CN115469198B - 一种高置信度的局部放电联合检测方法及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力设备检测技术领域，尤其涉及一种高置信度的局部放电联合检测方法及检测系统；检测步骤包括：S10：使用局放信号模拟器进行局部放电模拟，并使用检测模块进行检测；检测模块包括：高频线圈、特高频传感器和超声波传感器；分别测出三个检测部件的起始电压值、检测下限值和检测动态范围值；S20：构建权重计算模型，计算出权重值；S30：将检测模块安装在GIS设备上，并收集高频线圈、特高频传感器和超声波传感器产生的信号；S40：构建最终信号F的计算模型，形成最终信号F；S50：向外输出最终信号F，F作为判断待检测的GIS设备是否产生局部放电的依据。本发明的高置信度的局部放电联合检测方法，能提升对局部放电检测的准确度。

Description

一种高置信度的局部放电联合检测方法及检测系统

技术领域

本发明涉及电力设备检测技术领域，尤其涉及一种高置信度的局部放电联合检测方法及检测系统。

背景技术

气体绝缘组合设备(GIS，Gas Insulated Switchgear)是目前电力系统中的一类常用电气设备。GIS将以往变电站中的主要设备，例如隔离开关、断路器、互感器和母线等封装于金属壳体内部，并在其中充入一定压强的绝缘气体。因绝缘气体作用，GIS在绝缘效果良好的同时具有较小的占地面积，并且其维护成本低、环境适应性强，因此在电力系统中广泛应用。

然而，在GIS装配或长期运行的过程中，由于金属微粒、尖端毛刺等缺陷出现可能会导致绝缘性故障的发生，而局部放电是绝缘性故障的重要先兆，也是引发绝缘失效的重要诱因。若未能对局部放电进行及时检测，将会导致设备绝缘性能的进一步破坏，缩短设备绝缘寿命，甚至可能导致严重的电力事故。因此实现GIS局部放电检测，有利于设备健康长期运行，维护电力系统的安全稳定运行。

利用局部放电所伴生出来的多种物理现象，形成了各类检测方法：根据电荷移动产生的高频电流，形成了高频电流法(HFCT)；通过射频天线耦合放电激发形成的电磁波，形成了超高频法(UHF)；而利用压电式传感器耦合放电电离热膨胀形成的超声波，形成了超声法(AE)。上述方法均可用于电力设备局部放电在线监测当中，然而在其实际应用过程中，由于运行环境复杂，易受现场电磁波与声波干扰，导致漏报、误报和错报事故的发生，极大耗费了电力系统人力物力，因此需要一种能够具有更高置信度的局部放电检测方法。

发明内容

本发明提供了一种高置信度的局部放电联合检测方法，可以有效减少现场的干扰对检测结果准确度产生的影响，解决背景技术中的问题。本发明还提供了一种高置信度的局部放电联合检测系统，可以达到相同的技术效果。

本发明提供的一种高置信度的局部放电联合检测方法，步骤包括：

S10：使用局放信号模拟器进行局部放电模拟，并使用检测模块对模拟的局部放电进行检测；检测模块包括三个检测部件：高频线圈、特高频传感器和超声波传感器；分别测出三个检测部件的起始电压值、检测下限值和检测动态范围值；

S20：构建权重计算模型：使用三个检测部件的起始电压值、检测下限值和检测动态范围值，计算出权重值；

S30：将检测模块安装在待检测的GIS设备上，并收集高频线圈、特高频传感器和超声波传感器产生的信号；

S40：构建最终信号F的计算模型：使用权重计算模型计算出的权重值，对收集到的高频线圈、特高频传感器和超声波传感器信号进行权重分配后再相加，形成最终信号F；

S50：向外输出最终信号F，F作为判断待检测的GIS设备是否产生局部放电的依据。

进一步地，在步骤S10中，对三个检测部件的起始电压值和检测下限值的具体检测方法为：

使用局放信号模拟器将模拟的局部放电电量从0开始增加，记录下高频线圈、特高频传感器和超声波传感器刚开始产生示数时模拟出的局部放电的电压作为对应检测部件的起始电压值，记录下高频线圈、特高频传感器和超声波传感器刚开始产生示数时模拟出的局部放电的电磁波频率作为检测下限值。

进一步地，在步骤S10中，每个检测部件均进行多次测量得到多个起始电压值和检测下限值，再分别对多个起始电压值和检测下限值取平均值作为三个检测部件最终的起始电压值和检测下限值。

进一步地，在步骤S10中，对三个检测部件的检测动态范围值的具体检测方法为：

对于每个检测部件，检测动态范围值DR的计算方式如下：

其中，V₀为局放信号模拟器未启动时该检测部件产生的噪音在以dB为单位时的数值；R_max为该检测部件在对模拟的局部放电检测过程中的最大输出值。

进一步地，在步骤S20中，权重计算模型的具体构建方法如下：

S21：将三个检测部件的起始电压值两两进行重要度比较，并用比较值构成三阶矩阵A₁；将三个检测部件的检测下限值两两进行重要度比较，并用比较值构成三阶矩阵A₂；将三个检测部件的检测动态范围值两两进行重要度比较，并用比较值构成三阶矩阵A₃；

S22：将起始电压值、检测下限值和检测动态范围值两两进行重要度比较，并将比较值形成三阶矩阵A₄；

S23：分别计算矩阵A₁、A₂、A₃和A₄的一致性比率CR₁、CR₂、CR₃和CR₄；对一致性比率数值大于0.1的矩阵，将该矩阵内部分或全部的元素的数值进行替换，直至该矩阵的一致性比率数值小于或等于0.1；

S24：分别计算矩阵A₁、A₂、A₃和A₄在最大特征值时的特征向量，并将特征向量元素归一化；归一化后的向量的元素即为权重值。

进一步地，在步骤S23中，对一致性比率数值的计算方法如下：

对于矩阵A_n，计算A_n矩阵的最大特征值λ_n，并将A_n的阶数记为m_n；

计算一致性指标CI_n＝(λ_n-m_n)/(m_n-1)；

计算一致性比率CR_n＝CI_n/RI_n；

其中，n的取值为1、2、3、4；RI_n为矩阵A_n的一致性参考值，为常数。

进一步地，在步骤S24中，对矩阵A₁、A₂、A₃和A₄特征向量元素归一化的具体算法为：

对于A_n矩阵，求出其在最大特征值时的特征向量I_n为：

对特征向量元素进行归一化，可得归一化后的向量C_n为：

n的取值为1、2、3、4。

进一步地，在步骤S40中，最终信号F计算模型的具体构建方法如下：

在步骤S24中，可得：

记在步骤S30中高频线圈产生的信号为x，特高频传感器产生的信号为y，超声波传感器产生的信号为z；

最终信号F的计算模型为：

F＝C₄₁(C₁₁x+C₁₂y+C₁₃z)+C₄₂(C₂₁x+C₂₂y+C₂₃z)+C₄₃(C₃₁x+C₃₂y+C₃₃z)。

进一步地，在步骤S50中，还设定有阈值S，当最终信号F的值大于阈值S时，在向外输出最终信号F的同时还向外输出报警信号。

本发明提供的一种高置信度的局部放电联合检测系统，使用上述的高置信度的局部放电联合检测方法，包括：

检测模块，包括均安装在GIS设备上的高频线圈、特高频传感器和超声波传感器；

计算模块，用于储存权重计算模型和最终信号F的计算模型，并用于收集所述高频线圈、所述特高频传感器和所述超声波传感器的数据，计算出最终信号F；

输出模块，用于向外输出最终信号F。

通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：

相较于传统的采用单一方法进行局部放电检测的形式，本检测方法通过三个检测部件，实现对GIS设备使用三种检测方法进行同时检测：通过高频线圈检测局部放电时产生的高频电流，通过特高频传感器检测局部放电时产生的电磁波，以及通过超声波传感器检测局部放电时产生的超声波；本检测方法将三种检测方法的检测结果相组合，增加了最终信号F的判断维度，并且通过权重计算模型计算出每种检测方法产生的信号的权重值，再使用最终信号F的计算模型将三种检测方法产生的信号进行权重分配并相加，形成最终信号F，权重可以控制三种检测方法产生的信号对最终信号F数值的影响，从而有效减小因为单个检测部件受到干扰后对最终信号F的影响，提升检测结果的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中高置信度的局部放电联合检测方法的流程图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种高置信度的局部放电联合检测方法，如图1所示，步骤包括：

S10：使用局放信号模拟器进行局部放电模拟，并使用检测模块对模拟的局部放电进行检测；检测模块包括三个检测部件：高频线圈、特高频传感器和超声波传感器；分别测出三个检测部件的起始电压值、检测下限值和检测动态范围值；

S20：构建权重计算模型：使用三个检测部件的起始电压值、检测下限值和检测动态范围值，计算出权重值；

S30：将检测模块安装在待检测的GIS设备上，并收集高频线圈、特高频传感器和超声波传感器产生的信号；

S40：构建最终信号F的计算模型：使用权重计算模型计算出的权重值，对收集到的高频线圈、特高频传感器和超声波传感器信号进行权重分配后再相加，形成最终信号F；

S50：向外输出最终信号F，F作为判断待检测的GIS设备是否产生局部放电的依据。

具体的，局放信号模拟器是一种现有的可以模拟局部放电现象的设备，如PDS-G50、STP-1等型号的局放信号模拟器，这种设备内置可调高压电源，能够对模拟的局部放电缺陷的电压进行逐步调节。使用三个检测部件来检测局放信号模拟器产生的局部放电模拟量，由于局部放电模拟量的特性可以通过局放信号模拟器进行读取和保持，因此就可以反映出三个检测部件真实的检测能力；本发明中通过起始电压值、检测下限值和检测动态范围值来反应三个检测部件的检测能力：起始电压值反应出检测部件能够检测到的局部放电最小时的电压值，检测下限值反应出检测部件能够检测到的局部放电最小时产生的电磁波的频率值，检测动态范围值反应出检测部件能够检测到的局部放电最小时产生的超声波的分贝值；起始电压值、检测下限值和检测动态范围值越小，说明检测部件越灵敏，就越容易收到外界干扰，因此在分配权重值时就需要相应地减小检测部件所得的信号的权重。

在现有的对局部放电的检测中，由于无法准确的分配各种信号的权重，因此通常仅采用单一检测部件来检测，偶尔才会采用两种检测部件结合进行检测，但对这两种信号的权重分配都是通过人员进行较为简单的分配，若权重分配不合理，就会使两种信号的结合效果较差，检测的准确度甚至可能会低于单一检测部件的检测准确度。而本检测方法将三种检测方法的检测结果相组合，增加了最终信号F的判断维度，使局部放电所产生的三种现象均作为检测对象，并且通过权重计算模型准确地计算出每种检测方法产生的信号的权重值，再使用最终信号F的计算模型将三种检测方法产生的信号进行权重分配并相加，形成最终信号F，权重可以控制三种检测方法产生的信号对最终信号F数值的影响，从而有效减小因为单个检测部件受到干扰后对最终信号F的影响，提升检测结果的准确度。

为了保证能够准确地测出起始电压值和检测下限值，优选在步骤S10中，对三个检测部件的起始电压值和检测下限值的具体检测方法为：

使用局放信号模拟器将模拟局部放电的电量从0开始增加，记录下高频线圈、特高频传感器和超声波传感器刚开始产生示数时模拟出的局部放电的电压作为对应检测部件的起始电压值，记录下高频线圈、特高频传感器和超声波传感器刚开始产生示数时模拟出的局部放电的电磁波频率作为检测下限值。考虑到在GIS设备中局部放电现象经常是随着设备的运行时间加长才会逐渐出现的，因此将局放信号模拟器从0开始增加的模拟量，能够更接近真实的检测情况，确保检测出的三个检测部件的检测能力能够更好地适配在GIS设备中的检测情况，从而提升权重计算模型的准确性，进一步保证本方法最终检测结构的准确度。

为了保证对起始电压值和检测下限值的检测准确度，优选在步骤S10中，每个检测部件均进行多次测量得到多个起始电压值和检测下限值，再分别对多个起始电压值和检测下限值取平均值作为三个检测部件最终的起始电压值和检测下限值。为了避免单次检测时受到外界干扰导致最终的起始电压值和检测下限值产生较大偏差，优选在多次测量得多个起始电压值和检测下限值后，先去除多个起始电压值和检测下限值中的最大值和最小值，再计算平均值。

由于相关声音的检测最容易受到外界的干扰，直接检测反应最小超声波分贝值的检测动态范围值，容易在外界的干扰下导致检测不准；因此本检测方法在步骤S10中，采用如下方法对对三个检测部件的检测动态范围值进行检测：

对于每个检测部件，检测动态范围值DR的计算方式如下：

其中，V₀为局放信号模拟器未启动时该检测部件产生的噪音在以dB为单位时的数值；

由于实际的局部放电量会在一定的范围内，因此在使用局放信号模拟器进行局部放电模拟时，模拟量也会控制在对应的范围内，R_max就是该检测部件在对模拟的局部放电检测过程中的最大输出值。

本检测方法提供了一种权重计算模型的具体构建方法如下：

S21：将三个检测部件的起始电压值两两进行重要度比较，并用比较值构成三阶矩阵A₁；将三个检测部件的检测下限值两两进行重要度比较，并用比较值构成三阶矩阵A₂；将三个检测部件的检测动态范围值两两进行重要度比较，并用比较值构成三阶矩阵A₃；

S22：将起始电压值、检测下限值和检测动态范围值两两进行重要度比较，并将比较值形成三阶矩阵A₄；

S23：分别计算矩阵A₁、A₂、A₃和A₄的一致性比率CR₁、CR₂、CR₃和CR₄；对一致性比率数值大于0.1的矩阵，将该矩阵内部分或全部的元素的数值进行替换，直至该矩阵的一致性比率数值小于或等于0.1；

S24：分别计算矩阵A₁、A₂、A₃和A₄在最大特征值时的特征向量，并将特征向量元素归一化；归一化后的向量的元素即为权重值。

具体的，对于步骤S21和步骤S22中构建的四个三阶矩阵，其具体的构建原理如下：

以构建矩阵A₁为例，A₁是将三个检测部件的起始电压值两两进行重要度比较，生成比较值，其比较的具体方法如下表所示：

表1.三个检测部件的起始电压值重要度比较表

a₁₁表示高频线圈起始电压值与高频线圈起始电压值的重要度比较值；a₂₁表示特高频传感器起始电压值与高频线圈起始电压值的重要度比较值；a₃₁表示超声波传感器起始电压值与高频线圈起始电压值的重要度比较值……以此类推，对三个检测部件的起始电压值两两进行重要度，比较值的具体取数参照下表：

表2.重要度比较值参考表

需要注意的是，在取重要度比较值时，对于处于a_ij和a_ji位置的两个比较值，有：a_ij＝1/a_ji；

所有的重要度比较值确定完成后，就可以构建矩阵A₁：

并且同理地，还可以构建出矩阵A₂、A₃和A₄。

对于矩阵A₁、A₂、A₃和A₄构建的是否合理，本测试方法还通过对矩阵的一致性比率数值来判断矩阵的合理性。本测试方法中对一致性比率数值的计算方法如下：

对于矩阵A_n，计算A_n矩阵的最大特征值λ_n，并将A_n的阶数记为m_n；

计算一致性指标CI_n＝(λ_n-m_n)/(m_n-1)；

计算一致性比率CR_n＝CI_n/RI_n；

其中，n的取值为1、2、3、4；RI_n为矩阵A_n的一致性参考值，为和矩阵A_n的阶数有关的常数，其具体取值可以参照下表：

表3.RI一致性参考值取值参考表

阶数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											RI	0	0	0.52	0.89	1.12	1.26	1.36	1.41	1.46	1.19

在步骤S24中，对矩阵A₁、A₂、A₃和A₄特征向量元素归一化的具体算法为：

对于A_n矩阵，求出其在最大特征值时的特征向量I_n为：

对特征向量元素进行归一化，可得归一化后的向量C_n为：

n的取值为1、2、3、4。

通过归一化算法，可得：

记在步骤S30中高频线圈产生的信号为x，特高频传感器产生的信号为y，超声波传感器产生的信号为z；

则最终信号F的计算模型就为：

F＝C₄₁(C₁₁x+C₁₂y+C₁₃z)+C₄₂(C₂₁x+C₂₂y+C₂₃z)+C₄₃(C₃₁x+C₃₂y+C₃₃z)。

为了便于现场操作人员的判断，在步骤S50中，还设定有阈值S，阈值S的具体数值可以通过实验获得，当最终信号F的值大于阈值S时，在向外输出最终信号F的同时还向外输出报警信号，及时提醒现场操作人员。

本发明还涉及一种高置信度的局部放电联合检测系统，使用上述的高置信度的局部放电联合检测方法，包括：

检测模块，包括均安装在GIS设备上的高频线圈、特高频传感器和超声波传感器；

计算模块，用于储存权重计算模型和最终信号F的计算模型，并用于收集所述高频线圈、所述特高频传感器和所述超声波传感器的数据，计算出最终信号F；

输出模块，用于向外输出最终信号F。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种高置信度的局部放电联合检测方法，其特征在于，步骤包括：

S10：使用局放信号模拟器进行局部放电模拟，并使用检测模块对模拟的局部放电进行检测；检测模块包括三个检测部件：高频线圈、特高频传感器和超声波传感器；分别测出三个检测部件的起始电压值、检测下限值和检测动态范围值；

S20：构建权重计算模型：使用三个检测部件的起始电压值、检测下限值和检测动态范围值，计算出权重值；

S30：将检测模块安装在待检测的GIS设备上，并收集高频线圈、特高频传感器和超声波传感器产生的信号；

S40：构建最终信号F的计算模型：使用权重计算模型计算出的权重值，对收集到的高频线圈、特高频传感器和超声波传感器信号进行权重分配后再相加，形成最终信号F；

S50：向外输出最终信号F，F作为判断待检测的GIS设备是否产生局部放电的依据；

其中，在步骤S20中，权重计算模型的具体构建方法如下：

S21：将三个检测部件的起始电压值两两进行重要度比较，并用比较值构成三阶矩阵A₁；将三个检测部件的检测下限值两两进行重要度比较，并用比较值构成三阶矩阵A₂；将三个检测部件的检测动态范围值两两进行重要度比较，并用比较值构成三阶矩阵A₃；

S22：将起始电压值、检测下限值和检测动态范围值两两进行重要度比较，并将比较值形成三阶矩阵A₄；

S23：分别计算矩阵A₁、A₂、A₃和A₄的一致性比率CR₁、CR₂、CR₃和CR₄；对一致性比率数值大于0.1的矩阵，将该矩阵内部分或全部的元素的数值进行替换，直至该矩阵的一致性比率数值小于或等于0.1；

对一致性比率数值的计算方法如下：

对于矩阵A_n，计算A_n矩阵的最大特征值λ_n，并将A_n的阶数记为m_n；

计算一致性指标CI_n=(λ_n-m_n)/(m_n-1)；

计算一致性比率CR_n=CI_n/RI_n；

其中，n的取值为1、2、3、4；RI_n为矩阵A_n的一致性参考值，为常数；

S24：分别计算矩阵A₁、A₂、A₃和A₄在最大特征值时的特征向量，并将特征向量元素归一化；归一化后的向量的元素即为权重值；

对矩阵A₁、A₂、A₃和A₄特征向量元素归一化的具体算法为：

对于A_n矩阵，求出其在最大特征值时的特征向量I_n为：

对特征向量元素进行归一化，可得归一化后的向量C_n为：

n的取值为1、2、3、4；

在步骤S40中，最终信号F计算模型的具体构建方法如下：

在步骤S24中，可得：

，/>，/>，/>；

记在步骤S30中高频线圈产生的信号为x，特高频传感器产生的信号为y，超声波传感器产生的信号为z；

最终信号F的计算模型为：

F=C₄₁(C₁₁x+C₁₂y+C₁₃z)+C₄₂(C₂₁x+C₂₂y+C₂₃z)+C₄₃(C₃₁x+C₃₂y+C₃₃z)。

2.根据权利要求1所述的高置信度的局部放电联合检测方法，其特征在于，在步骤S10中，对三个检测部件的起始电压值和检测下限值的具体检测方法为：

使用局放信号模拟器将模拟的局部放电电量从0开始增加，记录下高频线圈、特高频传感器和超声波传感器刚开始产生示数时模拟出的局部放电的电压作为对应检测部件的起始电压值，记录下高频线圈、特高频传感器和超声波传感器刚开始产生示数时模拟出的局部放电的电磁波频率作为检测下限值。

3.根据权利要求2所述的高置信度的局部放电联合检测方法，其特征在于，在步骤S10中，每个检测部件均进行多次测量得到多个起始电压值和检测下限值，再分别对多个起始电压值和检测下限值取平均值作为三个检测部件最终的起始电压值和检测下限值。

4.根据权利要求1所述的高置信度的局部放电联合检测方法，其特征在于，在步骤S10中，对三个检测部件的检测动态范围值的具体检测方法为：

对于每个检测部件，检测动态范围值DR的计算方式如下：

其中，为局放信号模拟器未启动时该检测部件产生的噪音在以dB为单位时的数值；为该检测部件在对模拟的局部放电检测过程中的最大输出值。

5.根据权利要求1所述的高置信度的局部放电联合检测方法，其特征在于，在步骤S50中，还设定有阈值S，当最终信号F的值大于阈值S时，在向外输出最终信号F的同时还向外输出报警信号。

6.一种高置信度的局部放电联合检测系统，其特征在于，使用如权利要求1~5任一项所述的高置信度的局部放电联合检测方法，包括：

检测模块，包括均安装在GIS设备上的高频线圈、特高频传感器和超声波传感器；

计算模块，用于储存权重计算模型和最终信号F的计算模型，并用于收集所述高频线圈、所述特高频传感器和所述超声波传感器的数据，计算出最终信号F；

输出模块，用于向外输出最终信号F。