CN116520105A - 一种基于变压器绝缘预警的局放监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变压器绝缘预警的局放监测方法，包括以下步骤：S1：采集局放脉冲信号；S2：硬件处理，提高局放脉冲信号的信噪比；S3：软件处理，提高各参数的测量灵敏度和计算精准度；S4：综合判据预警。本发明中，采用硬件处理与软件处理相互结合的方式，一方面，经过硬件设备，即通过信号放大电路和整形滤波电路依次对局放脉冲模拟信号实现幅值的调整、低频/高频干扰信号的滤除，提高了局放脉冲信号的信噪比，另一方面，对经由AD转换获得的局放脉冲数字信号进行频域滤波和时域滤波，提高了中央处理器对上述数字信号处理的精确程度，最大程度消除了不稳定因素的影响，提高了预警算法的可靠性。

Description

一种基于变压器绝缘预警的局放监测方法

技术领域

本发明涉及变压器局放监测技术领域，具体地说涉及一种基于变压器绝缘预警的局放监测方法。

背景技术

当电力系统发生故障或振荡时，故障录波装置可自动记录整个故障过程中各种电气量的变化，解决了35kv变电站故障录波经济性的问题。由于低电压等级变电站电磁干扰因素较少，故在主变故障录波的基础上增加了局放检测功能，用以监测变压器的绝缘强度并及时预警，但是在现有技术中，存在局放脉冲信号采样、计算精度较低的问题，导致了监测灵敏度及预警精确性不高的情况。

发明内容

本发明提供的一种监测更加灵敏、计算更加精确的基于变压器绝缘预警的局放监测方法，可至少解决上述技术问题之一。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于变压器绝缘预警的局放监测方法，包括以下步骤：

S1：采集局放脉冲信号；

S2：硬件处理，提高局放脉冲信号的信噪比；

S3：软件处理，提高各参数的测量灵敏度和计算精准度；

S4：综合判据预警。

进一步地，所述步骤S1进一步包括：

S11：在变压器的接地回路上分设多个采样点；

S12：在各采样点上分别安装局放传感器，所述局放传感器采用开口式结构，卡接在变压器的接地线上，并实时采集局放电流的脉冲信号。

进一步地，所述步骤S2进一步包括：

S21：所述局放传感器经由同轴电缆BNC接头连接至微型隔离变压器，并将局放脉冲信号传送至所述微型隔离变压器，所述微型隔离变压器接收局放脉冲信号并滤除低频干扰信号；

S22：所述微型隔离变压器连接至信号放大电路，并将局放脉冲信号传送至所述信号放大电路，所述信号放大电路由一级基于AD8132芯片的高速差分放大器的放大电路构成，实现对局放脉冲信号幅值的调整；

S23：所述信号放大电路连接至整形滤波电路，并将局放脉冲信号传送至所述整形滤波电路，所述整形滤波电路由二级基于AD8132芯片的高速差分放大器搭建的放大电路串联构成，实现对局放脉冲信号上的低频/高频干扰信号的滤除，直至符合局放脉冲信号的频带特征。

进一步地，所述步骤S2进一步还包括：

S24：所述整形滤波电路连接至AD转换器，将局放脉冲信号由模拟量转化成数字量，所述AD转换器选用AD9613模数转化器；

S25：所述AD转换器连接至中央处理器，并将局放脉冲数字信号传送至中央处理器，所述中央处理器选用基于7Z015的FPGA解决方案，实现对局放脉冲数字信号的分析和计算。

进一步地，所述步骤S3进一步包括：

S31：频域滤波：利用带通滤波算法滤除与由所述步骤S2处理获得的局放脉冲信号不同处于一个频带下的干扰信号；

S32：时域滤波：利用相位滤波算法滤除与由所述步骤S2处理获得的局放脉冲信号同处于一个频带下且频率特性相近的干扰信号。

进一步地，所述步骤S4进一步包括：

S41：记录达到局放门限值的所有局放脉冲信号；

S42：设定周期T，计算单位周期T内累计放电量、最大放电脉冲和放电脉冲个数；

S43：当上述参数在单位周期T内同时到达门限值时，触发预警开关，当上述参数在单位周期T内不同时到达门限值时，不触发预警开关。

进一步地，还包括以下步骤：

S5：提供局放图谱数据暂态/稳态双通道同步记录功能，对局放脉冲信号进行在线局放图谱监视和长期历史趋势图监测。

本发明的有益效果体现在：

本发明中，采用硬件处理与软件处理相互结合的方式，一方面，利用局放传感器对变压器接线回路上微弱的局放脉冲信号进行敏锐的捕捉采样，经过硬件设备，即通过信号放大电路和整形滤波电路依次对局放脉冲模拟信号实现幅值的调整、低频/高频干扰信号的滤除，直至获得频率适中、幅值适中、符合频带特征的局放脉冲模拟信号，提高了局放脉冲信号的信噪比，另一方面，利用软件系统处理，对经由AD转换获得的局放脉冲数字信号进行频域滤波和时域滤波，直至获得较为出色的、纯粹的无杂波/数字干扰的局放脉冲数字信号，提高了中央处理器对上述数字信号处理的精确程度，也进一步提高了对累计放电量、最大放电脉冲和放电脉冲个数这些参数的测量灵敏程度和计算精准程度，如此，最大程度消除了不稳定因素的影响，提高了预警算法的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的整体流程示意图。

图2是本发明实施例的整形滤波电路图。

图3是本发明实施例的模数转换电路图。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。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。需要说明，本发明中涉及的各设备均为现有技术中可通过购买途径获得的元件或标准件，且涉及的各软件均为现有技术中已开发投入使用的系统。

参见图1，本发明实施例提供了一种基于变压器绝缘预警的局放监测方法，包括以下步骤：

S1：采集局放脉冲信号；

S2：硬件处理，提高局放脉冲信号的信噪比；

S3：软件处理，提高各参数的测量灵敏度和计算精准度；

S4：综合判据预警。

本发明中，采用硬件处理与软件处理相互结合的方式，一方面，利用局放传感器对变压器接线回路上微弱的局放脉冲信号进行敏锐的捕捉采样，经过硬件设备，即通过信号放大电路和整形滤波电路依次对局放脉冲模拟信号实现幅值的调整、低频/高频干扰信号的滤除，直至获得频率适中、幅值适中、符合频带特征的局放脉冲模拟信号，提高了局放脉冲信号的信噪比，另一方面，利用软件系统处理，对经由AD转换获得的局放脉冲数字信号进行频域滤波和时域滤波，直至获得较为出色的、纯粹的无杂波/数字干扰的局放脉冲数字信号，提高了中央处理器对上述数字信号处理的精确程度，也进一步提高了对累计放电量、最大放电脉冲和放电脉冲个数这些参数的测量灵敏程度和计算精准程度，如此，最大程度消除了不稳定因素的影响，提高了预警算法的可靠性。

参见图1，在本实施例中，所述步骤S1进一步包括：

S11：在变压器的接地回路上分设多个采样点；

S12：在各采样点上分别安装局放传感器，所述局放传感器采用开口式结构，卡接在变压器的接地线上，并实时采集局放电流的脉冲信号。

在本实施例中，为了在不改变原有接线、也不破坏回路完整性的前提下，提取到变压器接地线上的电流信号，采用CT互感器感应取电的方式是最为合适的，但由于需要检测的特高频局放脉冲信号的特征较为特殊，不仅信号十分微弱，且多为纳秒级脉宽、毫安级幅值，常见的传感器无法满足采样需求，因此本申请中采用了一款现有的且为专用的所述局放传感器；

所述局放传感器由一个磁环和两个线圈构成，当接地回路中有电流通过时，磁场将通过磁环感应出电流，电流经过两个线圈感应出不同的电压信号，一个线圈用于感应信号，另一个线圈用于产生耦合信号，抵消磁场扰动；

为了确保所述局放传感器的带宽和灵敏度要求，也为了保持所述局放传感器较为小巧的体积，本申请选用高强度的特制磁芯增加线圈的磁导率，而非选用无线叠加线圈的匝数；

为了便于在接地线采样点上的安装拆卸，所述局放传感器采用开口式装配结构，使用时只需卡接在接地线上即可；

为了避免采样现场复杂环境中，空间干扰信号通过所述局放传感器进入系统而影响判据，采用整块铝合金材料CNC定制形成所述局放传感器的全铝合金外壳，不仅美观、防水、耐腐蚀，还能屏蔽绝大部分空间干扰；

所述局放传感器的接口采用标准的同轴电缆BNC接头，与其余硬件设备之间均通过同轴电缆BNC接头连接，不仅有效降低传输过程中的信号衰减，还能将所述局放传感器的外壳与其余硬件设备的外壳通过同轴电缆BNC接头的屏蔽层连接起来，防止外部干扰信号的进入。

参见图2，在本实施例中，所述步骤S2进一步包括：

S21：所述局放传感器经由同轴电缆BNC接头连接至微型隔离变压器，并将局放脉冲信号传送至所述微型隔离变压器，所述微型隔离变压器接收局放脉冲信号并滤除低频干扰信号；

S22：所述微型隔离变压器连接至信号放大电路，并将局放脉冲信号传送至所述信号放大电路，所述信号放大电路由一级基于AD8132芯片的高速差分放大器的放大电路构成，实现对局放脉冲信号幅值的调整；

S23：所述信号放大电路连接至整形滤波电路，并将局放脉冲信号传送至所述整形滤波电路，所述整形滤波电路由二级基于AD8132芯片的高速差分放大器搭建的放大电路串联构成，实现对局放脉冲信号上的低频/高频干扰信号的滤除，直至符合局放脉冲信号的频带特征。

在本实施例中，由于所述局放传感器输出的信号及其微弱，需要将信号放大来提高灵敏度，当局放脉冲模拟信号通过BNC接头进入所述微型隔离变压器之后，不仅可以有效隔离内部和外部电路，同时由于频率300kHz的信号无法通过该所述微型隔离变压器，所以还可以有效滤除传输过程中线路上感应的低频干扰信号；

所述信号放大电路具有频带宽、低失真、低功耗等优良特性，通过调整电路中四个输入和反馈电阻的阻值来调整电路的放大倍数，用于适应由一次系统中接地电阻变化而导致的输入信号范围的变化；

局放脉冲模拟信号在经过前一级的所述信号放大电路调整完幅值之后，进入所述整形滤波电路中，确保局放脉冲模拟信号在进入AD转换电路和中央处理器进行分析计算之前得以尽量消除各种干扰的影响，为了保证在不衰减信号强度的前提下同时滤除信号上的低频干扰和高频干扰，串联在差分线上的电容用于抑制低频干扰，并联接地的电容用于吸收高频干扰，通过仿真实验不断调整阻容器件的值，使得最终该所述整形滤波电路的增益大于3dB的带宽为300kHz～10MHz，符合局放脉冲模拟信号的频带特征；

信号在所述信号放大电路与所述整形滤波电路中全程为差分传输方式传送，差分信号处理的方式可有效降低接地噪声对接地参考系统的影响，同时AD8132芯片的应用也大大监护了差分成分与单端成分之间的转换。

参见图3，在本实施例中，所述步骤S2进一步还包括：

S24：所述整形滤波电路连接至AD转换器，将局放脉冲信号由模拟量转化成数字量，所述AD转换器选用AD9613模数转化器；

S25：所述AD转换器连接至中央处理器，并将局放脉冲数字信号传送至中央处理器，所述中央处理器选用基于7Z015的FPGA解决方案，实现对局放脉冲数字信号的分析和计算。

在本实施例中，经过采集、放大、整形滤波处理之后可以得到频率适中、幅值适中、信噪比优秀的局放脉冲模拟信号，需要将模拟信号转化成数字信号以便于系统记录分析、形成波形、分析结论，所述AD9613模数转化器为双通道、12位、最高速率高达170MSPS的模数转化器，该款芯片的精度和灵敏度能够满足纳秒级脉宽、毫安级幅值信号的采样需求，能够完整并精确的记录下采集并处理过的局放脉冲模拟信号。

参见图1，在本实施例中，所述步骤S3进一步包括：

S31：频域滤波：利用带通滤波算法滤除与由所述步骤S2处理获得的局放脉冲信号不同处于一个频带下的干扰信号；

S32：时域滤波：利用相位滤波算法滤除与由所述步骤S2处理获得的局放脉冲信号同处于一个频带下且频率特性相近的干扰信号。

由于确保装置计算结果及预警信息正确的重要前提条件就是最大程度的滤除干扰、提高信噪比，因此，在本实施例中，带通滤波算法作为一种常见且现有的滤波算法，只能允许特定频率窗口内的信号通过，可滤除模拟信号中的干扰，但是数字信号中的干扰则需要通过算法实现数字滤波；

本申请采用的数字滤波算法为基于FIR滤波器的FIR(有限冲激响应)滤波算法，可以得到严格的线性相位，但它的传递函数极点固定在原点，只能通过改变零点的位置来改变性能，本申请所采用的滤波算法为窗函数算法，又称为傅里叶级数法，这种方法首先给出H(jΩ)，H(jΩ)表示要逼近理想滤波器的频率响应，则由IDTFT可得出滤波器的单位脉冲响应为：

由于是理想滤波器，故h_d[k]是无限长序列，但是FIR滤波器其h_d[k]是有限长的，为了能用FIR滤波器近似理想滤波器，需将理想滤波器的无限长单位脉冲响应h_d[k]分别从左右进行截断，当截断后的单位脉冲响应hd[k]不是因果系统的时候，可将其右移从而获得因果的FIR滤波器；

本申请中内置的带通滤波算法可自由配置，最大阶数64阶，最大窗口数两个，能够出色的完成杂波和数字干扰的滤除工作；

上述所述频域滤波使用的带通滤波算法虽然能够滤除与局放脉冲数字信号不在同一频带下的干扰信号，但是由于检测现场环境复杂，依然存在许多频率特性与局放脉冲数字信号较为接近的干扰信号无法被有效滤除，需要通过局放现象的相位特征来进行滤除；

由于局部放电现象具有持续性和重复性的特征，所以若将接地线上采集到的局放脉冲信号与三项工频信号叠加起来做横向对比的话，可以认为在不同周期的同一相位上反复出现多次的脉冲才是真实的放电脉冲，而偶然出现的脉冲则认为是干扰信号，进行滤除。

参见图1，在本实施例中，所述步骤S4进一步包括：

S41：记录达到局放门限值的所有局放脉冲信号；

S42：设定周期T，计算单位周期T内累计放电量、最大放电脉冲和放电脉冲个数；

S43：当上述参数在单位周期T内同时到达门限值时，触发预警开关，当上述参数在单位周期T内不同时到达门限值时，不触发预警开关。

在本实施例中，局部放电放电量的原始概念为：一定时间内，局部放电电量的电流总和，即就是电量Q，也就是说从一周期时间的角度来看，在t1到t2时间段内电压波形的面积的积分，除以放电电阻的电阻值，等效为在t1到t2时间段内电流波形的面积的积分，根据IEC标准，计算公式为：

但实际上，在现场检测过程中系统底噪波形的面积也会被计算在内，导致计算出的累计放电量大于实际放电量，所以在设备安装之后就需要检测确定底噪信号的强弱，计算每个检测周期时间内底噪波形面积的积分，在计算过程中减掉这一部分才能得到更准确的放电量，即：

由于设备运行状态下的复杂参数变化，仅凭较短时间内的放电量或放电频次来作为简单判据不够可靠，因此在本申请的算法中首先通过上述多种滤波算法滤除干扰之后，再将所有达到局放门限值的脉冲信号记录下来，计算周期T为1000ms内的累计放电量、最大放电脉冲和放电脉冲个数，当这多个参数同时到达门限值的时候才会触发预警开关，反之则不会，如此可最大程度消除不稳定因素的影响，提高预警算法可靠性。

在本实施例中，还包括以下步骤：

S5：提供局放图谱数据暂态/稳态双通道同步记录功能，对局放脉冲信号进行在线局放图谱监视和长期历史趋势图监测。

在本实施例中，历史趋势图记录最短时间间隔不大于1分钟，连续记录时间不小于一年，确保数据存储量足够，以便后期调用查看，也为判据提供可靠的依据。

综上，本发明中，采用硬件处理与软件处理相互结合的方式，一方面，利用局放传感器对变压器接线回路上微弱的局放脉冲信号进行敏锐的捕捉采样，经过硬件设备，即通过信号放大电路和整形滤波电路依次对局放脉冲模拟信号实现幅值的调整、低频/高频干扰信号的滤除，直至获得频率适中、幅值适中、符合频带特征的局放脉冲模拟信号，提高了局放脉冲信号的信噪比，另一方面，利用软件系统处理，对经由AD转换获得的局放脉冲数字信号进行频域滤波和时域滤波，直至获得较为出色的、纯粹的无杂波/数字干扰的局放脉冲数字信号，提高了中央处理器对上述数字信号处理的精确程度，也进一步提高了对累计放电量、最大放电脉冲和放电脉冲个数这些参数的测量灵敏程度和计算精准程度，如此，最大程度消除了不稳定因素的影响，提高了预警算法的可靠性。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于变压器绝缘预警的局放监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采集局放脉冲信号；

S2：硬件处理，提高局放脉冲信号的信噪比；

S3：软件处理，提高各参数的测量灵敏度和计算精准度；

S4：综合判据预警。

2.如权利要求1所述的基于变压器绝缘预警的局放监测方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

S11：在变压器的接地回路上分设多个采样点；

S12：在各采样点上分别安装局放传感器，所述局放传感器采用开口式结构，卡接在变压器的接地线上，并实时采集局放电流的脉冲信号。

3.如权利要求1所述的基于变压器绝缘预警的局放监测方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S21：所述局放传感器经由同轴电缆BNC接头连接至微型隔离变压器，并将局放脉冲信号传送至所述微型隔离变压器，所述微型隔离变压器接收局放脉冲信号并滤除低频干扰信号；

S22：所述微型隔离变压器连接至信号放大电路，并将局放脉冲信号传送至所述信号放大电路，所述信号放大电路由一级基于AD8132芯片的高速差分放大器的放大电路构成，实现对局放脉冲信号幅值的调整；

S23：所述信号放大电路连接至整形滤波电路，并将局放脉冲信号传送至所述整形滤波电路，所述整形滤波电路由二级基于AD8132芯片的高速差分放大器搭建的放大电路串联构成，实现对局放脉冲信号上的低频/高频干扰信号的滤除，直至符合局放脉冲信号的频带特征。

4.如权利要求3所述的基于变压器绝缘预警的局放监测方法，其特征在于，所述步骤S2进一步还包括：

S24：所述整形滤波电路连接至AD转换器，将局放脉冲信号由模拟量转化成数字量，所述AD转换器选用AD9613模数转化器；

S25：所述AD转换器连接至中央处理器，并将局放脉冲数字信号传送至中央处理器，所述中央处理器选用基于7Z015的FPGA解决方案，实现对局放脉冲数字信号的分析和计算。

5.如权利要求1所述的基于变压器绝缘预警的局放监测方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：

S31：频域滤波：利用带通滤波算法滤除与由所述步骤S2处理获得的局放脉冲信号不同处于一个频带下的干扰信号；

S32：时域滤波：利用相位滤波算法滤除与由所述步骤S2处理获得的局放脉冲信号同处于一个频带下且频率特性相近的干扰信号。

6.如权利要求1所述的基于变压器绝缘预警的局放监测方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

S41：记录达到局放门限值的所有局放脉冲信号；

S42：设定周期T，计算单位周期T内累计放电量、最大放电脉冲和放电脉冲个数；

S43：当上述参数在单位周期T内同时到达门限值时，触发预警开关，当上述参数在单位周期T内不同时到达门限值时，不触发预警开关。

7.如权利要求1所述的基于变压器绝缘预警的局放监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S5：提供局放图谱数据暂态/稳态双通道同步记录功能，对局放脉冲信号进行在线局放图谱监视和长期历史趋势图监测。