CN109829416A - 一种从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的方法，其包括步骤：(1)采集特高频信号y(t)＝a(θ)×s(t)+v(t)，其中，s(t)表示空间入射信号矢量；v(t)表示噪声矢量；对于平面阵列，θ表示特高频信号的入射方位角；(2)建立特高频信号y(t)的协方差矩阵R；(3)对协方差矩阵R进行特征分解；(4)将特征值划分至n个区间中，每个区间表示为range_i,i＝1,2,…,n；每个区间内的特征值数量表示为k_i：(5)根据特征值的个数M对k_i进行幅值变换，以得到特高频信号的特征数k’_i；(6)根据判别准则C来判断采集的特高频信号中是否含有特高频局部放电信号。此外，本发明还公开了一种从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的系统。

Description

一种从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种检测方法和系统，尤其涉及一种检测局部放电信号的方法和系统。

背景技术

局部放电(Partial Discharge)是电力设备绝缘性能劣化的表现形式，又是绝缘性能进一步劣化的原因，因此对局部放电的定位有很大意义。局部放电的检测定位可以通过超声波法、电气参数测量法及超高频电磁波等方法实现；基于超高频电磁波的局部放电检测法具有抗干扰性强、检测灵敏度高等优点，非常适合现场应用。

在电力设备局部放电检测中，由于采集系统往往在线采集，因此系统接收到的信号除了局部放电信号外，还包括大量随机噪声信号，如何将局部放电信号从噪声信号中检测出来有很大的实际意义。

基于此，期望获得一种方法，该方法可以基于局部放电信号协方差矩阵特征值进行判断，有效判断接收信号是否包含局部放电信号，并提出相应的行之有效的判断准则。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的方法，通过该方法可以有效判断所接收到的信号是否包含局部放电信号，有效区分噪声与局部放电信号之间的区别，非常适用于电力设备局部放电的检测应用。

基于上述目的，本发明提出了一种从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的方法，包括步骤：

(1)采集特高频信号y(t)＝a(θ)×s(t)+v(t)，其中，s(t)表示空间入射信号矢量；v(t)表示噪声矢量；对于平面阵列，θ表示特高频信号的入射方位角；

(2)建立特高频信号y(t)的协方差矩阵R；其中R＝E{y(t)·y^H(t)}，y^H(t)表示特高频信号y(t)的共轭；

(3)对协方差矩阵R进行特征分解，则有：R＝UΣU^H；

其中U和U^H分别表示协方差矩阵R的特征向量及其共轭；Σ表示协方差矩阵R的特征值组成的对角阵：

其中，λ₁、λ₂……λ_M均表示协方差矩阵的特征值，且其满足λ₁＞λ₂＞…λ_M-1＞λ_M；

(4)将特征值划分至n个区间中，每个区间表示为range_i,i＝1,2,…,n；每个区间内的特征值数量表示为k_i：

k_i＝num(λ_j∈range_i),i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,M

其中，num()表示符合条件的变量个数；

(5)根据特征值的个数M对k_i进行幅值变换，以得到特高频信号的特征数k’_i：

(6)根据判别准则C来判断采集的特高频信号中是否含有特高频局部放电信号：

其中，C＝max(k′_i)/mean(k′_i)，max()表示最大值，mean()表示平均值，变量δ为阈值，H₀表示采集的特高频信号为不含有特高频局部放电信号的纯噪声信号，表示采集的特高频信号中含有特高频局部放电信号。

进一步地，在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，通过设置在检测现场的若干个特高频传感器构成的特高频传感器平面阵列采集特高频局部放电信号。

进一步地，在本发明所述的方法中，特高频传感器阵列中的若干个特高频传感器在阵列内均布地设置。

进一步地，在本发明所述的方法中，变量δ的取值范围为0.45-0.55。

在上述的技术方案中，当外部信号从远处发射时，所接收到的信号(即特高频信号)可以采用下式表示：

y(t)＝a(θ)×s(t)+v(t) (1)

上式中，s(t)表示空间入射信号矢量；v(t)表示噪声矢量；对于平面阵列，θ表示特高频信号的入射方位角.

本发明所述的技术方案基于局部放电信号协方差矩阵，在协方差矩阵特征分解的基础上，通过分析矩阵特征值分布进行局部放电检测。协方差矩阵的构造方法如下：

对于式(1)所示的信号模型，噪声为空间白噪声，且噪声功率为σ²，建立其协方差矩阵R：

R＝E{y(t)·y^H(t)} (2)

上式中，y^H(t)表示特高频信号y(t)的共轭；E{}表示数学期望。

据基础矩阵理论，对协方差矩阵R做特征值分解有：

R＝UΣU^H (3)

上式中，式中U为特征向量矩阵，Σ为由特征值组成的对角阵如下：

且式中特征值满足如下关系：

λ₁＞λ₂＞…λ_M-1＞λ_M (5)

随后根据特征值的大小，将特征值划分至n个区间中，记每个区间为range_i,i＝1,2,…,n.则有每个区间的取值范围为：

则每个区间内的特征值数量k_i为：

k_i＝num(λ_j∈range_i),i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,M (7)

其中num()表示符合条件的变量个数。

根据特征值个数M对k_i进行幅值变换，以得到特高频信号的特征数k’_i：

定义判别准则C：

其中C＝max(k′_i)/mean(k′_i)，max()表示最大值，mean()表示平均值，H₀表示接收信号为不包含局部放电的纯噪声信号，表示相反即接收信号包含局部放电信号。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种从随机噪声中检测特高频局部放电信号的系统，通过该系统可以有效判断所接收到的信号是否包含局部放电信号，有效区分噪声与局部放电信号之间的区别，非常适用于电力设备局部放电的检测应用。

基于上述目的，本发明提出了一种从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的系统，其包括

信号采集装置，其采集特高频信号y(t)＝a(θ)×s(t)+v(t)，其中，s(t)表示空间入射信号矢量；v(t)表示噪声矢量；对于平面阵列，θ表示特高频信号的入射方位角；

处理单元，其接收信号采集装置采集的特高频信号，并基于该接收的特高频信号，进行以下操作：

(a)建立特高频信号y(t)的协方差矩阵R；其中R＝E{y(t)·y^H(t)}，y^H(t)表示特高频信号y(t)的共轭；

(b)对协方差矩阵R进行特征分解，则有：R＝UΣU^H；

其中U和U^H分别表示协方差矩阵R的特征向量及其共轭；Σ表示协方差矩阵R的特征值组成的对角阵：

其中，λ₁、λ₂……λ_M均表示协方差矩阵的特征值，且其满足λ₁＞λ₂＞…λ_M-1＞λ_M；

(c)将特征值划分至n个区间中，每个区间表示为range_i,i＝1,2,…,n；每个区间内的特征值数量表示为k_i：

k_i＝num(λ_j∈range_i),i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,M

其中，num()表示符合条件的变量个数；

(d)根据特征值的个数M对k_i进行幅值变换，以得到特高频信号的特征数k’_i：

(e)根据判别准则C来判断采集的特高频信号中是否含有特高频局部放电信号：

其中，C＝max(k′_i)/mean(k′_i)，max()表示最大值，mean()表示平均值，变量δ为阈值，H₀表示采集的特高频信号为不含有特高频局部放电信号的纯噪声信号，表示采集的特高频信号中含有特高频局部放电信号。

进一步地，在本发明所述的系统中，信号采集装置包括特高频传感器平面阵列，特高频传感器平面阵列包括若干个均布设置的特高频传感器。

进一步地，在本发明所述的系统中，特高频传感器平面阵列至少由2×2个特高频传感器构成。

进一步地，在本发明所述的系统中，变量δ的取值范围为0.45-0.55。

本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法和系统具有如下所述的优点和有益效果：

本发明所述的方法可以基于局部放电信号协方差矩阵特征值进行判断，有效判断接收信号是否包含局部放电信号，并提出相应的行之有效的判断准则，其可以有效区分噪声与局部放电信号之间的区别，非常适用于电力设备局部放电的检测应用。

此外，本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的系统同样也具有上述的优点和有益效果。

附图说明

图1为采用本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的系统在一种实施方式下的结构示意图。

图2示意性地显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法在一种实施方式下处于平面坐标系中的传感器平面阵列。

图3示意性地显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法在一种实施方式下的流程。

图4显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法所采集到的包含局部放电信号的特高频接收信号。

图5显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法所采集到的未包含局部放电信号的特高频接收信号。

图6显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法在一种实施方式下的噪声信号的特征值曲线。

图7显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法在一种实施方式下的局部放电信号的特征值曲线。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施方式对本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法和系统做进一步的详细说明。

图1为采用本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的系统在一种实施方式下的结构示意图。

如图1所示，在本实施方式中，从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的系统包括信号采集装置1以及处理单元4，信号采集装置1包括特高频传感器平面阵列，该特高频传感器平面阵列包括若干个均布设置的特高频传感器，在本实施方式中，是由四个特高频传感器S₁、S₂、S₃、S₄构成，其中，阵列的长和宽分别为1.6m和1.2m，阵列传感器为特高频全向天线，其频率检测范围：300M-1.5GHz，增益：≥40db。此外，系统还包括预处理单元2、同步采集系统3以及向预处理单元2、同步采集系统3以及处理单元4供电的电源模块5，其中，同步采集系统3的采样频率为5GHz，信号长度为10000。特高频传感器采集特高频局部放电信号，随后，将采集到的特高频接收信号通过对应的信号通路T₁、T₂、T₃、T₄经预处理单元2预处理后由同步采集系统3向处理单元4传输数据，处理单元4通过采用所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法进行数据分析处理。

图2示意性地显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法在一种实施方式下处于平面坐标系中的传感器平面阵列。

如图2所示，信号采集装置1包括M×M个(需要说明的是，虽然图1中所示的特高频传感器为2×2个，但是可以想到的是，M也可以为2、3、4、5或其他数量)特高频传感器构成的特高频阵列，阵列两边均匀分布，相邻的特高频传感器之间沿长度方向(即图2中x轴所示方向)的间隔为d_x，沿宽度方向(即图2中y轴所示方向)的间隔为d_y。

设某个外部信号从P点射入阵列中，P点距原点O的距离为r，与x轴的夹角(即信号入射方位角)为θ，则阵列中特高频接收信号可以表示为：

y(t)＝a(θ)×s(t)+v(t) (1)

式中：y(t)为M×1维数据矢量，表示阵列接收信号；s(t)为空间入射信号矢量；v(t)为M×1维噪声矢量；对于平面阵列，信号入射方位角为θ。

随后，采用如图3所示的方法从随机噪声中检测出特高频局部放电信号。

图3示意性地显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法在一种实施方式下的流程。

如图3所示，在本实施方式中，从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的方法包括步骤：

(1)采集特高频信号y(t)＝a(θ)×s(t)+v(t)，其中，s(t)表示空间入射信号矢量；v(t)表示噪声矢量；对于平面阵列，θ表示特高频信号的入射方位角；

(2)建立特高频信号y(t)的协方差矩阵R；其中R＝E{y(t)·y^H(t)}，y^H(t)表示特高频信号y(t)的共轭；

(3)对协方差矩阵R进行特征分解，则有：R＝UΣU^H；

其中U和U^H分别表示协方差矩阵R的特征向量及其共轭；Σ表示协方差矩阵R的特征值组成的对角阵：

其中，λ₁、λ₂……λ_M均表示协方差矩阵的特征值，且其满足λ₁＞λ₂＞…λ_M-1＞λ_M；

(4)将特征值划分至n个区间中，每个区间表示为range_i,i＝1,2,…,n；每个区间内的特征值数量表示为k_i：

k_i＝num(λ_j∈range_i),i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,M

其中，num()表示符合条件的变量个数；

(5)根据特征值的个数M对k_i进行幅值变换，以得到特高频信号的特征数k’_i：

(6)根据判别准则C来判断采集的特高频信号中是否含有特高频局部放电信号：

其中，C＝max(k′_i)/mean(k′_i)，max()表示最大值，mean()表示平均值，变量δ为阈值，H₀表示采集的特高频信号为不含有特高频局部放电信号的纯噪声信号，表示采集的特高频信号中含有特高频局部放电信号。其中，变量δ的取值范围为0.45-0.55,在某些实施例中，其取值为0.5。

图4显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法所采集到的包含局部放电信号的接收信号。图5显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法所采集到的未包含局部放电信号的接收信号。

结合图4和图5可以看出，本案的方法可以适用于电力设备局部放电的检测应用，可以将局部放电信号(如图4所示)从大量随机噪声信号中(如图5所示)检测出来，这是因为本案的方法在时域采集信号的基础上，计算协方差矩阵特征值，根据特征值的分布情况获取特征数，最后根据评判准则C的取值可以判断所接收信号是否包含局部放电信号。需要说明的是，图4和图5中的T₁、T₂、T₃、T₄对应相应的特高频传感器的信号通路。

图6显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法在一种实施方式下的噪声信号的特征值曲线。图7显示了本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法在一种实施方式下的局部放电信号的特征值曲线。

结合图6和图7可以看出，噪声信号的k’_i最大值与平均值接近，判别准则C应属于H₀，而相对地，局部放电信号的k’_i最大值远大于平均值，因此可以判别准则C应属于因此，通过本案的方法可以有效地从随机噪声中检测判断出特高频局部放电信号。

需要说明的是，图6和图7中的直方柱表示经验分布，而曲线I和曲线II则表示核密度估计。

为了验证本案所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的方法和系统的有效性，在特高频阵列10米范围内选取一定位置进行放电实验，并按照本案的上述步骤进行多次实验，实验结果取定位结果平均值，最终结果列于表1。

表1.

由表1可以看出，从实验结果中可知，在实际环境中，由于存在电磁噪声干扰，未含有局部放电信号的纯噪声接收信号的准则C均值约为1.2-1.4左右，但不会超过1+δ＝1.5(δ取0.5)；同样的，当空间中存在局部放电时，C的均值则为15-18，明显高于1+δ(δ取0.5)，由此证明了本案方法的有效性。

综上所述可以看出，本发明所述的方法可以基于局部放电信号协方差矩阵特征值进行判断，有效判断接收信号是否包含局部放电信号，并提出相应的行之有效的判断准则，其可以有效区分噪声与局部放电信号之间的区别，非常适用于电力设备局部放电的检测应用。

此外，本发明所述的从随机噪声中检测特高频局部放电信号的系统同样也具有上述的优点和有益效果。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

另外，还需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案所记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)采集特高频信号y(t)＝a(θ)×s(t)+v(t)，其中，s(t)表示空间入射信号矢量；v(t)表示噪声矢量；对于平面阵列，θ表示特高频信号的入射方位角；

(2)建立特高频信号y(t)的协方差矩阵R；其中R＝E{y(t)·y^H(t)}，y^H(t)表示特高频信号y(t)的共轭；

(3)对协方差矩阵R进行特征分解，则有：R＝UΣU^H；

其中U和U^H分别表示协方差矩阵R的特征向量及其共轭；Σ表示协方差矩阵R的特征值组成的对角阵：

其中，λ₁、λ₂……λ_M均表示协方差矩阵的特征值，且其满足λ₁＞λ₂＞…λ_M-1＞λ_M；

(4)将特征值划分至n个区间中，每个区间表示为range_i,i＝1,2,…,n；

每个区间内的特征值数量表示为k_i：

k_i＝num(λ_j∈range_i),i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,M

其中，num()表示符合条件的变量个数；

(5)根据特征值的个数M对k_i进行幅值变换，以得到特高频信号的特征数k’_i：

(6)根据判别准则C来判断采集的特高频信号中是否含有特高频局部放电信号：

其中，C＝max(k′_i)/mean(k′_i)，max()表示最大值，mean()表示平均值，变量δ为阈值，H₀表示采集的特高频信号为不含有特高频局部放电信号的纯噪声信号，表示采集的特高频信号中含有特高频局部放电信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，通过设置在检测现场的若干个特高频传感器构成的特高频传感器平面阵列采集所述特高频局部放电信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特高频传感器阵列中的若干个特高频传感器在阵列内均布地设置。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，变量δ的取值范围为0.45-0.55。

5.一种从随机噪声中检测出特高频局部放电信号的系统，其特征在于，包括：

信号采集装置，其采集特高频信号y(t)＝a(θ)×s(t)+v(t)，其中，s(t)表示空间入射信号矢量；v(t)表示噪声矢量；对于平面阵列，θ表示特高频信号的入射方位角；

处理单元，其接收信号采集装置采集的特高频信号，并基于该接收的特高频信号，进行以下操作：

(a)建立特高频信号y(t)的协方差矩阵R；其中R＝E{y(t)·y^H(t)}，y^H(t)表示特高频信号y(t)的共轭；

(b)对协方差矩阵R进行特征分解，则有：R＝UΣU^H；

其中U和U^H分别表示协方差矩阵R的特征向量及其共轭；Σ表示协方差矩阵R的特征值组成的对角阵：

其中，λ₁、λ₂……λ_M均表示协方差矩阵的特征值，且其满足λ₁＞λ₂＞…λ_M-1＞λ_M；

(c)将特征值划分至n个区间中，每个区间表示为range_i,i＝1,2,…,n；

每个区间内的特征值数量表示为k_i：

k_i＝num(λ_j∈range_i),i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,M

其中，num()表示符合条件的变量个数；

(d)根据特征值的个数M对k_i进行幅值变换，以得到特高频信号的特征数k’_i：

(e)根据判别准则C来判断采集的特高频信号中是否含有特高频局部放电信号：

其中，C＝max(k′_i)/mean(k′_i)，max()表示最大值，mean()表示平均值，变量δ为阈值，H₀表示采集的特高频信号为不含有特高频局部放电信号的纯噪声信号，表示采集的特高频信号中含有特高频局部放电信号。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号采集装置包括特高频传感器平面阵列，所述特高频传感器平面阵列包括若干个均布设置的特高频传感器。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述特高频传感器平面阵列至少由2×2个特高频传感器构成。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，变量δ的取值范围为0.45-0.55。