CN117572169B - 一种基于超声数据处理技术进行局放检测的方法及探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声数据处理技术进行局放检测的方法及探头，先使用超声波探头进行检测，将检测到的超声信号转换为电信号；再对电信号进行包括放大和滤波在内的预处理；然后使用模数转换器将预处理后的电信号转换为数字信号，方便数字信号处理；接着先对数字信号进行预处理，再提取有用信号并进行幅度检波；最后对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度，并将局放图谱及局放告警上传。该方法依据局放超声波原理的特点，结合数字化的局放超声信号处理方式，能够以更高的功率代价和更高的MCU处理能力，取得更好的局放超声信噪比，更好地判断局放是否发生。

Description

一种基于超声数据处理技术进行局放检测的方法及探头
技术领域
本发明涉及一种基于超声数据处理技术进行局放检测的方法及探头，是一种高压环境局部放电判断的方法。
背景技术
在高压环境下，由于绝缘劣化、杂质、空气温湿度变化等，可能在部分区域出现场强的畸变，导致局部区域发生移动金属颗粒放电、金属尖端放电、内部绝缘缺陷放电等局部放电现象；局部放电是一种高场强下的脉冲放电现象，局放时会导致一系列物理化学反应，产生机械波(声波)、电磁波(特高频、地电波)等，局放还可能导致臭氧气体浓度变化。在局部放电不受管控的情况下，绝缘会受到进一步的破坏，最终导致设备受损，供电可靠性受到影响。因此，在高压环境下的局部放电监测，是非常重要的一个手段，用以确保人身设备安全以及供电可靠性。
现有的局放监测设备，主要有直接检测法和间接检测法两大类。直接检测法通常使用脉冲电流法，一般在实验室使用。间接检测法使用较为广泛，通常有特高频、超声波、地电波等检测方法；超声波在空气中传播速度较慢，衰减较大，因此使用超声波检测法定位局放比较容易，可以简单地通过幅值对比，找到局放源头；超声波检测法，通过检测局部放电时产生的超声波，计算超声脉冲的相位、幅度和数量，并采用算法排除误报。
理论上也可以使用气体分析法观察局放，但是该方法反映速度慢，因此较少人采用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于超声数据处理技术进行局放检测的方法及探头，先将超声信号转换为电信号，再经过模数转换将电信号转换为数字信号，最后根据数字信号的特征判断是否发生局放；本发明依据局放超声波原理的特点，结合数字化的局放超声信号处理方式，能够以更高的功率代价和更高的MCU处理能力，取得更好的局放超声信噪比，更好地判断局放是否发生。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于超声数据处理技术进行局放检测的方法，依据局放超声波的特点，采用数字化的局放超声信号处理方式，以更高的功率代价、更高的MCU处理能力，能够取得更好的局放超声信噪比，能够更好地判断局放是否发生；该方法包括如下步骤：
步骤1、使用超声波探头进行检测，将检测到的超声信号转换为电信号；
步骤2、对电信号进行包括放大和滤波在内的预处理，提高电信号质量；
步骤3、使用模数转换器将预处理后的电信号转换为数字信号，方便数字信号处理；
步骤4、先对数字信号进行预处理以提高信噪比；再提取有用信号并进行幅度检波；
步骤5、对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度，并通过有线或者无线通讯手段将局放图谱及局放告警上传。
优选的，所述步骤4中，基于信号的相关性和噪声的随机性，采用扩频采样法或相关采样法对数字信号进行叠加完成预处理，改善数字信号的信噪比。
具体的，所述步骤4中，采用扩频采样方法对数字信号进行预处理；常规G/GDW11061-2017规定超声峰值频率在20～60kHz，常规超声波探头的峰值频率在40kHz，记超声波探头的峰值频率为f0，采用扩频法采样，采样频率为f1，且f1f0，f1＝jf0，比如f1＝100f0，j表示扩频采样系数；
将t时刻的采样值a表示为a(t)＝f(t)+N(t)，其中：f(t)表示t时刻的局放信号，N(t)表示t时刻的高斯白噪声；
在f1采样频率下，将连续的采样值a记为序列a0,a1,a2,…,an,…；
在f1采样频率下，将连续的n+1个扩频采样值b记为序列b0,b1,b2,…,bi,…,bn；其中：bi＝ai+ai+1+ai+2+…+ai+K，i＝0,1,2,…,n；K为积分系数，1＜＜K＜j且K＜n；
将t时刻的扩频采样值b表示为b(t)＝fn(t)+Nn(t)，其中：fn(t)表示叠加信号值中的信号部分，Nn(t)表示叠加信号值中的噪声部分；
由于噪声是功率叠加，而信号是幅度叠加，因此，fn(t)≈K×f(t)，Nn(t)≈log(K)×N(t)，因此扩频采样值b相对于采样值a获得了log(K)倍的信噪比。
该方法中，采用了扩频采样法对信号进行叠加，由于信号具有相关性，噪声具有随机性，基于这两个显著特性可以进行信号预处理；在扩频采样的基础上，对于邻近的K个采样值a进行叠加，而此时，由于信号的相关性，信号是幅度叠加，而噪声是功率叠加，功率得到了log(K)倍的改善。
具体的，所述步骤4中，采用相关采样方法对数字信号进行预处理；常规G/GDW11061-2017规定超声峰值频率在20～60kHz，常规超声波探头的峰值频率在40kHz，记超声波探头的峰值频率为f0，采用扩频法采样，采样频率为f1，且f1＞＞f0，f1＝jf0，比如f1＝100f0，j表示扩频采样系数；
将t时刻的采样值a表示为a(t)＝f(t)+N(t)，其中：f(t)表示t时刻的局放信号，N(t)表示t时刻的高斯白噪声；
在f1采样频率下，将连续的采样值a记为序列a0,a1,a2,…,an,…；
在f1采样频率下，将连续的n+1个相关采样值c记为序列c0,c1,c2,…,ci,…,cn；其中：ci＝ai+ai+j+ai+2j+…+ai+nj，i＝0,1,2,…,n；
将t时刻的相关采样值c表示为c(t)＝fj(t)+Nj(t)，其中：fj(t)表示相关采样值中的信号部分，Nj(t)表示相关采样值中的噪声部分；
由于相关采样信号值是对同相位点的采样值进行的叠加，因而信号是幅度的直接叠加，噪声是功率叠加，因此，fj(t)＝n×f(t)，Nj(t)≈log(n)×N(t)，因此相关采样值c相对于采样值a获得了log(n)倍的信噪比。
该方法中，采用了相关采样法对信号进行叠加，在时间域上信号具有相关性，而噪声是随机信号；因而，信号具有跨周期相关性，而噪声还是非相关的。在相关采样的基础上，对于邻近的n个周期的采样值a进行叠加，由于信号的相关性，信号是幅度叠加，而噪声是功率叠加，功率得到了log(n)倍的改善。
优选的，使用MCU对超声波探头检测到的超声信号进行处理，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度。本案中需要对采样信号进行叠加完成对数字信号的预处理，因而对采样值的需求量较高，采样速率相对现有技术会比较高，这会导致更高的功耗，因此，需要具备拥有更高速率的MCU才能够完成采样和运算需求。
大部分局部放电特征具有明显的50Hz相位相关特征，因此，优选的，所述步骤5中，根据50Hz相位相关特征对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度。在有用信号中，我们会得到一个门限幅度，大于此门限幅度的则认为是放电，并对一个采样周期(如1秒)内的放电脉冲，全部按照0.360度进行相位分布统计，如果相位分布符合某种局部放电特征，则判定为局部放电。对于局部放电，有多种放电类型，比如尖端放电、沿面放电、颗粒放电等，他们的放电模型各不相同，具有各自的局部放电特征；如果前面说的放电脉冲的相位分布符合某种局部放电特征，则可以分辨出局部放电的类型。
一种基于上述方法的探头，包括超声波探头、模数转换器和MCU；所述超声波探头用于检测超声信号并将检测到的超声信号转换为电信号，并将电信号发送给模数转换器；所述模数转换器将接收到的电信号转换为数字信号，并将数字信号发送给MCU；所述MCU先对数字信号进行预处理，再提取有用信号并进行幅度检波，接着对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度。
有益效果：本发明提供的基于超声数据处理技术进行局放检测的方法及探头，改变了现有技术中在硬件端直接进行电路处理以提高信噪比的常规思路，而通过采用较大处理能力的MCU进行算法滤波处理，即在硬件基础上，使用算法对带外噪声做抑制处理；该方法依据局放超声波原理的特点，结合数字化的局放超声信号处理方式，能够以更高的功率代价和更高的MCU处理能力，取得更好的局放超声信噪比，更好地判断局放是否发生。
附图说明
图1为本发明的实施流程示意图；
图2为实施例1中信噪比为0dB的原始信号；
图3为实施例1中信噪比为0dB的原始信号在扩频采样后得到的信号，此时信噪比为10dB；
图4为实施例2中信噪比为0dB的原始信号；
图5为实施例2中信噪比为0dB的原始信号在相关采样后得到的信号，此时信噪比为10dB。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
常规的超声波局放传感器，先使用超声波探头将超声波信号转换为电信号，再使用模数转换器(ADC)将电信号转换为数字信号，然后使用微处理器(MCU)判断数字信号特征(50HZ、100Hz的能量比例)，确定是否发生局部放电。在局部放电比较弱的时候，或者局部放电位置距离超声波局放传感器比较远的时候，由于声波的衰减，到达超声波探头的声波能量不够高，导致局部放电信号淹没在噪声里，最终导致50Hz、100Hz的能量无法准确计算，因而无法准确判断局部放电是否发生。如果能够提高超声波探头端接收到的信号幅度、提高信噪比，将会克服声波信号衰减导致的无法判断是否发生局部放电的情况，但是现有技术通常的做法是在超声波探头端增减放大电路，但这种方法仅能够提升整体信号幅度，却无法改良信噪比。
如图1所示为一种基于超声数据处理技术进行局放检测的方法，依据局放超声波的特点，采用数字化的局放超声信号处理方式，以更高的功率代价、更高的MCU处理能力，能够取得更好的局放超声信噪比，能够更好地判断局放是否发生；该方法包括如下步骤：
步骤1、使用超声波探头进行检测，将检测到的超声信号转换为电信号；
步骤2、对电信号进行包括放大和滤波在内的预处理，提高电信号质量；
步骤3、使用模数转换器将预处理后的电信号转换为数字信号，方便数字信号处理；
步骤4、先对数字信号进行预处理以提高信噪比；再提取有用信号并进行幅度检波；
步骤5、对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度，并通过有线或者无线通讯手段将局放图谱及局放告警上传。
所述步骤4中，基于信号的相关性和噪声的随机性，可以采用扩频采样法或相关采样法对数字信号进行叠加完成预处理，改善数字信号的信噪比。下面结合两个实施例对扩频采样法和相关采样法具体实施过程加以说明。
实施例一：采用扩频采样方法对数字信号进行预处理
常规G/GDW 11061-2017规定超声峰值频率在20～60kHz，常规超声波探头的峰值频率在40kHz，记超声波探头的峰值频率为f0，采用扩频法采样，采样频率为f1，且f1f0，f1＝jf0，比如f1＝100f0，j表示扩频采样系数。将t时刻的采样值a表示为a(t)＝f(t)+N(t)，其中：f(t)表示t时刻的局放信号，N(t)表示t时刻的高斯白噪声。
在f1采样频率下，将连续的采样值a记为序列a0,a1,a2,…,an,…，如图2所示。
在f1采样频率下，将连续的n+1个扩频采样值b记为序列b0,b1,b2,…,bi,…,bn，如图3所示；其中：bi＝ai+ai+1+ai+2+…+ai+K，i＝0,1,2,…,n；K为积分系数，1＜＜K＜j且K＜n。
将t时刻的扩频采样值b表示为b(t)＝fn(t)+Nn(t)，其中：fn(t)表示叠加信号值中的信号部分，Nn(t)表示叠加信号值中的噪声部分。
由于噪声是功率叠加，而信号是幅度叠加，因此，fn(t)≈K×f(t)，Nn(t)≈log(K)×N(t)，因此扩频采样值b相对于采样值a获得了log(K)倍的信噪比。
该方法中，采用了扩频采样法对信号进行叠加，由于信号具有相关性，噪声具有随机性，基于这两个显著特性可以进行信号预处理；在扩频采样的基础上，对于邻近的K个采样值a进行叠加，而此时，由于信号的相关性，信号是幅度叠加，而噪声是功率叠加，功率得到了log(K)倍的改善。本例中，信噪比为0dB的原始信号在扩频采样后得到的信号，此时信噪比为10dB。
实施例二：采用相关采样方法对数字信号进行预处理
常规G/GDW 11061-2017规定超声峰值频率在20～60kHz，常规超声波探头的峰值频率在40kHz，记超声波探头的峰值频率为f0，采用扩频法采样，采样频率为f1，且f1f0，f1＝jf0，比如f1＝100f0，j表示扩频采样系数。将t时刻的采样值a表示为a(t)＝f(t)+N(t)，其中：f(t)表示t时刻的局放信号，N(t)表示t时刻的高斯白噪声。
在f1采样频率下，将连续的采样值a记为序列a0,a1,a2,…,an,…，如图4所示。
在f1采样频率下，将连续的n+1个相关采样值c记为序列c0,c1,c2,…,ci,…,cn，如图5所示；其中：ci＝ai+ai+j+ai+2j+…+ai+nj，i＝0,1,2,…,n。
将t时刻的相关采样值c表示为c(t)＝fj(t)+Nj(t)，其中：fj(t)表示相关采样值中的信号部分，Nj(t)表示相关采样值中的噪声部分。
由于相关采样信号值是对同相位点的采样值进行的叠加，因而信号是幅度的直接叠加，噪声是功率叠加，因此，fj(t)＝n×f(t)，Nj(t)≈log(n)×N(t)，因此相关采样值c相对于采样值a获得了log(n)倍的信噪比。
该方法中，采用了相关采样法对信号进行叠加，在时间域上信号具有相关性，而噪声是随机信号；因而，信号具有跨周期相关性，而噪声还是非相关的。在相关采样的基础上，对于邻近的n个周期的采样值a进行叠加，由于信号的相关性，信号是幅度叠加，而噪声是功率叠加，功率得到了log(n)倍的改善。本例中，信噪比为0dB的原始信号在相关采样后得到的信号，此时信噪比为10dB。
大部分局部放电特征具有明显的50Hz相位相关特征，因此，步骤5可根据50Hz相位相关特征对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度。
一种基于超声数据处理技术进行局放检测的超声检测探头，包括超声波探头、模数转换器和MCU；所述超声波探头用于检测超声信号并将检测到的超声信号转换为电信号，并将电信号发送给模数转换器；所述模数转换器将接收到的电信号转换为数字信号，并将数字信号发送给MCU；所述MCU先对数字信号进行预处理，再提取有用信号并进行幅度检波，接着对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于超声数据处理技术进行局放检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、使用超声波探头进行检测，将检测到的超声信号转换为电信号；
步骤2、对电信号进行包括放大和滤波在内的预处理；
步骤3、使用模数转换器将预处理后的电信号转换为数字信号；
步骤4、先基于信号的相关性和噪声的随机性，采用扩频采样法或相关采样法对数字信号进行叠加完成预处理，改善数字信号的信噪比；再提取有用信号并进行幅度检波；
步骤5、对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度；
所述步骤4中，采用扩频采样方法对数字信号进行预处理，具体为：记超声波探头的峰值频率为f0，采用扩频法采样，采样频率为f1，且f1＞＞f0，f1＝jf0，j表示扩频采样系数；
将t时刻的采样值a表示为a(t)＝f(t)+N(t)，其中：f(t)表示t时刻的局放信号，N(t)表示t时刻的高斯白噪声；
在f1采样频率下，将连续的采样值a记为序列a0,a1,a2,…,an,…；
在f1采样频率下，将连续的n+1个扩频采样值b记为序列b0,b1,b2,…,bi,…,bn；其中：bi＝ai+ai+1+ai+2+…+ai+K，i＝0,1,2,…,n；K为积分系数，1＜＜K＜j且K＜n；
将t时刻的扩频采样值b表示为b(t)＝fn(t)+Nn(t)，其中：fn(t)表示叠加信号值中的信号部分，Nn(t)表示叠加信号值中的噪声部分；
由于噪声是功率叠加，而信号是幅度叠加，因此，fn(t)≈K×f(t)，Nn(t)≈log(K)×N(t)，因此扩频采样值b相对于采样值a获得了log(K)倍的信噪比；
所述步骤4中，采用相关采样方法对数字信号进行预处理，具体为：记超声波探头的峰值频率为f0，采用扩频法采样，采样频率为f1，且f1＞＞f0，f1＝jf0，j表示扩频采样系数；
将t时刻的采样值a表示为a(t)＝f(t)+N(t)，其中：f(t)表示t时刻的局放信号，N(t)表示t时刻的高斯白噪声；
在f1采样频率下，将连续的采样值a记为序列a0,a1,a2,…,an,…；
在f1采样频率下，将连续的n+1个相关采样值c记为序列c0,c1,c2,…,ci,…,cn；其中：ci＝ai+ai+j+ai+2j+…+ai+nj，i＝0,1,2,…,n；
将t时刻的相关采样值c表示为c(t)＝fj(t)+Nj(t)，其中：fj(t)表示相关采样值中的信号部分，Nj(t)表示相关采样值中的噪声部分；
由于相关采样信号值是对同相位点的采样值进行的叠加，因而信号是幅度的直接叠加，噪声是功率叠加，因此，fj(t)＝n×f(t)，Nj(t)≈log(n)×N(t)，因此相关采样值c相对于采样值a获得了log(n)倍的信噪比。
2.根据权利要求1所述的基于超声数据处理技术进行局放检测的方法，其特征在于：所述步骤5中，根据50Hz相位相关特征对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度。
3.根据权利要求1所述的基于超声数据处理技术进行局放检测的方法，其特征在于：使用MCU对超声波探头检测到的超声信号进行处理，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度。
4.一种基于权利要求1～3任一种方法的探头，其特征在于：包括超声波探头、模数转换器和MCU；所述超声波探头用于检测超声信号并将检测到的超声信号转换为电信号，并将电信号发送给模数转换器；所述模数转换器将接收到的电信号转换为数字信号，并将数字信号发送给MCU；所述MCU先对数字信号进行预处理，再提取有用信号并进行幅度检波，接着对有用信号进行数据分析，判断是否有局部放电、局部放电的严重程度。
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