具有易操作的人机交流界面，具有放电信息显示、模式识别、历史数据储存和故障报警功能。通过屏幕数据显示可以直观的显示放电信息的各个参数；对接收到的放电信号进行特征提取，并与已经储存的模型数据进行对比，判断是否为故障放电；模式识别判断为故障放电后，报警电路发出报警信号，提醒工作人员及时对设备进行检修。

由于现场干扰信号众多，所以必须对接受到的信号进行判断，判别出是干扰信号还是由于绝缘故障而产生的放电信号，即对其进行模式识别。下面介绍本系统基于信息融合技术的故障放电模式识别系统原理及过程。

如图3所示，基于信息融合技术的高压开关柜局部放电检测方法，包括：

使用多个超声波传感器检测局部放电产生的超声波信号，将超声波信号转换成微电压信号，将微电压信号进行放大，将放大后的电压信号进行滤波处理，所述对超声波信号的滤波处理为2阶巴特沃斯低通滤波和4阶巴特沃斯高通滤波，低通滤波的截止频率为100KHz，高通滤波的截止频率为20KHz,然后A/D转换成数字信号，DSP数字信号处理器将数字信号进行短时傅里叶加窗函数变换，得到超声波放电信号的频谱特征，进行超声波放电信号特征提取。

使用多个超高频传感器检测局部放电产生的超高频信号，将超高频信号转换成微电压信号，将微电压信号进行低噪音放大，将放大后的信号进行滤波处理，所述对超高频信号的滤波处理为低通滤波的截止频率为1500KHz，高通滤波的截止频率为500KHz,然后进行检波处理，所述对超高频信号的检波处理为进行包络检波，将振荡信号中的高频部分滤除，保留信号的幅值和相位信息,将检波后的信号进行模数转换得到数字信号，DSP数字信号处理器对数字信号进行FIR数字滤波和时频联合分析去除干扰信号，进行超高频放电信号特征提取。

特征提取是模式识别中的重要一步，放电信息具有十分复杂的放电特征，即放电原始特征空间维数很高，特征选择就是从这些原始特征中挑选出一些最有效的特征以达到降低特征空间维数的目的。特征空间中，由各个特征值组成的向量称为特征向量，两个特征向量之间的距离是它们相似度的一种很好度量。如果在特征空间中，同一类别的特征距离很近，而不同类别的特征距离很远，分类就比较容易实现。所以我们选择的特征应该使得放电信息聚集在一类，干扰信号聚集在一类，并且使这两类之间的距离尽可能大。本系统选择的主要特征值为视在放电量q、最大放电量相位Φ、平均放电量相位φ、单位时间放电次数n。为方便分析和计算，在本系统中上述距离指欧氏距离，因此，本系统采用按欧氏距离度量的特征提取方法。

特征提取之后，DSP数字信号处理器对各个超声波放电信号进行特征层的信息融合，从而实现对信号的信息压缩，有利于后续处理。特征层信息融合采用最简单和直观的加权平均法，即将多个超声波传感器提供的冗余信息进行加权平均后作为融合值。此融合值即认为是最终的超声波放电信息记入数据库并作后续处理，还能够由显示电路17直观显示供监测人员实时监测。同样的，DSP数字信号处理器对各个超高频放电信号进行特征层的信息融合，采用加权平均法对多个信号进行加权平均后作为融合值，融合值即认为是最终的超高频放电信息记入数据库并作后续处理。

DSP数字信号处理器将特征层融合后的超声波放电信号和超高频放电信号进行决策层的信息融合，为故障诊断模式识别提供最终、最直接的判断依据。决策层融合是以特征层融合的输出作为输入的，采用D-S证据理论，得到放电信号的待检模式。

将待检模式与样板模式进行对比，判断出是干扰信号还是由于绝缘故障而产生的放电信号。样板模式首先由典型的局部放电仿真结果和大量实践中已获得的放电模式组成；后续由经确认后的放电模式不断补充，形成更全面的样板系统。

D-S证据理论的基本策略是把证据集合划分为若干相互独立的部分，所有的独立部分构成一个有限集合，称为识别框架，并分别利用它们对识别框架独立进行判断。每一证据下对识别框架中每个假设都存在一组判断信息，称之为该证据的信度函数，其相应的概率分布为该信度函数所对应的基本概率分配函数。根据不同证据下对某一假设的判断,按照某一规则进行信息融合，即对该假设进行各信度函数的综合,可形成综合证据下对该假设的总的信任程度，进而分别求出所有假设在综合证据下的信任程度。

本系统基于D-S证据理论的模式识别诊断步骤如下：

1）选取放电特征。本系统中，目标信息来自多个超声波传感器和多个超高频传感器，选取的主要特征为视在放电量q、最大放电量相位Φ、平均放电量相位φ、单位时间放电次数n；

2)分析决策问题，构造识别框架；

3)针对目标信息系统，构造基于识别框架的证据体；

4)根据所收集的证据体，结合识别框架中各独立部分的特点，确定出各证据体的可信度分配；

5)由可信度分配分别计算单证据体作用下识别框架中各独立部分的信度区间；

6)利用D-S组合规则计算所以证据体联合作用下的基本可信度分配和信度区间；

7)根据具体问题构造相应的决策规则，根据决策规则得出决策结论。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高压开关柜局部放电检测系统，其特征在于，包括超声波传感器单元（1）、超声波信号调理单元（2）、超高频传感器单元（3）、超高频信号调理单元（4）、MCU单元（5）、通信单元（6）、系统电源单元（7）和上位机监控单元（8）；所述超声波传感器单元（1）输出端与超声波信号调理单元（2）输入端相连，超高频传感器单元（3）输出端与超高频信号处理单元（4）输入端相连，超声波信号调理单元（2）输出端、超高频信号调理单元（4）输出端、通信单元（6）与MCU单元（5）相连，MCU单元（5）通过通信单元（6）与上位机监控单元(8)相连并实现双向通信，系统电源单元(7)为超声波传感器单元(1)、超声波信号调理单元(2)、超高频传感器单元(3)、超高频信号调理单元(4)、MCU单元(5)、通信单元(6)提供电源。

2.如权利要求1所述的高压开关柜局部放电检测系统，其特征在于，所述MCU单元(5)包括显示电路(17)、报警电路(18)、时钟电路(19)、DSP数字信号处理器(20)，所述显示电路(17)、报警电路(18)、时钟电路(19)与DSP数字信号处理器(20)相连；所述超声波传感器单元（1）包括多个超声波传感器（9），所述超高频传感器单元（3）包括多个超高频传感器（13）；所述超声波信号调理单元(2)包括超声波放大电路(10)、超声波滤波电路(11)和A/D转换电路(12)，所述超声波传感器(9)与超声波放大电路(10)相连，所述超声波放大电路(10)与超声波滤波电路(11)相连，所述超声波滤波电路(11)与A/D转换电路(12)相连，所述A/D转换电路(12)与DSP数字信号处理器(20)相连；所述超高频信号调理单元(4)包括超高频放大电路(14)、超高频滤波电路(15)和检波电路(16)，所述超高频传感器(13)与超高频放大电路（14）相连，所述超高频放大电路（14）与超高频滤波电路（15）相连，所述超高频滤波电路（15）与检波电路（16）相连，所述检波电路（16）与DSP数字信号处理器（20）相连。

3.如权利要求2所述的高压开关柜局部放电检测系统，其特征在于，所述超声波滤波电路（11）为2阶巴特沃斯低通滤波和4阶巴特沃斯高通滤波相连组成的带通滤波器，低通滤波的截止频率为100KHz，高通滤波的截止频率为20KHz。

4.如权利要求2所述的高压开关柜局部放电检测系统，其特征在于，所述高频滤波电路（15）为带通滤波电路，低通滤波的截止频率为1500KHz，高通滤波的截止频率为500KHz。

5.如权利要求2所述的高压开关柜局部放电检测系统，其特征在于，所述检波电路（16）为包络检波电路，将振荡信号中的高频部分滤除，保留信号的幅值和相位信息。

6.一种如权利要求1所述的高压开关柜局部放电检测系统的检测方法，其特征在于，

使用多个超声波传感器检测局部放电产生的超声波信号，

将超声波信号转换成微电压信号，

将微电压信号进行放大，

将放大后的电压信号进行滤波处理，然后A/D转换成数字信号，

将数字信号进行短时傅里叶加窗函数变换，得到超声波放电信号的频谱特征，

进行超声波放电信号特征提取，

对各个超声波放电信号进行特征层的信息融合，特征层信息融合采用加权平均法，即将多个超声波放电信号加权平均后作为融合值；

使用多个超高频传感器检测局部放电产生的超高频信号，

将超高频信号转换成微电压信号，

将微电压信号进行低噪音放大，

将放大后的信号进行滤波处理，然后进行检波处理，

将检波后的信号进行模数转换得到数字信号，

对数字信号进行FIR数字滤波和时频联合分析去除干扰信号，

进行超高频放电信号特征提取，

对各个超高频放电信号进行特征层的信息融合，特征层信息融合采用加权平均法；

采用D-S证据理论方法进行决策层信息融合，得到放电信号的待检模式；

将待检模式与样板模式进行对比，判断出是干扰信号还是由于绝缘故障而产生的放电信号。

7.如权利要求6所述的高压开关柜局部放电检测系统的检测方法，其特征在于，所述对超声波信号的滤波处理为2阶巴特沃斯低通滤波和4阶巴特沃斯高通滤波，低通滤波的截止频率为100KHz，高通滤波的截止频率为20KHz。

8.如权利要求6所述的高压开关柜局部放电检测系统的检测方法，其特征在于，所述对超高频信号的滤波处理为低通滤波的截止频率为1500KHz，高通滤波的截止频率为500KHz。

9.如权利要求6所述的高压开关柜局部放电检测系统的检测方法，其特征在于，所述对超高频信号的检波处理为进行包络检波，将振荡信号中的高频部分滤除，保留信号的幅值和相位信息。

10.如权利要求6所述的高压开关柜局部放电检测系统的检测方法，其特征在于，对超高频放电信号和或超声波放电信号进行特征提取，选择的主要特征值为视在放电量q、最大放电量相位Φ、平均放电量相位φ、单位时间放电次数n。

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