CN109541405B - 一种电力电缆局部放电定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力电缆局部放电定位方法，该方法包括：S1、获取测试电缆的局放信号，所述局放信号包括入射波信号和反射波信号；S2、对获取的局放信号进行分解，当分解次数与设定的分解层数相等时，停止分解，获取该分解次数所对应的子带信号；S3、计算所述子带信号的峭度，并获得峭度大于设定的峭度阈值的第一子带信号；S4、分别计算每一个所述第一子带信号的入射波和反射波的波前位置传播时间差以及中心频率对应的波速；S5、根据所述传播时间差和所述波速获得各第一子带信号的局放位置；S6、根据各所述第一子带信号的局放位置获得最终的局放位置。本发明能够提高局部放电定位的精度。

Description

一种电力电缆局部放电定位方法
技术领域
本发明涉及局放定位领域，尤其涉及一种电力电缆局部放电定位方法。
背景技术
由随着国民经济的持续增长，城市配电网获得了快速发展，电力电缆由于其优越的电气性能和物理性能，得到了广泛应用，成为城市配电网的重要组成部分且处于快速增长状态，有统计数据表面，其年平均增长率达到35％。电力电缆在长期运行中会出现绝缘劣化，导致局部放电的产生，而局部放电又会加速绝缘材料的劣化，从而缩短电缆寿命。及时发现电缆绝缘缺陷位置，采取有效措施，可避免缺陷恶化引发故障，由于电力电缆敷设在地下，检修不便，精确定位局部放电发生位置对提高电缆检修效率，保障城市配电网可靠供电具有重要意义。
在电力电缆绝缘检测方面，震荡波电压检测法是目前公认的电缆绝缘检测最佳方法之一，受到CIGRE、IEEE、IEC等国际电力权威机构大力推荐，其操作简便，对试验电源容量要求较小，对电缆破坏性小，且检测出的电缆局放信号能够作为电缆工频电压正常运行时局放信号的等效依据。通常使用时域反射法对局放定位，该方法只需在电缆接头或终端安装一个测量装置，监测局放信号入射波和反射波时间差，再结合波在电缆中的传播速度计算出局部放电发生位置。由于局部放电信号为全频域信号，其在电缆中传播会产生色散现象，即由于电缆中的电容、电感参数随频率变化引起不同频率分量的传播速度不同，造成局放波形畸变，峰值前移，且由于定位计算时使用经验波速，造成局放定位产生较大的误差，当被测电缆长度增加，误差会随着增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电力电缆局部放电定位方法，该方法通过构造高低通滤波器将局部放电信号分解为一序列的子带信号，并通过峭度计算剔除局放信息较少得信号，从而提高定位的精度。
本发明提供一种电力电缆局部放电定位方法，包括如下步骤：
S1、获取测试电缆的局放信号，所述局放信号包括入射波信号和反射波信号；
S2、对获取的局放信号进行分解，当分解次数与设定的分解层数相等时，停止分解，获取该分解次数所对应的子带信号；
S3、计算所述子带信号的峭度，并获得峭度大于设定的峭度阈值的第一子带信号；
S4、分别计算每一个所述第一子带信号的入射波和反射波的波前位置传播时间差和中心频率对应的波速；
S5、根据所述传播时间差和所述波速获得各第一子带信号的局放位置；
S6、根据各所述第一子带信号的局放位置获得最终的局放位置。
其中，所述步骤S2具体包括：
从获得的局放信号中提取一局放信号片段，所述局放信号片段包括入射波和反射波，对所述提取的局放信号片段进行分解。
其中，所述步骤S2具体还包括：
设定所述局放信号片段的品质因子、冗余因子、分解层数；
设定高通尺度因子和低通尺度因子；
根据所述高通尺度因子和低通尺度因子构造第一高通滤波器、第一低通滤波器、第二高通滤波器和第二低通滤波器；
将所述局放信号片段分别通过所述第一高通滤波器和所述第一低通滤波器，得到第一高频子带信号和第一低频子带信号；
判断所述分解次数是否等于所述分解层数，如果是，则停止分解，获取所述第一高频子带信号和所述第一低频子带信号；否则，将所述第一高频子带信号输入所述二高通滤波器中，获得第二高频子信号，再将所述第二高频子带信号输入所述第一高通滤波器中进行分解，直至分解次数等于分解层数。
其中，所述第一低通滤波器的傅里叶变换表示为：
Figure BDA0001837636360000021
所述第一高通滤波器的傅里叶变换表示为：
Figure BDA0001837636360000031
Figure BDA0001837636360000032
其中，α为低通尺度因子，β为高通尺度因子。
其中，所述第二低通滤波器的傅里叶变换表示为：
当0<α≤1，
H'0(ω)＝H0(αω),|ω|≤π；
当α≥1，
Figure BDA0001837636360000033
所述第二高通滤波器的傅里叶变换表示为：
当0<β≤1，
Figure BDA0001837636360000034
当β≥1，
Figure BDA0001837636360000035
其中，步骤S3采用下式计算峭度：
Figure BDA0001837636360000036
其中，Pi为第i个子带信号si的峭度，μi和σi分别为第i个子带信号的均值和标准差。
其中，所述计算每一个所述第一子带信号的入射波和反射波的传播时间差具体包括：
对每一个所述第一子带信号进行取导运算，得到第一子带导数信号，并计算第一子带导数信号的长度；
计算第一子带导数信号的邻域和，并根据所述邻域和计算所述入射波和反射波波前位置差；
根据所述波前位置差计算所述传播时间差。
其中，采用下式计算所述邻域和：
Figure BDA0001837636360000041
其中，s′iD(n)为第一子带导数信号的邻域和，len为第一子带倒数信号的长度，D为邻域的大小，s′i(n)为第一子带信号si(n)的导数。
其中，采用下式计算第一子带信号的中心频率：
Figure BDA0001837636360000042
其中，Si(w)为si(n)的傅里叶变换。
其中，所述步骤S6具体包括：
计算每一个第一子带信号局放位置距离其他第一子带信号局放位置的距离和；
将距离和最小的第一子带信号局放位置作为中心位置，获取距离和小于设定阈值的第一子带信号局放位置；
计算所述距离和小于设定阈值的第一子带信号局放位置的平均值，将距离所述中心位置平均值距离的位置作为最终局放位置。
本发明实施例的有益效果在于：
1、通过构造高、低通滤波器和尺度因子，将震荡波电压检测法得到的局部放电信号分解为一系列子带信号，该信号分解方法较常用的小波分解法操作上更具灵活性，对噪声鲁棒性强，所得子带信号频率聚集性好，能得到更好的信号分解结果，提高后续局放定位精度。
2、通过峭度计算剔除了包含局放信息较少子带信号，通过子带信号分析定位局放位置，剔除了定位误差较大的局放位置，求取距离平均值作为最终的局放位置，减少了噪声信号和波形畸变对定位的影响，提高了定位精度。
3、计算子带信号的中心频率，由于各子带信号频率较为集中，以中心频率对应的波速作为子带信号的波速，减小了使用固定的经验波速定位由于色散效应带来的误差。
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是本发明的一种电力电缆局部放电定位方法的流程示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
参照图1所示，本发明提供一种电力电缆局部放电定位方法，包括如下步骤：
S1、获取测试电缆的局放信号，所述局放信号包括入射波信号和反射波信号。
具体地，使用震荡波电压检测法得到测试电缆的局放信号，提取一局放信号片段，包括一个入射波和反射波信号，记作x(n)，采样频率为fs。震荡波电压检测法为电缆局放信号检测常用方法，在此不再详细介绍。
S2、对获取的局放信号进行分解，当分解次数与设定的分解层数相等时，停止分解，获取该分解次数所对应的子带信号。
其中，所述步骤S2具体包括：对所述提取的局放信号片段进行分解。
其中，所述步骤S2中对局放信号片段进行分解具体包括：
S21、设定所述局放信号片段的品质因子、冗余因子、分解层数。
具体地，设定品质因子为Q、冗余因子为R，分解层数为J。
S22、设定高通尺度因子和低通尺度因子。
具体地，设定高通尺度因子为β，低通尺度因子为α；
Figure BDA0001837636360000061
Figure BDA0001837636360000062
为了使子带信号能够完美重构，高低通尺度因子应该满足如下条件：
0<β≤1,0<α<1,α+β>1。
S23、根据所述高通尺度因子和低通尺度因子构造第一高通滤波器、第一低通滤波器、第二高通滤波器和第一低通滤波器。
S24、将所述局放信号片段分别通过所述第一高通滤波器与所述第一低通滤波器，得到第一高频子信号和第一低频子信号。
S25、判断所述分解次数是否等于所述分解层数，如果是，则停止分解，获取所述第一高频自信号和所述第一低频子信号；否则，将所述第一高频局放信号输入所述二高通滤波器中，获得第二高频局放子信号，再将所述第二高频局放子信号输入所述第一高通滤波器中进行分解，直至分解次数等于分解层数。
具体地，构造由第一高通滤波器H1(ω)和第一低通滤波器H0(ω)组成的滤波器组，将f(n)通过滤波器组得到高频子信号f1(n)和低频子信号f0(n)，滤波器组定义如下：
Figure BDA0001837636360000063
Figure BDA0001837636360000064
Figure BDA0001837636360000065
Figure BDA0001837636360000066
其中，Y(ω)为y(n)的离散傅里叶变换，F1(ω)为f1(n)的离散傅里叶变换，F2(ω)为f2(n)的离散傅里叶变换。
构造由第二高通滤波器H′1(ω)和第二低通滤波器H'0(ω)组成的滤波器组，将f1(n)和f0(n)通过滤波器组得到高频子信号f′1(n)和低频子信号f′0(n)，滤波器组定义如下：
当0<β≤1
Figure BDA0001837636360000071
当β≥1
Figure BDA0001837636360000072
当0<α≤1
H'0(ω)＝H0(αω),|ω|≤π；
当α≥1
Figure BDA0001837636360000073
F′1(ω)＝Y′1(ω)H′1(ω)
F′0(ω)＝Y′0(ω)H'0(ω)
其中，Y′1(w)为f′1(n)的离散傅里叶变换，Y′0(w)为f′0(n)的离散傅里叶变换。
具体地，判断分解次数k是否等于分解层数J：若J＝k，保留低频子信号和高频子信号，作为需要的子带信号，分解过程结束；若J≠k，保留高频子信号作为需要的子带信号，f(n)＝f′0(n)，k＝k+1，重复步骤S24，直到分解过程结束。
S3、计算所述子带信号的峭度，并获得峭度大于设定的峭度阈值的第一子带信号。
具体地，计算各子带信号峭度Pi，设定峭度阈值T，保留Pi>T的子带信号，峭度值过小，说明信号噪声成分过多，局放信号成分过少，不利于定位检测，保留子带信号总数记为L，峭度计算公式如下：
Figure BDA0001837636360000074
式中，Pi为第i个子带信号si的峭度，μi和σi分别为第i个子带信号的均值和标准差，E表示求期望运算。
S4、计算每一个所述第一子带信号的入射波和反射波的波前位置传播时间差以及中心频率对应的波速。
具体地，所述计算每一个所述第一子带信号的入射波和反射波的传播时间差具体包括：
对每一个所述第一子带信号进行取导运算，得到第一子带导数信号，并计算第一子带导数信号的长度；
计算第一子带导数信号的邻域和，并根据所述邻域和计算所述入射波和反射波波前位置差。
更具体地，采用下式计算所述邻域和：
Figure BDA0001837636360000081
其中，s′iD(n)为第一子带导数信号的邻域和，len为第一子带倒数信号的长度，D为邻域的大小，s′i(n)为第一子带信号si(n)的导数。
更具体地，将s′iD(n)最大峰值点作为该子带信号入射波波前位置，位置记为N1，除最大峰值点外，寻找第二峰值点作为反射波波前位置，位置记为N2，峰值点定义为：该点为极值点，并且是该点邻域内最大值点。计算各子带信号入射波和反射波波前位置差，计算求得传播时间差Δti。
具体地，求得每一个子带信号的中心频率fic，对照事先测量的试验电缆波速-频率曲线，求得该中心频率对应的波速vi，将中心频率对应的波速作为该子带信号波速，中心频率计算如下：
Figure BDA0001837636360000082
式中，Si(ω)为si(n)的傅里叶变换。
S5、根据所述波前位置传播时间差和所述波速获得各第一子带信号的局放位置。
具体地，根据子带信号传播时间差Δti和子带信号中心频率对应的波速vi，求得子带信号对应的局部放电位置[P1,P2,…,PL]。
S6、根据各所述第一子带信号的局放位置获得最终的局放位置。
具体地，剔除定位误差较大的局放位置：计算L个局放位置中，每个局放位置距其余局放位置的距离和，将距离和最小的位置，作为中心位置，剔除距离中心位置距离超过设定阈值的局放位置，剩余局放位置个数记为K。
求取K个局放位置的平均数作为最终的局放位置。
本实施例的电力电缆局部放电定位方法与现有技术相比，具备以下优点：
1、通过构造高、低通滤波器和尺度因子，将震荡波电压检测法得到的局部放电信号分解为一系列子带信号，该信号分解方法较常用的小波分解法操作上更具灵活性，对噪声鲁棒性强，所得子带信号频率聚集性好，能得到更好的信号分解结果，提高后续局放定位精度。
2、通过峭度计算剔除了包含局放信息较少的子带信号，通过子带信号分析定位局放位置，剔除了定位误差较大的局放位置，求取距离平均值作为最终的局放位置，减少了噪声信号和波形畸变对定位的影响，提高了定位精度。
3、计算子带信号的中心频率，由于各子带信号频率较为集中，以中心频率对应的波速作为子带信号的波速，减小了使用固定的经验波速定位由于色散效应带来的误差。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种电力电缆局部放电定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取测试电缆的局放信号，所述局放信号包括入射波信号和反射波信号；
S2、从获得的局放信号中提取一局放信号片段，所述局放信号片段包括入射波和反射波，以对所述提取的局放信号片段进行分解，当分解次数与设定的分解层数相等时，停止分解，获取该分解次数所对应的子带信号；
其中，上述分解的过程具体包括：
设定所述局放信号片段的品质因子、冗余因子、分解层数；
设定高通尺度因子和低通尺度因子；
根据所述高通尺度因子和低通尺度因子构造第一高通滤波器、第一低通滤波器、第二高通滤波器和第二低通滤波器；
将所述局放信号片段分别通过所述第一高通滤波器和所述第一低通滤波器，得到第一高频子带信号和第一低频子带信号；
判断所述分解次数是否等于所述分解层数，如果是，则停止分解，获取所述第一高频子带信号和所述第一低频子带信号；否则，将所述第一高频子带信号输入所述二高通滤波器中，获得第二高频子信号，再将所述第二高频子带信号输入所述第一高通滤波器中进行分解，直至分解次数等于分解层数；
S3、计算所述子带信号的峭度，并获得峭度大于设定的峭度阈值的第一子带信号；
S4、分别计算每一个所述第一子带信号的入射波和反射波的波前位置传播时间差和中心频率对应的波速；
S5、根据所述传播时间差和所述波速获得各第一子带信号的局放位置；
S6、根据各所述第一子带信号的局放位置获得最终的局放位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一低通滤波器的傅里叶变换表示为：
Figure FDA0002536165220000011
所述第一高通滤波器的傅里叶变换表示为：
Figure FDA0002536165220000021
Figure FDA0002536165220000022
其中，α为低通尺度因子，β为高通尺度因子。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二低通滤波器的傅里叶变换表示为：
当0＜α≤1，
H′0(ω)＝H0(αω),|ω|≤π；
当α≥1，
Figure FDA0002536165220000023
所述第二高通滤波器的傅里叶变换表示为：
当0＜β≤1，
Figure FDA0002536165220000024
当β≥1，
Figure FDA0002536165220000025
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S3采用下式计算峭度：
Figure FDA0002536165220000026
其中，Pi为第i个子带信号si的峭度，μi和σi分别为第i个子带信号的均值和标准差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述计算每一个所述第一子带信号的入射波和反射波的传播时间差具体包括：
对每一个所述第一子带信号进行取导运算，得到第一子带导数信号，并计算第一子带导数信号的长度；
计算第一子带导数信号的邻域和，并根据所述邻域和计算所述入射波和反射波波前位置差；
根据所述波前位置差计算所述传播时间差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用下式计算所述邻域和：
Figure FDA0002536165220000031
其中，s′iD(n)为第一子带导数信号的邻域和，len为第一子带倒数信号的长度，D为邻域的大小，s′i(n)为第一子带信号si(n)的导数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用下式计算第一子带信号的中心频率：
Figure FDA0002536165220000032
其中，Si(w)为si(n)的傅里叶变换。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括：
计算每一个第一子带信号局放位置距离其他第一子带信号局放位置的距离和；
将距离和最小的第一子带信号局放位置作为中心位置，获取距离和小于设定阈值的第一子带信号局放位置；
计算所述距离和小于设定阈值的第一子带信号局放位置的平均值，将距离所述中心位置平均值距离的位置作为最终局放位置。
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