CN114814492B - 基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法,包括：通过卫星授时的方式同步电缆两侧的采集装置，基于电缆两侧的采集装置，通过卫星同步采集电缆两侧的局放信号；基于电缆两侧的局放信号提取电缆两侧的最大幅值脉冲信号；基于最大幅值脉冲信号，获取电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度，将电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度做比，获取脉冲宽度比值；构建所述局放信号传播距离与所述局放信号脉冲宽度函数关系数据库，获取局放源的位置；将多个定位数据进行聚类分析获取最终局放源的位置，并剔除不合理的局放源数据。本发明利用最大幅值脉冲信号获取局放源位置，提高了定位的准确度。

Description

基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法
技术领域
本发明属于电缆局部放电检测技术领域，尤其涉及一种基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法。
背景技术
伴随着我国城市电网的高速发展，城市电网的输电系统开始大量地使用交联聚乙烯(Cross-Linked Polyethylene,XLPE)电力电缆。恶劣复杂的敷设环境和不规范的施工操作均可能导致电力电缆中出现局放缺陷，进而引发停电事故，影响城市电网正常运行。局放放电(Partial Discharge,PD)源的精准定位技术可以有效确定电力电缆中局放缺陷位置，从而指导运维人员对该位置进行重点监测或更换以保证输电系统的正常工作。目前，国内外大多数学者通过确定PD信号的波达时刻来计算PD信号的时延，进而完成局放放电源的定位，该类方法主要有阈值法、峰值法、能量法和互相关算法。阈值法通过设置一个特定的阈值来确定波达时刻；峰值法是将波形的峰值时刻作为波达时刻；能量法是将波形能量曲线的拐点时刻作为波达时刻。上述方法不仅受人为因素影响较大，同时没有考虑实际测试得到的PD信号具有环境噪声大和波形畸变严重的特点，因此难以运用于实际工程中。互相关算法借助PD波形之间的相关性确定时延，可以有效减少人为因素和环境噪声的影响，相关研究学者在互相关算法的基础上考虑了相速度频变效应，取得了更好的定位效果。但是该方法仍建立在计算时延的基础上，因此具有计算时延算法的固有问题，即定位效果会受到设备采样率的影响。相位差算法借助PD信号频域中相位信息进行局放放电源定位，该方法不需要确定PD信号的波达时刻，因此可以有效减少设备采样率对定位精度的影响。但是传统相位差(Traditional Phase Difference,TPD)算法并未考虑相速度频变效应，因此实际定位结果较差。除此之外，还有学者提出了PD波形截取窗的优化方案以改进相位差算法，但是并没有考虑相速度频变效应。通过更深一步研究发现，传统相位差算法受环境噪声影响大，难以有效定位振荡型局放放电。因此，寻找一种能够避开计算信号时延这一技术难题的电缆局放源确定方法已成为炽手可热的课题，亟需提出一种基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，不需要计算时延，定位效果不受到设备采样率的影响，能够避免相速度带来的定位精度差的问题，减少了局放信号在电缆中的传播距离，提高定位精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，包括以下步骤：
通过卫星同步采集电缆两侧的局放信号；
基于所述电缆两侧的局放信号提取所述电缆两侧的最大幅值脉冲信号；
基于所述最大幅值脉冲信号，获取电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度，将所述电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度做比，获取脉冲宽度比值；
构建所述局放信号传播距离与所述局放信号脉冲宽度函数关系数据库，获取局放源的位置；
将多个定位数据进行聚类分析获取最终局放源的位置，并剔除不合理的局放源数据。
可选的，所述卫星同步包括卫星授时的方式。
可选的，所述提取所述电缆两侧的局放信号的最大幅值脉冲信号包括：基于所述电缆两侧的局放信号提取所述电缆两侧的局放信号的最大幅值点，基于所述电缆两侧的局放信号的最大幅值点分别向脉冲信号的左右两端搜索过零点，则两个零点之间则为最大幅值脉冲信号。
可选的，基于所述最大幅值脉冲信号获取电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度包括：所述最大幅值脉冲信号左右两端零点之间的距离，即获取所述最大幅值脉冲信号的脉冲宽度。
可选的，构建所述局放信号传播距离与所述局放信号脉冲宽度函数关系数据库，包括：通过在电缆模型的不同位置设置局放源的方式模拟电缆本体不同位置的放电，根据不同放电位置的脉冲宽度比值与传播距离，采用曲线拟合方法进行拟合，获取不同类型电缆的局放源位置与脉冲宽度比值函数关系的数据库。
可选的，获取局放源的位置的过程包括：基于所述脉冲宽度的比值，利用样条插值法构建所述脉冲宽度与所述电缆的局放源位置与脉冲宽度比值函数关系的数据库插值，获取局放源的位置。
可选的，将多个定位数据进行聚类分析获取最终的局放源位置的过程包括：
首先进行预聚类,基于构建树的思想，对数据中的每个点进行读取，对点较密集的区域进行小范围聚类，利用对数似然距离就近构建树，最后形成诸多小的子簇；
其次进行子簇聚类，构建的诸多子簇通过凝聚法逐个根据对数似然距离就近合并，根据贝叶斯信息准则直到达到最佳的簇数；
最后对离群数据处理，对于没有归簇的离散数据点，同样根据对数似然距离归到最近的簇中，输出各个簇的中心。
可选的，剔除不合理的局放源数据包括：基于局放源位置数据进行正态分布原则对不合理数据进行剔除，所述不合理数据包括偏差大的数据。
本发明技术效果：本发明公开了一种基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，双端采集局放信号的方式减少了局放信号在电缆上的传播距离减少了局放信号的衰减，因此降低了信号的采集难度；利用信号脉冲宽度与信号传播之间的函数关系建立数据库，通过比对数据库的方式对局放源进行定位，该方法避免了求解入射波、反射波之间的时延，减少了算法的复杂程度，降低了计算工作量，并且本方法不涉及信号传播速度的计算，因此可以避免速度计算不准确带来的定位误差。最后利用改进型聚类算法对多个数据进行聚类分析，该方法剔除了偏差较大的数据，因此能够提高定位的准确度。
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为本发明实施例基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法的流程示意图；
图2为本发明实施例电缆双端监测设备安装示意图。
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所示，本实施例中提供一种基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，包括以下步骤：
通过卫星授时的方式同步电缆两侧的采集装置，基于所述电缆两侧的采集装置，通过卫星同步采集电缆两侧的局放信号；
基于所述电缆两侧的局放信号提取所述电缆两侧的最大幅值脉冲信号；
基于所述最大幅值脉冲信号，获取电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度，将所述电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度做比，获取脉冲宽度比值；
构建所述局放信号传播距离与所述局放信号脉冲宽度函数关系数据库，获取局放源的位置；
将多个定位数据进行聚类分析获取最终局放源的位置，并剔除不合理的局放源数据。
进一步优化方案，所述提取所述电缆两侧的局放信号的最大幅值脉冲信号包括：基于所述电缆两侧的局放信号提取所述电缆两侧的局放信号的最大幅值点；基于所述电缆两侧的局放信号的最大幅值点分别向脉冲信号的左右两端搜索过零点，则两个零点之间则为最大幅值脉冲信号。
局放信号在电缆中传播需要一定的时间，所以通过卫星授时同步的方式可以确保电缆两侧采集的局放信号来自于同一局放源；局放信号在电缆传播过程中会产生各种反射、折射，除此之外，局放信号还会叠加外部环境的干扰信号，因此通过提取电缆两侧局放信号的最大幅值脉冲来最大程度体现局放信号的特性。
进一步优化方案，基于所述最大幅值脉冲信号获取电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度包括：所述最大幅值脉冲信号左右两端零点之间的距离，即获取所述最大幅值脉冲信号的脉冲宽度。
进一步优化方案，构建所述局放信号传播距离与所述局放信号脉冲宽度函数关系数据库，包括：通过在电缆模型的不同位置设置局放源的方式模拟电缆本体不同位置的放电，根据不同放电位置的脉冲宽度比值与传播距离，采用曲线拟合方法进行拟合，获取不同类型电缆的局放源位置与脉冲宽度比值函数关系的数据库。
进一步优化方案，获取局放源的位置的过程包括：基于所述脉冲宽度的比值，利用样条插值法构建所述脉冲宽度与所述电缆的局放源位置与脉冲宽度比值函数关系的数据库插值，获取局放源的位置。
进一步优化方案，剔除不合理的局放源数据包括：基于局放源位置数据进行正态分布原则对不合理数据进行剔除，所述不合理数据包括偏差大的数据。
进一步优化方案，将多个定位数据进行聚类分析获取最终的局放源位置的过程包括：
首先进行预聚类,基于构建树的思想，对数据中的每个点进行读取，对点较密集的区域进行小范围聚类，利用对数似然距离就近构建树，最后形成诸多小的子簇；
其次进行子簇聚类，构建的诸多子簇通过凝聚法逐个根据对数似然距离就近合并，根据贝叶斯信息准则直到达到最佳的簇数；
最后对离群数据处理，对于没有归簇的离散数据点，同样根据对数似然距离归到最近的簇中，输出各个簇的中心。
所述偏差的数据包括：在放电检测过程中难免会检测到来自于外界的噪声、干扰，这种干扰信号会造成定位的偏差较大，此类就是不合理的数据，因此需要将此类信号数据进行剔除。
目前局放定位常用K-mean聚类算法，其原理比较简单，通过不断计算距离进行循环，被广泛的应用在数据的聚类，算法的步骤简单，耗费的时间较短，局限在于需要手动输入聚类中心个数。Two step算法，是在1996年提出的一种智能聚类算法，其思想是“自下而上”的二层聚类，实现过程相对更加复杂，适合的数据容量没有限制，算法能自动给出最佳的类别数，算法的复杂度更大，耗费的时间要比K-mean更长。上述两种算法种整体上Twostep算法更优未对“坏数据”进行剔除，本发明因此利用正态分布的3σ原则对“坏数据”进行剔除来改进Two step算法。采用此聚类方法可以避免部分偏离较大的数据对定位精度的影响，在一定程度上提高了定位的准确度。
采用高斯脉冲模拟局放放电信号，然后对脉冲进行Fourier变换，在频域乘以单一频率衰减系数的函数，然后反Fourier变换到时域，即为高斯函数模拟的局放放电脉冲的衰减函数。具体过程如下：
Figure BDA0003609326880000081
式中:u(t)为脉冲在传播时间t时刻的电压波形，V；U0为初始电压峰值，V；σ为时间尺度因子，s；Q为放电量，pC；Z＝Zc/2,Zc为特性阻抗，Ω。
然后对高斯脉冲进行Fourier变换到频域，则变换到频域的脉冲U(ω)为
Figure BDA0003609326880000082
在频域的高斯脉冲乘以频率相关的衰减系数，在传播l后的频域脉冲U1(ω)表示为
Figure BDA0003609326880000091
然后通过Fourier反变换到时域，得到时域传输距离l后的高斯脉冲u1(t)为
Figure BDA0003609326880000092
式中：
Figure BDA0003609326880000093
erfc(·)为余补误差函数。
其中，ω为信号的角频率，α为电缆的衰减系数，l为信号在电缆上传播的距离。
当t＝0时得到高斯脉冲随距离的变化为
Figure BDA0003609326880000094
由上式可得，局放信号的脉冲宽度随电缆长度增加而展宽。因此，可以根据局放信号脉冲宽度与信号传播距离之间的对应关系确定放电源的位置。
如图2所示，电缆两侧通过接地电阻接地，接地线上装加了高频电路传感器，高频电流传感器通过耦合接地线上的电流来采集由电缆本体产生的向电缆两端传播局放信号，数据采集器通过卫星授时的方式同步采集局放信号以确定局放信号来自于同一局放源。
本发明电缆两侧的局放信号采集设备通过卫星授时的方式同步采集由局放源产生的向电缆两侧传播的局放信号，由于信号的传播是会发生多次反射、折射，所以选取具有最大幅值的脉冲作为后续计算的局放信号。计算电缆两侧采集的最大幅值脉冲的脉宽，然后根据电缆两端脉宽的比值以及建立的数据库进行局放源的初步定位，最后通过聚类分析的方法最终确定局放源的位置。
本发明提供了一种基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，双端采集局放信号的方式减少了局放信号在电缆上的传播距离减少了局放信号的衰减，因此降低了信号的采集难度；利用信号脉冲宽度与信号传播之间的函数关系建立数据库，通过比对数据库的方式对局放源进行定位，该方法避免了求解入射波、反射波之间的时延，减少了算法的复杂程度，降低了计算工作量，并且本方法不涉及信号传播速度的计算，因此可以避免速度计算不准确带来的定位误差。最后利用改进型聚类算法对多个数据进行聚类分析，该方法剔除了偏差较大的数据，因此能够提高定位的准确度。
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 (8)

1.基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过卫星同步采集电缆两侧的局放信号；
基于所述电缆两侧的局放信号提取所述电缆两侧的最大幅值脉冲信号；
基于所述最大幅值脉冲信号，获取电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度，将所述电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度做比，获取脉冲宽度比值；
构建所述局放信号传播距离与所述局放信号脉冲宽度函数关系数据库，获取局放源的位置；
将多个定位数据进行聚类分析获取最终局放源的位置，并剔除不合理的局放源数据。
2.如权利要求1所述的基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，其特征在于，所述卫星同步包括卫星授时的方式。
3.如权利要求1所述的基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，其特征在于，
所述提取所述电缆两侧的局放信号的最大幅值脉冲信号包括：基于所述电缆两侧的局放信号提取所述电缆两侧的局放信号的最大幅值点，基于所述电缆两侧的局放信号的最大幅值点分别向脉冲信号的左右两端搜索过零点，则两个零点之间则为最大幅值脉冲信号。
4.如权利要求3所述的基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，其特征在于，
基于所述最大幅值脉冲信号获取电缆两侧的最大幅值脉冲信号的脉冲宽度包括：所述最大幅值脉冲信号左右两端零点之间的距离，即获取所述最大幅值脉冲信号的脉冲宽度。
5.如权利要求1所述的基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，其特征在于，
构建所述局放信号传播距离与所述局放信号脉冲宽度函数关系数据库，包括：通过在电缆模型的不同位置设置局放源的方式模拟电缆本体不同位置的放电，根据不同放电位置的脉冲宽度比值与传播距离，采用曲线拟合方法进行拟合，获取不同类型电缆的局放源位置与脉冲宽度比值函数关系的数据库。
6.如权利要求1所述的基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，其特征在于，
获取局放源的位置的过程包括：基于所述脉冲宽度的比值，利用样条插值法构建所述脉冲宽度与所述电缆的局放源位置与脉冲宽度比值函数关系的数据库插值，获取局放源的位置。
7.如权利要求6所述的基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，其特征在于，将多个定位数据进行聚类分析获取最终的局放源位置的过程包括：
首先进行预聚类,基于构建树的思想，对数据中的每个点进行读取，对点较密集的区域进行小范围聚类，利用对数似然距离就近构建树，最后形成诸多小的子簇；
其次进行子簇聚类，构建的诸多子簇通过凝聚法逐个根据对数似然距离就近合并，基于贝叶斯信息准则获得最佳的簇数；
最后对离群数据处理，对于没有归簇的离散数据点，同样根据对数似然距离归到最近的簇中，输出各个簇的中心。
8.如权利要求1所述的基于信号脉宽与传播距离关系的电缆局放源双端定位方法，其特征在于，
剔除不合理的局放源数据包括：基于局放源位置数据进行正态分布原则对不合理数据进行剔除，所述不合理数据包括偏差大的数据。
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