CN104730424B - 基于自相关-小波模极大值分析的电缆局部放电定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自相关‑小波模极大值分析的电缆局部放电定位方法，属于电力系统领域，其步骤包括：1、采集并初步处理局部放电信号；2、提取局部放电入射波‑反射波脉冲数据段；3、对步骤2中的入射波‑反射波脉冲数据段进行自相关处理，提取入射波与反射波的波前时间差的估计值dN；4、对步骤3中的入射波‑反射波脉冲数据段进行N层小波分解、重构，提取各层小波重构信号的最大值点作为入射波波前位置，之后以步骤（3）自相关分析得到的入射波与反射波的波前时间差的估计值dN作为参照，提取反射波小波模极大值时刻，计算入射波和反射波波前时间差，计算局部放电点位置。本发明的优点是定位精度高、抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及电力系统信号处理应用技术，具体涉及一种基于自相关-小波模极大值分析的电缆局部放电定位方法。
背景技术
电力电缆在城市配电网中已经得到广泛应用，但是电力运行部门急需了解电力电缆的绝缘状况以保障供电安全性和可靠性。局部放电是电力电缆发生绝缘故障的先兆，因此有效检测局部放电并对放电点进行准确定位是提高电缆安全运行的一种重要途径。
时域反射技术（又称TDR）是近十年来发展起来的测量技术，被广泛应用于线路测长及故障定位。局部放电信号在电缆中产生后，一路沿着电缆向采集端传播，定义为入射波；另一路沿着反方向传播到电缆终端后反射回采集端，定义为反射波。应用TDR方法进行局部放电点定位，其测量精度依赖于对局部放电信号入射波及反射波波前到达时间的准确判断。
相关法是检测波形波前的常用方法，能够从淹没在噪声信号或者其他无关信号中找到信号两部分或两个信号之间的相互关系，判别其相似性，并对信号特征进行检测和提取。但是，局部放电在电缆中传播，高频分量衰减严重，导致反射波脉冲上升沿变缓，波形发生了明显畸变，因此采用相关法进行定位尤其对于长距离电缆，势必会导致较大误差。小波变换具有在时域和频域表征信号局部特性等性质，采用小波变换模极大值法检测反射波信号的波前到达时间在一定程度上降低了局部放电信号波形衰减带来的误差。但是局部放电信号中一般包含较大能量的噪声，噪声信号的小波模极大值会严重干扰对局部放电的准确定位。
因此，单纯采用相关法和小波变换模极大值法均不能达到较好的定位效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种定位精度高、抗干扰能力强的检测电力电缆局部放电并对放电点进行准确定位的方法，主要是采用自相关法与小波变换模极大值法相结合进行电缆局部放电定位的方法。
本发明所采用的技术方案如下：
（1）采集并初步处理局部放电信号：
通过布置在电缆一端的局部放电检测装置采集电缆中的局部放电信号，经滤波放大后，由局部放电检测装置中的高速数字采集卡将模拟信号转换成数字信号，最后保存处理后的局部放电信号为局部放电数据；
所述局部放电检测装置包括局部放电耦合电容Ck、局部放电检测阻抗Zm、信号滤波器、信号放大器和数据采集装置；所述局部放电耦合电容Ck的一端接在测试电缆的线芯上，其另一端和局部放电检测阻抗Zm串联后接地，所述信号滤波器的输入端接在局部放电检测阻抗Zm两端，所述信号滤波器的输出端经信号放大器接入数据采集装置的输入端，所述数据采集装置的输出端接外部的控制主机；所述测试电缆的线芯接高压电源，其屏蔽层两端接地。所述数据采集装置为高速数字采集卡。所述高压电源为局部放电测试电压产生单元总称，可为交流电压源、超低频电压源、振荡波电压源等；所述高压为电力行业的一个常用语，高压电源一般指电压可输出数kV甚至数百kV的电源，常用于高压试验。
（2）提取局部放电入射波-反射波脉冲数据段：
对步骤（1）中采集到的局部放电数据进行滤波处理后，设定阈值，提取出包含局部放电信号的完整入射波和反射波数据的局部放电入射波-反射波脉冲数据段；所述设定阈值需超过反射波幅值而低于入射波幅值；
具体过程如下：
设定合适阈值，保证该阈值超过反射波幅值而低于入射波幅值，提取以入射波为起点的长度为的信号区间，记为；
其中，L为信号区间长度；
为电缆长度；
为信号在电缆中的传播速度；
为采样频率；
为信号在电缆中传播的最大时长，以保证采样次数为L的信号区间内包含完整入射波和反射波信号；
中的n表示时间序号，n的取值范围为1~L；
其中，采集到的数据为数字信号分析领域的离散时间信号，相当于采样时间，采样时间乘以采样频率为采样数字序列的长度，指离散数据的个数，如[1 2 3]为长度为3的离散数字序列，因此该处L应指信号长度。
（3）进行自相关分析：
对步骤（2）中的入射波-反射波脉冲数据段组成的脉冲对序列进行自相关处理，提取入射波与反射波的波前时间差的估计值dN；
具体过程如下：
3-1、按照如下公式（1）计算出自相关分析结果序列：
（式1）
其中，为自相关分析结果序列；
k为偏移量，k=0，±1、±2、±3，…，±L；
3-2、提取自相关分析结果序列的主峰和次峰之间的距离，作为入射波和反射波的波前时间差的估计值dN；所述主峰即最大值点，所述次峰即次最大值点。
（4）进行小波模极大值分析：
对步骤（3）中的入射波-反射波脉冲数据段进行N层小波分解、重构，提取各层小波重构信号的最大值点作为入射波波前位置，之后以步骤（3）自相关分析得到的入射波和反射波的波前时间差的估计值dN作为参照，提取反射波小波模极大值时刻，计算入射波和反射波波前时间差，计算局部放电点位置；其中，分解层数N一般可取6-8层，可根据具体情况确定。
具体过程如下：
4-1、对步骤（3）中取得的局部放电入射波-反射波脉冲数据段进行N尺度的小波分解；
4-2、对范围是2~N-1尺度下的小波变换高频分量进行小波重构，提取第层小波重构信号的模最大值点位置作为入射波的波前位置，记为,，其对应峰值为；
4-3、以步骤（3）中自相关分析得到的入射波与反射波的波前时间差的估计值为参照，在区间内查找找最大值作为第层小波重构信号模极大值点，作为反射波的波前位置，记为，其对应峰值为；其中， 为自相关信号振荡周期；
4-4、分析的值是否满足随i增大逐渐增大的规律，若满足上述规律则进行步骤4-5；
若不满足上述规律，则表明由确定的脉冲信号为干扰信号，则返回步骤（3）进行自相关分析，重新计算入射波与反射波的波前时间差的估计值；
4-5、依照如下公式（2）计算第i层小波重构信号确定的入射波与反射波波前时间差：
（式2）
其中，为第i层小波重构信号确定的入射波与反射波波前时间差；
为第i层小波重构信号确定的反射波的波前位置；
为第i层小波重构信号确定的入射波的波前位置；
从而依照如下公式（3）计算入射波与反射波传播时间差：
（式3）
其中，为采样频率；
为平均值；
4-6、将入射波与反射波传播时间差代入如下公式（4）计算得到局部放电点位置；
（式4）
其中，为局部放电点位置与电缆A端的距离；
为电缆长度；
为信号在电缆中的传播速度。
本发明的有益效果是：本发明解决了由于局部放电信号在电缆中传播波形衰减畸变导致的局部放电定位误差大的问题，解决了采用小波模极大值法时噪声干扰无法实现自动定位的问题；采用自相关与小波模极大值法结合的定位方法，可实现定位精度高，抗干扰能力强的优点，有效提高了现场电缆局部放电定位的自动化水平。
附图说明
图1为电力电缆局部放电试验示意图。
图2为时域反射原理示意图。
图3为脉冲对提取原理示意图。
图4为本方法的流程图。
图5为本方法中小波模极大值分析的流程图。
图6为局部放电点的分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图1~6和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
图1标示了电力电缆局部放电试验示意图，该试验方案采用单端局部放电定位的方法，即在测试电缆一侧接入局部放电检测装置，利用局部放电信号入射波与反射波之间的时间差对局部放电点进行定位。其中局部放电检测单元包括局部放电耦合单元（可采用检测阻抗或高频电流传感器）、信号滤波器、信号放大器和数据采集装置。
图2为时域反射原理示意图。测试电缆的两端分别设为A端和B端，设长度为的测试电缆距离A端距离为处发生局部放电，局部放电信号一路信号沿测试电缆传播到A端，另一路经B端反射后到达A端；两路信号中，沿测试电缆传播到A端的信号称为入射波，另一路经B端反射后到达A端的信号称为反射波；两路信号的传播距离差为，若知局部放电信号在电缆中的传播速度，便可求得局部放电点距离A端的位置，其中，为入射波与反射波传播时间差。
如图1所示，所述局部放电检测装置包括局部放电耦合电容Ck、局部放电检测阻抗Zm、信号滤波器、信号放大器和数据采集装置；所述局部放电耦合电容Ck的一端接在测试电缆的线芯上，其另一端和局部放电检测阻抗Zm串联后接地，所述信号滤波器的输入端接在局部放电检测阻抗Zm两端，所述信号滤波器的输出端经信号放大器接入数据采集装置的输入端，所述数据采集装置的输出端接外部的控制主机；所述测试电缆的线芯接高压电源，其屏蔽层两端接地。所述数据采集装置为高速数字采集卡。所述高压电源为局部放电测试电压产生单元总称，可为交流电压源、超低频电压源、振荡波电压源等；所述高压为电力行业的一个常用语，高压电源一般指电压可输出数kV甚至数百kV的电源，常用于高压试验。
下面结合图4~5说明，本发明所述步骤（1）中的局部放电信号采集过程为：如图1所示，在测试电缆A端进行加压试验，所述加压试验为行业公知，一般方法多为工频、振荡波、超低频等。加压试验开始，当达到放电起始电压后，测试电缆中的潜在缺陷产生局部放电信号，通过A端的局部放电检测装置提取局部放电信号，此处局部放电信号为连续信号，局部放电信号经过滤波、放大并经高速采集卡模数转换之后为数字信号，存入图1所示控制主机的为数字信号，供后续处理。
本发明所述步骤（2）中脉冲对提取过程为：对所述步骤（1）采集到的局部放电信号进行滤波处理，此处为对上述保存的局部放电信号（数字信号）进行滤波处理，处理方法很多种，包括小波滤波法、自适应滤波法等，将滤波后的局部放电信号记为；选取合适阈值，以保证超过所述阈值的信号均为入射波信号，并提取以入射波为起点的长度为的信号区间，称作局部放电入射波-反射波脉冲数据段，记为。其中，为测试电缆的长度，为信号在测试电缆中的传播速度，为采样频率，为信号在测试电缆中传播的最大时长，保证长度为L的区间内包含完整的局部放电入射波和反射波信号，如图3所示，原理是由于为信号从测试电缆首端进入，经反射后再返回首端所用时间。普通局部放电信号发生在测试电缆中间位置，因此信号在内部传播时间必小于，因此，长度为L的区间必包含了完整的入射波和反射波信号。
其中，为连续变量，代表时间变量t； L为时间t对应的离散序列的长度。
本发明步骤（3）中的自相关定位方法介绍如下：
自相关函数可描述信号不同时刻之间的依赖关系，对脉冲对序列按照下式进行自相关计算：
其中，L为区间长度；
为自相关序列，代表了随机信号一个时刻与另一个时刻之间的依赖关系；
k为延迟量，当k=0时，自相关函数具有最大值。
由于入射波与反射波之间具有较大的相似性，因此随着k变化， 呈现在k=0处出现在最大值峰（主峰），同时在其他位置出现若干旁峰的波形特征，其中，旁峰中最大峰值（次峰）点对应反射波波前到达时刻。通过提取自相关序列的主峰与次峰值点之间的时间差得到，完成自相关计算。
本发明步骤（4）中的小波模极大值分析过程如下：
4-1、对步骤（3）中取得的脉冲对序列进行N尺度的小波变换；
4-2、对范围为2~N-1尺度下的小波变换高频分量进行小波重构，提取第层小波重构信号的模最大值点位置作为入射波波前位置，记为,，其对应峰值为；
4-3、以步骤（3）中自相关分析得到的入射波与反射波的波前时间差的估计值为参照，在区间内查找找最大值作为第层小波重构信号模极大值点，作为反射波波前位置，记为，其对应峰值为；其中，为自相关信号振荡周期；
4-4、分析是否满足随i增大逐渐增大的规律，若满足上述规律，则进行步骤4-5；
若不满足上述规律，则表明由确定的脉冲信号为干扰信号，返回步骤（3）进行自相关分析，重新计算入射波与反射波的波前时间差的估计值；
4-5、计算，从而计算入射波与反射波传播时间差，其中，为采样频率，为平均值， 为第i层小波重构信号确定的入射波与反射波波前时间差；为第i层小波重构信号确定的反射波的波前位置；为第i层小波重构信号确定的入射波的波前位置；
4-6、将代入下式计算得到局部放电点位置；
其中，为局部放电点位置与电缆A端的距离；
为电缆长度；
为信号在电缆中的传播速度。
重复进行步骤（3）~（4），得出每个局部放电入射波-反射波脉冲数据段对对应的局部放电点位置，形成局部放电位置序列：,…，作出局部放电点分布图，如图6所示。
本实施例的原理是，首先对局部放电信号进行小波降噪处理，然后利用自相关方法确定入射波与放射波波前到达时间差估计值，然后对局部放电信号进行多层小波分解，以各层小波模极大值的最大值作为入射波波前位置，并以自相关方法确定的时间差作为参照，查找反射波对应的小波模极大值，即为反射波波前位置，计算入射波和反射波波前时间差，得出局部放电点位置。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可以对本发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在本申请的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于自相关-小波模极大值分析的电缆局部放电定位方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)采集并初步处理局部放电信号：
通过布置在电缆一端的局部放电检测装置采集电缆中的局部放电信号，经滤波放大后，由局部放电检测装置中的高速数字采集卡将模拟信号转换成数字信号，最后保存处理后的局部放电信号为局部放电数据；
(2)提取局部放电入射波-反射波脉冲数据段：
对步骤(1)中采集到的局部放电数据进行滤波处理后，设定阈值，提取出包含局部放电信号的完整入射波和反射波数据的局部放电入射波-反射波脉冲数据段x(n)；所述阈值需超过反射波幅值而低于入射波幅值；
(3)进行自相关分析：
对步骤(2)中的入射波-反射波脉冲数据段x(n)进行自相关处理，提取入射波与反射波的波前时间差的估计值dN；
(4)进行小波模极大值分析：
对步骤(3)中的入射波-反射波脉冲数据段x(n)进行N层小波分解和重构，提取各层小波重构信号的最大值点作为入射波波前位置，之后以步骤(3)自相关分析得到的入射波与反射波的波前时间差的估计值dN作为参照，提取反射波小波模极大值时刻，计算入射波和反射波波前时间差，计算局部放电点位置。
2.根据权利要求书1所述的基于自相关-小波模极大值分析的电缆局部放电定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述局部放电检测装置包括局部放电耦合电容Ck、局部放电检测阻抗Zm、信号滤波器、信号放大器和数据采集装置；所述局部放电耦合电容Ck的一端接在测试电缆的线芯上，其另一端和局部放电检测阻抗Zm串联后接地，所述信号滤波器的输入端接在局部放电检测阻抗Zm两端，所述信号滤波器的输出端经信号放大器接入数据采集装置的输入端；所述数据采集装置为高速数字采集卡，所述测试电缆的线芯接高压电源，其屏蔽层两端接地。
3.根据权利要求书1或2所述的基于自相关-小波模极大值分析的电缆局部放电定位方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述局部放电入射波-反射波脉冲数据段x(n)的提取过程为：设定合适阈值，保证该阈值超过反射波幅值而低于入射波幅值，提取以入射波为起点的长度为的信号区间，记为x(n)；
其中，L为信号区间长度；
l为电缆长度；
v为信号在电缆中的传播速度；
Fs为采样频率；
为信号在电缆中传播的最大时长，以保证采样次数为L的信号区间内包含完整入射波和反射波信号；
x(n)中的n表示时间序号，n的取值范围为1～L。
4.根据权利要求书3所述的基于自相关-小波模极大值分析的电缆局部放电定位方法，其特征在于：所述步骤(3)中自相关分析的步骤如下：
3-1、按照如下公式(1)计算出自相关分析结果序列Rxx(k)：
其中，Rxx(k)为自相关分析结果序列；
k为偏移量，k＝0，±1、±2、±3，…，±L；
3-2、提取自相关分析结果序列Rxx(k)的主峰和次峰之间的距离，作为入射波和反射波的波前时间差的估计值dN；所述主峰即最大值点，所述次峰即次最大值点。
5.根据权利要求书4所述的基于自相关-小波模极大值分析的电缆局部放电定位方法，其特征在于：所述步骤(4)中小波模极大值分析的步骤如下：
4-1、对步骤(3)中取得的局部放电入射波-反射波脉冲数据段x(n)进行N尺度的小波分解；
4-2、对范围是2～N-1尺度下的小波变换高频分量进行小波重构，提取第i层小波重构信号的模最大值点位置作为入射波的波前位置，记为xli,i＝2，3，...，N-1，其对应峰值为Ali；
4-3、以步骤(3)中自相关分析得到的入射波与反射波的波前时间差的估计值dN为参照，在[xli+dN-δn，xli+dN+δn]区间内查找找最大值作为第i层小波重构信号模极大值点，作为反射波的波前位置，记为x2i，其对应峰值为A2i；其中，δn为自相关信号振荡周期；
4-4、分析A2i/A1i的值是否满足随i增大逐渐增大的规律，若满足上述规律则进行步骤4-5；
若不满足上述规律，则表明由x2i确定的脉冲信号为干扰信号，则返回步骤(3)进行自相关分析，重新计算入射波与反射波的波前时间差的估计值dN；
4-5、依照如下公式(2)计算第i层小波重构信号确定的入射波与反射波波前时间差ΔNi：
ΔNi＝x2i-x1i (式2)
其中，ΔNi为第i层小波重构信号确定的入射波与反射波波前时间差；
x2i为第i层小波重构信号确定的反射波的波前位置；
x1i为第i层小波重构信号确定的入射波的波前位置；
从而依照如下公式(3)计算入射波与反射波传播时间差Δτ：
Δτ＝ΔN/Fs (式3)
其中，Fs为采样频率；
ΔN为ΔNi平均值；
4-6、将入射波与反射波传播时间差Δτ代入如下公式(4)计算得到局部放电点位置；
其中，lpd为局部放电点位置与电缆A端的距离；
l为电缆长度；
v为信号在电缆中的传播速度。
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