CN114675145B - 一种高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法,包括：采用电缆两侧传感器，获取两侧的局放信号；基于两侧的局放信号进行分析提取两侧幅值最大的脉冲信号，并对脉冲信号进行相似度匹配，获得匹配脉冲对；分别对两侧的局放信号进行傅里叶变换，获得信号的幅频特性曲线，计算电缆两端信号在某一特定频率下的两侧幅值，将两侧幅值进行比值，获得与局放源位置相应的参数，构建幅值比与局放源位置知识库，根据局放源位置相应的参数与局放源位置知识库，获得局放源位置。本发明在电缆两侧检测局放信号，达到了提高定位准确率的效果，利用DTW对信号脉冲进行匹配，因此不用担心同步不准确而导致的时间误差，节约成本，提高精度。
Description
技术领域
本发明属于电缆局部放电检测技术领域，尤其涉及一种高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法。
背景技术
电力电缆是整个电力网络的重要组成部分，电力电缆可用于电力传输和分配大功率电能，在城市地下电网、发电站引出线路、工矿企业内部等地方应用广泛，并且电缆能够适应地下和水中等各种复杂的环境，从而达到长时间稳定传输电力的需求，因此，电缆的可靠运行对于电网的稳定运行有着及其重要的意义。正常情况下，电力电缆会受到电、热、机械等应力的影响以及安装和维修造成的缺陷而导致绝缘劣化。考虑到电力电缆在使用期间故障会导致较高的维修成本，因此，研究新的电缆故障监测技术监测电缆的运行状态及时的发现局部放电发生的位置对于降低电网运行费用以及提高电网运行稳定性起着至关重要的作用。
目前电缆局部放电监测方式主要集中在电缆单端时域反射法上，电缆单端监测方法主要是利用时延估计方法对局放信号直达波和反射波的到达时间差进行估计，再结合局放信号在电缆的传播速度进行局放源的定位。此方法能对不同长度电缆的局放信号进行时延估计，但是，当信噪比降低时，时延估计值精度不高甚至无法估计，而且对电缆局部放电信号进行定位时受噪声干扰较大、分辨率不高且受信号衰减特性的影响很大。除此之外，受噪声的干扰时域反射法不易确定首波，因此局放信号入射波和反射波时间差的确定成为一直以来困扰众多研究学者的难题。除此之外，电缆双端检测定位技术应用也较为广泛，电缆双端检测是在电缆双端安装高频电流传感器，然后利用GPS对电缆两端的传感器进行同步，最后利用到达电缆两端传感器的信号的时间差进行局放源的定位。但是由于GPS同步存在着误差，因此在计算两侧信号的时间差时会导致有较大的的误差，所以研究一种较为有效的能够减小时间误差影响的方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，有效减少两侧信号的时间误差，提高了定位系统稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，包括：
采用电缆两侧传感器，获取两侧的局放信号；
基于两侧的局放信号进行分析提取两侧幅值最大的脉冲信号，并对脉冲信号进行相似度匹配，获得匹配脉冲对；
基于两侧的局放信号分别进行傅里叶变换，获得信号的幅频特性曲线，获得信号的幅值和频率特征，根据信号的幅频特性曲线计算信号幅值比；不同的放电源位置对应着不同的幅值比，根据幅值比构建幅值比与局放源位置的知识库；将获得的某一幅值比与建立的知识库比对即定位局放源的位置。
可选的，获取两侧的局部信号的过程包括：将原始脉冲信号从电缆本体的不同位置注入电缆，在电缆两侧监测局放脉冲信号，通过不断改变信号注入电缆的位置获得传输不同距离后的局部信号。
可选的，获取两侧幅值最大的脉冲信号的过程包括：局放信号在电缆传播过程中获取最大幅值点，以此点为中心向两侧延伸搜寻过零点的点，两个零点之间的脉冲信号即为两侧幅值最大的脉冲信号。
可选的，脉冲信号进行相似度匹配的过程包括：采用DTW方法对局放信号进行相似度的匹配，利用动态时间规整算法把时间和距离测度计算结合起来，选取两个脉冲信号之间的距离最小时的两个脉冲信号即为两个相似度最高的脉冲信号。
可选的，获取脉冲对的过程包括：基于两个所述相似度最高的脉冲信号，设定阈值，当两个相似度最高的脉冲信号的相似度在设定的阈值范围内，则两个相似度最高的脉冲信号为一对匹配的脉冲对。
可选的，构建幅值比与局放源位置知识库包括：在电缆的不同位置注入脉冲信号在电缆两侧检测局放信号并采集局放信号的最大幅值脉冲，完成对电缆两侧信号脉冲对匹配和傅里叶变换，获取电缆两侧特定频率下信号幅值作比，将电缆不同位置注入局放信号，计算得到的信号幅值比进行曲线拟合以及插值计算。
可选的，所述曲线拟合和插值计算包括：
对各数据点距离求平方，并把平方距离全加起来，即为误差平方和；将不同位置的幅值比作为数据点，然后根据上述方式进行曲线拟合即可得到拟合曲线；
插值是离散函数逼近的重要方法，通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值；将计算的某一幅值比根据上述插值计算的方式利用拟合的曲线进行插值即得到这一幅值比对应的局放源的位置。
可选的，获取局放源位置的过程包括：根据幅值比与局放源位置关系的知识库并进行不断改变脉冲信号注入的位置，在电缆两侧采集局放信号，更换不同类型电缆进行局放信号的采集，通过比对知识库与采集的实际局放信号的幅值比获取局放源位置。
本发明技术效果：本发明公开了一种高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，本发明采用的时域反射法是根据局放信号在电缆中的传播速度以及入射波和反射波的时间差来确定局放源的位置的，因此需要预先知道局放信号在电缆中的传播速度，然而信号在电缆中的传播速度难以较为准确的测算；除此之外，由于信号波达时刻难以确定所以入射波和反射波时间差也难以准确的测算，本发明在电缆两侧检测局放信号，不需要检测反射波因此减少了信号传播衰耗，达到了减低信号测量难度效果，信号传播路程减低也在一定程度上降低了干扰的影响，不需要对电缆中信号传播速度测算，不需要进行时间差的计算，因此，避免了速度不精确、时间差不精确而导致的结果误差较大的问题，达到了提高定位准确率的效果；相对于一般的电缆双端时间差局放源定位方式，本方法不需要进行GPS同步，利用DTW对信号脉冲进行匹配，因此不用担心同步不准确而导致的时间误差，因此达到了节约成本，提高精度的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法的流程示意图；
图2为本发明实施例电缆高频监测信号传播及设备安装示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1-2所示，本实施例中提供一种高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，包括：
采用电缆两侧传感器，获取两侧的局放信号；
基于两侧的局放信号进行分析提取两侧幅值最大的脉冲信号，并对脉冲信号进行相似度匹配，获得匹配脉冲对；
基于两侧的局放信号分别进行傅里叶变换，获得信号的幅频特性曲线，获得信号的幅值和频率特征，根据信号的幅频特性曲线计算信号幅值比；不同的放电源位置对应着不同的幅值比，根据幅值比构建幅值比与局放源位置的知识库；将获得的某一幅值比与建立的知识库比对即定位局放源的位置。
进一步优化方案，获取两侧的局部信号的过程包括：将原始脉冲信号从电缆本体的不同位置注入电缆，在电缆两侧监测局放脉冲信号，通过不断改变信号注入电缆的位置获得传输不同距离后的局部信号。
进一步优化方案，获取两侧幅值最大的脉冲信号的过程包括：局放信号在电缆传播过程中获取最大幅值点，以此点为中心向两侧延伸搜寻过零点的点，两个零点之间的脉冲信号即为两侧幅值最大的脉冲信号。
进一步优化方案，脉冲信号进行相似度匹配的过程包括：采用DTW方法对局放信号进行相似度的匹配，利用动态时间规整算法把时间和距离测度计算结合起来，选取两个脉冲信号之间的距离最小时的两个脉冲信号即为两个相似度最高的脉冲信号。
进一步优化方案，获取脉冲对的过程包括：基于两个所述相似度最高的脉冲信号，设定阈值，当两个相似度最高的脉冲信号的相似度在设定的阈值范围内，则两个相似度最高的脉冲信号为一对匹配的脉冲对。
进一步优化方案，构建幅值比与局放源位置知识库包括：在电缆的不同位置注入脉冲信号在电缆两侧检测局放信号并采集局放信号的最大幅值脉冲，完成对电缆两侧信号脉冲对匹配和傅里叶变换，获取电缆两侧特定频率下信号幅值作比，将电缆不同位置注入局放信号，计算得到的信号幅值比进行曲线拟合以及插值计算。
进一步优化方案，所述曲线拟合和插值计算包括：
对各数据点距离求平方，并把平方距离全加起来，即为误差平方和；将不同位置的幅值比作为数据点，然后根据上述方式进行曲线拟合即可得到拟合曲线；
插值是离散函数逼近的重要方法，通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值；将计算的某一幅值比根据上述插值计算的方式利用拟合的曲线进行插值即得到这一幅值比对应的局放源的位置。
进一步优化方案，获取局放源位置的过程包括：根据幅值比与局放源位置关系的知识库并进行不断改变脉冲信号注入的位置，在电缆两侧采集局放信号，更换不同类型电缆进行局放信号的采集，通过比对知识库与采集的实际局放信号的幅值比获取局放源位置。
电缆本体产生的局放信号会沿着电缆向电缆两端传播，局部放电信号在电缆的传播过程中，会因电阻损耗、介质损耗、集肤效应引起信号衰减，其中信号幅值衰减的程度与局放信号传播的距离存在着密切的联系，其中高频信号在电缆传播过程中衰减较快，频率较低的信号在传播过程中衰减较慢，因此可以根据局放信号幅值的衰减程度去找寻局放源的位置。
首先将原始脉冲信号从电缆本体的不同位置注入电缆，在电缆两侧监测局放脉冲信号，通过不断改变信号注入电缆的位置即可在电缆两侧得到传输不同距离后的脉冲信号波形。由于局放信号在电缆传播过程中会发生多次反射、折射，因此电缆两端传感器接收到的信号会有多个信号脉冲，为了更加准确的获取入射信号只采集具有最大幅值的脉冲信号。在采集最大幅值脉冲时首先是确定最大幅值点，然后向此点两侧搜寻过零点的点，则两点之间的脉冲信号即为最大幅值脉冲信号。然后利用DTW方法对电缆两端采集到的局放信号进行相似度的匹配，动态时间规整算法是把时间规整和距离测度计算结合起来，当两个脉冲之间的距离最小时即两个脉冲的相似的最高。
故障定位过程中通过数据采集系统采集到的数据为时间序列，原始脉冲与反射脉冲的脉宽不等长，利用动态时间规整算法成功规避了这一问题，因此当两个脉冲的的相似度在预设的阈值范围内时便将两个脉冲作为一对匹配的脉冲对。因为局放信号的频率范围较宽，不同频率的信号的衰减存在较大差异，所以，利用傅里叶变换分别对电缆两侧的局放信号进行变换，求得信号在某一特定频率下的幅值，然后将电缆两侧特定频率下信号幅值作比值。因为信号的幅值衰减与其传播长度有唯一的对应关系，所以通过两信号的比值就可以确定局放源的位置。
建立信号幅值比与局放源位置的关系知识库，这一步对于整个局放源定位方案起着至关重要的作用，这需要对每个不同类型的电缆通过实验建立幅值比与局放源位置的对应关系。首先在电缆的不同位置注入脉冲信号在电缆两侧检测局放信号并采集局放信号的最大幅值脉冲，在完成对电缆两侧信号脉冲对匹配和傅里叶变换后取电缆两侧特定频率下信号幅值作比，然后将电缆不同位置注入局放信号所计算得到的信号幅值比进行曲线拟合以及插值计算。
插值不同于拟合，插值函数经过样本点，拟合函数一般基于最小二乘法尽量靠近所有样本点穿过。
常见插值方法有拉格朗日插值法、分段插值法、样条插值法。拉格朗日插值多项式：当节点数n较大时，拉格朗日插值多项式的次数较高，可能出现不一致的收敛情况，而且计算复杂。
随着样点增加，高次插值会带来误差的震动现象称为龙格现象。
分段插值：虽然收敛，但光滑性较差。样条插值:样条插值是使用一种名为样条的特殊分段多项式进行插值的形式。
由于样条插值可以使用低阶多项式样条实现较小的插值误差，这样就避免了使用高阶多项式所出现的龙格现象。所以在已知局放信号幅值比后通过样条插值计算可以较为准确计算局放源位置。
如图2所示，电缆左端接地线连接信号接收器1，电缆右端接地线连接信号接收器2，电缆左右两端连接500Ω电阻负载，局放信号在电缆本体上产生后会向电缆两侧传播，由于信号传播的距离不同，因此两端的传感器会检测到不同幅值大小的局放信号。电缆接地线连接在电缆屏蔽层上然后连接到大地，线圈通过耦合接地线上的电流，来采集局放源产生的在电缆本体上传播的信号。对于幅值比与局放源位置关系的知识库需要不断改变脉冲信号注入的位置，并在电缆两侧采集局放信号，之后更换不同类型电缆进行局放信号的采集，通过比对知识库与采集的实际局放信号的幅值比就可以定位局放源。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，其特征在于，包括：
采用电缆两侧传感器，获取两侧的局放信号；
基于两侧的局放信号进行分析提取两侧幅值最大的脉冲信号，并对脉冲信号进行相似度匹配，获得匹配脉冲对；
脉冲信号进行相似度匹配的过程包括：采用DTW方法对局放信号进行相似度的匹配，利用动态时间规整算法把时间和距离测度计算结合起来，选取两个脉冲信号之间的距离最小时的两个脉冲信号即为两个相似度最高的脉冲信号；
基于两侧的局放信号分别进行傅里叶变换，获得信号的幅频特性曲线，获得信号的幅值和频率特征，根据信号的幅频特性曲线计算幅值比；不同的局放源位置对应着不同的幅值比，根据幅值比构建幅值比与局放源位置的知识库；将获得的某一幅值比与建立的知识库比对即定位局放源的位置。
2.如权利要求1所述的高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，其特征在于，获取两侧的局放信号的过程包括：将原始脉冲信号从电缆本体的不同位置注入电缆，在电缆两侧监测局放信号，通过不断改变信号注入电缆的位置获得传输不同距离后的局放信号。
3.如权利要求1所述的高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，其特征在于，提取两侧幅值最大的脉冲信号的过程包括：局放信号在电缆传播过程中获取最大幅值点，以此点为中心向两侧延伸搜寻过零点的点，两个零点之间的脉冲信号即为两侧幅值最大的脉冲信号。
4.如权利要求1所述的高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，其特征在于，获取脉冲对的过程包括：基于两个所述相似度最高的脉冲信号，设定阈值，当两个相似度最高的脉冲信号的相似度在设定的阈值范围内，则两个相似度最高的脉冲信号为一对匹配的脉冲对。
5.如权利要求4所述的高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，其特征在于，构建幅值比与局放源位置知识库包括：在电缆的不同位置注入脉冲信号在电缆两侧检测局放信号并采集局放信号的最大幅值脉冲，完成对电缆两侧信号脉冲对匹配和傅里叶变换，获取电缆两侧特定频率下信号幅值作比，在电缆不同位置注入脉冲信号，计算得到的信号幅值比进行曲线拟合以及插值计算。
6.如权利要求1所述的高压电缆高频局放双端监测局放源定位方法，其特征在于，获取局放源位置的过程包括：根据幅值比与局放源位置关系的知识库并不断改变脉冲信号注入的位置，在电缆两侧采集局放信号，更换不同类型电缆进行局放信号的采集，通过比对知识库与采集的实际局放信号的幅值比获取局放源位置。
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