CN113655340A - 基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法、系统及介质 - Google Patents

基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法、系统及介质，本发明方法包括：采集输电线路各个杆塔的绝缘子处的声音信号；通过快速傅里叶变换将声音信号从时域转换为频域；将转换为频域的声音信号通过带通滤波器处理保留特征频带内信号；计算特征频带内信号的频带能量W；若频带能量W大于预设阈值W0，则检测对应绝缘子的泄漏电流，且在泄漏电流超过预设阈值时判定对应杆塔处的输电线路发生雷击故障。本发明通过同时监测声音信号和泄漏电流信息并综合考虑能够提高雷击故障判断的准确性，本发明所采用的声音信号采集装置简单、成本较低，在输电线路网络特别是35kV线路中可以大规模运用，具有较大工程应用价值。

Description

基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及输电线路故障检测技术，具体涉及一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法、系统及介质。
背景技术
输电线路故障检测是电力系统中一项重要的任务，距离长、辐射广是进行输电线路故障检测存在的天然障碍。雷击是影响电网运行的重要因素，在部分多雷区域，雷击跳闸甚至成为输电线路故障的最常见原因。多雷区往往又位于山地，地理环境往往偏僻复杂，一旦出现雷击跳闸故障，如果无法准确判断故障点的位置，就会大大增加线路巡视的难度，也不利于精准的防雷治理。提升输电线路雷击故障定位的准确性，可以为线路故障调查、线路运维管理、调度运行控制以及差异化防雷措施制订提供技术指导意见，最大程度减少雷击跳闸为线路造成的停运时长，保障电网的长期安全稳定运行。目前广泛应用于输电线路故障定位的主要测距方法包括阻抗法，故障录波分析法以及行波法三种。其中单端阻抗法和故障录波分析法都存在受到系统阻抗和故障点过渡阻抗的影响较大而导致精度下降的缺点，行波法和双端阻抗法计算量大，设备系统投资大，使得在中电压等级线路网络中难以大规模运用，因此需要一种具有时效性和准确性的故障定位系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法、系统及介质，本发明能够提高事故抢修快速反应效率和线路雷击故障调查的准确率，保障电网的安全稳定运行，本发明所采用的声音信号采集装置简单、成本较低，在输电线路网络特别是35kV线路中可以大规模运用，具有较大工程应用价值。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法，包括：
1)采集输电线路各个杆塔的绝缘子处的声音信号；
2)通过快速傅里叶变换将声音信号从时域转换为频域；
3)将转换为频域的声音信号通过带通滤波器处理保留特征频带内信号；
4)计算特征频带内信号的频带能量W；
5)若频带能量W大于预设阈值W0，则检测对应绝缘子的泄漏电流，且在泄漏电流超过预设阈值时判定对应杆塔处的输电线路发生雷击故障。
可选地，所述特征频带的频率范围为10kHz～40kHz。
可选地，步骤5)中判定对应杆塔处的输电线路发生雷击故障后，还包括将发生雷击故障的消息以及对应杆塔的定位信息通过网络发送给指定的目标设备的步骤。
可选地，所述杆塔的定位信息是指杆塔的编号或者杆塔的地理定位信息，所述杆塔的地理定位信息为预设的经纬度位置或者实时通过全球定位系统获得的经纬度位置。
此外，本发明还提供一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的计算机程序。
此外，本发明还提供一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位系统，包括相互连接的电源管理模块和检测单元，所述检测单元包括存储模块、控制模块、通信模块、雷击放电声检测单元以及泄漏电流检测单元，所述雷击放电声检测单元安装在杆塔的绝缘子处以采集绝缘子处的声音信号，所述泄漏电流检测单元安装在杆塔的绝缘子处以采集绝缘子的泄漏电流，所述存储模块、通信模块、雷击放电声检测单元、泄漏电流检测单元分别与控制模块相连。
可选地，所述检测单元还包括GPS定位模块，所述GPS定位模块与控制模块相连。
可选地，所述电源管理模块包括蓄电池、充放电控制器、太阳能电池板以及感应取能装置，所述太阳能电池板安装在杆塔上，所述感应取能装置与输电线路耦合以实现感应取电，所述太阳能电池板以及感应取能装置的输出端分别通过充放电控制器与蓄电池相连，所述蓄电池的输出端分别与检测单元中存储模块、控制模块、通信模块、GPS定位模块、雷击放电声检测单元以及泄漏电流检测单元的电源端子相连。
可选地，所述控制模块包括采集模块、信号降噪模块和微处理器，所述雷击放电声检测单元以及泄漏电流检测单元的输出端依次通过采集模块、信号降噪模块和微处理器相连，所述GPS定位模块与微处理器相连，所述微处理器被编程或配置以执行前述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的步骤。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、声音信号作为一种信息载体在输电线路中较少利用，本发明通过对雷击放电声信号的分析作为雷击故障跳闸的判断依据，能够提高事故抢修快速反应效率和线路雷击故障调查的准确率，保障电网的安全稳定运行，相对以往的广泛应用于输电线路故障定位的主要测距方法(阻抗法，故障录波分析法以及行波法)而言，检测方法更加简单。
2、本发明在基于声音信号的基础上，通过快速傅里叶变换将声音信号从时域转换为频域，并将转换为频域的声音信号通过带通滤波器处理保留特征频带内信号，能够有效克服了环境噪声以及系统噪声对输电线路故障定位的干扰。
3、本发明在基于声音信号的基础上，通过计算特征频带内信号的频带能量W以提取声纹特征，在频带能量W大于预设阈值W0的声纹特征判据的基础上，结合了绝缘子的泄漏电流判据(泄漏电流超过预设阈值)，通过同时监测声纹信号和泄漏电流信息并综合考虑，能够提高了雷击故障判断的准确性。
4、本发明采用声音信号的采集装置简单、成本较低，在输电线路网络特别是35kV线路中可以大规模运用，具有较大工程应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例系统的结构示意图。
图3为本发明实施例电源管理模块的结构示意图。
图例说明：1、电源管理模块；11、蓄电池；12、充放电控制器；13、太阳能电池板；14、感应取能装置；2、存储模块；3、控制模块；4、通信模块；5、GPS定位模块；6、雷击放电声检测单元；7、泄漏电流检测单元；8、检测单元。
具体实施方式
本发明基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的核心原理如下：输电线路发送雷击故障时，由于杆塔为金属导体，而绝缘子由于不导电，在受到雷电过电压的冲击的时候就可能会发生损坏甚至炸裂，从而引起输电线路的故障。在绝缘子发生损坏甚至炸裂(输电线路雷击故障)以后，经研究发现发生损坏甚至炸裂的绝缘子会在杆塔上产生放电，放电产生声音信号，而且经过试验发现，该声音信号的频带能量W大小和绝缘子是否发生损坏甚至炸裂(输电线路雷击故障)存在直接关系。基于上述发现，本发明基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法采用了下述方法来实现基于声纹识别的输电线路雷击故障定位：
参见图1，本实施例基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法包括：
1)采集输电线路各个杆塔的绝缘子处的声音信号；
2)通过快速傅里叶变换(FFT)将声音信号从时域转换为频域；
3)将转换为频域的声音信号通过带通滤波器处理保留特征频带内信号；
4)计算特征频带内信号的频带能量W(即声纹)；
5)若频带能量W大于预设阈值W0，则检测对应绝缘子的泄漏电流，且在泄漏电流超过预设阈值时判定对应杆塔处的输电线路发生雷击故障。
步骤2)中快速傅里叶变换(FFT)为时域转换为频域的现有方法，本实施例中不涉及对该方法的改进，故其详细过程在此不再展开说明。
经研究发现，损坏甚至炸裂的绝缘子会在杆塔上产生放电、放电产生声音信号中，其有效的频率范围为10kHz～40kHz，为了进一步降低系统噪声和环境噪声的影响，本实施例中，步骤3)中特征频带的频率范围为10kHz～40kHz。
步骤4)中计算特征频带内信号的频带能量W是指把10kHz～40kHz频段内所有的幅值进行相加，从而得到特征频带内信号的频带能量W。
本实施例中，步骤5)中判定对应杆塔处的输电线路发生雷击故障后，还包括将发生雷击故障的消息以及对应杆塔的定位信息通过网络发送给指定的目标设备的步骤。通过上述手段，可实现对输电线路发生雷击故障的消息推送，以便于及时排障。其中，杆塔的定位信息可根据需要选择杆塔的编号或者杆塔的地理定位信息，杆塔的地理定位信息为预设的经纬度位置或者实时通过全球定位系统(例如GPS、北斗等)获得的经纬度位置。
综上所述，本实施例基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法通过对雷击放电声信号的采集和识别，结合泄露电流数据和GPS定位系统，从而准确给出雷击故障定位信息，节省了人力物力成本，具有重要的工程意义。本实施例基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法能够提高事故抢修快速反应效率和线路雷击故障调查的准确率，保障电网的安全稳定运行。
此外，本实施例还提供一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的步骤。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的计算机程序。
如图2所示，本实施例还提供一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位系统，包括相互连接的电源管理模块1和检测单元8，检测单元8包括存储模块2、控制模块3、通信模块4、雷击放电声检测单元6以及泄漏电流检测单元7，雷击放电声检测单元6安装在杆塔的绝缘子处以采集绝缘子处的声音信号(雷击引起损坏甚至炸裂产生的声音信号)，泄漏电流检测单元7安装在杆塔的绝缘子处以采集绝缘子的泄漏电流，存储模块2、通信模块4、雷击放电声检测单元6、泄漏电流检测单元7分别与控制模块3相连。控制模块3既可以根据需要将雷击放电声检测单元6、泄漏电流检测单元7检测的数据进行处理后存储或发送到目标设备，此外也可以直接将雷击放电声检测单元6、泄漏电流检测单元7检测的数据存储或发送到目标设备以通过目标设备进行处理。需要说明的是，不论是控制模块3进行处理还是目标设备进行处理，其都是依照前述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的步骤1)～5)。
本实施例中，检测单元8还包括GPS定位模块5，GPS定位模块5与控制模块3相连，可用于实时通过全球定位系统(例如GPS、北斗等)获得的经纬度位置。
考虑到杆塔的绝缘子处位置较高，电池更换不方便，为了实现可靠的能源供给，如图2所示，本实施例中的电源管理模块1包括蓄电池11、充放电控制器12、太阳能电池板13以及感应取能装置14，太阳能电池板13安装在杆塔上，感应取能装置14与输电线路耦合以实现感应取电，太阳能电池板13以及感应取能装置14的输出端分别通过充放电控制器12与蓄电池11相连，蓄电池11的输出端分别与检测单元8中存储模块2、控制模块3、通信模块4、GPS定位模块5、雷击放电声检测单元6以及泄漏电流检测单元7的电源端子相连。通过太阳能电池板13以及感应取能装置14的两重供电，可以满足检测单元8中各个部件的需求。
本实施例中，控制模块3包括采集模块、信号降噪模块和微处理器，雷击放电声检测单元6以及泄漏电流检测单元7的输出端依次通过采集模块、信号降噪模块和微处理器相连，GPS定位模块5与微处理器相连，微处理器被编程或配置以执行前述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的步骤。
进一步的，上述通信模块4在控制模块3给出命令后，将故障信息和杆塔地理位置信息通过上述通信模块4传递给运维站供其故障跳闸巡视和检修作业参考，通讯方式可以是有线通信或者无线通信。有线通信可以选择RS485、M-BUS、PLC等方式。无线通信可以选择ZIGBEE、IrDA、微波、2G/3G/4G/5G等方式。
应当理解，上述单元模块的具体实现过程参照方法内容，本发明在此不进行具体的赘述，且上述功能模块单元的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。同时，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
在一些具体的实例中，本发明还提供一种终端，包括处理器和存储器，所述存储器存储了计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序以执行所述基于声纹识别的雷击故障定位方法的步骤。
在一些具体的实例中，本发明还提一种可读存在介质，存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以执行所述基于声纹识别的雷击故障定位方法的步骤。
应当理解，在本发明实施例中，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法，其特征在于，包括：
1)采集输电线路各个杆塔的绝缘子处的声音信号；
2)通过快速傅里叶变换将声音信号从时域转换为频域；
3)将转换为频域的声音信号通过带通滤波器处理保留特征频带内信号；
4)计算特征频带内信号的频带能量W；
5)若频带能量W大于预设阈值W0，则检测对应绝缘子的泄漏电流，且在泄漏电流超过预设阈值时判定对应杆塔处的输电线路发生雷击故障。
2.根据权利要求1所述的基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法，其特征在于，所述特征频带的频率范围为10kHz～40kHz。
3.根据权利要求1所述的基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法，其特征在于，步骤5)中判定对应杆塔处的输电线路发生雷击故障后，还包括将发生雷击故障的消息以及对应杆塔的定位信息通过网络发送给指定的目标设备的步骤。
4.根据权利要求1所述的基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法，其特征在于，所述杆塔的定位信息是指杆塔的编号或者杆塔的地理定位信息，所述杆塔的地理定位信息为预设的经纬度位置或者实时通过全球定位系统获得的经纬度位置。
5.一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行权利要求1～4中任意一项所述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～4中任意一项所述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的计算机程序。
7.一种基于声纹识别的输电线路雷击故障定位系统，其特征在于，包括相互连接的电源管理模块(1)和检测单元(8)，所述检测单元(8)包括存储模块(2)、控制模块(3)、通信模块(4)、雷击放电声检测单元(6)以及泄漏电流检测单元(7)，所述雷击放电声检测单元(6)安装在杆塔的绝缘子处以采集绝缘子处的声音信号，所述泄漏电流检测单元(7)安装在杆塔的绝缘子处以采集绝缘子的泄漏电流，所述存储模块(2)、通信模块(4)、雷击放电声检测单元(6)、泄漏电流检测单元(7)分别与控制模块(3)相连。
8.根据权利要求7所述的基于声纹识别的输电线路雷击故障定位系统，其特征在于，所述检测单元(8)还包括GPS定位模块(5)，所述GPS定位模块(5)与控制模块(3)相连。
9.根据权利要求8所述的基于声纹识别的输电线路雷击故障定位系统，其特征在于，所述电源管理模块(1)包括蓄电池(11)、充放电控制器(12)、太阳能电池板(13)以及感应取能装置(14)，所述太阳能电池板(13)安装在杆塔上，所述感应取能装置(14)与输电线路耦合以实现感应取电，所述太阳能电池板(13)以及感应取能装置(14)的输出端分别通过充放电控制器(12)与蓄电池(11)相连，所述蓄电池(11)的输出端分别与检测单元(8)中存储模块(2)、控制模块(3)、通信模块(4)、GPS定位模块(5)、雷击放电声检测单元(6)以及泄漏电流检测单元(7)的电源端子相连。
10.根据权利要求9所述的基于声纹识别的输电线路雷击故障定位系统，其特征在于，所述控制模块(3)包括采集模块、信号降噪模块和微处理器，所述雷击放电声检测单元(6)以及泄漏电流检测单元(7)的输出端依次通过采集模块、信号降噪模块和微处理器相连，所述GPS定位模块(5)与微处理器相连，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～4中任意一项所述基于声纹识别的输电线路雷击故障定位方法的步骤。
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