CN106597232A - 一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法，其包括以下步骤：采集含有噪声的第一信号，所述第一信号为局部放电PD信号；对所述第一信号采用基于峭度准则的盲均衡得到第二信号；对所述第二信号采用自动形态学阈值处理。本发明通过对运行中的高压电缆绝缘击穿前产生PD信号进行准确提取和分析，诊断出电缆绝缘状态，保证电缆在绝缘故障前期(尚未达到绝缘击穿状态)，即可提前准确做出预警或预报，避免由于电缆绝缘降低而引发绝缘击穿、着火，以致造成多点接地等各类安全事故的发生；并且还能准确判定故障支路和故障区域，大大缩短故障排查时间，使得电缆维护和检修由定期检修向状态检修转变，由被动检修向主动预警转变。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其涉及一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法。
背景
高压电缆是供电系统的重要组成部分，电力电缆长期、连续和安全稳定的运行对于提高输配电系统供电质量、保证供电安全具有重要意义。但高压电缆由于受到外部环境条件和内部供电负荷变化等因素的影响，容易造成电缆老化，绝缘性能降低。电缆绝缘下降导致的电流泄露，不仅可能危及人身安全，而且还会造成严重的系统故障，影响供电的安全、可靠运行。据统计，在供电事故中，电缆故障所引发的事故约占事故总数的50％以上，而电缆发生故障的80％为电缆绝缘降低到一定程度时，由于绝缘击穿所引发的单相接地故障。因此，研究并掌握电缆的绝缘状况，进而减少甚至避免电缆故障的发生对提升供电可靠性至关重要。
国内外专家学者、IEC、IEEE以及CIGRE等国际电力权威机构，一致推荐局部放电试验为交联聚乙烯电力电缆绝缘状况评价的最佳方法。电力电缆局部放电量与电力电缆绝缘状况密切相关，局部放电量的变化预示着电缆绝缘存在着可能危及电缆安全运行寿命的缺陷。通过检测运行中的电缆绝缘的局部放电，可诊断出电缆绝缘的局部缺陷。但局部放电信号测量的最大难点在于如何减小现场干扰，目前排除局放测量的干扰信号已成为局放测量的主要热点之一。
电力电缆绝缘状况与电力电缆局部放电量密切相关。局部放电量的变化和特征在一定程度上预示了电缆绝缘存在着可能危及电缆安全运行的缺陷。这是因为在局部放电过程中，电离出来的电子、正负离子在电场力的作用下具有较大的能量，当它们撞到绝缘材料内部的绝缘壁时，足以打断绝缘材料高分子的化学键，产生裂解，从而破坏绝缘材料的绝缘性。不仅如此，在放电点上，介质发热可达到很高的温度，使得绝缘材料在放电点被烧焦或融化。温度升高产生的放热裂解或氧化裂解，会增大介质的电导和损耗，使得局部放电更容易在此发生，且发生过程更易实现。由此产生恶性循环导致绝缘体破坏。研究表明，交联聚乙烯铜芯电缆的击穿故障中有74％是由绝缘体内杂质引起的电树枝老化，26％是由屏蔽层表面粗糙引起的电树枝化。从实际线路归纳交联聚乙烯铜芯电缆的老化原因和老化形态，一般认为局部放电、电树枝、水树枝的发生是影响电缆及其附件绝缘性能降低的主要原因，且频度较高。因而局部放电测量是定量分析树枝状劣化程度的有效方法之一，即树枝引发初期，其局部放电量约0.1PC；当树枝发展到介质击穿临界状态时，其局部放电量可到1000PC。随着现代传感器技术以及信号处理技术的快速发展，采用局部放电法作为电缆绝缘在线监测的方法，现在已成为研究的热点。
发明内容
本发明正是基于国内外绝缘监测研究的热点方向“局部放电分析法”，采用先进的信号降噪方法对高压电力电缆局部放电信号进行检测和提取，分析电缆中局部放电量信息的变化，可准确诊断出电力电缆绝缘状况；同时基于电磁波传输原理构造时域反射同步相关分析算法可准确判定局部放电位置，及时找出故障隐患，保障电力电缆安全可靠运行。
本发明提出了一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法，其包括以下步骤：
步骤101、采集含有噪声的第一信号，所述第一信号为局部放电PD信号；
步骤103、对所述第一信号采用基于峭度准则的盲均衡得到第二信号；
步骤105、对所述第二信号采用自动形态学阈值处理。
其中，所述步骤103具体为通过利用特征向量算法自动选择均衡器长度来实现基于峭度准则的盲均衡。
其中，所述通过利用特征向量算法自动选择均衡器长度来实现基于峭度准则的盲均衡具体为：
步骤a1、定义迭代数i；
步骤a3、在最大与最小均衡器长度之间定义一个均匀分布的数量组g；
步骤a5、在所述数量组g中确定最佳的均衡器长度；
步骤a7、通过特征向量肃反为每个均衡器长度确定一个平衡信号；
步骤a9、定义所述平衡信号的最大峰值为Emax。
其中，所述步骤105具体包括：
步骤b1、对所述第二信号设定结构元素的长度分别为L1，L2，…,；Ln；
步骤b3、计算上下波封能量值；
步骤b5、确定上下平均波封能量至为最大波封能量值的10％；
步骤b7、设定阈值上下限。
其中，所述步骤b1和步骤b3之间还包括步骤b2：
运用闭运算构造上波封；
运用开运算构造下波封。
其中，所述b7具体为：
将上平均波封设置为阈值上限；
将下平均波封设置为阈值下限。
本发明提出的基于PD(Partial discharge,局部放电)信号分析的高压电缆绝缘在线监测技术，通过对运行中的高压电缆绝缘击穿前产生PD信号进行准确提取和分析，诊断出电缆绝缘状态，保证电缆在绝缘故障前期(尚未达到绝缘击穿状态)，即可提前准确做出预警或预报，避免由于电缆绝缘降低而引发绝缘击穿、着火，以致造成多点接地等各类安全事故的发生；并且还能准确判定故障支路和故障区域，大大缩短故障排查时间，使得电缆维护和检修由定期检修向状态检修转变，由被动检修向主动预警转变。同时，本发明还规避了传统预防性试验所带来的种种弊端，对于保障电网可靠运行具有十分重要的现实意义。
附图说明
附图1为特征向量算法的系统模型图；
附图2为与本发明实施例一致的一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法流程图。
具体实施例
以下结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例一、
该实施例为盲均衡盲信号技术包含两种算法，分别为盲源分离(Blind SourceSeparation)和盲均衡(Blind Equalization)，其作用都是对未知来源的信号进行恢复处理。盲均衡和盲源分离算法在不同的领域被广泛应用，但在电力电缆的局部放电脉冲信号的在线监测方面很少应用。根据资料显示，已有研究人员将盲源分离技术应用于GIS设备上局部放电脉冲信号的降噪处理；然而，根据盲源分离技术的算法原理，其需要安装电流传感器的数量必须大于局部放电源的数量，才能达到有效的去噪结果。
盲均衡是一种以盲的或是自恢复的形式进行均衡(反卷积)的总称，它是一种即使在信道畸变十分严重的情况下，依然能够不借助训练序列，而仅仅依靠所接收到的信号序列对信道进行自适应均衡处理，使输出的信号序列尽可能接近源始信号序列，从而揭示源信号的方法。以典型的单输入单输出(SISO)盲均衡系统模型为例，其中源始信号为独立分布的非高斯随机信号，设单个随机变量为S，当随机变量的均值为零时，随机变量S的高阶累积量与相应矩的关系为：
(方差)
c3＝E[s3(k)]； (偏斜度)
c4＝E[s4(k)]-3{E[s2(k)]}2； (峭度)
假设三阶累积量为零，而四阶累积量为非零，不同阶数的累积量能够揭示信号的一种信号特征；例如，二阶累积量与方差有关，四阶累积量与峰度有关，其中四阶累积量揭示的峰度被广泛应用。
原始信号经复合信道(即时不变系统FIR)，b(k)＝[b(0)…b(n)]，其中n为滤波阶数；在线性失真后，与零均值高斯信号混合，构成一个混合信号，可表示为：
jk＝b(k)*s(k)+g(k)；
其中，*表示卷积算子。
根据以上公式的随机变量的四阶累积量，而其最大绝对值的定义式为：
其中，为平衡信号的四阶累积量；rxx和rss分别为自相关的平衡信号与源信号；(0,0,0)和(0)表示时间滞后为零。而高斯信号为E[s4(k)]＝3δ4，四阶累积量为c4＝E[s4(k)]-3{E[s2(k)]}2，那么四阶累积量就简化为c4＝3δ4-3{δ2}2；其结果为零。因为该性质可以测量非高斯信号。本发明采用四阶累积量作为局部放电的去噪准则，同时引入特征向量算法(EVA)提供一个理想的操作和收敛速度。其结构如图1所示，
其中，s(k)为k时刻的原始信号；
b(k)为信道的冲击响应；
g(k)表示加性高斯白噪声序列(AWGN)；
j(k)为接收信号的数据序列；
e(k)则是建模为FIR滤波器的均衡器的冲击响应；
f(k)为参考系统的冲击响应；
x(k)为处理后恢复的源信号(对源信号的一种估计)；
y(k)为参考系统输出。
对比单纯的盲信号恢复原理，增加的参考均衡器，其作用主要用来生成隐含信号，作为迭代过程的基准，从而最终找到最佳的均衡信号。实际上，利用盲信号处理技术对信号进行恢复处理有很多方法，最常用的就是由Shalvi提出的盲卷积准则，用公式表示为：
其中，T为函数的共轭转置；
R为接收信号的自相关矩阵；
可表示如下：
利用盲卷积准则的优点在于在参考均衡器的输出和接收信号过程中运用了统计特征，通过对以上公式的进一步优化，可以得到一个广义的特征向量问题，表示为
其中，系数向量eEVA＝[(eEVA(0),…,eEVA(n))]T可以依据选择的特征向量获得最大特征值λ。如果合并后的脉冲响应u(k)＝b(k)f(k)只有一个最大值，那么该方法是有效的，公式如下，
其中k为时间常数。
实施例二、
实施例二是关于自动形态学阈值运算。形态学滤波器(MorphologicalFlitering,MF)是自动形态学阀值(AMT)的基础。本发明利用形态学滤波器自动创建阀值，对盲均衡处理后的信号，继续进一步消除噪声。形态学滤波器的实现是基于数学形态学，即把数学运算应用到信号和结构元素(SE，Structure Element)中，从而提取信号的形态特征。将提取的特征给与不同的提取形状；其中腐蚀运算降低正峰值并扩大负峰值；膨胀运算增加正峰值并降低负峰值；开运算在保持负峰值的情况下降低正峰值；闭运算在保持正峰值的同时减少负峰值。
在数学形态学中，开运算与闭运算可以分别保持负峰值与正峰值不变。因此本发明运用开运算构造负波封，闭运算构造正波封；正负波封值分别构造自动阀值的上下限从而去除噪声，这种方法的主要优点就在于阀值是基于在正负两侧的振幅自动调整的。关于结构元素形状的选取，本发明选用扁平状，由于其简单的形状应用不会对分析产生太大影响。在选择形状后，其长度的选择是会影响阀值确定的另一个重要问题。当长度短于或等于脉冲的间隔时，脉冲可以成功的被提取出来。但在实际情况中，我们无法确定脉冲的时间间隔，并且由于局部放电现象的随机性，局部放电脉冲的时间间隔各不相同，我们无法试图去确定其时间间隔。因此本发明提出自动形态学阀值的方法，去确定波封的脉冲振幅，并通过利用数学形态学提取结构元素与局部放电信号重叠的能力来确定波封。这与提取所有脉冲时间间隔是完全不同的。然后利用波封计算阀值的上限与下限，从而去除噪音。
实施例三、
实施例三为基于上述实施例一和二，在EVA中通过迭代过程产生均衡信号，在这个过程中，均衡器的长度选择至关重要，其长度的选择不当，会直接导致不平衡信号的产生。因此本发明提出了自动选择均衡器长度的方法，在EVA定义自相关矩阵R和交叉累积量矩阵定义如下：
，其中：jT＝[j(k)，j(k-1)，…j(k-n)]；n为均衡器长度；
接着定义一个均匀分布的数量组g，在最大与最小均衡器长度区间内去分配不同的均衡器长度，这是为了确保选中的均衡器长度覆盖到不同的区间，从而确定最优的均衡器长度。一旦确定了均衡器长度，EVA将依照此均衡器长度去除正弦噪音，之后选择平衡信号的最大峰值Emax作为最佳平衡信号，在混合信号中提取PD脉冲。经过EVA处理，正弦噪音可以被有效处理。EVA也可以通过重新选择平衡信号的方法来先消除高斯噪声，但去噪效果不好，因此本文应用AMT方法消除剩余的高斯噪声。
通过利用基于EVA改进的BE算法去除正弦噪声，接着通过形态学阀值消除高斯噪声，采用这种相融合的方法可以有效避免单一方法去噪效果不明显和提取PD脉冲信号不完整的缺陷，从而有效的提高了矿用电缆在线绝缘监测的准确性。
实施例四、
实施例四为一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法，其包括以下步骤：
步骤101、采集含有噪声的第一信号，所述第一信号为局部放电PD信号；
步骤103、对所述第一信号采用基于峭度准则的盲均衡得到第二信号；
步骤105、对所述第二信号采用自动形态学阈值处理。
其中，所述步骤103具体为通过利用特征向量算法自动选择均衡器长度来实现基于峭度准则的盲均衡。
其中，所述通过利用特征向量算法自动选择均衡器长度来实现基于峭度准则的盲均衡具体为：
步骤a1、定义迭代数i；
步骤a3、在最大与最小均衡器长度之间定义一个均匀分布的数量组g；
步骤a5、在所述数量组g中确定最佳的均衡器长度；
步骤a7、通过特征向量肃反为每个均衡器长度确定一个平衡信号；
步骤a9、定义所述平衡信号的最大峰值为Emax。
其中，所述步骤105具体包括：
步骤b1、对所述第二信号设定结构元素的长度分别为L1，L2，…,；Ln；
步骤b3、计算上下波封能量值；
步骤b5、确定上下平均波封能量至为最大波封能量值的10％；
步骤b7、设定阈值上下限。
其中，所述步骤b1和步骤b3之间还包括步骤b2：
运用闭运算构造上波封；
运用开运算构造下波封。
其中，所述b7具体为：
将上平均波封设置为阈值上限；
将下平均波封设置为阈值下限。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法，其包括以下步骤：
步骤101、采集含有噪声的第一信号，所述第一信号为局部放电PD信号；
步骤103、对所述第一信号采用基于峭度准则的盲均衡得到第二信号；
步骤105、对所述第二信号采用自动形态学阈值处理。
2.如权利要求1所述一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法，其中所述步骤103具体为通过利用特征向量算法自动选择均衡器长度来实现基于峭度准则的盲均衡。
3.如权利要求2所述一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法，其中所述通过利用特征向量算法自动选择均衡器长度来实现基于峭度准则的盲均衡具体为：
步骤a1、定义迭代数i；
步骤a3、在最大与最小均衡器长度之间定义一个均匀分布的数量组g；
步骤a5、在所述数量组g中确定最佳的均衡器长度；
步骤a7、通过特征向量肃反为每个均衡器长度确定一个平衡信号；
步骤a9、定义所述平衡信号的最大峰值为Emax。
4.如权利要求1所述一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法，其中所述步骤105具体包括：
步骤b1、对所述第二信号设定结构元素的长度分别为L1，L2，…,；Ln；
步骤b3、计算上下波封能量值；
步骤b5、确定上下平均波封能量至为最大波封能量值的10％；
步骤b7、设定阈值上下限。
5.如权利要求4所述一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法，其中所述步骤b1和步骤b3之间还包括步骤b2：
运用闭运算构造上波封；
运用开运算构造下波封。
6.如权利要求4所述一种高压电力电缆局部放电信号降噪方法，其中所述b7具体为：
将上平均波封设置为阈值上限；
将下平均波封设置为阈值下限。
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