CN114878946A - 一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置，所述方法包括：采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态；本发明的优点在于：能够解决谐波分析中的频谱泄露和栅栏效应问题，从而提高氧化锌避雷器在线监测的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及氧化锌避雷器在线监测技术领域，更具体涉及一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置。
背景技术
氧化锌避雷器是电网的重要保护元件，其在长期运行过程中会出现材料老化、绝缘性能下降等情况，如果不能及时发现，将对电网的安全稳定运行造成巨大的威胁。而氧化锌避雷器的材料老化具体体现在泄漏电流的基波和高次谐波的阻性分量显著变化，因此对其泄漏电流阻性分量的精确检测与分析具有重要意义。
目前最常用的检测方法是采集电网电压和泄露电流之后，经谐波分析提取出基波和各次谐波参数，再计算出泄漏电流的阻性分量。而谐波分析最常用的方法是快速傅里叶变换，这种方法对硬件要求简单，易于在嵌入式系统中实现。但是由于电网基波频率存在着小范围波动，不是理想的50Hz，不能保证整周期采样从而产生频谱泄露，采样频率低时会出现频率混叠，并且在频域抽样离散化时，如果计算得到的频谱峰值点与实际峰值点不能准确重合，就会出现栅栏效应。频谱泄露、频率混叠以及栅栏效应会使得测量出的谐波幅值和相位产生较大偏差，由此反映出的避雷器泄露电流阻性分量数值不准确，造成避雷器运行状态的误判，可以通过选择合适的窗函数、设置合适的采样点数、采样频率、以及校正算法来减小上述情况的不利影响。
目前，国内外研究者已经设计出很多窗函数，主要包括Hanning窗、Blackman窗、Blackman-Harris窗、Nuttall窗、Kaiser窗和各类组合余弦窗，此外，还有学者提出了自卷积窗以及自乘窗。这些窗函数具有主瓣宽度较窄，旁瓣电平低且衰减速率快等特性可以用来改善频谱泄露，插值修正是指用实际被测频率点附近的两条或者多条谱线信息来计算幅值和频率的修正值，从而校正得到实际被测频率点的幅值、频率、相位等参量。常用插值法有单谱线、双谱线、三谱线和四谱线插值。其中三谱线插值算法相对来说计算准确度较高以及计算速度适中而得到广泛使用。例如中国专利公开号CN110763930A，公开了一种基于布莱克曼双峰插值谐波分析法的避雷器阻性电流在线监测方法。是一种氧化锌避雷器(MOA)阻性电流在线监测，具体采用了基于布莱克曼双峰插值谐波分析法在信号非同步釆样下的对于频谱泄漏和栅栏效应的抑制。该专利申请是将从避雷器采样得到的电流信号和电压信号转换成数字信号，然后送入微处理器通过快速离散傅里叶变换，在频域中对信号进行分析，先选择合适的窗函数抑制信号长范围泄漏，再由窗函数的形式对信号的幅值、相位和频率进行插值修正。由于在电网电压下，避雷器泄漏电流应重点考虑它的幅值和相位精确度，无需精确计算频率参数，并且只需要计算基波和2、3、4、5、6、7次谐波参数，不需要计算高密度频谱参数，所以不需要过窄的主瓣宽度；又因为避雷器泄漏电流为窄带多频率信号，并且测量现场有较强的噪声干扰，所以要求旁瓣峰值电平低和衰减速率快。但是Blackman窗虽然主瓣宽度较窄，但是其旁瓣峰值较高，衰减速度较慢，从而应用在避雷器泄漏电流检测方面时对频谱泄漏的改善效果不好。此外该专利申请采用双谱线插值算法在峰值频率点附近对泄漏谱线的信息运用不充分，计算精度比较差，可靠性不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术避雷器阻性电流在线监测方法对频谱泄漏的改善效果不好，对氧化锌避雷器在线监测的可靠性不高的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种避雷器阻性电流在线监测方法，所述方法包括：
步骤一：采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；
步骤二：对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；
步骤三：采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；
步骤四：利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态。
本发明对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理，四阶汉宁自乘窗适当增加了主瓣宽度而换取旁瓣更低的电平和更快的衰减速度，对避雷器泄漏电流的检测与分析适配性较高，可以一定程度的减小栅栏效应并改善频率泄漏，另外，通过三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正，提高频率分辨率，计算精度高，可靠性强，从而进一步减小栅栏效应，整个方法能够解决氧化锌避雷器在线监测中的频谱泄露和栅栏效应问题并且能够提高在线监测的可靠性。
进一步地，所述步骤二包括：
四阶汉宁自乘窗的时域表达式为：
其中，N是采样长度；
从氧化锌避雷器采集到的泄漏电流信号离散后的函数表达式为：
其中，m为谐波次数，M为谐波总次数，f0为基波频率，fs为采样频率，Am为m次谐波的幅值，θm为m次谐波的相位；将式(2)改用欧拉公式表示为：
四阶汉宁自乘窗函数的时域形式为ω(n)，其离散频谱表达式为
则对泄漏电流信号进行加窗并进行快速傅里叶变换再进行离散采样，得到表达式：
其中，k为采样时间点数，k＝0、1、2……，Δf＝fs/N是离散频率间隔。
忽略负频率点处的旁瓣影响，(4)式变为：
更进一步地，所述步骤三包括：
设基波f0＝k0Δf，使用峰值检测技术，检测k0真实谱线附近最大的谱线k2，记其左右最近的两条谱线为k1、k3，k2、k1、k3的幅值分别为y2＝|X(k2Δf)|、y1＝|X(k1Δf)|、y3＝|X(k3Δf)|且k2＝k1+1,k3＝k2+1
设第一辅助参数α＝k0-k2,α∈[-0.5,0.5] (6)
设第二辅助参数
N较大时，β可化简为关于α的多项式，当余弦窗项数较少时可直接求出α＝g-1(β)，但当余弦窗项数较多时，可采用多项式逼近的方法来解出α＝g-1(β)。在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，由拟合公式polyfit(β,α,m)，求出第一辅助参数
α＝1.38888888·β-0.10716678·β3+0.0165219·β5-0.00300526·β7 (8)
其中，m为多项式拟合最高阶数；
通过公式A＝(y1+2y2+y3)·g(α)/N (9)
对信号的幅值进行修正，得到修正后的幅值，其中，
通过公式θ＝arg[X(k2·Δf)]+π/2-π·α (11)
对信号的相位进行修正，得到修正后的相位；
通过公式f0＝(k2-1+α)·fs/N (12)
对信号的频率进行修正，得到修正后的频率；
在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，通过多项式拟合公式polyfit(α,g(α),m)求出幅值修正系数
g(α)＝2.03174603+0.36840261·α2+0.03539348·α4+0.00246968·α6 (13)
通过以上方法同样对各次谐波的幅值、相位和频率进行修正，则最终完成信号的基波和各次谐波的修正。
更进一步地，所述步骤四包括：
求出修正后的基波和各次谐波之后，求出全泄露电流基波与对应的参考电压基波之间的相位超前角，全泄露电流各次谐波与对应的参考电压谐波之间的相位超前角，利用全泄露电流基波峰值和对应的相位超前角，计算得出基波电流的阻性分量，利用全泄露电流各次谐波峰值和对应的相位超前角，计算得出各次谐波电流的阻性分量，以此来分析氧化锌避雷器的运行状态。
更进一步地，所述步骤四还包括：
对于基波，首先求出全泄露电流基波和参考电压基波之间的相位超前角
然后通过公式
求出阻性电流基波峰值，其中，Ix1p为全泄露电流基波峰值。
本发明还提供一种避雷器阻性电流在线监测装置，所述装置包括：
信号采集模块，用于采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；
加窗处理模块，用于对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；
插值处理模块，用于采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；
阻性分量获取模块，用于利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态。
进一步地，所述加窗处理模块还用于：
四阶汉宁自乘窗的时域表达式为：
其中，N是采样长度；
从氧化锌避雷器采集到的泄漏电流信号离散后的函数表达式为：
其中，m为谐波次数，M为谐波总次数，f0为基波频率，fs为采样频率，Am为m次谐波的幅值，θm为m次谐波的相位；将式(2)改用欧拉公式表示为：
四阶汉宁自乘窗函数的时域形式为ω(n)，其离散频谱表达式为
则对泄漏电流信号进行加窗并进行快速傅里叶变换再进行离散采样，得到表达式：
其中，k为采样时间点数，k＝0、1、2……，Δf＝fs/N是离散频率间隔；
忽略负频率点处的旁瓣影响，(4)式变为：
更进一步地，所述插值处理模块还用于：
设基波f0＝k0Δf，使用峰值检测技术，检测k0真实谱线附近最大的谱线k2，记其左右最近的两条谱线为k1、k3，k2、k1、k3的幅值分别为y2＝|X(k2Δf)|、y1＝|X(k1Δf)|、y3＝|X(k3Δf)|且k2＝k1+1,k3＝k2+1
设第一辅助参数α＝k0-k2,α∈[-0.5,0.5] (6)
设第二辅助参数
N较大时，β可化简为关于α的多项式，当余弦窗项数较少时可直接求出α＝g-1(β)，但当余弦窗项数较多时，可采用多项式逼近的方法来解出α＝g-1(β)。在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，由拟合公式polyfit(β,α,m)，求出第一辅助参数
α＝1.38888888·β-0.10716678·β3+0.0165219·β5-0.00300526·β7 (8)
其中，m为多项式拟合最高阶数；
通过公式A＝(y1+2y2+y3)·g(α)/N (9)
对信号的幅值进行修正，得到修正后的幅值，其中，
通过公式θ＝arg[X(k2·Δf)]+π/2-π·α (11)
对信号的相位进行修正，得到修正后的相位；
通过公式f0＝(k2-1+α)·fs/N (12)
对信号的频率进行修正，得到修正后的频率；
在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，通过多项式拟合公式polyfit(α,g(α),m)求出幅值修正系数
g(α)＝2.03174603+0.36840261·α2+0.03539348·α4+0.00246968·α6 (13)
通过以上方法同样对各次谐波的幅值、相位和频率进行修正，则最终完成信号的基波和各次谐波的修正。
更进一步地，所述阻性分量获取模块还用于：
求出修正后的基波和各次谐波之后，求出全泄露电流基波与对应的参考电压基波之间的相位超前角，全泄露电流各次谐波与对应的参考电压谐波之间的相位超前角，利用全泄露电流基波峰值和对应的相位超前角，计算得出基波电流的阻性分量，利用全泄露电流各次谐波峰值和对应的相位超前角，计算得出各次谐波电流的阻性分量，以此来分析氧化锌避雷器的运行状态。
更进一步地，所述阻性分量获取模块还用于：
对于基波，首先求出全泄露电流基波和参考电压基波之间的相位超前角
然后通过公式
求出阻性电流基波峰值，其中，Ix1p为全泄露电流基波峰值。
本发明的优点在于：本发明对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理，四阶汉宁自乘窗适当增加了主瓣宽度而换取旁瓣更低的电平和更快的衰减速度，对避雷器泄漏电流的检测与分析适配性较高，可以一定程度的减小栅栏效应并改善频率泄漏，另外，通过三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正，提高频率分辨率，计算精度高，可靠性强，从而进一步减小栅栏效应，整个方法能够氧化锌避雷器在线监测中的频谱泄露和栅栏效应问题并且能够提高在线监测的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例1所提供的一种避雷器阻性电流在线监测方法的流程图；
图2为本发明实施例1所提供的一种避雷器阻性电流在线监测方法中全泄漏电流的基波分量矢量关系图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
如图1所示，一种避雷器阻性电流在线监测方法，所述方法包括：
S1：采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；
S2：对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；时域为周期无限长的信号，在频域中为单一谱线，经过时域截断为有限长后，单一谱线会衍生出旁瓣在整个频域泄露扩散，即频谱泄露。为了减少这种不利影响，一般希望窗函数的主瓣窄且高，旁瓣的高度小并且衰减速度快。自乘窗自乘阶数越高，旁瓣电平衰减越快、性能越好，但是主瓣宽度会随之增加。由于在电网电压下，避雷器泄漏电流应重点考虑它的幅值和相位精确度，无需精确计算频率参数，并且只需要计算基波和2、3、4、5、6、7次谐波参数，不需要计算高密度频谱参数，所以不需要过窄的主瓣宽度；又因为避雷器泄漏电流为窄带多频率信号，并且测量现场有较强的噪声干扰，所以要求旁瓣峰值电平低和衰减速率快。由上分析，四阶汉宁自乘窗适当增加了主瓣宽度而换取旁瓣更低的电平和更快的衰减速度，对避雷器泄漏电流的检测与分析适配性较高，所以本发明采用四阶汉宁自乘窗对数字量信号加窗处理。
四阶汉宁自乘窗的时域表达式为：
其中，N是采样长度；
从氧化锌避雷器采集到的泄漏电流信号离散后的函数表达式为：
其中，m为谐波次数，M为谐波总次数，f0为基波频率，fs为采样频率，Am为m次谐波的幅值，θm为m次谐波的相位；将式(2)改用欧拉公式表示为：
四阶汉宁自乘窗函数的时域形式为ω(n)，其离散频谱表达式为
则对泄漏电流信号进行加窗并进行快速傅里叶变换再进行离散采样，得到表达式：
其中，k为采样时间点数，k＝0、1、2……，Δf＝fs/N是离散频率间隔；
忽略负频率点处的旁瓣影响，(4)式变为：
S3：采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；具体过程为：
通过步骤S2的方法选定合适的窗函数可以一定程度的减小栅栏效应，除此之外，还可以通过提高频率分辨率来减小栅栏效应。三谱线插值算法利用避雷器泄漏电流的基波和谐波的被测处最大谱线和最大谱线相邻的两条谱线信息来计算幅值和频率的修正值，从而校正得到实际被测频率点的幅值、频率、相位等参量，有效提高频率分辨率。
以基波f0＝k0Δf为例，使用峰值检测技术，检测k0真实谱线附近最大的谱线k2，记其左右最近的两条谱线为k1、k3，k2、k1、k3的幅值分别为y2＝|X(k2Δf)|、y1＝|X(k1Δf)|、y3＝|X(k3Δf)|且k2＝k1+1,k3＝k2+1
设第一辅助参数α＝k0-k2,α∈[-0.5,0.5] (6)
设第二辅助参数
N较大时，β可化简为关于α的多项式，当余弦窗项数较少时可直接求出α＝g-1(β)，但当余弦窗项数较多时，可采用多项式逼近的方法来解出α＝g-1(β)。在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，由拟合公式polyfit(β,α,7)，求出第一辅助参数
α＝1.38888888·β-0.10716678·β3+0.0165219·β5-0.00300526·β7 (8)
通过公式A＝(y1+2y2+y3)·g(α)/N (9)
对信号的幅值进行修正，得到修正后的幅值，其中，
通过公式θ＝arg[X(k2·Δf)]+π/2-π·α (11)
对信号的相位进行修正，得到修正后的相位；
通过公式f0＝(k2-1+α)·fs/N (12)
对信号的频率进行修正，得到修正后的频率；
在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，通过多项式拟合公式polyfit(α,g(α),7)求出幅值修正系数
g(α)＝2.03174603+0.36840261·α2+0.03539348·α4+0.00246968·α6 (13)
通过以上方法同样对各次谐波的幅值、相位和频率进行修正，修正过程相同，只是波的表达式和峰值检测技术检测出的谱线有所差别，最终完成信号的基波和各次谐波的修正。
S4：利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态。具体过程为：
求出修正后的基波和各次谐波之后，求出全泄露电流基波与对应的参考电压基波之间的相位超前角，全泄露电流各次谐波与对应的参考电压谐波之间的相位超前角，利用全泄露电流基波峰值和对应的相位超前角，计算得出基波电流的阻性分量，利用全泄露电流各次谐波峰值和对应的相位超前角，计算得出各次谐波电流的阻性分量，以此来分析氧化锌避雷器的运行状态，泄漏电流的基波和高次谐波的阻性分量显著变化的时候认为氧化锌避雷器的材料老化，显著变化一般是设置阈值，将检测到的的基波和高次谐波的阻性分量与对应的阈值比较，如果超过对应的阈值则认为显著变化。
以基波为例，首先求出全泄露电流基波和参考电压基波之间的相位超前角
然后通过公式
求出阻性电流基波峰值，其中，Ix1p为全泄露电流基波峰值，全泄漏电流的基波分量矢量关系图如图2所示，图2中，Ic1p为容性电流基波峰值，U1为参考电压基波。
对于各次谐波对应的阻性电流谐波峰值计算方法与上述公式(13)的方法相同，只是代入公式中的为全泄露电流谐波峰值以及全泄露电流谐波与对应的参考电压谐波之间的相位超前角。
以下对本发明提供的方法进行实验验证，假设给定泄漏电流信号为：
采用步骤S1至步骤S4的方法对其进行谐波分析，得到的数据如表1所示，数据从左到右依次为谐波次数m,y1,y2,y3,β,α,g(α),校正后的幅值A、校正后的频率(m·f0)、校正后的相位θ(弧度值)。由校正后的幅值、频率和相位数据与原信号进行对比可以看出，该算法可以精确的分析出各次谐波。
表1信号仿真数据表
通过以上技术方案，本发明对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理，四阶汉宁自乘窗适当增加了主瓣宽度而换取旁瓣更低的电平和更快的衰减速度，对避雷器泄漏电流的检测与分析适配性较高，可以一定程度的减小栅栏效应，另外，通过三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正，提高频率分辨率，从而进一步减小栅栏效应，整个方法能够解决谐波分析中的频谱泄露和栅栏效应问题，从而提高氧化锌避雷器在线监测的可靠性。
实施例2
基于实施例1，本发明实施例2还提供一种避雷器阻性电流在线监测装置，所述装置包括：
信号采集模块，用于采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；
加窗处理模块，用于对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；
插值处理模块，用于采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；
阻性分量获取模块，用于利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态。
具体的，所述加窗处理模块还用于：
四阶汉宁自乘窗的时域表达式为：
其中，N是采样长度；
从氧化锌避雷器采集到的泄漏电流信号离散后的函数表达式为：
其中，m为谐波次数，M为谐波总次数，f0为基波频率，fs为采样频率，Am为m次谐波的幅值，θm为m次谐波的相位；将式(2)改用欧拉公式表示为：
四阶汉宁自乘窗函数的时域形式为ω(n)，其离散频谱表达式为
则对泄漏电流信号进行加窗并进行快速傅里叶变换再进行离散采样，得到表达式：
其中，k为采样时间点数，k＝0、1、2……，Δf＝fs/N是离散频率间隔；
忽略负频率点处的旁瓣影响，(4)式变为：
更具体的，所述插值处理模块还用于：
设基波f0＝k0Δf，使用峰值检测技术，检测k0真实谱线附近最大的谱线k2，记其左右最近的两条谱线为k1、k3，k2、k1、k3的幅值分别为y2＝|X(k2Δf)|、y1＝|X(k1Δf)|、y3＝|X(k3Δf)|且k2＝k1+1,k3＝k2+1
设第一辅助参数α＝k0-k2,α∈[-0.5,0.5] (6)
设第二辅助参数
N较大时，β可化简为关于α的多项式，当余弦窗项数较少时可直接求出α＝g-1(β)，但当余弦窗项数较多时，可采用多项式逼近的方法来解出α＝g-1(β)。在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，由拟合公式polyfit(β,α,7)，求出第一辅助参数
α＝1.38888888·β-0.10716678·β3+0.0165219·β5-0.00300526·β7 (8)
通过公式A＝(y1+2y2+y3)·g(α)/N (9)
对信号的幅值进行修正，得到修正后的幅值，其中，
通过公式θ＝arg[X(k2·Δf)]+π/2-π·α (11)
对信号的相位进行修正，得到修正后的相位；
通过公式f0＝(k2-1+α)·fs/N (12)
对信号的频率进行修正，得到修正后的频率；
在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，通过多项式拟合公式polyfit(α,g(α),7)求出幅值修正系数
g(α)＝2.03174603+0.36840261·α2+0.03539348·α4+0.00246968·α6 (13)
通过以上方法同样对各次谐波的幅值、相位和频率进行修正，则最终完成信号的基波和各次谐波的修正。
更具体的，所述阻性分量获取模块还用于：
求出修正后的基波和各次谐波之后，求出全泄露电流基波与对应的参考电压基波之间的相位超前角，全泄露电流各次谐波与对应的参考电压谐波之间的相位超前角，利用全泄露电流基波峰值和对应的相位超前角，计算得出基波电流的阻性分量，利用全泄露电流各次谐波峰值和对应的相位超前角，计算得出各次谐波电流的阻性分量，以此来分析氧化锌避雷器的运行状态。
更具体的，所述阻性分量获取模块还用于：
对于基波，首先求出全泄露电流基波和参考电压基波之间的相位超前角
然后通过公式
求出阻性电流基波峰值，其中，Ix1p为全泄露电流基波峰值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；
步骤二：对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；
步骤三：采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；
步骤四：利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态。
2.根据权利要求1所述的一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述步骤二包括：
四阶汉宁自乘窗的时域表达式为：
其中，N是采样长度；
从氧化锌避雷器采集到的泄漏电流信号离散后的函数表达式为：
其中，m为谐波次数，M为谐波总次数，f0为基波频率，fs为采样频率，Am为m次谐波的幅值，θm为m次谐波的相位；将式(2)改用欧拉公式表示为：
四阶汉宁自乘窗函数的时域形式为ω(n)，其离散频谱表达式为
则对泄漏电流信号进行加窗并进行快速傅里叶变换再进行离散采样，得到表达式：
其中，k为采样时间点数，k＝0、1、2……，Δf＝fs/N是离散频率间隔；
忽略负频率点处的旁瓣影响，(4)式变为：
3.根据权利要求2所述的一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述步骤三包括：
设基波f0＝k0Δf，使用峰值检测技术，检测k0真实谱线附近最大的谱线k2，记其左右最近的两条谱线为k1、k3，k2、k1、k3的幅值分别为y2＝|X(k2Δf)|、y1＝|X(k1Δf)|、y3＝|X(k3Δf)|且k2＝k1+1,k3＝k2+1
设第一辅助参数α＝k0-k2,α∈[-0.5,0.5] (6)
设第二辅助参数
采用多项式逼近的方法求出α＝g-1(β)
在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，根据多项式拟合公式polyfit(β,α,m)，求出第一辅助参数
α＝1.38888888·β-0.10716678·β3+0.0165219·β5-0.00300526·β7 (8)
其中，m为多项式拟合最高阶数；
通过公式A＝(y1+2y2+y3)·g(α)/N (9)
对信号的幅值进行修正，得到修正后的幅值，其中，
通过公式θ＝arg[X(k2·Δf)]+π/2-π·α (11)
对信号的相位进行修正，得到修正后的相位；
通过公式f0＝(k2-1+α)·fs/N (12)
对信号的频率进行修正，得到修正后的频率；
在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，通过多项式拟合公式polyfit(α,g(α),m)求出幅值修正系数
g(α)＝2.03174603+0.36840261·α2+0.03539348·α4+0.00246968·α6 (13)
通过以上方法同样对各次谐波的幅值、相位和频率进行修正，则最终完成信号的基波和各次谐波的修正。
4.根据权利要求3所述的一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述步骤四包括：
求出修正后的基波和各次谐波之后，求出全泄露电流基波与对应的参考电压基波之间的相位超前角，全泄露电流各次谐波与对应的参考电压谐波之间的相位超前角，利用全泄露电流基波峰值和对应的相位超前角，计算得出基波电流的阻性分量，利用全泄露电流各次谐波峰值和对应的相位超前角，计算得出各次谐波电流的阻性分量，以此来分析氧化锌避雷器的运行状态。
5.根据权利要求4所述的一种避雷器阻性电流在线监测方法，其特征在于，所述步骤四还包括：
对于基波，首先求出全泄露电流基波和参考电压基波之间的相位超前角
然后通过公式
求出阻性电流基波峰值，其中，Ix1p为全泄露电流基波峰值。
6.一种避雷器阻性电流在线监测装置，其特征在于，所述装置包括：
信号采集模块，用于采集氧化锌避雷器的三相电压和三相泄漏电流并送入模数转换电路转化为数字量；
加窗处理模块，用于对数字量信号加四阶汉宁自乘窗处理并进行快速离散傅里叶变换得到信号的频谱；
插值处理模块，用于采用三谱线插值算法对信号的幅值、相位和频率进行修正；
阻性分量获取模块，用于利用修正后的幅值、相位和频率求出校正后的基波和各次谐波，进而求出泄漏电流的阻性分量来判断避雷器的运行状态。
7.根据权利要求6所述的一种避雷器阻性电流在线监测装置，其特征在于，所述加窗处理模块还用于：
四阶汉宁自乘窗的时域表达式为：
其中，N是采样长度；
从氧化锌避雷器采集到的泄漏电流信号离散后的函数表达式为：
其中，m为谐波次数，M为谐波总次数，f0为基波频率，fs为采样频率，Am为m次谐波的幅值，θm为m次谐波的相位；将式(2)改用欧拉公式表示为：
四阶汉宁自乘窗函数的时域形式为ω(n)，其离散频谱表达式为
则对泄漏电流信号进行加窗并进行快速傅里叶变换再进行离散采样，得到表达式：
其中，k为采样时间点数，k＝0、1、2……，Δf＝fs/N是离散频率间隔；
忽略负频率点处的旁瓣影响，(4)式变为：
8.根据权利要求7所述的一种避雷器阻性电流在线监测装置，其特征在于，所述插值处理模块还用于：
设基波f0＝k0Δf，使用峰值检测技术，检测k0真实谱线附近最大的谱线k2，记其左右最近的两条谱线为k1、k3，k2、k1、k3的幅值分别为y2＝|X(k2Δf)|、y1＝|X(k1Δf)|、y3＝|X(k3Δf)|且k2＝k1+1,k3＝k2+1
设第一辅助参数α＝k0-k2,α∈[-0.5,0.5] (6)
设第二辅助参数
采用多项式逼近的方法求出α＝g-1(β)
在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，根据多项式拟合公式polyfit(β,α,m)，求出第一辅助参数
α＝1.38888888·β-0.10716678·β3+0.0165219·β5-0.00300526·β7 (8)
其中，m为多项式拟合最高阶数；
通过公式A＝(y1+2y2+y3)·g(α)/N (9)
对信号的幅值进行修正，得到修正后的幅值，其中，
通过公式θ＝arg[X(k2·Δf)]+π/2-π·α (11)
对信号的相位进行修正，得到修正后的相位；
通过公式f0＝(k2-1+α)·fs/N (12)
对信号的频率进行修正，得到修正后的频率；
在matlab中使用polyfit函数进行多项式拟合逼近，通过多项式拟合公式polyfit(α,g(α),m)求出幅值修正系数
g(α)＝2.03174603+0.36840261·α2+0.03539348·α4+0.00246968·α6 (13)
通过以上方法同样对各次谐波的幅值、相位和频率进行修正，则最终完成信号的基波和各次谐波的修正。
9.根据权利要求8所述的一种避雷器阻性电流在线监测装置，其特征在于，所述阻性分量获取模块还用于：
求出修正后的基波和各次谐波之后，求出全泄露电流基波与对应的参考电压基波之间的相位超前角，全泄露电流各次谐波与对应的参考电压谐波之间的相位超前角，利用全泄露电流基波峰值和对应的相位超前角，计算得出基波电流的阻性分量，利用全泄露电流各次谐波峰值和对应的相位超前角，计算得出各次谐波电流的阻性分量，以此来分析氧化锌避雷器的运行状态。
10.根据权利要求9所述的一种避雷器阻性电流在线监测装置，其特征在于，所述阻性分量获取模块还用于：
对于基波，首先求出全泄露电流基波和参考电压基波之间的相位超前角
然后通过公式
求出阻性电流基波峰值，其中，Ix1p为全泄露电流基波峰值。
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|---|---|---|---|
| CN202210622082.8A CN114878946A (zh) | 2022-06-02 | 2022-06-02 | 一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210622082.8A CN114878946A (zh) | 2022-06-02 | 2022-06-02 | 一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置 |
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|---|---|
| CN114878946A true CN114878946A (zh) | 2022-08-09 |
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| CN202210622082.8A Pending CN114878946A (zh) | 2022-06-02 | 2022-06-02 | 一种避雷器阻性电流在线监测方法及装置 |
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|---|---|
| CN (1) | CN114878946A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115575856A (zh) * | 2022-11-18 | 2023-01-06 | 国网四川省电力公司成都供电公司 | 输电电缆终端场中避雷器的泄露电流在线监测方法及系统 |
| CN116990718A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-11-03 | 北京中联太信科技有限公司 | 一种用于中高压的在线微交流泄漏的检测方法 |
-
2022
- 2022-06-02 CN CN202210622082.8A patent/CN114878946A/zh active Pending
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘涛等: "基于四阶Hanning自乘窗FFT三峰插值的电能计量新算法", 电测与仪表, vol. 54, no. 21, 10 November 2017 (2017-11-10), pages 1 - 6 * |
| 黄海宏等: "氧化锌避雷器泄漏电流检测的优化FFT分析", 电子测量与仪器学报, vol. 33, no. 4, 30 April 2019 (2019-04-30), pages 87 - 94 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115575856A (zh) * | 2022-11-18 | 2023-01-06 | 国网四川省电力公司成都供电公司 | 输电电缆终端场中避雷器的泄露电流在线监测方法及系统 |
| CN115575856B (zh) * | 2022-11-18 | 2023-03-07 | 国网四川省电力公司成都供电公司 | 输电电缆终端场中避雷器的泄露电流在线监测方法及系统 |
| CN116990718A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-11-03 | 北京中联太信科技有限公司 | 一种用于中高压的在线微交流泄漏的检测方法 |
| CN116990718B (zh) * | 2023-08-22 | 2024-01-26 | 北京中联太信科技有限公司 | 一种用于中高压的在线微交流泄漏的检测方法 |
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