CN111398755B - 一种基于短时fft分段技术的电缆局放波形提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电缆局放监测技术领域，公开了一种基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法，在该系统中，通过四个开合式高频电流传感(HFCT)，采集电缆局放波形；然后利用分段短时FFT搜索技术，获取完整的局放波形；配合PRPS、PRPD图谱，对局放波形进行放电模式的精准识别。本发明由于采用短时FFT分段技术，计算量大大缩小，计算速度快；可以得到完整的局放波形；抗干扰性极佳。本发明配合PRPS、PRPD图谱，可以对局放进行放电模式的精准识别。本发明最终得到了电缆局放波形测量方法及电缆局放识别系统，可以对局放进行放电模式的精准识别。

Description

一种基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法
技术领域
本发明属于电缆监测技术领域，尤其涉及一种基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法。
背景技术
目前，由于电力电缆安全系数高，地下安装、不受环境影响，因而在电力系统的输电、配电领域中得到广泛应用。由于电缆本身制造缺陷、安装不规范、运行中出现的短路、雷电、操作过电压等原因，在使用过程中电缆中会出现局放绝缘缺陷，导致绝缘强度下降，出现局部放电现象。随着时间的增长，局放故障会进一步发展，最终演变成更严重故障。研究表明，局放是导致电缆故障的最主要原因，因此，对于电缆的局放问题，必须引起重视。
对于电缆局放的在线监测，主要有以下三种方法：
（1）高频局部放电检测,主要采用高频电流互感器（简称HFCT）、电容耦合传感器采集信号。频率范围大约在300kHz~20MHz。
（2）超高频局部放电检测, 采用天线结构传感器,对频率一般介于100MHz~3000MHz区间的局部放电信号进行采集、分析、判断.
（3）超声波局部放电检测 采用超声波探头.对频率一般介于 20kHz~200kHz 区间的局部放电声信号进行采集、分析、判断。
局放信号采集后，一般，对局放信号进行PRPS(相位分辩的脉冲序列)和PRPD（相位分辩的局部放电）分析。这两种分析方法，都是基于统计意义下的脉冲分布。基于放电特征的统计识别方法，无法得到局放波形的细节。
综上所述，现有技术存在的问题是：为了提取局放波形，现有技术解决的方法中，（1）基于高通滤波的该方法，由于存在白噪声，信噪比小，滤波难度大。
（2）基于FFT的方法。由于采集数据太长，计算量大。此外，无法得到单次局放波形。
（3）基于小波的局放提取技术，在提取过程中，由于需要保留高频部分，滤除了低频成分，导致局放波形失真。由于采样频率高，采样时长大，计算量较大。
（4）基于prony的局放提取技术，计算难道大，波形分解困难。
（5）基于EMD(Empirical mode decomposition,经验模式分解)，由于干扰大，分解困难。
解决上述技术问题的难度：背景噪声成分复杂；传统技术采样时间较长，对硬件的要求较高；软件滤波难度大；由于现场电磁环境复杂，传统算法无法分离出局放信号。由于采样频率高、采样时长长，数据量巨大，计算时间较长；
无法得到局放波形，局放模式识别难度大。
解决上述技术问题的意义：分段查找技术计算量小，对内存需求少；
计算速度快；避免了传统滤波技术的局限性；通过分段查找技术，可以得到电缆局放的原始放电波形；利用原始局放波形，构造PRPS、PRPD图谱，可以对局放波形进行放电模式的精准识别。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法。
本发明是这样实现的，一种基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法，包括：
采用短时分段技术，得到完整的局放波形；并配合PRPS、PRPD图谱，对局放波形进行放电模式的精准识别。
第一步，设置时间间隔Δt=10μs，将单通道一次20ms局放采集信号分成2000段,每段数据长度为N,因此，N=L/2000，其中L是一次20ms单通道电缆放电波形数据长度。若采样频率取50×106,则L=106,N=500。令No=1；
第二步，取第No段数据，做FFT变换，得到第No段数据频谱, 存储在数组A中。在100kHz~10MHz区间找出频谱幅值的最大值AMAX、计算幅值平均值AAV；λ1是一个大于3的常系数。若AMAX>λ1AAV,则得到主频率f=fMAX；否则，转第十一步；
第三步，计算fMAX频率下对应的整周期采样点数M，M<N；
第四步，计算cos(m*2π/M),sin(m*2π/M),m=0,1,2……,M-2,M-1；
第五步，取No段数据进行DFT变化，得到N-M+1个幅值,存储在数组B中；
第六步，计算数组B的平均值BAV,并找出最大值BMAX。
第七步，λ2是一个大于1的常系数。若BMAX<λ2*BAV,则不存在局放波形，转第十一步；否则，k=0;
第八步，若B[k]>= BMAX,则 N1 =k，转第九步。否则k=k+1, 转第八步；
第九步，令N2=N-M+1。从B[N-M+1]起，反向推进。λ3是一个小于1的常系数。若B[k]>λ3*BMAX，则 N2 =k。
第十步，若N2-N1>M, 则得到局放波形，保存N1~N2间原始波形数据；
第十一步， NO=NO+1。若NO>2000,转第十二步,否则转第二步；
十二步，开始局放波形的识别。
本发明的另一目的在于提供一种实施基于短时FFT的电缆局放波形提取系统包括：
高频传感器，采用开合式高频电流传感器；
信号调理模块，对高频信号进行调理；
信号采集模块，通过集中触发模式将采集到的数据通过光纤上传至信号处理模块；
信号处理模块，将数据加工处理，校准后将进行展示。
进一步，信号采集模块采样通道为四个，单通道采样频率为 50M/s,采样时长20ms。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子 装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明由于采用短时分段技术，计算量大大缩小，计算速度快；可以得到完整的局放波形；抗干扰性极佳。本发明配合PRPS、PRPD图谱，可以对局放进行放电模式的精准识别。
本发明最终得到了一系列局放的原始波形。利用这些局放波形，配合PRPS、PRPD图谱，可以对局放进行放电模式的精准识别。
本发明运行后的实际效果。图4-a是原始局放波形, 图4-b是原始局放波形提取后的效果, 图4-c是将图4-b中一个脉冲局放波形的展开效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于短时FFT的电缆局放波形提取系统框图。
图中：1、高频传感器；2、信号调理模块；3、信号采集模块；4、信号处理模块。
图2是本发明实施例提供的电缆局放信号的获取结构图。
图3是本发明实施例提供的电缆局放现场技术方案原理图。
图4是本发明实施例提供的高背景噪声下的电缆局放波形图。
图中：（a）原始局放波形;(b)局放秒冲波形;(c)第一个局放波形细节。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了提取局放波形，现有技术解决的方法中，基于高通滤波的该方法，由于存在白噪声，信噪比小，滤波难度大。基于FFT的方法。由于采集数据太长，计算量大。此外，无法得到单次局放波形。基于小波的局放提取技术，在提取过程中，由于需要保留高频部分，滤除了低频成分，导致局放波形失真。由于采样频率高，采样时长大，计算量较大。基于prony的局放提取技术，计算难道大，波形分解困难。基于EMD(Empirical mode decomposition,经验模式分解)，由于干扰大，分解困难。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法及提取系统包括：高频传感器1、信号调理模块2、信号采集模块3、信号处理模块4。
高频传感器1采用开合式高频电流传感器。
信号调理模块2对高频信号进行调理。
系统采样通道为四个，单通道采样频率为 50M/s,采样时长20ms。
信号采集模块3包括高速采集板，通过集中触发模式将采集到的数据通过光纤上传至信号处理模块4；所述信号处理模块4为上位机，上位机将数据加工处理，校准后将最终展示给用户。
图2是本发明实施例提供的电缆局放信号的获取结构图。
如图3所示，本发明实施例提供的基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法包括：
第一步，设置时间间隔Δt=10μs，将单通道一次20ms局放采集信号分成2000段,每段数据长度为N,因此，N=L/2000，其中L是一次20ms单通道电缆放电波形数据长度。若采样频率取50×106,则L=106,N=500。令No=1；
第二步，取第No段数据，做FFT变换，得到第No段数据频谱, 存储在数组A中。在100kHz~10MHz区间找出频谱幅值的最大值AMAX、计算幅值平均值AAV；λ1是一个大于3的常系数。若AMAX>λ1AAV,则得到主频率f=fMAX；否则，转第十一步；
第三步，计算fMAX频率下对应的整周期采样点数M，M<N；
第四步，计算cos(m*2π/M),sin(m*2π/M),m=0,1,2……,M-2,M-1；
第五步，取No段数据进行DFT变化，得到N-M+1个幅值,存储在数组B中；
第六步，计算数组B的平均值BAV,并找出最大值BMAX。
第七步，λ2是一个大于1的常系数。若BMAX<λ2*BAV,则不存在局放波形，转第十一步；否则，k=0;
第八步，若B[k]>= BMAX,则 N1 =k，转第九步。否则k=k+1, 转第八步；
第九步，令N2=N-M+1。从B[N-M+1]起起，反向推进。λ3是一个小于1的常系数。若B[k]>λ3*BMAX，则 N2 =k。
第十步，若N2-N1>M, 则得到局放波形，保存N1~N2间原始波形数据；
第十一步， NO=NO+1。若NO>2000,转第十二步,否则转第二步；
十二步，开始局放波形的识别。
下面结合具体运行效果对本发明作进一步描述。
本发明运行后的实际效果。图4-a是原始局放波形, 图4-b是原始局放波形提取后的效果, 图4-c是将图4-b中脉冲局放波形的展开效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法，其特征在于，所述基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法包括：
采用短时分段技术，利用FFT，根据频谱特性，得到完整的局放波形；并配合PRPS、PRPD图谱，对局放波形进行放电模式的精准识别；
所述基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法进一步包括：
第一步，设置时间间隔Δt=10μs，将单通道一次20ms局放采集信号分成2000段,每段数据长度为N,因此，N=L/2000，其中L是一次20ms单通道电缆放电波形数据长度；若采样频率取50×106,则L=106,N=500；令No=1；
第二步，取第No段数据，做FFT变换，得到第No段数据频谱, 存储在数组A中；在100kHz~10MHz区间找出频谱幅值的最大值AMAX、计算幅值平均值AAV；λ1是一个大于3的常系数；若AMAX>λ1AAV,则得到主频率f=fMAX；否则，转第十一步；
第三步，计算fMAX频率下对应的整周期采样点数M，其中M<N；
第四步，计算cos(m*2π/M),sin(m*2π/M),m=0,1,2……,M-2,M-1；
第五步，取No段数据进行DFT计算，得到N-M+1个幅值,存储在数组B中；
第六步，计算数组B的平均值BAV,并找出最大值BMAX；
第七步，λ2是一个大于1的常系数；若BMAX<λ2*BAV,则不存在局放波形，转第十一步；否则，k=0；
第八步，若B[k]>= BMAX,则起点N1 =k，转第九步；否则k=k+1, 转第八步；
第九步，令N2=N-M+1；从B[N-M+1]起，反向推进；λ3是一个小于1的常系数；若B[k]>λ3*BMAX，则 N2 =k；
第十步，若N2-N1>M, 则得到局放波形，保存N1~N2间原始波形数据；
第十一步， No=No+1；若No>2000,转第十二步;否则,转第二步；
第十二步，开始局放波形的识别。
2.一种实施权利要求1所述基于短时FFT分段技术的电缆局放波形提取方法的基于短时FFT的电缆局放波形提取系统，其特征在于，所述基于短时FFT的电缆局放波形提取系统包括：
高频传感器，采用开合式高频电流传感器；
信号调理模块，对高频信号进行调理；
信号采集模块，通过集中触发模式将采集到的数据通过光纤上传至信号处理模块；
信号处理模块，将数据加工处理，校准后将进行展示。
3.如权利要求2所述的基于短时FFT的电缆局放波形提取系统，其特征在于，信号采集模块采样通道为四个，单通道采样频率为 50M/s,采样时长20ms。
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