CN109884481A - 局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法，本方法录制全带宽地电波传感器的背景噪声干扰信号；对噪声干扰信号波形进行时‑频谱分析，得到录制信号的时频变化特征和噪声强度；对噪声干扰信号周期特征分析，得到噪声强度的周期性变化包络；建立时频特征参数随时间的变化曲线，对噪声干扰信号进行频率重构，得到其周期性变化的时频分布谱图，选择观测周期内相应时刻滤波器滤波中心频率上下带宽后，得到滤波后噪声强度变化曲线；针对是否含有模拟滤波器的传感器，分别设定其阈值和带宽。本方法能够全面客观反映现场应用环境的噪声干扰特征，优化传感器噪声阈值和带宽选择策略，提高开关设备局部放电故障诊断和预警的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法。
背景技术
基于地电波检测原理的开关设备局部放电检测技术具有灵敏度高、适应性强、现场应用灵活等特点，成为一种用于开关设备局部放电带电检测和在线监测的有效手段，在国内外电力运行企业及配电设备管理部门得到越来越多的应用。随着城市电网的不断发展扩大和对供电可靠性要求的不断提高，开关设备的安全可靠运行越来越受到重视。近年来国内外针对采用地电波局部放电检测开展了大量的应用，也积累了一定的实践经验，发现了大量开关柜内部局部放电故障并及时做出了故障预警。目前，地电波检测设备可分为两类：手持式局部放电检测设备和局部放电在线监测系统，主要对地电波信号的幅值、脉冲次数和变化趋势进行测量，从而判断开关柜是否存在局部放电现象。而在实际使用中，地电波局部放电检测易受现场电磁干扰的影响，使得其检测灵敏度降低或产生局部放电的误判，因此一般采用人工设定或采用噪声滤波手段进行检测阈值和带宽的设定和调整。
当前地电波局部放电在线监测的应用中，多采用分布式传感器单元对单独开关设备进行监测，传感器检测阈值的设定由人工观察或经验来进行，或由信号滤波处理来代替，阈值设定一般在传感器安装后一次性完成，在线监测的工作周期及预警条件也相对固化，缺乏现场环境的适应性和数值设定的参考依据。随着地电波局部放电在线监测技术的大量应用，上述处理方法难以适应不同噪声环境及不同运行工况下对检测有效性的要求，通讯信号、环境电磁水平、大功率设备启停及设备负荷变化等引起的噪声环境的动态变化会造成传感器人工阈值过低或过高、检测灵敏度下降以及信号的误报或失报等情况，影响地电波局部放电监测的应用效果，并增加了人工成本和对人工经验的依赖。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法，本方法采用地电波噪声强度时序特征和时-频谱特征进行全带宽噪声评估，能够全面客观反映现场应用环境的噪声和干扰特征，优化传感器噪声阈值和带宽选择策略，提高开关设备局部放电故障诊断和预警的准确性。
为解决上述技术问题，本发明局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法包括如下步骤：
步骤一、地电波干扰信号录制，将全带宽的地电波传感器安置于开关设备的监测位置，录制其模拟响应带宽内的背景噪声干扰信号,连续录制时长窗口和间隔时间由录制采样单元的存储容量决定；
步骤二、噪声干扰信号强度的频谱分析，选用短时傅里叶变换或S变换对噪声干扰信号波形进行时-频谱分析，得到录制信号的时频变化特征和噪声强度；
短时傅里叶变换公式如式(1)：
其中，STFTz为短时傅里叶变换算子，t、t’为时间变量，f为频率变量，z为离散原始信号，η为窗函数，对于给定的时间t，STFTz(t,f)为该时刻的频谱；
S变换公式如式(2):
其中，S为S变换算子，t、τ为时间变量，f为频率变量，z为离散原始信号，gf为高斯窗函数，通过时间t和频率f的调整可以改变窗口大小，在信号的低频部分，时窗较宽，而在信号的高频部分，时窗较窄；
步骤三、噪声干扰信号周期特征分析，建立噪声干扰信号强度随时间的变化曲线，根据传感器适用环境，将单位时长内的强度最大值进行记录，得到噪声强度的周期性变化包络，
S(t)＝max(Scyc(1),Scyc(2),…,Scyc(n)) (3)
其中，S(t)为n个周期的包络曲线，Scyc(1)…Scyc(n)为第1个到第n个周期的变化曲线；
步骤四、噪声干扰信号的时-频谱分布及噪声阈值，建立时频特征参数随时间的变化曲线，对单位观测周期获得的噪声干扰信号进行频率重构，对总时长内频率重构信号进行时频特征分析，得到其周期性变化的时频分布谱图，选择观测周期内相应时刻滤波器滤波中心频率上下带宽后，得到滤波后噪声强度变化曲线；
步骤五、如噪声全波带幅值存在明显周期性强度噪声环境，噪声阈值直接采用噪声强度变化曲线设定；如噪声全波带幅值不存在可描述的周期性强度噪声环境，噪声阈值直接设定为评估时长内噪声幅值概率分布上限；对于不含模拟滤波器的传感器，传感器带宽设定为滤波器滤波中心频率上下带宽，对于含模拟滤波器的传感器，若噪声时频分布具备可描述的周期性，直接根据噪声主要频率分布选取数字或硬件滤波带宽为传感器带宽；若噪声时频分布不具备可描述的周期性，直接设定为完整噪声录制时间内噪声频率概率分布的上、下限为传感器带宽。
进一步，步骤四中，所述滤波器滤波中心频率上下带宽为从噪声强度变化曲线上取噪声强度下降为最大值的0.707时的上下限频率。
进一步，步骤五中，所述明显周期性强度噪声环境为周期性噪声强度大于非周期噪声强度。
进一步，步骤五中，所述数字或硬件滤波带宽为数字滤波器的带宽响应频率上下限或硬件滤波器的带宽响应频率上下限。
由于本发明局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法采用了上述技术方案，即本方法录制安置于开关设备监测位置的全带宽地电波传感器的背景噪声干扰信号；选用短时傅里叶变换或S变换对噪声干扰信号波形进行时-频谱分析，得到录制信号的时频变化特征和噪声强度；对噪声干扰信号周期特征分析，得到噪声强度的周期性变化包络；建立时频特征参数随时间的变化曲线，对噪声干扰信号进行频率重构，得到其周期性变化的时频分布谱图，选择观测周期内相应时刻滤波器滤波中心频率上下带宽后，得到滤波后噪声强度变化曲线；针对是否含有模拟滤波器的传感器，分别设定其阈值和带宽。本方法采用地电波噪声强度时序特征和时-频谱特征进行全带宽噪声评估，能够全面客观反映现场应用环境的噪声和干扰特征，优化传感器噪声阈值和带宽选择策略，提高开关设备局部放电故障诊断和预警的准确性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为应用本方法进行开关柜噪声信号录波结果示意图；
图2为应用本方法录制的噪声信号时频分布谱图。
具体实施方式
本发明局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法包括如下步骤：
步骤一、地电波干扰信号录制，将全带宽的地电波传感器安置于开关设备的监测位置，录制其模拟响应带宽内的背景噪声干扰信号,连续录制时长窗口和间隔时间由录制采样单元的存储容量决定；
步骤二、噪声干扰信号强度的频谱分析，选用短时傅里叶变换或S变换对噪声干扰信号波形进行时-频谱分析，得到录制信号的时频变化特征和噪声强度；
短时傅里叶变换公式如式(1)：
其中，STFTz为短时傅里叶变换算子，t、t’为时间变量，f为频率变量，z为离散原始信号，η为窗函数，对于给定的时间t，STFTz(t,f)为该时刻的频谱；
S变换公式如式(2):
其中，S为S变换算子，t、τ为时间变量，f为频率变量，z为离散原始信号，gf为高斯窗函数，通过时间t和频率f的调整可以改变窗口大小，在信号的低频部分，时窗较宽，而在信号的高频部分，时窗较窄；
步骤三、噪声干扰信号周期特征分析，建立噪声干扰信号强度随时间的变化曲线，根据传感器适用环境，将单位时长内的强度最大值进行记录，得到噪声强度的周期性变化包络，
S(t)＝max(Scyc(1),Scyc(2),…,Scyc(n)) (3)
其中，S(t)为n个周期的包络曲线，Scyc(1)…Scyc(n)为第1个到第n个周期的变化曲线；
步骤四、噪声干扰信号的时-频谱分布及噪声阈值，建立时频特征参数随时间的变化曲线，对单位观测周期获得的噪声干扰信号进行频率重构，对总时长内频率重构信号进行时频特征分析，得到其周期性变化的时频分布谱图，选择观测周期内相应时刻滤波器滤波中心频率上下带宽后，得到滤波后噪声强度变化曲线；
步骤五、如噪声全波带幅值存在明显周期性强度噪声环境，噪声阈值直接采用噪声强度变化曲线设定；如噪声全波带幅值不存在可描述的周期性强度噪声环境，噪声阈值直接设定为评估时长内噪声幅值概率分布上限；对于不含模拟滤波器的传感器，传感器带宽设定为滤波器滤波中心频率上下带宽，对于含模拟滤波器的传感器，若噪声时频分布具备可描述的周期性，直接根据噪声主要频率分布选取数字或硬件滤波带宽为传感器带宽；若噪声时频分布不具备可描述的周期性，直接设定为完整噪声录制时间内噪声频率概率分布的上、下限为传感器带宽。
优选的，步骤四中，所述滤波器滤波中心频率上下带宽为从噪声强度变化曲线上取噪声强度下降为最大值的0.707时的上下限频率。
优选的，步骤五中，所述明显周期性强度噪声环境为周期性噪声强度大于非周期噪声强度。
优选的，步骤五中，所述数字或硬件滤波带宽为数字滤波器的带宽响应频率上下限或硬件滤波器的带宽响应频率上下限。
当地电波传感器工作环境发生变化或位置发生移动时，需对传感器噪声阈值及带宽进行重新校验，并按本方法进行。
本方法首先根据被测环境干扰水平和特征，采用开窗方式对全带宽地电波传感器的实际噪声进行录制，根据噪声动态水平设定录制窗口长度，采用时序分析和时-频谱分析获得环境噪声干扰强度和时-频谱分布，最终确定地电波干扰的门限阈值和带宽。
对本方法进行现场应用验证
1、地电波背景噪声时序特征和时-频谱
全带宽的地电波传感器安置于10kV全封闭型金属铠装开关柜并进行噪声录制，连续采样时长为15秒，间隔时长为30秒，总录波时长为24小时，总录波次数为3次，如图1所示为3次噪声信号录波结果以及包络曲线；建立时频特征参数随时间的变化曲线，根据地电波传感器工作环境，设定单位观测周期为1天，对相应的时频特征值进行分析，得到其周期性变化规律及时频分布谱图，如图2所示。
2、噪声阈值及带宽的设定
噪声评估经上述背景噪声信号强度变化及时频谱分析可知，其具备可描述的周期性，选择观测周期内相应时刻滤波器滤波中心频率上下带宽为5MHz，计算滤波后相应时刻噪声强度值，如表1所示(以观测周期内前9小时数据为示例)，此表1数据可作为地电波传感器噪声阈值设定及带宽设定数据。
表1地电波传感器噪声阈值及带宽设定
| 时间 | 0-1 | 1-2 | 2-3 | 3-4 | 4-5 | 5-6 | 6-7 | 7-8 | 8-9 |
| 噪声阈值(dB) | 12.2 | 14.1 | 16.6 | 11.5 | 7.8 | 9.0 | 13.2 | 10.5 | 13.7 |
| 滤波中心带宽(MHz) | 6.5 | 8.2 | 9.7 | 11.5 | 8.5 | 8.5 | 9.6 | 8.5 | 11.0 |
本方法操作简单易行，只需采用地电波传感器自身进行全波带噪声录波，并基于所获得信号进行相应的噪声强度时序特征和时-频谱特征分析，得到地电波传感器噪声阈值及带宽的设定数据，从而满足开关设备局部放电测试的要求，经现场实际应用测试效果优越，有效提高开关设备局部放电故障诊断和预警的准确性。
Claims (4)
1.一种局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法，其特征在于本方法包括如下步骤：
步骤一、地电波干扰信号录制，将全带宽的地电波传感器安置于开关设备的监测位置，录制其模拟响应带宽内的背景噪声干扰信号,连续录制时长窗口和间隔时间由录制采样单元的存储容量决定；
步骤二、噪声干扰信号强度的频谱分析，选用短时傅里叶变换或S分布变换对噪声干扰信号波形进行时-频谱分析，得到录制信号的时频变化特征和噪声强度；
短时傅里叶变换公式如式(1)：
其中，STFTz为短时傅里叶变换算子，t、t’为时间变量，f为频率变量，z为离散原始信号，η为窗函数，对于给定的时间t，STFTz(t,f)为该时刻的频谱；
S变换公式如式(2):
其中，S为S变换算子，t、τ为时间变量，f为频率变量，z为离散原始信号，gf为高斯窗函数，通过时间t和频率f的调整可以改变窗口大小，在信号的低频部分，时窗较宽，而在信号的高频部分，时窗较窄；
步骤三、噪声干扰信号周期特征分析，建立噪声干扰信号强度随时间的变化曲线，根据传感器适用环境，将单位时长内的强度最大值进行记录，得到噪声强度的周期性变化包络，
S(t)＝max(Scyc(1),Scyc(2),…,Scyc(n)) (3)
其中，S(t)为n个周期的包络曲线，Scyc(1)…Scyc(n)为第1个到第n个周期的变化曲线；
步骤四、噪声干扰信号的时-频谱分布及噪声阈值，建立时频特征参数随时间的变化曲线，对单位观测周期获得的噪声干扰信号进行频率重构，对总时长内频率重构信号进行时频特征分析，得到其周期性变化的时频分布谱图，选择观测周期内相应时刻滤波器滤波中心频率上下带宽后，得到滤波后噪声强度变化曲线；
步骤五、如噪声全波带幅值存在明显周期性强度噪声环境，噪声阈值直接采用噪声强度变化曲线设定；如噪声全波带幅值不存在可描述的周期性强度噪声环境，噪声阈值直接设定为评估时长内噪声幅值概率分布上限；对于不含模拟滤波器的传感器，传感器带宽设定为滤波器滤波中心频率上下带宽，对于含模拟滤波器的传感器，若噪声时频分布具备可描述的周期性，直接根据噪声主要频率分布选取数字或硬件滤波带宽为传感器带宽；若噪声时频分布不具备可描述的周期性，直接设定为完整噪声录制时间内噪声频率概率分布的上、下限为传感器带宽。
2.根据权利要求1所述的局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法，其特征在于：步骤四中，所述滤波器滤波中心频率上下带宽为从噪声强度变化曲线上取噪声强度下降为最大值的0.707时的上下限频率。
3.根据权利要求1所述的局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法，其特征在于：步骤五中，所述明显周期性强度噪声环境为周期性噪声强度大于非周期噪声强度。
4.根据权利要求1所述的局部放电暂态对地电压现场噪声评估方法，其特征在于：步骤五中，所述数字或硬件滤波带宽为数字滤波器的带宽响应频率上下限或硬件滤波器的带宽响应频率上下限。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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