CN108872810A - 一种电力变压器局部放电单波智能识别分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力变压器局部放电单波智能识别分析的装置，包括对局部放电试验中的干扰进行滤除并对局部放电波形进行放大的滤波放大模块；对局部放电波形以及其发生时对应的相位进行采集的采集模块；用以存储由采集模块采集来的局部放电波形数据以及对应相位数据的数据存储模块；对波形进行提取和聚类分析，实现波形的模式识别的分析模块；用于调节滤波放大模块的带宽、控制采集存***形信号、命令数据存储模块数据输出、控制分析模块对波形分析识别并协调各个模块工作的控制单元模块。本发明还公开了相应的方法。实施本发明，能对记录波形进行分析并实现模式识别，为现场工作人员进行局部放电定位和原因查找提供技术支撑。

Description

一种电力变压器局部放电单波智能识别分析装置及方法

技术领域

本发明专利涉及电力***电气设备性能检测设备领域，具体涉及一种电力变压器局部放电单波智能识别分析的方法。

背景技术

随着国家特高压交直流***的不断建设，电网的稳定性和可靠性显得越来越重要。由此，电网对电力设备自身的安全可靠性提出了越来越严格的要求，电力设备自身绝缘性能作为电力设备安全可靠性的重要一环应受到重视。

局部放电试验是检验电力设备电气性能的重要手段之一，而局部放电也是表征电力设备绝缘性能的重要参数。通过局部放电试验对电力设备进行局部放电检测，可以有效地预防电力设备因自身绝缘问题而导致电力事故，对于局部放电的类型判断可为电力设备检修提供检修依据。因此，局部放电检测装置的开发一直备受关注。

传统的局部放电检测装置其采用交流电转直流的供电方式，其在使用时，存在一定缺陷。即由于局部放电检测装置的交流供电测和被测部分的交流供电测有共地现象，这时就会给干扰信号提供流通回路。如图1，干扰信号从Zf、Ck、Zm传入，经局部放电检测装置电源侧接地端、被测回路接地端，形成导通回路。又如图2，干扰信号还可以从Zm上端传入经局部放电检测装置电源侧接地端、被测回路接地端、Zm下端，形成导通回路。

传统局部放电检测装置一般分为宽带频和窄带频两种，能够记录放电波形但不具备波形分析功能，需要依靠现场测试工作人员依据传统经验分析测量结果从而进行局部放电分类。因此，设计一种通过调节带宽达到全频适用、能够识别局部放电类型的局部放电检测装置具有很高的实际工程价值。

发明内容

本发明专利为了解决上述技术问题，提供一种电力变压器局部放电单波智能识别分析装置及方法。

本发明所采用的技术方案为，提供一种电力变压器局部放电单波智能识别分析装置，其包括：

滤波放大模块，对局部放电试验中的干扰进行滤除并对局部放电波形进行放大；

采集模块，对经放大后的局部放电波形以及其发生时对应的相位进行采集；

数据存储模块，存储由采集模块采集来的局部放电波形数据以及对应相位数据；

分析模块，对经放大的局部放电波形进行提取和聚类分析，实现波形的模式识别；

控制单元模块，与所述滤波放大模块、采集模块、数据存储模块以及分析模块相连接，用于调节滤波放大模块的带宽、控制采集存***形信号、命令数据存储模块数据输出、控制分析模块对波形分析识别并协调各个模块工作。

优选地，进一步包括：

供电模块，其与所述滤波放大模块、采集模块、数据存储模块、分析模块以及控制单元模块相连接，用于提供供电电源；

所述供电模块包括电池供电模块和交流电源转换模块，所述电池供电模块和交流电源转换模块通过转换开关与上述各模块相连。

优选地，进一步包括与控制单元模块相连的人机交互设备。

优选地，所述采集模块包含有高速A/D芯片。

优选地，所述分析模块进行一步包括：

提取计算单元，用于提取单放电脉冲的时域信号x(t)，并计算所述单放电脉冲时域信号的时宽T与频宽B；

比较识别单元，用于根据提取计算单元所计算的时宽T与频宽B，将其与聚类中心中典型局部放电脉冲数据进行比对，对当前局部放电脉冲模式进行识别。

优选地，在所述提取计算单元中，具体以下面的方式获得所述单放电脉冲时域信号的时宽T与频宽B：

其中，提取单放电脉冲的时域信号x(t)，以下述公式获得其能量E：

以下述公式获得其时间均值t₀和频谱中心值Ω₀：

则：

从而获得时宽T与频宽B值：T＝2Δ_t；B＝2Δ_Ω；

其中，E为能量，t为时间，Ω为频率，x(t)为时域信号，X(jΩ)为频域信号，π为圆周率，Δt为时间间隔，ΔΩ为时间间隔。

相应地，本发明实施例的另一方面还提供一种单波模式识别分析方法，在前述的电力变压器局部放电单波智能识别分析装置中实现，包括如下步骤：

步骤S1、提取单放电脉冲的时域信号x(t)，计算该单放电脉冲时域信号的时宽T与频宽B；

步骤S2、根据时宽T与频宽B，将其与聚类中心中典型局部放电脉冲数据进行比对，对当前局部放电脉冲模式进行识别。

优选地，所述步骤S1进一步包括：

提取单放电脉冲的时域信号x(t)，通过下述公式获得其能量E：

通过下述公式获得时间均值t₀和频谱中心值Ω₀:

则：

从而获得时宽T与频宽B值：T＝2Δ_t；B＝2Δ_Ω；

其中，E为能量，t为时间，Ω为频率，x(t)为时域信号，X(jΩ)为频域信号，π为圆周率，Δt为时间间隔，ΔΩ为时间间隔。

实施本发明实施例，具有如下的有益效果：

本发明实施例利用采集模块对单放电脉冲波形数据进行采集，分析模块对波形进行提取和聚类分析，使得该装置能对记录波形进行分析并实现模式识别，为现场工作人员进行局部放电定位和原因查找提供技术支撑；

其中，控制单元模块与滤波放大模块相连，使得其可调节滤波放大模块的带宽，相比于传统的宽频带和窄频带检测仪器，免去了根据噪声情况选型的麻烦。

本发明提供两种供电模式，当现场干扰信号过大，可选用电池供电模块供电方式，这样就使得局部放电检测装置电源独立，干扰信号不能通过共地回路侵入局部放电检测装置，从而大大减小了干扰信号，实现了仪器的抗干扰性能提升。

本发明实施例中，采用单放电脉冲的时宽和频宽作为局部放电脉冲识别的两特征参数，通过提取单放电脉冲时域信号，进而可得到单放电脉冲的时宽和频宽，利用时宽和频宽参数与已经存储有不同典型局部放电脉冲数据的聚类中心进行聚类处理，即可直接进行模式识别，采用该方法，其计算速度快，结果准确。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明专利实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明专利实施例的限定。

图1是传统供电方式一种干扰回路示意图，其中Zf为高压滤波器；Cx为试品等效电容；Ck为耦合电容；Zm为测量阻抗；M为测量仪器；

图2是传统供电方式另一种干扰回路示意图；

图3为本发明提供的一种电力变压器局部放电单波智能识别分析装置结构示意图；

图4是图3中分析模块的结构示意图；

图5是惰性气体氖气放电的实际典型波形；

图6是环氧介质放电的实际典型波形；

图7是绝缘油隙放电的实际典型波形；

图8是空气间隙放电的实际典型波形；

图9是惰性气体氖气放电的频域分析；

图10是环氧介质放电的频域分析；

图11是绝缘油隙放电的频域分析；

图12是空气间隙放电的频域分析。

具体实施方式

为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明专利作进一步的详细说明，本发明专利的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明专利，并不作为对本发明专利的限定。

图3为本发明提供的一种电力变压器局部放电单波智能识别分析装置结构示意图；一并结合图4所示，在本发明实施例中，所述装置包括：

滤波放大模块1，对局部放电试验中的干扰进行滤除并对局部放电波形进行放大；

采集模块2，对经放大后的局部放电波形以及其发生时对应的相位进行采集；具体地，所述采集模块2包含有高速A/D芯片；采集芯片采用高速A/D芯片，最高采集频率超出典型局部放电频率数倍，采集能力满足局部放电波形采集。

数据存储模块3，存储由采集模块采集来的局部放电波形数据以及对应相位数据；

分析模块4，对经放大的局部放电波形进行提取和聚类分析，实现波形的模式识别；

控制单元模块5，与所述滤波放大模块、采集模块、数据存储模块以及分析模块相连接，用于调节滤波放大模块的带宽、控制采集存***形信号、命令数据存储模块数据输出、控制分析模块对波形分析识别并协调各个模块工作。

控制单元模块5作为整个局部放电检测装置的控制核心，单独构成控制层。滤波放大模块、采集模块、数据存储模块和分析模块构成操作层。滤波放大模块由专业滤波器芯片加上***电路构成，对应芯片具有在线可调频带宽度、阻带衰减快等优点。采集模块采用高频采集A/D芯片，最高采集频率超出典型局部放电频率数倍，采集能力满足局部放电波形采集。数据存储模块由存储芯片充当，存入和读取数据受控制单元模块支配。

进一步包括：供电模块，其与所述滤波放大模块1、采集模块2、数据存储模块3、分析模块4以及控制单元模块5相连接，用于提供供电电源；

所述供电模块包括电池供电模块7和交流电源转换模块8，所述电池供电模块7和交流电源转换模块8通过转换开关K与上述各模块相连。更具体地，所述交流电源置换模块8可以包括依次连接的交流电源模块、电源转换模块、直流电源模块，从而将交流电连接成需要的直流电。交流电源模块提供交流电，电源转换单元将交流电源转换成其他各个单元所需要不同等级直流的电源，直流电源模块为采集模块、数据存储模块、控制单元模块以及智能分析模块等提供稳定直流电源。转换开关用于实现供电方式的切换，其可采用多种方式实现，譬如，如图所示的单刀双掷开关K。

可以理解的是，在本发明实施例中，电池供电模块供电方式和传统供电方式可以通过电源层的转换开关自由选择。当现场干扰信号过大，可选用电池供电模块供电方式，这样就使得局部放电检测装置电源独立，干扰信号不能通过共地回路侵入局部放电检测装置，从而大大减小了干扰信号，实现了仪器的抗干扰性能提升。

优选地，进一步包括与控制单元模块5相连的人机交互设备6。人机交互设备6实现操作人员与局部放电检测装置的“对话”，和数据存储模块、控制单元模块、智能分析模块均有直接联系，便于操作人员对滤波放大模块的带宽参数的设定、对局部放电波形进行调阅和进行波形分析。具体地，人机交互设备科采用显示屏、触摸屏、按键等输入输出装置实现。

在一个例子中，所述分析模块4进行一步包括：

提取计算单元40，用于提取单放电脉冲的时域信号x(t)，并计算所述单放电脉冲时域信号的时宽T与频宽B；

比较识别单元41，用于根据提取计算单元所计算的时宽T与频宽B，将其与聚类中心中典型局部放电脉冲数据进行比对，对当前局部放电脉冲模式进行识别。

优选地，在所述提取计算单元40中，具体以下面的方式获得所述单放电脉冲时域信号的时宽T与频宽B：

其中，提取单放电脉冲的时域信号x(t)，以下述公式获得其能量E：

以下述公式获得其时间均值t₀和频谱中心值Ω₀：

则：

从而获得时宽T与频宽B值：T＝2Δ_t；B＝2Δ_Ω；

其中，E为能量，t为时间，Ω为频率，x(t)为时域信号，X(jΩ)为频域信号，π为圆周率，Δt为时间间隔，ΔΩ为时间间隔。

可以理解的是，单放电脉冲的时宽和频宽可作为局部放电脉冲识别的两特征参数。通过提取单放电脉冲时域信号，进而可得到单放电脉冲的时宽和频宽，利用时宽和频宽参数与已经存储有不同典型局部放电脉冲数据的聚类中心进行聚类处理，即可直接进行模式识别。采用该方法，其计算速度快，结果准确。

相应地，本发明实施例的另一方面还提供一种单波模式识别分析方法，其在前述的电力变压器局部放电单波智能识别分析装置中实现，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、提取单放电脉冲的时域信号x(t)，计算该单放电脉冲时域信号的时宽T与频宽B；

步骤S2、根据时宽T与频宽B，将其与聚类中心中典型局部放电脉冲数据进行比对，对当前局部放电脉冲模式进行识别。

作为优选，所述的步骤S1具体为：提取单放电脉冲时域信号x(t)，则其能量E为：

以下述公式获得其时间均值t₀和频谱中心值Ω₀：

则：

从而获得时宽T与频宽B值：T＝2Δ_t；B＝2Δ_Ω；

其中，E为能量，t为时间，Ω为频率，x(t)为时域信号，X(jΩ)为频域信号，π为圆周率，Δt为时间间隔，ΔΩ为时间间隔。

为了理解各类型的局放单脉冲波形的特点，可以结合下述图5至图12进行说明。

其中，图5至图8示出了本发明实施例中各种波形数据及时域特点图，其中，图5为惰性气体氖气放电的实际典型波形、图6为环氧介质放电的实际典型波形、图7为绝缘油隙放电的实际典型波形、图8为空气间隙放电的实际典型波形。从图中可以获得用于模式识别的时域特征，如上升沿、持续时间等。就图中显示来说，各种放电波形其各个时域特点有：惰性气体局部放电单脉冲波形上升沿时间范围在170μs～177μs，其持续时间在690μs～770μs之间，放电过程伴有振荡，其振荡时间较长，一个工频周期内，正、负极性主脉冲各出现一次；环氧介质局部放电单脉冲波形上升沿时间集中在170ns～260ns区间段，其持续时间在19μs～23μs范围内，环氧介质局部放电波形波尾伴有振荡过程；油隙局部放电上升沿时间属于纳秒级，集中在1.9ns～2.9ns区间段，持续时间在100ns～130ns范围内，在整个工频周期内，放电次数较多，一次放电中包含多个单脉冲放电；空气间隙局部放电单脉冲波形上升沿时间属于纳秒级，集中在0.11μs～0.17μs区间段，持续时间在1.9μs～2.5μs范围内，单脉冲波尾具有明显的拖尾特征。

图9至图12示出了本发明实施例中各实际波形频域分析图，其中，图9为惰性气体氖气放电的频域分析、图10为环氧介质放电的频域分析、图11为绝缘油隙放电的频域分析、图12为空气间隙放电的频域分析。运用此分析法可以得到用于模式识别的频域特征，如主要能量成分波段等。就图中显示来说，各种放电波形其各个频域特点有：惰性气体放电主要能量成分频率为1667Hz左右，因为放电具有极性，所以有较大直流分量成分；环氧介质放电主要能量成分频率约为250000Hz，因为放电具有极性，所以有较大直流分量成分；绝缘油隙放电主要能量成分频率约为1.67e8Hz，因为放电极性不严重，所以基本没有直流分量成分；空气间隙放电主要能量成分频率约为390000Hz，因为放电具有极性，所以有较大直流分量成分。

实施本发明实施例，具有如下的有益效果：

本发明实施例利用采集模块对单放电脉冲波形数据进行采集，分析模块对波形进行提取和聚类分析，使得该装置能对记录波形进行分析并实现模式识别，为现场工作人员进行局部放电定位和原因查找提供技术支撑；

其中，控制单元模块与滤波放大模块相连，使得其可调节滤波放大模块的带宽，相比于传统的宽频带和窄频带检测仪器，免去了根据噪声情况选型的麻烦。

本发明提供两种供电模式，当现场干扰信号过大，可选用电池供电模块供电方式，这样就使得局部放电检测装置电源独立，干扰信号不能通过共地回路侵入局部放电检测装置，从而大大减小了干扰信号，实现了仪器的抗干扰性能提升。

本发明实施例中，采用单放电脉冲的时宽和频宽作为局部放电脉冲识别的两特征参数，通过提取单放电脉冲时域信号，进而可得到单放电脉冲的时宽和频宽，利用时宽和频宽参数与已经存储有不同典型局部放电脉冲数据的聚类中心进行聚类处理，即可直接进行模式识别，采用该方法，其计算速度快，结果准确。

以上所述的具体实施方式，对本发明专利的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明专利的具体实施方式而已，并不用于限定本发明专利的保护范围，凡在本发明专利的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电力变压器局部放电单波智能识别分析装置，其特征在于，包括：

滤波放大模块，对局部放电试验中的干扰进行滤除并对局部放电波形进行放大；

采集模块，对经放大后的局部放电波形以及其发生时对应的相位进行采集；

数据存储模块，存储由采集模块采集来的局部放电波形数据以及对应相位数据；

分析模块，对经放大的局部放电波形进行提取和聚类分析，实现波形的模式识别；

控制单元模块，与所述滤波放大模块、采集模块、数据存储模块以及分析模块相连接，用于调节滤波放大模块的带宽、控制采集存***形信号、命令数据存储模块数据输出、控制分析模块对波形分析识别并协调各个模块工作。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：进一步包括：

供电模块，其与所述滤波放大模块、采集模块、数据存储模块、分析模块以及控制单元模块相连接，用于提供供电电源；

所述供电模块包括电池供电模块和交流电源转换模块，所述电池供电模块和交流电源转换模块通过转换开关与上述各模块相连。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：进一步包括与控制单元模块相连的人机交互设备。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述采集模块包含有高速A/D芯片。

5.如权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述分析模块进行一步包括：

提取计算单元，用于提取单放电脉冲的时域信号x(t)，并计算所述单放电脉冲时域信号的时宽T与频宽B；

比较识别单元，用于根据提取计算单元所计算的时宽T与频宽B，将其与聚类中心中典型局部放电脉冲数据进行比对，对当前局部放电脉冲模式进行识别。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述提取计算单元中，具体以下面的方式获得所述单放电脉冲时域信号的时宽T与频宽B：

其中，提取单放电脉冲的时域信号x(t)，以下述公式获得其能量E：

以下述公式获得其时间均值t₀和频谱中心值Ω₀：

则：

从而获得时宽T与频宽B值：T＝2Δ_t；B＝2Δ_Ω；

其中，E为能量，t为时间，Ω为频率，x(t)为时域信号，X(jΩ)为频域信号，π为圆周率，Δt为时间间隔，ΔΩ为时间间隔。

7.一种单波模式识别分析方法，在权利要求1-5任一项所述的电力变压器局部放电单波智能识别分析装置中实现，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、提取单放电脉冲的时域信号x(t)，计算该单放电脉冲时域信号的时宽T与频宽B；

步骤S2、根据时宽T与频宽B，将其与聚类中心中典型局部放电脉冲数据进行比对，对当前局部放电脉冲模式进行识别。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

提取单放电脉冲的时域信号x(t)，通过下述公式获得其能量E：

通过下述公式获得时间均值t₀和频谱中心值Ω₀:

则：

从而获得时宽T与频宽B值：T＝2Δ_t；B＝2Δ_Ω；

其中，E为能量，t为时间，Ω为频率，x(t)为时域信号，X(jΩ)为频域信号，π为圆周率，Δt为时间间隔，ΔΩ为时间间隔。