CN104237749A - 超高频局放信号初始时刻判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超高频局放信号空间定位方法，特别涉及一种超高频局放信号初始时刻判别方法，包括如下步骤：a.信号采集的触发：设定某路信号的触发电平V_i，当检测到实时电压超过触发电平V_i时，触发该路信号采集系统开始信号采集；b.四路波形的触发阈值设定：将触发电平V_i作为阈值和信号采集起始点，往后寻找波形的第一个峰值，再往后寻找第一个过零点作为信号的波前时刻。本发明阈值法的使用可以允许四路波形不完全一致，这符合局放信号现场检测的结果。阈值法计算简洁，不需要对波形信号进行再处理，从而使得初始时刻的判别更加精确。再者，在计算过零点的时候，采用多次二次插值法逐次逼近，提高了过零点时刻的精确度。

Description

超高频局放信号初始时刻判别方法

技术领域

本发明涉及超高频局放信号空间定位方法，特别涉及一种超高频局放信号初始时刻判别方法。 

背景技术

在基于时延法的超高频局放信号空间定位研究中，信号初始时刻的判别直接影响定位的精确性。虽然超高频电磁波检测的检测频段较高，并可以有效避开常规局放检测电测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰。但在检测信号中仍参杂了多种干扰信号从而影响初始时刻的判定。 

时延估计是基于时间差的信号源定位算法的基础，也是决定定位精度的关键。目前的时延估计算法在判断局放信号初始时刻时主要有阈值法、能量积累法和相关估计法等。于本发明最近似的方案是基于能量积累法的局放信号初始时刻判别。积累能量X的计算公式为 其中,u_l为信号波形上第l个点的电压值，m为每路波形记录的点数。当局部放电发生时，放电源将辐射出1个脉冲。该脉冲的幅值远大于背景噪声，经过能量积累，局部放电起始点将在信号累积能量图上对应为一个拐点。由能量积累原理，该拐点时刻近似为信号的起始时刻即超高频电磁波传播至传感器的时刻。 

对于能量积累法，要求信号具有较高的信噪比。当信号的信噪比较低、甚至信号被噪声掩埋时，这种方法都不能准确得到信号的波前时刻。相关估计法要求四路波形一致，而在现场对局放信号检测过程中，由于多种干扰信号的存在，以及由于接收信号的时刻不同，信号衰减程度不同使得四路波形不可能完全一致，相关估计发在实际工程应用中有很大缺陷。 

发明内容

本发明的技术目的是克服现有技术中的问题，提供一种效率较高、降低计算成本、便于校核、提高检测精度、对检测到的波形是否完全一致没有严格要求、适用于工程应用的超高频局放信号初始时刻判别方法，解决了基于时延法的局放信号检测中的局放信号初始时刻选择问题。 

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：超高频局放信号初始时刻判别方法，其特征在于，包括如下步骤： 

a.触发电平的设定和信号采集的触发： 

设定某路信号的触发电平V_i，当检测到实时电压超过触发电平V_i时，触发该路信号采集系统开始信号采集，i为1，2,3,4； 

四路信号采集系统全部触发； 

b.信号波前时刻判定： 

将触发电平V_i作为阈值和信号采集起始点，往后寻找波形的第一个峰值，i为1，2,3,4；在第一个峰值的基础上，采用基于二次插值法 的波形过零点检测方法往后寻找第一个过零点作为信号的波前时刻。 

前述的超高频局放信号初始时刻判别方法，寻找第一个过零点作为信号的波前时刻的具体步骤为：通过将信号过零点附近的某邻域的曲线拟合成二次曲线，经过计算得出信号过零点的时刻，反复使用此方法，逐次拟合，直到满足给定的精度为止。 

前述的超高频局放信号初始时刻判别方法，该方法用于局部放电的定位，具体步骤为： 

以各路信号的第一个过零点作为其波前时刻，计算信号到达的时延，代入定位方程求解，实现局放定位。 

前述的超高频局放信号初始时刻判别方法，各路信号的触发电平V_i的设定与信号幅度呈正比。 

前述的超高频局放信号初始时刻判别方法，在定位误差较大时，进行手动校正并寻找波形的波前时刻，利用鼠标大致寻找波前时刻的过零点，然后通过软件计算第一个过零点。 

本发明采取阈值法来对信号初始时刻进行定位，阈值法即设定一个阈值，把信号幅值超过阈值的时刻作为信号的波前时刻。本专利采用的方案在工程应用上具有较大的优势，首先阈值法的使用可以允许四路波形不完全一致，这符合局放信号现场检测的结果。相较于能量积累法和参数辨识法，阈值法计算简洁，不需要对波形信号进行再处理，从而使得初始时刻的判别更加精确。再者，在计算过零点的时候，采用多次二次插值法逐次逼近，提高了过零点时刻的精确度，这也对后续计算局放源的空间位置提供了更好的支持。 

附图说明

图1是信号模拟触发示意图； 

图2为信号触发时示波器波形； 

图3为目标函数在初始搜索区间的函数值图形。 

具体实施方式

为使本发明实现的技术方案、技术特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。本发明不限于所述的实施例。 

根据费码最短光程原理,在距离放电源某一位置,信号的起始点是沿最短光程、历经最小传播时间最先到达的子波的波前反映。因此,信号的起始位置应以波形上升沿的起点为基准点。读出四路信号基准点之间的时间差,即为四路信号的到达时延。但由于试验中背景噪声以及滤波器的影响,一方面使得难以对信号波形上升沿的起点准确定位；另一方面使得信号波形上升沿的起始点发生漂移，引起测量误差。本方案采取阈值法来对信号初始时刻进行定位。阈值法即设定一个阈值，把信号幅值超过阈值的时刻作为信号的波前时刻。 

1 触发模式 

本方案信号采集系统采取模型触发法。该触发方式是给出一个电压信号并设定某个特定的电压值，当电压信号高于或是低于设定值时进行触发。模拟触发可以用来侦测连续电压信号中的瞬间变化，如在电力传输系统中，用户可以指定输入信号的触发电压值，一旦超过该 电平便开始进行采样，藉此可以侦测电力系统中的突波(pulse)。图1为模拟触发示意图。 

本方案四路采集系统在检测到超过设定阈值的信号后同时触发，但在示波器上保留预触发时的波形，如图2所示。 

2 四路波形的触发阈值设定 

如图2所示四路波形。假设数据采集以第一路信号为触发信号，采集系统可以提供触发点(即触发时刻)、触发电平V₁。将触发电平作为阀值，寻找波形的第一个峰值，在此基础上，往后寻找第一个过零点，作为第一路信号的波前时刻。对于剩余三路信号，设置阀值为k_i，其中，依据该路信号幅度与第一路信号幅度比较，取k_i为不同值，依据阀值寻找波形的第一个峰值，然后以第一个过零点作为信号的波前时刻。设四路波形的幅值(即阈值)为V_i，则k_i的取值为： 

$k_1=\frac{V_i}{V_1},i=\mathrm{1,2,3,4}$

3 基于二次插值法的波形过零点检测 

二次插值法是用一元函数f(α)在确定的初始区间内搜索极小点的一种方法。它属于曲线拟合方法的范畴。在求解一元函数f(α)的极小点时，常常利用一个低次插值多项式p(α)来逼近原目标函数，然后求该多项式的极小点(低次多项式的极小点比较容易计算)，并以此作为目标函数f(α)的近似极小点。如果其近似的程度尚未达到所要求的精度时，可以反复使用此法，逐次拟合，直到满足给定的精度时为止。 

本方案采用二次插值法寻找信号的过零点，通过将信号零点附近的某邻域的曲线拟合成二次曲线，经过计算可得出信号过零点的时 刻。可以反复使用此方法，逐次拟合，直到满足给定的精度为止。 

假定目标函数在初始搜索区间[a，b]中有三点α⁽¹⁾、α⁽²⁾和α⁽³⁾(α≤α⁽¹⁾＜α⁽²⁾＜α⁽³⁾≤b)，其函数值分别为f₁、f₂和f₃(如图3所示)，且满足f₁＞f₂，f₂＜f₃，即满足函数值为两头大中间小的性质。利用这三点及相应的函数值作一条二次曲线，其函数p^(α)为一个二次多项式，式中α₀、α₁、α₂为待定系数。 

根据插值条件，插值函数p(α)与原函数f(α)在插值结点P₁、P₂、P₃处函数值相等，得 

$\left\{\begin{array}{c}p\left({\mathrm{\α}}^{\left(1\right)}\right)=a_0+a_1{\mathrm{\α}}^{\left(1\right)}+a_2{\mathrm{\α}}^{{\left(1\right)}^2}=f_1\\ p\left({\mathrm{\α}}^{\left(2\right)}\right)=a_0+a_1{\mathrm{\α}}^{\left(2\right)}+a_2{\mathrm{\α}}^{{\left(2\right)}^2}=f_2\\ p\left({\mathrm{\α}}^{\left(3\right)}\right)=a_0+a_1{\mathrm{\α}}^{\left(3\right)}+a_2{\mathrm{\α}}^{{\left(3\right)}^2}=f_3\end{array}\right.$

经过计算可得到参数a₀,a₁,a₂的值，得到拟合的二次函数为p(x)＝a₀+a₁x+a₂x²,很容易计算出信号波形过零点的时刻。 

以信号的第一个过零点作为其波前时刻。找到四路信号的波前时 刻，计算信号到达的时延，代入定位方程求解，实现局放定位。对于定位误差较大时，可以加手动校正，寻找波形的波前时刻，利用鼠标大概寻找波前时刻的过零点，然后软件计算第一个过零点。 

本发明的关键点在于 

(1)在阈值法确定信号初始时刻时，各路波形阈值的确定，即ki值的确定方程。 

(2)本方案是将各路波形的第一个过零点作为信号波形的初始时刻。 

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (5)

1.超高频局放信号初始时刻判别方法，其特征在于，包括如下步骤：

a．触发电平的设定和信号采集的触发：

设定某路信号的触发电平V_i，当检测到实时电压超过触发电平V_i时，触发该路信号采集系统开始信号采集，i为1，2,3,4；

四路信号采集系统全部触发；

   b．信号波前时刻判定：

  将触发电平V_i作为阈值和信号采集起始点，往后寻找波形的第一个峰值，i为1，2,3,4；在第一个峰值的基础上，采用基于二次插值法的波形过零点检测方法往后寻找第一个过零点作为信号的波前时刻。

2.根据权利要求1所述的超高频局放信号初始时刻判别方法，其特征在于，寻找第一个过零点作为信号的波前时刻的具体步骤为：通过将信号过零点附近的某邻域的曲线拟合成二次曲线，经过计算得出信号过零点的时刻，反复使用此方法，逐次拟合，直到满足给定的精度为止。

3.根据权利要求1所述的超高频局放信号初始时刻判别方法，其特征在于，该方法用于局部放电的定位，具体步骤为：

以各路信号的第一个过零点作为其波前时刻，计算信号到达的时延，代入定位方程求解，实现局放定位。

4.根据权利要求1所述的超高频局放信号初始时刻判别方法，其特征在于，各路信号的触发电平V_i的设定与信号幅度呈正比。

5.根据权利要求3所述的超高频局放信号初始时刻判别方法，其特征在于，在定位误差较大时，进行手动校正并寻找波形的波前时刻，利用鼠标大致寻找波前时刻的过零点，然后通过软件计算第一个过零点。