CN104991171A - 基于超高频信号的gis局部放电分频故障图谱绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，包括：同步获取GIS局部放电信号x^p和外界干扰信号xⁿ；对x^p进行自适应滤波；对滤波后的GIS局部放电信号自适应选取起始有效频点和结束有效频点，并按照设定的频点间隔得到有效频点序列f_j；每200us计算一次各有效频点f_j处的放电量和放电相位；统计1秒内每个有效频点f_j处局部放电的放电相位、放电量及放电次数，并计算每个有效频点f_j处的平均放电量、最大放电相位；绘制GIS局部放电分频故障图谱。本发明基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，为GIS局部放电故障的检测与识别提供技术支持。

Description

基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法

【技术领域】

本发明涉及故障图谱绘制领域，特别涉及一种GIS局部放电故障图谱的绘制方法。

【背景技术】

气体绝缘全封闭式组合电器(GIS)，以其结构紧凑、检修周期长、受外界环境影响小等优点在电力系统中得到了广泛应用。但由于GIS结构复杂，制造与检修工艺精细，使部分常规预防性试验方法难以有效实施，而且，一旦GIS发生故障后果，会导致重大停电事故的发生，影响较大范围用电质量。

目前已有大量学者在该领域研究，主要通过获得相关放电数据并进行处理进而分析GIS局部放电的规律和实际中GIS的绝缘状态，为GIS的推广和可靠安全运行提供技术支持。故GIS局放数据和处理手段成了研究的关键。现在常用的局放数据的采集来源主要来自于脉冲电流法、化学物质检测法、超声波法和超高频法，每种采集方法都有其各自的优点和缺点，脉冲电流法在实验的环境下可以准确测量放电量，但是在现场应用容易受到干扰，而化学物质检测法简单易操作，但放电时生成的物质不稳定，目前较常用的为超声波法和超高频法，前者较为灵敏，且不受电信号干扰，但是传播距离短易衰减，而超高频信号抗衰减性较好且抗干扰，其得到了更广泛的应用，而本专利所依托的数据即是有超高频方法得到的。

GIS局放研究中，放电数据处理后的放电图谱具有极其重要地位，目前图谱的绘制包括PRPD和PRPSA两种模式，其中有幅值-相位图、飞行图、三维谱图等等，但这些谱图绘制是由全部放电数据进行绘制。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，为GIS局部放电故障的检测与识别提供技术支持。本发明通过提取超高频局部放电信号并进行自适应滤波，实时滤除干扰信号，然后自适应确定有效频点序列，计算各有效频点特征量，并绘制随有效频点变化的动态故障图谱、分频放电特征趋势图谱和有效频点数量变化趋势谱图。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，包括以下步骤：

第一步、进行典型缺陷金属尖端缺陷GIS局部放电实验，同步分别获取GIS局部放电信号x^p和外界干扰信号xⁿ；

第二步、对获取的GIS局部放电信号x^p进行自适应滤波，得到滤波后的频域信号v^pf；

第三步、对滤波后的GIS局部放电信号v^pf自适应选取起始有效频点f_start和结束有效频点f_end，并按照设定的频点间隔f_BW得到有效频点序列f_j；

第四步、每200us计算一次各有效频点f_j处的放电量和放电相位

第五步、统计1秒内每个有效频点f_j处局部放电的放电相位放电量q_j及放电次数n_j，并计算每个有效频点f_j处的平均放电量qave^j、最大放电相位

第六步、绘制GIS局部放电分频故障图谱。

本发明进一步的改进在于：所述GIS局部放电分频故障图谱为：

放电相位放电量q_j-放电次数n_j随有效频点f_j变化的动态故障图谱影像、有效放电频点数量变化趋势谱图或分频放电特征趋势谱图中一种或多种。

本发明进一步的改进在于：第一步中在GIS上或内部安装超高频传感器，用于采集GIS局部放电信号x^p；同时在GIS外部放置一个超高频传感器，用于采集GIS外部干扰信号xⁿ；所选用的两个超高频传感器，其有效频段为300MHz～2000MHz。

本发明进一步的改进在于：第二步具体包括以下步骤：

1)对获取的外界干扰信号xⁿ进行FFT变换，得到对应于不同频率分量的幅值序列vⁿ；

2)对所有频率分量的幅值序列vⁿ，求取中值vmedⁿ和鲁棒标准差vmadⁿ：

vmedⁿ＝median(vⁿ)

vmadⁿ＝1.4826*median|vⁿ-vmedⁿ|，其中median为求中值运算；

3)找到所有满足vⁿ≥vmedⁿ+3*vmadⁿ的干扰频点f_m；

4)对获取的GIS局放信号x^p进行FFT变换得到对应于不同频率分量的幅值序列v^p，将对应干扰频点f_m处的幅值用零替换得到滤波后的幅值序列v^pf，完成干扰信号的实时自适应滤除。

本发明进一步的改进在于：起始频点f_start、结束频点f_end及有效频点序列f_j的确定方法如下：

对完成自适应滤波的GIS局放信号v^pf，以300MHz为起点，2000MHz为终点，100MHz为步进间隔，选取出现局放信号的第一个频点作为起始有效频点f_start，选取最后一个出现信号的频点作为结束频点f_end，起始有效频点与结束有效频点之间为有效频段，在有效频段内按照100MHz间隔得到有效频点序列f_j；

判断出现局放信号的标准为：满足v^pf≥2*vmedⁿ。

本发明进一步的改进在于：第四步中各有效频点f_j处的放电量计算方法为：

$q_j^i=\left\{\begin{array}{cc}0& v_j^{pf}<2*{\mathrm{vmed}}^n\\ round\left|\frac{100*v_j^{pf}}{v_{\max }}\right|& v_j^{pf}\&GreaterEqual;2*{\mathrm{vmed}}^n\end{array}\right.$

其中round为取整数运算，v_max为各频点处幅值最大值；为在有效频点f_j处的局放信号幅值。

本发明进一步的改进在于：绘制放电相位放电量q_j-放电次数n_j随有效频点f_j变化的动态故障图谱影像的方法为：以每1秒获取的每个频点f_j处放电相位放电量q_j及放电次数n_j绘制一张三维谱图并作为动态图谱影像的一帧，从起始有效频点f_start连续播放至结束有效频点f_end形成动态图谱影像。

本发明进一步的改进在于：有效放电频点数量变化趋势谱图绘制方法为：

1)有效频点数k的计算方法为：对有效频点序列f_j，放电次数n_j≥β的频点作为有效放电频点，统计有效放电频点数量k；其中，β为设定的放电次数阈值；

2)以时间为横坐标，以有效频点数k为纵坐标，绘制有效频点数k随时间变化的趋势图。

本发明进一步的改进在于：分频放电特征趋势谱图绘制方法为：

1)以有效频点f_j为横坐标，以平均放电量qave^j为纵坐标，绘制平均放电量随有效频点变化的趋势谱图；

2)以有效频点f_j为横坐标，以最大放电相位为纵坐标，绘制最大放电相位随有效频点变化的趋势谱图。

相对于现有技术，本发明以下有益效果：

本发明发现不同类型放电与频率有很大的关系，于是提出分频故障图谱绘制方法，其特点在于绘制随频点变化的放电图谱，有助于理解频率和放电的关系的研究，同时使得GIS局部放电的图谱种类得到进一步丰富，图谱的丰富必定也推动GIS局放研究；与目前GIS局部放电故障图谱相比，本发明提出有效频点，并将有效频点和局部放电规律的联系起来，对不同频点下的放电规律进行绘制，有助于研究放电规律随着频率的变化情况，而这种关系在以前的研究中是仅仅通过对放电信号功率谱粗略分析，而本发明在以前研究得到放电信号会随着频率而变化的结论基础上，进一步提出频点的理论，使频率量化并绘制新型放电图谱，这种图谱可以帮助我们更细致研究放电规律同频率的变化规律，而且在本发明绘制图谱的过程中明显发现许多频点处的放电有显著的特点，说明图谱的有效性，同时得到的代表性频点完全可以作为一个特征参数并应用到局放故障识别等研究中。同时以前的图谱好多如趋势图其横坐标为时间，而局放现象很不稳定，时间横轴的图谱很难得出普遍性的结论，而本发明部分图谱将频点作为横坐标，这样就有助于研究放电信号的规律。分频故障图谱的绘制方法丰富了GIS故障图谱，为GIS局放故障的诊断提供了新的依据。

【附图说明】

图1为本发明分频图谱绘制方法的流程图；

图2为自适应滤波的流程图；

图3为部分频点放电三维图；

图4为有效频点数随时间变化的趋势谱图；

图5为平均放电量随有效频点变化的趋势谱图；

图6为最大放电相位随有效频点变化的趋势谱图。

【具体实施方式】

下面结合附图和一个具体的实施例，对本发明一种基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法进行详细说明。

请参阅图1所示，本发明一种基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，包括以下步骤：

第一步、在GIS上安装外置式超高频传感器，用于获取局部放电信号，同时在距离GIS外腔体1米处放置一个超高频传感器，用于采集GIS外部干扰信号，所选用的两个超高频传感器，其有效频段为300MHz～2000MHz；制作金属尖端缺陷，进行典型缺陷金属尖端缺陷GIS局部放电实验，采用高速存储示波器完成对两路超高频信号的高速数据采集，示波器的采样率设置为5GSam/s；采集局放信号的同时通过互感器采集实验工频电压信号，用于放电相位的确定。

第二步、如图2所示的流程，对GIS上安装外置式超高频传感器获取的GIS局部放电信号x^p进行自适应滤波，实时滤除各类外界干扰信号；

1)对在距离GIS外腔体1米处放置的超高频传感器的获取的外界干扰信号xⁿ进行2048点的FFT变换，得到对应于不同频率分量的幅值序列vⁿ；

2)对所有频率分量的幅值序列vⁿ，求取中值vmedn和鲁棒标准差vmadⁿ：

vmedⁿ＝median(vⁿ)

vmadⁿ＝1.4826*median|vⁿ-vmedⁿ|，其中median为求中值运算；

3)找到所有满足vⁿ≥vmedⁿ+3*vmadn的干扰频点f_m，即存在外界干扰的频点；试验中发现，实验数据显示在300～500MHZ、880～980MHz，1700～2000MHZ三个频段内会出现较多干扰噪声，具体频点随机变化，这些随机频点f_m为外界干扰的频点。

4)对获取的GIS局放信号x^p也进行2048点的FFT变换，得到对应于不同频率分量的幅值序列v^p，将幅值序列v^p中干扰频点f_m处的幅值用零替换得到自适应滤波后的频域信号v^pf。

第三步、对滤波后的GIS局部放电信号v^pf自适应选取起始有效频点f_start和结束有效频点f_end，并按照设定的频点间隔f_BW得到有效频点序列f_j；

对完成自适应滤波的GIS局放信号v^pf，以300MHz为起点，2000MHz为终点，100MHz为步进间隔，选取出现局放信号的第一个频点作为起始有效频点f_start，选取最后一个出现信号的频点作为结束频点f_end，起始有效频点与结束有效频点之间为有效频段，在有效频段内按照100MHz间隔得到有效频点序列f_j；其中判断出现局放信号的标准为：满足v^pf≥2*vmedⁿ。在本实例中，对施加电压为200kv时采集的一组局放信号显示，其起始频点f_start为500Mhz，结束频点f_end为1800Mhz，有效频点序列为f_j(500Mhz，600Mhz，700Mhz，800Mhz，900Mhz，1000Mhz，1100Mhz，1200Mhz，1300Mhz，1400Mhz，1500Mhz，1600Mhz，1700Mhz，1800MHz)共14个频点。

第四步、每200us计算一次各有效频点f_j处的放电量和放电相位各有效频点f_j处的放电量计算方法为：

$q_j^i=\left\{\begin{array}{cc}0& v_j^{pf}<2*{\mathrm{vmed}}^n\\ round\left|\frac{100*v_j^{pf}}{v_{\max }}\right|& v_j^{pf}\&GreaterEqual;2*{\mathrm{vmed}}^n\end{array}\right.$

其中round为取整数运算，v_max为各频点处幅值最大值，为在有效频点f_j处的局部放电信号幅值。每次放电的放电相位确定根据第一步采集到的同步工频电压信号确定，为现有技术，具体确定方法在此不再赘述。

第五步、统计1秒内每个有效频点f_j处局部放电的放电相位放电量q_j及放电次数n_j，并计算每个有效频点f_j处的平均放电量qave^j、最大放电相位即最终得到14个有效频点的14组数据，其中最大放电相位是该频点下放电幅值最大对应的相位，其它几个量均可通过现有公式计算。

第六步、绘制放电相位放电量q_j-放电次数n_j随有效频点f_j变化的动态故障图谱影像，分别以每1秒内每个频点f_j处放电相位放电量q_j及放电次数n_j绘制来绘制三维谱图，然后将三维谱图作为动态图谱影像的一帧，从起始有效频点f_start连续播放至结束有效频点f_end形成动态图谱影像。可以动态看到三维图中放电变化情况；在附图3给出14个频点中的6个频点的三维图谱，可以看到每个频点放电情况是不一样的。

第七步、绘制有效频点数量变化趋势谱图；每五秒加一次电压进行尖端缺陷放电实验，统计一次放电次数n_j≠0的有效频点数k；以时间为横坐标，以有效频点数k为纵坐标，绘制有效频点数k随时间变化的趋势图，如附图4所示，可以从中看到到加压放电后期，尖端缺陷在所有频点都开始放电。

第八步、绘制分频放电特征趋势谱图。

1)以14个有效频点f_j为横坐标，以其平均放电量qave^j为纵坐标，绘制平均放电量随有效频点变化的趋势谱图，如附图5所示，粗略的看到在高频的几个频点上，放电量较大，放电强烈。

2)以14个有效频点f_j为横坐标，以最大放电相位为纵坐标，绘制最大放电相位随有效频点变化的趋势谱图，如附图6所示，可以初步看到尖端放电的最大放电相位基本分布在工频300°左右。

Claims (9)

1.基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、进行典型缺陷金属尖端缺陷GIS局部放电实验，同步分别获取GIS局部放电信号x^p和外界干扰信号xⁿ；

第二步、对获取的GIS局部放电信号x^p进行自适应滤波，得到滤波后的频域信号v^pf；

第三步、对滤波后的GIS局部放电信号v^pf自适应选取起始有效频点f_start和结束有效频点f_end，并按照设定的频点间隔f_BW得到有效频点序列f_j；

第四步、每200us计算一次各有效频点f_j处的放电量和放电相位

第五步、统计1秒内每个有效频点f_j处局部放电的放电相位放电量q_j及放电次数n_j，并计算每个有效频点f_j处的平均放电量qave^j、最大放电相位

第六步、绘制GIS局部放电分频故障图谱。

2.根据权利要求1所述的基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，其特征在于，所述GIS局部放电分频故障图谱为：

放电相位-放电量q_j-放电次数n_j随有效频点f_j变化的动态故障图谱影像、有效放电频点数量变化趋势谱图或分频放电特征趋势谱图中一种或多种。

3.根据权利要求1所述的基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，其特征在于，第一步中在GIS上或内部安装超高频传感器，用于采集GIS局部放电信号x^p；同时在GIS外部放置一个超高频传感器，用于采集GIS外部干扰信号xⁿ；所选用的两个超高频传感器，其有效频段为300MHz～2000MHz。

4.根据权利要求1所述的基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，其特征在于，第二步具体包括以下步骤：

1)对获取的外界干扰信号xⁿ进行FFT变换，得到对应于不同频率分量的幅值序列vⁿ；

2)对所有频率分量的幅值序列vⁿ，求取中值vmedⁿ和鲁棒标准差vmadⁿ：

vmedⁿ＝median(vⁿ)

vmadⁿ＝1.4826*median|vⁿ-vmedⁿ|，其中median为求中值运算；

3)找到所有满足vⁿ≥vmedⁿ+3*vmadⁿ的干扰频点f_m；

4)对获取的GIS局放信号x^p进行FFT变换得到对应于不同频率分量的幅值序列v^p，将对应干扰频点f_m处的幅值用零替换得到滤波后的幅值序列v^pf，完成干扰信号的实时自适应滤除。

5.根据权利要求4所述的基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，其特征在于，起始频点f_start、结束频点f_end及有效频点序列f_j的确定方法如下：

对完成自适应滤波的GIS局放信号v^pf，以300MHz为起点，2000MHz为终点，100MHz为步进间隔，选取出现局放信号的第一个频点作为起始有效频点f_start，选取最后一个出现信号的频点作为结束频点f_end，起始有效频点与结束有效频点之间为有效频段，在有效频段内按照100MHz间隔得到有效频点序列f_j；

判断出现局放信号的标准为：满足v^pf≥2*vmedⁿ。

6.根据权利要求1所述的基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，其特征在于，第四步中各有效频点f_j处的放电量计算方法为：

$q_j^i=\left\{\begin{array}{cc}0& v_j^{pf}<2*{\mathrm{vmed}}^n\\ round\left|\frac{100*v_j^{pf}}{v_{max}}\right|& v_j^{pf}\&GreaterEqual;2*{\mathrm{vmed}}^n\end{array}\right.$

其中round为取整数运算，v_max为各频点处幅值最大值；为在有效频点f_j处的局放信号幅值。

7.根据权利要求2所述的基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，其特征在于，绘制放电相位-放电量q_j-放电次数n_j随有效频点f_j变化的动态故障图谱影像的方法为：以每1秒获取的每个频点f_j处放电相位放电量q_j及放电次数n_j绘制一张三维谱图并作为动态图谱影像的一帧，从起始有效频点f_ftart连续播放至结束有效频点f_end形成动态图谱影像。

8.根据权利要求2所述的基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，其特征在于，有效放电频点数量变化趋势谱图绘制方法为：

1)有效频点数k的计算方法为：对有效频点序列f_j，放电次数n_j≥β的频点作为有效放电频点，统计有效放电频点数量k；其中，β为设定的放电次数阈值；

2)以时间为横坐标，以有效频点数k为纵坐标，绘制有效频点数k随时间变化的趋势图。

9.根据权利要求2所述的基于超高频信号的GIS局部放电分频故障图谱绘制方法，其特征在于，分频放电特征趋势谱图绘制方法为：

1)以有效频点f_j为横坐标，以平均放电量qave^j为纵坐标，绘制平均放电量随有效频点变化的趋势谱图；

2)以有效频点f_j为横坐标，以最大放电相位为纵坐标，绘制最大放电相位随有效频点变化的趋势谱图。