CN111308280A

CN111308280A - 非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法

Info

Publication number: CN111308280A
Application number: CN201911269881.6A
Authority: CN
Inventors: 李文; 罗俊元; 张春丽; 刘红文; 黄继盛
Original assignee: Lincang Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Current assignee: Lincang Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: CN111308280B

Abstract

本发明涉及一种非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，属于电力绝缘检测技术领域。该方法首先对局部放电脉冲采集数据；对采集数据计算短时时域分形波形；对采集数据计算短时频域分形波形；对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，得到分形特征频谱图，判断频谱图中是否存在50Hz成分、100Hz成分；对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数，得到形状参数α；若频谱图中是否存在50Hz成分和100Hz成分，且α在0~4范围内，则判断为存在放电；反之，则判断为噪声。本发明使用放电与噪声的时频特性及分形特性进行噪声与放电的模式识别，对电力安全运行提供了重要的指导意义，且识别度高，易于推广应用。

Description

非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法

技术领域

本发明属于电力绝缘检测技术领域，具体涉及一种非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法。

背景技术

20世纪50年代以来，我国的电力公共事业发展迅速，到20世纪末，我国电力系统装机容量已超过14000万千瓦，年发电量也居世界前列。在我国电力系统电压等级不断升高的同时，人们越来越重视电力系统的安全稳定运行。严重的电气设备故障不但会造成大范围停电，给人们生活带来不便，也会给国民经济带来重大损失。

电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础。国内外统计资料表明，电气设备绝缘性能的劣化是导致其失效的主要原因，严重时可能会导致电网大面积停电事故。而局部放电既是电气设备绝缘劣化的征兆，又是造成绝缘劣化的关键性因素。电气设备局部放电模式识别是指对电气设备的放电故障类型进行识别。

局部放电发生时会伴随某些化学反应或物理反应，放电时产生的带电质子、活性生成物、热效应等会造成绝缘材料性能劣化。局部放电对绝缘系统的损害相对缓慢，从绝缘材料的局部开始，逐步扩大，长时间的局部放电最终会导致绝缘设备的失效，是电气设备运行中的安全隐患。局部放电是由于绝缘系统中的缺陷引起的，局部放电检测不但能够及时发现绝缘系统的缺陷，还能反应绝缘设备的劣化程度，避免由于长期的局部放电引起的设备失效，是保证电力设备安全稳定运行的重要手段。

电力设备在放电过程中会产生声波，通过检测局部放电产生的超声波信号来判定局部放电的方法称为超声波检测法。非接触式超声波传感器的中心频率大约在40kHz附近，通常固定在被检测开关柜的外壳上，利用压电晶体作为声电转化元件。当设备内部发生放电时，局部放电产生的声波信号传递到开关柜表面，由超声波传感器将超声信号转换为电信号，并进一步放大后传到采集系统，以达到检测局部放电的目的。超声波检测最明显的优点是没有强烈的电磁噪声，但是开关柜内的游离颗粒对开关柜壁的碰撞可能对检测结果造成噪声；同时，由于开关柜内部绝缘结构复杂，超声波衰减严重，在绝缘内部发生的放电则有可能无法被检测到。

专利申请号为CN201010607433.5公开了一种基于超声波检测的GIS局部放电模式识别方法，其方法包括以下步骤：1)利用超声波传感器对GIS设备进行原始信号采样，所述原始信号包含局部放电信号和噪声信号；2)在幅值模式下对原始信号进行50Hz和100Hz频率相关成分提取，进行放电信号和噪声的分离；主要步骤包括：1)幅值模式定义为（q_i,t_i+20(n-1))_n,其中n为采样周期，t_i和q_i为第n周期中第i个声波脉冲信号的采集时间和幅值；2）对原始信号序列的幅值包络线进行时间间隔为1ms的重采样（采样率f_s=1000Hz），得到一个新的序列；对新序列进行快速傅里叶变换（FFT），得到其频谱分布（Q（f_i），f_i））；3)根据新序列的频谱分布函数由下式获取频率成分F1和F2的值；3)将分离出的局部放电信号在飞行模式下对分离出的局部放电信号进行特征参数提取，判别检测获得的信号是否来自于自由金属微粒，如属于自由金属微粒，则输出识别结果为金属微粒放电，如不属于，则进行步骤4）；4)将局部放电信号在相位模式下进行特征算子提取，根据相位模式下提取的特征算子，输入神经网络，判断局部放电信号是否属于电晕放电、内部放电或者悬浮放电；该专利首先根据幅值模式进行噪声与放电的判断，再采用特征算子及神经网络进行电晕放电、内部放电或悬浮放电的区分。然而，该方法还是存在一些不足，在幅值模式下该方法对原始值进行了降采样，降采样会带来主要信号的丢失，由于现场环境比较复杂，受各类噪声影响，获取三维谱图时需要较为专业的人工经验，因而一般很难建立所需指纹库。且受噪声类型不同，仅对原始数据直接进行频域分析时，噪声与放电很可能在同一个频段。因此如何克服现有技术的不足是目前电力绝缘检测技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，该方法包括首先采集数据，将采样获得的数据计算短时时域分形波形和短时频域分形波形；然后对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数；根据变换结果及参数范围判断当前数据是放电还是噪声，本发明使用放电与噪声的分形特征及Weibull分布具有不同的表现特征进行噪声与放电的模式识别，对非接触超声波检测的局部放电检测中是否有放电提供了很高的指导意义，适用于不同环境下的非接触超声波检测的局部放电模式识别。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，主要步骤包括：

对局部放电脉冲采集数据；

对采集数据计算短时时域分形波形；

对采集数据计算短时频域分形波形；

对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，得到分形特征频谱图，判断频谱图中是否存在50Hz成分、100Hz成分；

对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数，得到形状参数α；

若频谱图中存在50Hz成分和100Hz成分，且α在0~4的范围内，则判断为存在放电；反之，则判断为噪声。

进一步，优选的是，对局部放电脉冲采集1秒或1秒的整数倍数据；

进一步，优选的是，对采集数据计算短时时域分形波形的具体方法为：

对采集到的局部放电脉冲序列X(t _i)使用边长为△的方格去覆盖时间点t _i和时间点t _i+1之间的曲线段，计算得到时域波形的短时分形波形。

进一步，优选的是，对采集数据计算短时频域分形波形的具体方法为：

将采集到的局部放电脉冲序列X(t _i)进行FFT变换，对变换后的频域计算短时分形波形。

本发明同时提供一种非接触式超声波检测局放噪声与放电的系统，包括：

数据采集模块，用于对局部放电脉冲采集数据；

第一处理模块，用于对采集数据计算短时时域分形波形；还用于对采集数据计算短时频域分形波形；

第二处理模块，用于对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，得到分形特征频谱图，判断频谱图中是否存在50Hz成分、100Hz成分；还用于对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数，得到形状参数α；

判断模块，用于若频谱图中存在50Hz成分和100Hz成分，且α在0~4的范围内，则判断为存在放电；反之，则判断为噪声。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法的步骤。

本发明另外提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法的步骤。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明提出了一种非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，对获得的数据计算短时时域分形波形和短时频域分形波形；然后对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数；根据噪声域放电的分形特征不同及Weibull分布不同实现放电与噪声区分。该方法对非接触超声波检测的局部放电检测中是否有放电提供了很高的指导意义，且以往的基于PRPD图是否存在局放需要很专业的人工经验，该方法的提出无需很专业的人工经验即可做出判断，易于推广应用。

附图说明

图1是本发明非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法的流程图。

图2是本发明应用实例中采集到的不同缺陷类型的局部放电脉冲分形维数分布图；横坐标表示信号个数，纵坐标表示分形维数值；

图3是本发明应用实例中采集到的不同缺陷类型的局部放电脉冲进行估计Weibull参数分布图；横坐标表示信号个数，纵坐标表示Weibull分布形状参数值大小；

图4是本发明非接触式超声波检测局放噪声与放电系统的结构示意图；

图5为本发明电子设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本发明提出的一种非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，根据该方法可以快速判断当前监测点是否存在局部放电现象，该方法对非接触式超声波检测中具有很重要的指导意义，且以往的基于PRPD图是否存在局放需要很专业的人工经验，该方法的提出无需很专业的人工经验即可做出判断。

实施例1

如图1所示，非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，主要步骤包括：

对局部放电脉冲采集5秒数据；

对采集数据计算短时时域分形波形；

对采集数据计算短时频域分形波形；

对采集数据计算短时时域分形波形的具体方法为：

对采集数据计算短时频域分形波形的具体方法为：

实施例2

如图1所示，一种非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，步骤：

（1）对局部放电脉冲采集1秒数据。

（2）对采集数据计算短时时域分形波形。

所述步骤（2）包括：对所述局部放电脉冲采样序列X(t _i)使用边长为△的方格去覆盖时间点t _i和时间点t _i+1之间的曲线段，计算得到时域波形的短时分形波形。

（3）对采集数据计算短时频域分形波形。

所述步骤（3）包括：将所述滤波后所述局部放电脉冲采样序列X(t _i)进行FFT变换，对变换后的频域计算短时分形波形。

（4）对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换。

所述步骤（4）包括：对短时时域分形波形计算快速傅里叶变换，得到分形特征频谱图，计算频谱图中50Hz成分F1，100Hz成分F2，计算整个频谱中最大值F，根据F1/F、F2/F所占百分比确定F1、F2是否存在，当F1/F、F2/F均大于0.5，则认为该信号含有F1、F2。

（5）对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数，得到形状参数α；

所述步骤（5）包括：对短时频域分形波形估计其Weibull分布形状参数，得到形状参数α，根据α分布范围结合(4)判断是否存在放电。

如图4所示，种非接触式超声波检测局放噪声与放电的系统，包括：

数据采集模块101，用于对局部放电脉冲采集数据；

第一处理模块102，用于对采集数据计算短时时域分形波形；还用于对采集数据计算短时频域分形波形；

第二处理模块103，用于对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，得到分形特征频谱图，判断频谱图中是否存在50Hz成分、100Hz成分；还用于对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数，得到形状参数α；

判断模块104，用于若频谱图中存在50Hz成分和100Hz成分，且α在0~4的范围内，则判断为存在放电；反之，则判断为噪声。

在本发明实施例中，数据采集模块101对局部放电脉冲采集数据；之后，第一处理模块102对采集数据计算短时时域分形波形和短时频域分形波形；接着，第二处理模块103对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，得到分形特征频谱图，判断频谱图中是否存在50Hz成分、100Hz成分；并对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数，得到形状参数α；最后，判断模块104若频谱图中存在50Hz成分和100Hz成分，且α在0~4的范围内，则判断为存在放电；反之，则判断为噪声。

本发明实施例提供的一种非接触式超声波检测局放噪声与放电的系统，该系统无需很专业的人工经验即可做出判断，对非接触超声波检测的局部放电检测中是否有放电提供了很高的指导意义。

本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

图5为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图5，该电子设备可以包括：处理器(processor)201、通信接口(Communications Interface)202、存储器(memory)203和通信总线204，其中，处理器201，通信接口202，存储器203通过通信总线204完成相互间的通信。处理器201可以调用存储器203中的逻辑指令，以执行如下方法：对局部放电脉冲采集数据；对采集数据计算短时时域分形波形；对采集数据计算短时频域分形波形；对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，得到分形特征频谱图，判断频谱图中是否存在50Hz成分、100Hz成分；对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数，得到形状参数α；若频谱图中存在50Hz成分和100Hz成分，且α在0~4的范围内，则判断为存在放电；反之，则判断为噪声。

此外，上述的存储器203中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，例如包括：对局部放电脉冲采集数据；对采集数据计算短时时域分形波形；对采集数据计算短时频域分形波形；对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，得到分形特征频谱图，判断频谱图中是否存在50Hz成分、100Hz成分；对短时频域分形波形估计Weibull分布形状参数，得到形状参数α；若频谱图中存在50Hz成分和100Hz成分，且α在0~4的范围内，则判断为存在放电；反之，则判断为噪声。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

应用实例

步骤（1），对局部放电脉冲采集数据，数据为局部放电脉冲序列X(t _i)，本实例选取1秒的数据量；

步骤（2），对所述局部放电脉冲采样序列X(t _i)计算时域波形的短时分形波形，基于盒维数理论进行分形数的计算，使用不同边长为△的方格去覆盖时域点t_i和t_i+1之间的曲线段，计算出每个窗口的时域波形曲线的盒维数，本实施窗口选取512个点，最终形成X(t _i)的短时分形波形图。

步骤（3），将所述局部放电脉冲采样序列X(t _i)进行FFT变换得到序列Y(f _i)，对变换后的频域基于盒维数计算方式对每个窗口计算盒维数，本实施窗口选取512个点，最终形成X(f _i)的短时分形波形图。

步骤（4），对短时时域分形波形计算快速傅里叶变换，得到分形特征频谱图，计算频谱图中50Hz成分F1，100Hz成分F2，计算整个频谱中最大值F，根据F1/F、F2/F所占百分比确定F1、F2是否存在，当F1/F、F2/F均大于0.5，则认为该信号含有F1、F2，则可能存在放电。

步骤（5），对短时频域分形波形估计其Weibull分布形状参数，得到形状参数α，本实施例α<1.5,当F1/F>0.5、F2/F>0.5，且α<1.5则判断为放电，否则判断为噪声。

其中，采集到的不同缺陷类型的局部放电脉冲分形维数分布图如图2所示，采集到的不同缺陷类型的局部放电脉冲进行估计Weibull参数分布图如图3所示。

本发明提出的一种非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，该方法包括首先采集1s或1s整数倍的数据，将采样获得的数据计算短时时域分形波形和短时频域分形波形；然后对短时时域分形波形进行快速傅里叶变换，对短时频域分形波形采用最大似然法估计Weibull分布形状参数；根据变换结果及参数范围判断当前数据是放电还是噪声，本发明使用放电与噪声的分形特征及Weibull分布具有不同的表现特征进行噪声与放电的模式识别，对非接触超声波检测的局部放电检测中是否有放电提供了很高的指导意义，适用于不同环境下的非接触超声波检测的局部放电模式识别。

分形维数的物理含义决定了对不规则信号的测度能力，分形维数体现了信号波形的精细度和规律性。越规律、细节越不丰富的信号其分形维数越小，噪声一般具有高不规律和丰富的细节，因此不同的信号会有不同的分形维数分布波形。对不同放电类型及噪声进行分形维数计算，噪声的分形维数值在1.5左右，沿面放电的分形维数值在1.3左右，气隙放电的分形维数值在1.3左右，尖端放电的分形维数值在1.2左右。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，其特征在于，主要步骤包括：

对局部放电脉冲采集数据；

对采集数据计算短时时域分形波形；

对采集数据计算短时频域分形波形；

2.根据权利要求1所述的非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，其特征在于，对局部放电脉冲采集1秒或1秒的整数倍数据。

3.根据权利要求1所述的非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，其特征在于，对采集数据计算短时时域分形波形的具体方法为：

4.根据权利要求1所述的非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法，其特征在于，对采集数据计算短时频域分形波形的具体方法为：

5.非接触式超声波检测局放噪声与放电的系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于对局部放电脉冲采集数据；

6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一项所述非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法的步骤。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述非接触式超声波检测局放噪声与放电的方法的步骤。