CN112924831A - 一种特高频局部放电定位时延估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种特高频局部放电定位时延估计方法，本方法先通过相关‑移位‑叠加变换将特高频传感器采集到的多个样本数据进行处理后得到具有代表性的局部放电信号波形，然后运用四阶累积量的统计特性对其分析，即可获得两局部放电信号的时间差。相关‑位移‑叠加处理时有效地消除了所获局部放电信号的水平晃动和随机干扰，并在此基础上进行四阶累积量计算，再次抑制了信号的高斯噪声，从而改善信噪比，经过对噪声的两次有效消除，使所获时延结果最接近理论值，且非常稳定，与其他提取算法相比具有明显的优越性。

Description

一种特高频局部放电定位时延估计方法

技术领域

本发明涉及电力设备局部放电定位技术领域，具体是一种特高频局部放电定位时延估计方法，属于变压器局部放电源特高频信号时间差定位法中对时延估计算法的改进。

背景技术

局部放电(Partial Discharge,PD)是电气设备内部发生绝缘缺陷时在局部范围内产生的一种放电现象。电力变压器的多数故障是由内部绝缘缺陷产生的局部放电在运行电压下不断加剧与发展，最终造成设备整体绝缘性能丧失而引发的故障。特高频(UltraHigh Frequency,UHF)检测技术具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，但电力变压器体积庞大、结构复杂、电磁环境恶劣，且其绝缘结构中缺陷类型、位置和数量具有多样性，如何根据特高频局部放电信号实现准确、可靠的故障定位是电力设备状态监测急需解决的一个难题。此外，在局部放电源定位计算的过程中，除了背景噪声、传感器的响应时间、局部放电电流脉冲的上升时间等众多影响因素导致难以准确获取局部放单信号时延外，以电磁波传播速度为等值波速建立的时间差方程组也在一定程度上影响了定位的准确性，从而出现所谓“误差多级放大”的情况，进一步降低了局部放电定位精度，甚至无法定位。同时，目前的定位算法还面临着对时延误差敏感、易局部收敛或发散、运算速度慢等难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种特高频局部放电定位时延估计方法，基于消除局部放电信号的水平晃动和随机干扰，并抑制信号的高斯噪声，使获取的时延结果更接近理论值。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种特高频局部放电定位时延估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01)、采集同一放电源在不同时刻的局部放电特高频信号，采集到的局部放电特高频信号称为样本波形；

S02)、计算局部放电特高频信号在任意两个不同时刻内在关联的相关程度，对于步骤S01采集到的n个样本波形，若第k个样本波形与其余样本波形的相关程度最好，则认为该样本波形最能反映放电特性，且所受的干扰最小，选择该样本波形作为计算定位时延的移位标准；

S03)、改变选定的样本波形与其他各样本波形间的相对距离，直到两波形的互相关函数取极大值为止，然后叠加取平均波形，得到具有代表性的局部放电信号波形；

S04)、利用四阶累积量计算局部放电定位时延，计算公式为：

其中，J_1N(d)为基于四阶累积量的信号时延估计准则函数，x(n)和y(n)表示为x(t)和y(t)采样得到的结果，n表示有n个采样点，x(t)和y(t)为同一放电源产生的两组局部放电信号，x(n-d)表示时延时间为d的x(n)信号；

x(n)和y(n)采用经过步骤S03处理得到的波形信号；

c′_4N{}表示为四阶累积量的数值估计，其计算式为：

其中N为采样点数，N₁＝max(1,d+1)、N₂＝min(N,d+N)，从而确保上式中n的取值范围在1到N之间；

选择准则函数J_1N(d)取最大值时的时延d作为信号时延D的估计值。

进一步的，局部放电特高频信号在任意两个不同时刻内在关联的相关程度的计算公式为：

其中，R_ij(m)为互相关函数，i、j分别为同一通道的第i个样本和第j个样本，k为采样点号，s为采样点数，m为移位的点数，x_i和x_j代表两个不同传感器获得的波形数据。

进一步的，步骤S03具体为：

S31)、对同一通道采集到的n个波形样本，分别计算出它们之间不移位时的互相关函数值，记为R_ij(0)；

S32)、对每个样本，计算出它与其余样本间位移为零时的互相关函数之和M_i，计算公式如下式：

S33)、从M₁、M₂、…、M_n中选取和值最大时对应的波形样本作为移位操作的标准；

S34)、移位的点数即为两波形间的互相关函数取最大值时m的值；

S35)、所有的样本移位后，再将得到的n个样本进行叠加后取平均的处理，从而获得具有统计意义的波形

本发明的有益效果：本发明先通过“相关-移位-叠加”变换将特高频传感器采集到的多个样本数据进行处理后得到具有代表性的局部放电信号波形，然后运用四阶累积量的统计特性对其分析，即可获得两局部放电信号的时间差。“相关-位移-叠加”处理时有效地消除了所获局部放电信号的水平晃动和随机干扰，并在此基础上进行四阶累积量计算，再次抑制了信号的高斯噪声，从而改善信噪比，经过对噪声的两次有效消除，使所获时延结果最接近理论值，且非常稳定，与其他提取算法相比具有明显的优越性。

具体实施方式

下面结合具体实施对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种特高频局部放电定位时延估计方法，用于提高变压器局部放电源特高频信号时间差定位法中时延估计的准确性。考虑到电力变压器结构复杂、电磁环境恶劣以及背景噪声、传感器响应时间等多方面因素的影响，提出了一种基于“相关-移位-叠加”变换的四阶累积量时延估计方法，具体包括以下步骤：

S01)、采集同一放电源在不同时刻的局部放电特高频信号，采集到的局部放电特高频信号称为样本波形；

S02)、对来自同一放电源的多个样本数据先进行“相关-移位-叠加”数学变换后得到具有统计意义的局部放电信号波形；

S03)、利用四阶累积量准确地求取时间差，以有效消除所获PD信号的水平晃动和随机干扰，并抑制高斯噪声、提高信噪比，进而提高时延测量的准确性。

步骤S02中的“相关-移位-叠加”变换中，“相关”表示的是信号(一个或两个)在任意两个不同时刻内在关联的相关程度，以实现信号的检测、识别与提取，通常被用来分析随机信号的统计特性，用于反映信号间的相似性，互相关函数的计算公式如下所示：

上式中描述的是信号样本x(t)与产生时移后的样本x(t+τ)内在的相似程度。对于局部放电(Partial Discharge,PD)采样信号而言，其波形数据是离散的，则上式可改写为离散化的互相关函数：

上式中：i、j分别为同一通道的第i个样本和第j个样本；k为采样点号；s为采样点数(即信号的长度)；m为移位的点数(对应连续信号中的时移x_j)；x_i和x_j可代表两个不同传感器获得的波形数据。对于采集到的n个样本波形，若第k个波形样本与其余波形的相似程度最好，则认为此波形最能反映放电特性，且所受的干扰最小，可选择该样本作为计算时间差的移位标准。

“移位”是指通过改变选定的波形样本与其它各波形样本间的相对距离，直到两波形的互相关函数取极大值为止，然后“叠加”取平均波形。这样所得的波形在一定程度上消除了因放电随机性而造成的信号触发位置的水平晃动和背景噪声以及各种类型的随机干扰，具有代表性。具体的计算步骤如下：

S31)、对同一通道采集到的n个波形样本，分别计算出它们之间不移位时的互相关函数值，记为R_ij(0)。如对样本1，可以计算出互相关函数值R₁₂(0),R₁₃(0),…,R_1n(0)；

S32)、对每个样本，计算出它与其余样本间位移为零时的互相关函数之和M_i，计算公式如下式：

S33)、从M₁,M₂,…,M_n中选取和值最大时对应的波形样本作为移位操作的标准。如当最大值为M_a(1≤a≤n)时，此时就以其对应的波形样本a为标准进行移位；

S34)、移位的点数即为两波形间的互相关函数取最大值时m的值。例如以波形样本a为标准，样本1向它移位，移位的点数则为R_a1(m)取最大值时的m_max；

S35)、所有的样本移位后，再将得到的n个样本进行叠加后取平均的处理，从而获得具有统计意义的波形

步骤S03中，四阶累积量的信号时延估计算法的实质是以两路信号的四阶自累积量及四阶互累积量代替信号本身来做互相关函数，将互相关函数取最大值时对应的值看作是信号时延的估计值，从而估计出信号时延。

基于四阶累积量的信号时延估计准则函数为：

选择准则函数J₁(d)取最大值时的时延d作为信号时延D的估计值。在实际应用时，将准则函数J₁(d)转化为离散形式J_1N(d)，计算公式如下:

式中，c’_4N{}表示为四阶累积量的数值估计，其计算式如下

式中，N为采样点数；N₁＝max(1,d+1)、N₂＝min(N,d+N)，从而确保上式中n的取值范围在1～N之间。可以证明，

式中，ω.p.1表示J_1N(d)依概率1收敛于J₁(d)，故选择J_1N(d)取最大值时对应的时延d作为信号时延所求的估计值D。

于是先通过“相关-移位-叠加”变换将UHF传感器采集到的多个样本数据进行处理后得到具有代表性的PD信号波形，然后运用四阶累积量的统计特性对其分析，即可获得两PD信号的时间差。

为了对比分析本发明提出基于“相关—移位—叠加”变换的四阶累积量时延估计改进算法与其他几种常见时延估计方法的精度，将基于小波变换的能量累积法、初始峰值法、广义相关法、以及四阶累积量改进算法分别用于提取时间差的计算。下表为在相同距离差Δd＝317cm(理论时延为10.566ns)下采集到的不同时刻测得的n个样本数据经不同方法计算得到的估计信号时延的结果。在分析时，为了抑制PD信号的白噪和周期型干扰，将测得的UHF信号先采用复小波变换进行去噪预处理。

从表中可以看出，初始峰值求取时间差的方法存在波动比较大的样本，不管是估计精度还是稳定性，都比其他方法要差，其原因可能是信号波形有较多的毛刺或波形失真严重；累积能量法所得时延精度不高可能与累积能量拐点法要求信号具有较高的信噪比有关；广义相关法出现时延精度不高的原因可能是噪声的瞬时相关能量峰值等于或超过有效信号的瞬时相关能量值时，用于时延计算的值并不是有效信号到达时间，而是噪声信号到达时间，导致时延估计发生错误；而本发明提出的基于“相关—移位—叠加”变换的四阶累积量时延估计改进算法所得结果与理论值差异不大，除了个别值存在一些波动，其余值基本上比较稳定，这是因为在“相关-位移-叠加”处理时有效地消除了所获PD信号的水平晃动和随机干扰，并在此基础上进行四阶累积量计算，再次抑制了信号的高斯噪声，从而改善信噪比，经过对噪声的两次有效消除，使所获时延结果最接近理论值，且非常稳定，与其他提取算法相比具有明显的优越性。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种特高频局部放电定位时延估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01)、采集同一放电源在不同时刻的局部放电特高频信号，采集到的局部放电特高频信号称为样本波形；

S02)、计算局部放电特高频信号在任意两个不同时刻内在关联的相关程度，对于步骤S01采集到的n个样本波形，若第k个样本波形与其余样本波形的相关程度最好，则认为该样本波形最能反映放电特性，且所受的干扰最小，选择该样本波形作为计算定位时延的移位标准；

S03)、改变选定的样本波形与其他各样本波形间的相对距离，直到两波形的互相关函数取极大值为止，然后叠加取平均波形，得到具有代表性的局部放电信号波形；

S04)、利用四阶累积量计算局部放电定位时延，计算公式为：

其中，J_1N(d)为基于四阶累积量的信号时延估计准则函数，x(n)和y(n)表示为x(t)和y(t)采样得到的结果，n表示有n个采样点，x(t)和y(t)为同一放电源产生的两组局部放电信号，x(n-d)表示时延时间为d的x(n)信号；

x(n)和y(n)采用经过步骤S03处理得到的波形信号；

c′_4N{}表示为四阶累积量的数值估计，其计算式为：

其中N为采样点数，N₁＝max(1,d+1)、N₂＝min(N,d+N)，从而确保上式中n的取值范围在1到N之间；

选择准则函数J_1N(d)取最大值时的时延d作为信号时延D的估计值。

2.根据权利要求1所述的特高频局部放电定位时延估计方法，其特征在于：局部放电特高频信号在任意两个不同时刻内在关联的相关程度的计算公式为：

其中，R_ij(m)为互相关函数，i、j分别为同一通道的第i个样本和第j个样本，k为采样点号，s为采样点数，m为移位的点数，x_i和x_j代表两个不同传感器获得的波形数据。

3.根据权利要求2所述的特高频局部放电定位时延估计方法，其特征在于：步骤S03具体为：

S31)、对同一通道采集到的n个波形样本，分别计算出它们之间不移位时的互相关函数值，记为R_ij(0)；

S32)、对每个样本，计算出它与其余样本间位移为零时的互相关函数之和M_i，计算公式如下式：

S33)、从M₁、M₂、…、M_n中选取和值最大时对应的波形样本作为移位操作的标准；

S34)、移位的点数即为两波形间的互相关函数取最大值时m的值；

S35)、所有的样本移位后，再将得到的n个样本进行叠加后取平均的处理，从而获得具有统计意义的波形