CN113884837B - 一种电缆局部放电在线监测分析系统及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电缆局部放电在线监测分析系统及分析方法，该分析系统包括数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块的输出端与数据处理模块的输入端连接，所述数据采集模块包括线路局部放电传感器、母线电压互感器和线路电流互感器，分别用于采集电缆的局放波形信号、电压波形信号和电流波形信号，所述数据处理模块用于对局放波形信号进行放电频率和幅值的计算以及对电压波形信号和电流波形信号基波、谐波含量和幅值的计算。本发明能够针对电缆不同运行工况下的局部放电量对应数据库样本来判断电缆绝缘情况，有效提高电缆在线监测的准确性。

Description

一种电缆局部放电在线监测分析系统及分析方法

技术领域

本发明属于电缆故障运维巡检技术领域，具体涉及一种电缆局部放电在线监测分析系统及分析方法。

背景技术

由于大多数电缆铺设在地下，不容易查找故障点位置，如果不能及时排除故障会造成停电的风险，电缆绝缘在线监测可以实时监控电缆的运行状态，及时发现故障隐患，进行绝缘老化趋势分析，并预测电缆寿命，对电缆的可靠运行有深远的影响，在线局部放电可以检测正常工作电压下发生的缺陷，以及可能无法离线检测的缺陷，因此实现电力电缆绝缘在线监测势在必行。

现有的在线局部放电检测分为有源和无源两种方式，有源检测是在运行的电缆导体上火是接地线外部施加特殊电压、频率的电信号，再检测电缆局部放电中与外施信号特性相同的分量，最后与外施信号量比较，计算出电缆放电情况和绝缘情况；无源检测是利用电缆发生局部放电时产生的物理现象来评估电缆的绝缘情况，包括监测声信号的超声波法、监测热信号的温度传感器法、监测化学信号的化学监测法等。有源方式因有外施信号量的参数，使理论计算准确，但是外施信号的特性与实际运行时电压不同，不能反映电缆实际绝缘情况；无源检测的放电量是在电缆实际运行条件下测得，可以直接反映电缆实际绝缘情况，但是电缆运行时电压和电流实时变化，并对局部放电强度造成影响，因此测量的局放结果存在偏差，影响电缆绝缘性能判断的准确性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种电缆局部放电在线监测分析系统及分析方法，能够针对电缆不同运行工况下的局部放电量对应数据库样本来判断电缆绝缘情况，有效提高电缆在线监测的准确性。

本发明采用的技术方案为：一种电缆局部放电在线监测分析系统，包括数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块的输出端与数据处理模块的输入端连接，所述数据采集模块包括线路局部放电传感器、母线电压互感器和线路电流互感器，分别用于采集电缆的局放波形信号、电压波形信号和电流波形信号，所述数据处理模块用于对局放波形信号进行放电频率和幅值的计算以及对电压波形信号和电流波形信号基波、谐波含量和幅值的计算。

具体的，所述线路局部放电传感器的型号为HD5-XD2102。

具体的，所述母线电压互感器的型号为JDZXW-35，所述线路电流互感器的型号为LZZBJ9-10B。

具体的，所述数据处理模块采用型号为stm32f103c8t6的微处理器。

一种如权利要求1-4任一项所述的电缆局部放电在线监测分析系统的分析方法，包括如下步骤：

S1：通过数据采集模块采集实验电缆的局放、电压和电流信号信息，

所述局放信号信息包括局放波形信号的频率f和幅值C，所述电压信号信息包括电压波形信号的基波和各次谐波的幅值U₁，U₂，......U_n，所述电流信号信息包括电流波形信号的基波和各次谐波的幅值I₁，I₂，......I_n；

S2：建立局放、电压和电流信号特征数据库；

S3：剔除数据库中的低概率样本数据，将剩余样本组建为局部放电阶段标准模型；

S4：将实时监测数据与局部放电阶段标准模型对比，分析局部放电程度；

S5：将与数据库中样本不同的局放波形信号的幅值加入数据库，构建新的局部放电阶段标准模型。

具体的，所述步骤S2中，数据库是指从实验电缆老化开始直至击穿过程中，监测记录各个时间点对应的特征数据，并组成样本[C，(f，U₁，U₂，......U_n，I₁，I₂，......I_n)，t]。

具体的，所述步骤S3中，低概率样本是指样本局部放电幅值C大于低概率高值和样本局部放电幅值C小于低概率低值的样本；

所述低概率高值是数据库中所有样本置信水平α范围内局部放电幅值C的最大值；

所述低概率低值是数据库中所有样本置信水平α范围内局部放电幅值C的最小值。

具体的，所述步骤S3中，将剩余样本组建为局部放电阶段标准模型具体为：对剩余样本进行聚类分析后，将局部放电全生命周期划分为局部放电初期、局部放电平稳期、局部放电击穿期三个不同阶段；

所述聚类分析采用最短距离法，局部放电初期为初始幅值不断上升的类型，局部放电平稳期为幅值平稳变化的类型，局部放电击穿期为幅值急剧上升的类型。

具体的，所述步骤S4中，将实时监测数据与局部放电阶段标准模型对比具体为：将实时监测数据中局放波形信号的幅值C与局部放电阶段标准模型进行对比，判断出其对应的局部放电程度，若幅值C大于局部放电阶段标准模型中所有幅值的实时数据，判断其局部放电程度加剧。

具体的，所述步骤S5具体为：将与数据库中样本不同的局放波形信号的幅值C重新加入数据库，重新进行三个阶段的聚类分析，成为新的局部放电阶段标准模型。

本发明的有益效果：本发明相对于现有的电缆局放在线监测技术，增加了电缆运行电流和电压的监测和分析，完善了电缆局部放电数据库样本信息，使对应特征数据局部放电阶段划分模型更加精准，能够针对电缆不同运行工况下的局部放电量对应数据库样本来判断电缆绝缘情况，从而有效提高电缆在线监测的准确性。

附图说明

图1为本发明的系统图；

图2为本发明的步骤流程图；

图3为本发明的设备布置示意图；

图4为本发明的低概率样本的坐标范围示意图。

图中：1、母线 2、线路断路器 3、电缆线路 4、母线电压互感器 5、线路电流互感器6、线路局部放电传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，以下结合实施例具体说明。

如图1所示，本发明包括数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块的输出端与数据处理模块的输入端连接，所述数据采集模块包括线路局部放电传感器、母线电压互感器和线路电流互感器，分别用于采集电缆的局放波形信号、电压波形信号和电流波形信号，所述数据处理模块用于对局放波形信号进行放电频率和幅值的计算以及对电压波形信号和电流波形信号基波、谐波含量和幅值的计算。

所述线路局部放电传感器的型号为HD5-XD2102。

所述母线电压互感器的型号为JDZXW-35，所述线路电流互感器的型号为LZZBJ9-10B。

所述数据处理模块采用型号为stm32f103c8t6的微处理器。

如图2所示，一种如权利要求1-4任一项所述的电缆局部放电在线监测分析系统的分析方法，包括如下步骤：

S1：通过数据采集模块采集实验电缆的局放、电压和电流信号信息，

所述局放信号信息包括局放波形信号的频率f和幅值C，所述电压信号信息包括电压波形信号的基波和各次谐波的幅值U₁，U₂，......U_n，所述电流信号信息包括电流波形信号的基波和各次谐波的幅值I₁，I₂，......I_n；

S2：建立局放、电压和电流信号特征数据库，数据库是指从实验电缆老化开始直至击穿过程中，监测记录各个时间点对应的特征数据，并组成样本[C，(f，U₁，U₂，......U_n，I₁，I₂，......I_n)，t]；

S3：剔除数据库中的低概率样本数据，将剩余样本组建为局部放电阶段标准模型，即对剩余样本进行聚类分析后，将局部放电全生命周期划分为局部放电初期、局部放电平稳期、局部放电击穿期三个不同阶段；

低概率样本是指样本局部放电幅值C大于低概率高值和样本局部放电幅值C小于低概率低值的样本，所述低概率高值是数据库中所有样本置信水平α范围内局部放电幅值C的最大值，所述低概率低值是数据库中所有样本置信水平α范围内局部放电幅值C的最小值。

所述聚类分析采用最短距离法，局部放电初期为初始幅值不断上升的类型，局部放电平稳期为幅值平稳变化的类型，局部放电击穿期为幅值急剧上升的类型；所述的最短距离法是如果两个样本之间的距离很小，则认为两者相似度很高，如果两个样本之间的距离很大，则两者差别很大。首先将各个样本自成一类，根据欧氏距离法求出样本间距离，将最近的两个样本合并为一类，然后重复计算新类与其他类距离，将距离近的合并为一类，直到所有样品都成为一类为止。

所述欧式距离法的公式如下：

式中，d(x_i，x_j)为两样本间距离，x_i、x_j为两个样本，p为样本个数。

最短距离法定义的两类之间距离如下：

D(x_i,x_j)＝min{d(x_i,x_j)}

S4：将实时监测数据与局部放电阶段标准模型对比，分析局部放电程度，具体为：将实时监测数据中局放波形信号的幅值C与局部放电阶段标准模型C＝F(t)进行对比，判断其处于哪一阶段，从而判断出其对应的局部放电程度，若幅值C大于局部放电阶段标准模型中所有幅值的实时数据，判断其局部放电程度加剧；

S5：将与数据库中样本不同的局放波形信号的幅值加入数据库，构建新的局部放电阶段标准模型，具体为：将与数据库中样本不同的局放波形信号的幅值C重新加入数据库，重新进行三个阶段的聚类分析，成为新的局部放电阶段标准模型，增加数据库样本。

以下对本发明进行进一步说明：

如图3所示，被监测电缆线路3接在母线1上，由线路断路器2控制停送电，母线电压互感器4装在母线1上，线路电流互感器5装在电缆线路3上，线路局部放电传感器6装在电缆线路3上，也可根据传感器类型和原理选择合适的安装位置。

选择一条10kV电缆线路作为实验电缆，对其进行加速老化试验直至断开，对整个过程进行在线监测与局部放电数据采集，以建立电压、电流和局放特征数据库，数据采集模块的母线电压互感器采集电缆线路三相电压信号，线路电流互感器采集电缆线路三相电流信号，线路局部放电传感器采集电缆线路三相局放信号；所有信号接入数据处理模块，计算出电缆从老化开始并不断加重直至断开过程中，特征数据局放波形信号的频率f和幅值C、电压波形信号的基波和各次谐波的幅值U₁，U₂，......U_n、电流波形信号的基波和各次谐波的幅值I₁，I₂，......I_n，数据处理模块将监测记录内所有样本[C，(f，U₁，U₂，......U_n，I₁，I₂，......I_n)，t]组成数据的数据库，假设电缆A相数据库包含30个数据，如表1所示：

表1电缆A相数据库

如图4所示，在建立数学模型时，将置信水平选择为95％，即选择数据中间的95％保留，删除两端的低概率样本，本数据库的低概率高值是31pc，低概率低值是4pc，数据库由剩余28个数据样本组成。

对采集的特征数据局部放电进行聚类分析，类型划分结果如表2所示：

表2电缆A相局放数据库类型划分

针对待测10kV电缆线路，假设某天某一时刻其监测数据如表3所示，

表3电缆A相监测数据

参数

C(pc)

f(kHz)

U1(V)

U2(V)

…

U10(V)

I1(A)

I2(A)

…

I10(A)

数值

15

350

10300

130

…

6

40

5

…

1

则判断其幅值介于局部放电初期，当监测时间足够长，数据库的样本足够多，对应特征数据局部放电阶段划分模型越精准，判定结果也更准确。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种电缆局部放电在线监测分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：通过数据采集模块采集实验电缆的局放、电压和电流信号信息，

所述局放信号信息包括局放波形信号的频率f和幅值C，所述电压信号信息包括电压波形信号的基波和各次谐波的幅值U₁，U₂，......U_n，所述电流信号信息包括电流波形信号的基波和各次谐波的幅值I₁，I₂，......I_n；

S2：建立局放、电压和电流信号特征数据库；

S3：剔除数据库中的低概率样本数据，将剩余样本组建为局部放电阶段标准模型；

S4：将实时监测数据与局部放电阶段标准模型对比，分析局部放电程度；

S5：将与数据库中样本不同的局放波形信号的幅值加入数据库，构建新的局部放电阶段标准模型；

所述步骤S2中，数据库是指从实验电缆老化开始直至击穿过程中，监测记录各个时间点对应的特征数据，并组成样本[C，(f，U₁，U₂，......U_n，I₁，I₂，......I_n)]；

所述步骤S3中，将剩余样本组建为局部放电阶段标准模型具体为：对剩余样本进行聚类分析后，将局部放电全生命周期划分为局部放电初期、局部放电平稳期、局部放电击穿期三个不同阶段；

所述聚类分析采用最短距离法，局部放电初期为初始幅值不断上升的类型，局部放电平稳期为幅值平稳变化的类型，局部放电击穿期为幅值急剧上升的类型。

2.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电在线监测分析方法，其特征在于：所述步骤S3中，低概率样本是指样本局部放电幅值C大于低概率高值和样本局部放电幅值C小于低概率低值的样本；

所述低概率高值是数据库中所有样本置信水平α范围内局部放电幅值C的最大值；

所述低概率低值是数据库中所有样本置信水平α范围内局部放电幅值C的最小值。

3.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电在线监测分析方法，其特征在于，所述步骤S4中，将实时监测数据与局部放电阶段标准模型对比具体为：将实时监测数据中局放波形信号的幅值C与局部放电阶段标准模型进行对比，判断出其对应的局部放电程度，若幅值C大于局部放电阶段标准模型中所有幅值的实时数据，判断其局部放电程度加剧。

4.根据权利要求3所述的一种电缆局部放电在线监测分析方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：将与数据库中样本不同的局放波形信号的幅值C重新加入数据库，重新进行三个阶段的聚类分析，成为新的局部放电阶段标准模型。

5.一种电缆局部放电在线监测分析系统，用于执行权利要求1-4任一项所述的分析方法，其特征在于：包括数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块的输出端与数据处理模块的输入端连接，所述数据采集模块包括线路局部放电传感器、母线电压互感器和线路电流互感器，分别用于采集电缆的局放波形信号、电压波形信号和电流波形信号，所述数据处理模块用于对局放波形信号进行放电频率和幅值的计算以及对电压波形信号和电流波形信号基波、谐波含量和幅值的计算。

6.根据权利要求5所述的一种电缆局部放电在线监测分析系统，其特征在于：所述线路局部放电传感器的型号为HD5-XD2102。

7.根据权利要求5所述的一种电缆局部放电在线监测分析系统，其特征在于：所述母线电压互感器的型号为JDZXW-35，所述线路电流互感器的型号为LZZBJ9-10B。

8.根据权利要求5所述的一种电缆局部放电在线监测分析系统，其特征在于：所述数据处理模块采用型号为stm32f103c8t6的微处理器。