CN108802577A - 一种开关柜局放测量定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及配电网络开关柜检测领域，具体地来讲为一种开关柜局放测量定位方法,该方法包括：在开关柜上寻找缝隙；任意两条相交并形成一个平面的缝隙标记为一组；至少一组的两条缝隙上以交点为中心在两个方向上布置至少3传感器构成一个测试平面；多个传感器接收到同一次局放信号后分别通过通道进行采集；对采集的地电波暂态信号进行处理后定位。本发明将局放发生时放电脉冲电流产生的电磁具具有方向性这一重要特点用在开关柜测局放测试上，具有重要性。利用多传感器在开关柜上的合理布置，实现了开关柜局放在复杂环境下的有效定位。

Description

一种开关柜局放测量定位方法

技术领域

本发明涉及配电网络开关柜检测领域，具体地来讲为一种开关柜局放测量定位方法。

背景技术

在配电网络运行发生的事故中，大部分是因为绝缘劣化等绝缘故障引起的，这类故障通过检测电力设备的局部放电状况可以有效的发现隐患所在，避免重大事故的发生，现有的技术中，测试局部放电的方法包括了TEV测量法，超高频测量法，以及超声波测量法，现有技术中也有将多种方法的结合用于弥补一种方法带来的缺陷，但是还是存在在复杂环境下定位误差大的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种开关柜局放测量定位方法，解决复杂环境下定位误差大的问题。

本发明是这样实现的，

一种开关柜局放测量定位方法，该方法包括：

在开关柜上寻找缝隙；

任意两条相交并形成一个平面的缝隙标记为一组；

至少一组的两条缝隙上以交点为中心在两个方向上布置至少3传感器构成一个测试平面；

多个传感器接收到同一次局放信号后分别通过通道进行采集；

对采集的地电波暂态信号进行处理后定位。

进一步地，两条相交并形成一个平面的缝隙为垂直相交、大于10度小于90度、或大于90度小于170度相交。

进一步地，所述传感器数量选择为双数。

进一步地，所述传感器为TEV地电波传感器、电磁信号传感器或两者的组合。

进一步地，两个方向上的传感器以缝隙交点为中心等间距设置，所述传感器为TEV地电波传感器与电磁信号传感器组合时，相同类型的传感器与中心的距离相同。

进一步地，所述处理包括采用小波变换对开关柜内部和外部脉冲信号进行时频分析，将多种缺陷放电模型置于开关柜内部和外部，并施以工频高压激发放电，获取相关放电TEV脉冲数据，随机提取放电的内部和外部放电脉冲进行时频对比分析，根据分析结果对采集的地电波暂态信号进行去噪处理。

进一步地，所述处理包括将局部放电源简化为高斯电流源进行评估，采用FDTD计算程序，并利用最优化方法对局部放电脉冲参数即等效电流峰值和局部放电脉宽进行优化评估。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明将局放发生时放电脉冲电流产生的电磁具具有方向性这一重要特点用在开关柜测局放测试上，具有重要性。利用多传感器在开关柜上的合理布置，实现了开关柜局放在复杂环境下的有效定位。

本发明方法不仅仅用于缝隙垂直的情况，还可以用于任意角度相交的情况，通过本发明方法的处理过程，对于任意角度的相交的情况的数据处理仍然具有很好的定位效果。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明一实施例中采用的主控单元的原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明为一种开关柜局放测量定位方法，该方法用于开关柜上，利用了在开关柜体有接缝，按照缝隙的方向布置测试点，包括：

首先需要在开关柜上选定缝隙；一般来讲开关柜上每条缝隙均为竖直的。

任意两条相交并形成一个平面的缝隙标记为一组；这里的缝隙对于目前的开关柜而言，会存在相互垂直的缝隙，但本发明并不仅限于垂直的缝隙，可以为任意相交的缝隙。例如，大于10度小于90度、或大于90度小于170度的两条缝隙。

至少一组的两条缝隙上以交点为中心在两个方向上布置至少3传感器构成一个测试平面；本发明并不仅仅限于在一组缝隙上设置传感器，根据需要可以在多组相交的缝隙的两个方向上设置传感器，这里需要说明的是，一组缝隙上布置的传感器要形成一个测试平面。

多个传感器接收到同一次局放信号后分别通过通道进行采集；

对采集的地电波暂态信号进行处理后定位。

在一个优选的实施例中，传感器数量选择为双数。但不仅仅限于双数。

所需用的传感器为TEV地电波传感器、电磁信号传感器或两者的组合。在一个优选的实施例中，可以为四个TEV地电波传感器、四个电磁信号传感器或者两个TEV地电波传感器与两个电磁信号传感器的组合。

两个方向上的传感器以缝隙交点为中心等间距设置，例如传感器选择两个TEV地电波传感器与两个电磁信号传感器组合时，两个TEV地电波传感器与中心的距离相同，两个电磁信号传感器与中心的距离相同。相同类型的传感器分布在两个方向上，例如，在一个实施例中，选择了两个TEV地电波传感器与一个电磁信号传感器，在一个方向上，布置一个TEV地电波传感器与一个电磁信号传感器，在另一个方向上布置一个TEV地电波传感器，并且两个TEV地电波传感器距离交点的距离相同。

本发明中对信号的处理方法包括采用小波变换对开关柜内部和外部脉冲信号进行时频分析，将多种缺陷放电模型置于开关柜内部和外部，并施以工频高压激发放电，获取相关放电TEV脉冲数据，随机提取放电的内部和外部放电脉冲进行时频对比分析，根据分析结果对采集的地电波暂态信号进行去噪处理。

然后将局部放电源简化为高斯电流源进行评估，采用FDTD计算程序，并利用最优化方法对局部放电脉冲参数即等效电流峰值和局部放电脉宽进行优化评估。

参见图2为一个可实现的本发明方法的主控单元的原理图，包括了是4个传感器，4个通道的放大器和滤波器，4个通道2.5G高速模数转换器，4个高速A/D通道采集的数据缓存器，FPGA，可编程门阵列芯片，测试控制用键盘，主控芯片，以及测试波形测试状态显示器。

在一个具体的实施例中，假设开关柜的两个缝隙为交叉角度为60度，采用了两个TEV地电波传感器和两个电磁信号传感器，传感器可以分别吸附在开关柜表面两个方向的缝隙上，利用局放发生时的放电脉冲电流产生的电磁信号在开关柜两个方向缝隙上的信号对局放点进行定位。考虑到开关柜局放是发生在一个金属封闭式结构内，局部放电信号会产生多次反射并通过开关柜的缝隙泄漏出来。在两个相互相交的方向上布置4个传感器，构成一个测试平面，保证每次测试都是针对同一个局放信号进行分析的。如果是使用2个传感器进行测试，则只能在一条线上进行测试和分析。为了定位准确，就需要移动测量，这就使得测试信号不是同一次放电所产生的，更重要的是局放发生时，往往前后两次的放电的强度上可能有较大的差距，不管是用时域法、还是信号强度的比较法进行定位，都会带来很大的误差，甚至是不可行的。

两个TEV地电波传感器和两个电磁信号传感器就构成了开关柜局放在一个平面上的信号强度测试，通过软件分析就可以快速定位。由于局放产生的产生的电磁信号频率极高，达到了几百MHZ，甚至1G以上，要对局放信号进行采样和分析，就必须设计有很高的采样率。目前采用的技术中，局部放电脉冲的时间分辨率为2ns，分辨力较低，难以在柜体表面精确定位地电波的泄漏位置；局部放电在物理性质上是随机的，所产生的地电波波形是复杂的，其脉冲前沿不总是单调上升的，而仅仅依据脉冲前沿来计时的电路结构有时就会造成地电波脉冲到达顺序的误判，不能准确地给出局部放电源的位置信息。在一实施例中采用4路信号同步采集，前置放大器具有200倍的放大倍数，采样速率2.5GHz，用FPGA启动采样、停止采样、数据同步与高速数据存取，可以快速确定存在局部放电的开关柜体。

为了测试的安全性、准确性，在排除或降低环境噪声干扰措施方面，通过对采集到的地电波暂态信号进行时域测量和第二代小波滤波自适应分析以及经验模态分解，对噪声信号进行滤除，改进定位的精度，实现定位的自动化。

在信号分析中，最基本的变量是时间和频率。目前现有技术中信号处理最常用、最主要的方法是傅里叶变换(Fourier Transform，FT)，它建立了信号从时域到频域的变换桥梁。但傅里叶变换只能从整体上反映信号特性，要么完全在时域上要么完全在频域上体现信号特征，不能揭示某种频率分量出现的时间以及其随时间的变化情况，所以它对于平稳信号的分析具有得天独厚的优势，但对于非平稳信号的分析则力有不逮。而实际中开关柜局部放电更是典型的非平稳信号。因此需要进一步分析信号的时间及频率的局部特征。

为了克服傅里叶变换的这种全局性变换的局限性，那么就必然的需要使用局部变换的方法，而时频分析便是利用时间和频率联合函数表示非平稳信号，并对其进行分析和处理的方法，是非平稳信号处理的一个重要分支。目前经过多年发展，形成了几个主要的时频分析方法，包括短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布和小波变换等。小波变换作为一种新的时频分析工具与短时傅立叶变换不同，其窗口是可调时频窗。在高频时使用窄窗口，在低频时则用宽窗口，即以不同的尺度观察信号，以不同的分辨率分析信号，这充分体现了自适应分辨分析的思想。它与时变、非平稳信号的特性一致。本实施例中采用小波变换作为代表对开关柜内部和外部脉冲信号进行时频分析。试验时，将常见的四种缺陷放电模型分别置于开关柜内部和外部，并施以工频高压激发放电，获取相关放电TEV脉冲数据。随机提取四种放电的内部和外部放电脉冲进行时频对比分析。

小波分析去除信号噪声其阈值的选取将直接关系到信号去噪的质量。本实施例利用单纯形—模拟退火算法来求得小波变换各子带最优阈值,计算时无需噪声方差等先验信息,同时该方法不依赖初始阈值的选取,既获得了全局最优解,又提高了搜索效率。

参数评估基本原理通常将局部放电源简化为高斯电流源进行评估，采用FDTD(时域有限差分法)计算程序，并利用最优化方法对局部放电脉冲参数即等效电流峰值I0和局部放电脉宽τ进行优化评估，当传感器的接收位置以及放电源的位置确定时，传感器接收到信号的波形只取决于局部放电源的等效脉宽τ与等效幅值I0。

放电源的脉冲参数如果使用m个紧贴在开关柜表面的瞬态电场测量传感器监测开关柜表面的电场变化，根据传感器测量到的m个电场信号波形，两个未知的参数x＝(x1，x2)＝(τ，I0)＝(nΔt，I0)可以通过最小化如下的目标函数而被估算出来。

式(1)中：k为传感器的编号；N为离散测量点的总数；T为信号测量的持续时间；ΔT为测量的时间间隔；Ekm(jΔT)是第k个传感器在开关柜表面某一点测量的瞬态电场信号；Ek(jΔT)是与第k个传感器在相同点时使用FDTD程序计算的瞬态电场信号。

本实施例中采用的无启发式全局最优化算法，通过模拟和揭示某自然现象或过程从而解决复杂的问题。当决策变量x为离散状态时，全局最优化问题成为组合优化问题，可写为

minF(x)

s·t·g(x)≥0x∈D。 (2)

式(2)中：x为决策变量；F(x)为目标函数；g(x)为约束函数；D为由有限个点组成的可行域。模拟退火法(SA)的基本思想源于物理退火过程。固体等温情况下的平衡过程可以用Metroplis准则模拟。假设在状态old时，***受到了某种扰动而使其状态变为xnew，与此相对应，***的能量也从F(xold)变成F(xnew)，***由状态xold变为状态xnew的接受概率为

当F(xnew)<F(xold)时，当前状态xnew为可接受的重要状态xbest；当F(xnew)≥F(xold)时，在[0，1]之间产生一个随机数ξ，如果ξ<p，则当前状态xnew为可接受的重要状态xbest；如果ξ>p，则舍去当前状态xnew。在同一温度下，重复以上新状态的产生过程，经过大量的迭代直到***趋于能量最低的平衡态。随着温度下降，接收概率p减小。模拟退火算法与物理退火过程的相似关系见表1

表1模拟退火算法与物理退火过程的关系

标准模拟退火算法的一般步骤可以描述如下：

1)在解空间任选一个初始解x0，并令i＝0，最优解xbest＝x0，最优值(目标函数最小值)为F(xbest)，确定初始温度ti；

2)若在该温度下达到内循环终止条件，则转向6)否则转向3)；

3)在当前最优解xbest按照某一邻域函数产生一个新的邻域解xnew，令

ΔF＝F(xnew)-F(xbest)；

4)如果ΔF<0，则令xbest＝xnew，F(xbest)＝F(xnew)转2)，否则产生[0，1]之间的随机数ξ；

5)若exp(-ΔF/ti)<ξ，转3)；否则，令xbest＝xnew，

F(xbest)＝F(xnew)转2)；

6)降温，令ti+1＝update(ti)，i＝i+1，若满足终止条件，算法结束，否则转3)

本发实施例中通过仿真研究，当使用4个传感器的测量结果来对脉冲参数进行评估时，设置多个不同的真实高斯脉冲参数x*＝(τ*，I0*)＝(n*Δt，I0*)，令模拟退火算法的初始值为x0＝(τ0，I00)＝(80Δt，3)，等效脉宽τ的搜索区间设为[20Δt，300Δt]，等效幅值I0的搜索区间设为[0.1，20]，通过优化算法与FDTD计算程序的反复迭代，当算法终止时参数值收敛于最优解x＝(τ，I0)＝(nΔt，I0)。

表2 4传感器局部放电脉冲参数的优化结果

表2为基于4个传感器测量结果的局部放电脉冲参数的优化结果，可见全局优化模拟退火算法与FDTD计算程序的组合算法评估高斯局部放电源的等效脉宽τ的最大误差为0.2％，评估等效幅值I0的最大误差为3％。从计算结果可以看出，使用多个传感器测量结果来对脉冲参数进行评估可以得到比较精确的结果。

在另外一个实施例中，应用于最常见的缝隙垂直的开关柜中，在两个垂直方向上分别布置两个TEV地电波传感器和两个电磁信号传感器，测试结果显示，定位精确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种开关柜局放测量定位方法，其特征在于，该方法包括：

在开关柜上寻找缝隙；

任意两条相交并形成一个平面的缝隙标记为一组；

至少一组的两条缝隙上以交点为中心在两个方向上布置至少3传感器构成一个测试平面；

多个传感器接收到同一次局放信号后分别通过通道进行采集；

对采集的地电波暂态信号进行处理后定位。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，两条相交并形成一个平面的缝隙为垂直相交、大于10度小于90度、或大于90度小于170度相交。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器数量选择为双数。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器为TEV地电波传感器、电磁信号传感器或两者的组合。

5.按照权利要求1或4所述的方法，其特征在于，两个方向上的传感器以缝隙交点为中心等间距设置，所述传感器为TEV地电波传感器与电磁信号传感器组合时，相同类型的传感器与中心的距离相同。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理包括采用小波变换对开关柜内部和外部脉冲信号进行时频分析，将多种缺陷放电模型置于开关柜内部和外部，并施以工频高压激发放电，获取相关放电TEV脉冲数据，随机提取放电的内部和外部放电脉冲进行时频对比分析，根据分析结果对采集的地电波暂态信号进行去噪处理。

7.按照权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述处理包括将局部放电源简化为高斯电流源进行评估，采用FDTD计算程序，并利用最优化方法对局部放电脉冲参数即等效电流峰值和局部放电脉宽进行优化评估。