CN116068349A - 基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法及传感器，该方法包括：获取待检测信号；根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于或等于设置的第一阈值的高幅值长时窗口信号；基于所述高幅值长时窗口信号，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关系，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值关系，判断是否检测到局部放电脉冲信号，本发明实施例在检测局部放电脉冲时，基于信号幅值的急剧变化来辨识脉冲信号，可以最大程度的排除一部分上升沿变化缓慢的干扰信号，提高局部放电脉冲信号识别的准确性。

Description

基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法及传感器

技术领域

本发明涉及电力高压脉冲检测技术领域，尤其涉及一种基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法及传感器。

背景技术

变电站、换流站内等电工高压电气设备由于制造缺陷，不妥善的维修，或者老化过程引起的绝缘损坏等原因，经常会导致在电场电极之间发生局部空间放电。局部放电脉冲信号是高电压电气设备潜在绝缘故障的早期征兆，有效检测局部放电脉冲信号对于电力设备的安全稳定运行具有重要意义。

绝缘介质中每次局部放电均会发生正负电荷中和，并伴随有1个陡的电流脉冲，同时向周围辐射电磁波。在变电站等强电磁环境中，通过宽带射频天线进行空间耦合局部放电检测遇到的常见电磁干扰信号，按其时频特征可分为周期性窄带干扰(如无线电广播、移动通信载波等)、脉冲型干扰(如电晕放电、电磁开关操作或电力电子器件产生的随机脉冲)和白噪声干扰。周期性窄带干扰信号的时域波形特征明显区别于局部放电脉冲信号，很容易在后续信号处理中进行辨识，且由于带宽较窄可以通过已广泛应用的模拟或数字滤波进行抑制，不是引起误判的主要原因。对局部放电辨识更具挑战性的是脉冲型干扰，由于与局部放电脉冲信号具有相似的时频特性，较难基于简单的波形特性(如宽度、幅值等)进行辨识，经常引起误判从而影响局部放电检测的可靠性。

目前没有成熟可靠的方法可以对变电站现场的脉冲型干扰信号达到较为理想的抑制效果。白噪声覆盖局部放电脉冲检测的全频段且在时域上持续存在，叠加在局部放电脉冲信号上会降低其信噪比，使其与其它脉冲型干扰信号在时域波形上更趋于相似，最终增加对局部放电脉冲信号的辨识难度并影响其信号源的定位精度。现有的白噪声抑制方法，如小波变换，在降低噪声的同时也容易因为参数设置不当而对局部放电脉冲信号的能量和波形造成衰减，对后续局部放电辨识、定位及诊断工作造成困难。

综上，现有技术不能准确从众多干扰信号中识别局部放电脉冲信号。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法及传感器，以解决现有技术不能准确识别局部放电脉冲信号的技术问题。

本发明提出的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，获取待检测信号；根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于或等于设置的第一阈值的高幅值长时窗口信号；基于所述高幅值长时窗口信号，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关系，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值关系，判断是否检测到局部放电脉冲信号，其中，所述长时滑动窗口的窗口长度大于所述短时滑动窗口的窗口长度。

可选地，根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于或等于设定的第一阈值的长时窗口信号，包括：将所述长时滑动窗口以自身窗口长度为步长，滑过待检测信号，记录每个所述长时滑动窗口内的待检测信号的最大幅值；截取所述最大幅值大于或等于设定的第一阈值的所述长时滑动窗口内信号，得到高幅值长时窗口信号。

可选地，基于所述高幅值长时窗口信号，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关系，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值关系，判断是否检测到局部放电脉冲信号，包括：将短时滑动窗口以设定的步长滑过每个所述高幅值长时窗口信号；基于截取的高幅值长时窗口信号，计算每个所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值，并记录每个短时滑动窗口内信号的最大幅值；基于所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值，判断待检测信号中是否检测到局部放电脉冲信号。

可选地，基于所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值，判断待检测信号中是否检测到局部放电脉冲信号，包括：分别判断所述短时滑动窗口信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值是否均大于或等于第二阈值；若所述短时滑动窗口信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值均大于或等于所述第二阈值，则检测到局部放电脉冲信号；若所述短时滑动窗口信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号能量分布平均值的比值，或者短时滑动窗的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值小于所述第二阈值，则未检测到局部放电脉冲信号。

可选地，在检测到局部放电脉冲信号后，还包括：基于所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述短时滑动窗口滑过的高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，确定检测到的局部放电脉冲信号的起始时间和结束时间；基于所述起始时间和所述结束时间截取检测到的局部放电脉冲信号；将截取的局部放电脉冲信号发送至目标设备。

可选地，基于所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述短时滑动窗口滑过的所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，确定检测到的局部放电脉冲信号的起始时间和结束时间，包括：获取所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关于时间的变化曲线；获取所述变化曲线中出现的三角波形的峰值，若所述三角波形的峰值大于第二阈值，则所述三角波形的开始上升时间和结束下降时间为检测到的局部放电脉冲信号的起始时间和结束时间。

可选地，所述能量分布平均值为时间窗口内的信号的标准差。

可选地，获取待检测信号，包括：获取待测设备所处空间的射频电磁波信号；对所述射频电磁波信号进行采样，得到待检测信号。

本发明实施例第二方面提供一种宽带射频局放传感器，包括：射频传感模块，设置于待测设备所处空间，用于采集目标信号；数据采集及预处理模块，和所述射频传感模块连接，用于对获取的目标信号进行高速采样得到待检测信号，以及根据本发明上述方法对待检测信号进行局放脉冲信号检测及截取；通信及控制模块，和目标设备连接，用于对截取的数据进行回传及目标设备的控制命令的下达。

可选地，所述射频传感模块包括：信号接收模块，用于接收待测设备所处空间的射频电磁波信号；模拟调制模块，用于对所述信号接收模块接收的电磁波信号进行滤波和增益调节，得到目标信号。

可选地，所述数据采集及预处理模块包括：数据采集模块，对所述射频传感模块转发的目标信号进行高速采样，得到待检测信号；数据同步模块，用于对多个射频传感模块接收到的目标信号进行时间同步；数据预处理模块，用于根据本发明上述方法对待检测信号进行局放脉冲信号检测及截取。

可选地，所述通信及控制模块包括：通信模块通过有线和/或无线方式与目标设备建立连接，用于将截取的信号发送至目标设备；控制模块，用于将目标设备的采样控制和配置命令进行下发，对宽带射频局放传感器进行管理和配置。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法及传感器，通过获取待检测信号；根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于或等于设置的第一阈值的高幅值长时窗口信号；基于所述高幅值长时窗口信号，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关系，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值关系，判断是否检测到局部放电脉冲信号。在选择脉冲事件时，无需固定任何要检测的脉冲模板，只是依靠待检测信号为绝缘体中典型放电导致的信号能量在时间尺度上的急剧增强，基于信号幅值的急剧变化来辨识脉冲信号，并可根据不同现场检测环境进行动态灵活调节幅度阈值，脉冲拾取充分考虑了时间相关背景噪声水平，并可随之做出相应改变。可以最大程度的排除一部分上升沿变化缓慢的干扰信号，提高局部放电脉冲信号识别的准确性，同时增加了脉冲信号检测的灵活性。

此外，本发明的方法可以在生成尽可能完整的脉冲事件记录和限制检测到虚假噪声事件之间进行平衡。并且，本发明的方法只涉及线性计算，复杂度低，非常适合在嵌入式传感器***上执行。

附图说明

为了更清楚地表达说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例中基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法的流程图；

图2为本发明实施例中另一基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法的流程图；

图3为本发明实施例中长短时滑动窗口及脉冲识别策略示意图；

图4为本发明实施例中基于三角波形的脉冲截取示意图；

图5为本发明实施例中通过实时脉冲检测截取的脉冲样本示意图；

图6为本发明实施例中宽带射频局放传感器的结构示意图；

图7为本发明实施例中宽带射频局放传感器的部署示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明实施例提供了一种基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，如图1所示，包括：

步骤S100、获取待检测信号。待检测信号通过射频传感器检测获取，将射频传感器设置在待检测的电工设备周边，以此检测接收电工设备周边的电磁波信号。

具体地，获取待检测信号，包括：获取待测设备所处空间的射频电磁波信号；对射频电磁波信号进行高速采样，得到待检测信号。利用涵盖低频段的超宽带、高灵敏和高动态范围的多个射频传感器分布式地部署在电工设备周边，确保可以从多个监测点同步实现对同一脉冲信号源辐射信号的不同频段能量的充分耦合接收，然后使用吉赫兹高速采样对不同传感监测点获得的射频电磁波信号进行高速采样，以获得待检测信号，即包含详细波形特征的数字信号。通过将射频电磁波信号转变为数字信号，便于计算信号幅值、能量分布平均值等信息。

步骤S200、根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于或等于设置的第一阈值的高幅值长时窗口信号。第一阈值的大小根据待检测的电工设备的环境噪声情况决定，第一阈值决定能够被选择的最小脉冲。根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于第一阈值的信号，可以理解为，将待检测信号分割成若干连续的长时窗口，若某个长时窗口内的检测信号的最大幅值大于或等于设置的第一阈值，则说明该长时滑动窗口内可能存在局部放电脉冲信号，因此将其进行截取得到高幅值长时窗口信号，进行进一步分析，否则将该长时滑动窗口内的待检测信号丢弃，以减少后续计算量。

步骤S300、基于高幅值长时窗口信号，采用短时窗口以一定重叠率在截取的高幅值长时窗口信号上滑动，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值，判断是否检测到局部放电脉冲信号，其中，长时窗口的窗口长度大于短时窗口的窗口长度。

典型的局部放电脉冲信号的电流时域波形如图3所示，脉冲上升沿时间一般比下降时间短或相近，脉冲宽度在纳秒级(ns)，而且上升沿在数百皮秒(ps)。根据局部放电脉冲信号的电流时域波形可知局部放电脉冲信号存在信号幅值迅速增加的一个阶段，因此可依据此对局部放电脉冲信号进行进一步检测。

具体地，将短时滑动窗口滑过截取的高幅值长时窗口信号，滑动的步长可以根据实际情况设置。示例性地，短时滑动窗口滑动的步长为短时滑动窗口长度的一半，即以50％的重叠率在长时滑动窗口截取的高幅值长时窗口信号上滑动，每次新建的短时滑动窗口，前半个窗口信号为原来的信号，后半个窗口为新增的信号，即检测半个窗口新增信号能量的大小，如果信号能量急剧增加，则可能为局部放电脉冲信号。每次滑动新建一个短时窗口均需要计算其包含信号的能量分布平均值和信号最大幅值，根据短时滑动窗口的能量分布平均值和其滑过的高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关系，得到半个短时窗口信号能量增加的程度，短时滑动窗口的能量分布平均值相对其滑过的高幅值长时窗口信号的能量分布平均值增加的程度越大，则其越有可能包含局部放电脉冲信号，若短时滑动窗口内的能量分布平均值相对高幅值长时窗口信号的能量分布平均值增加的程度超出设定的阈值时，则说明短时窗口内可能存在局部放电脉冲信号。

进一步，为了排除一部分幅值上升比较缓慢的信号以及方波信号等干扰信号，根据相邻的短时滑动窗口内信号最大幅值的变化，判断是否检测到局部放电脉冲信号。当相邻的两个短时滑动窗口内信号最大幅值比值的变化超出设定阈值，且同时短时滑动窗口内的能量分布平均值相对高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值也超出设定阈值时，可以判定检测到局部放电脉冲信号。

本发明实施例提供的一种基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，通过获取待检测信号；根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于或等于设置的第一阈值的高幅值长时窗口信号；基于所述高幅值长时窗口信号，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关系，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值关系，判断是否检测到局部放电脉冲信号。在选择脉冲事件时，无需固定任何要检测的脉冲模板，只是依靠待检测信号为绝缘体中典型放电导致的信号能量在时间尺度上的急剧增强，基于信号幅值的急剧变化来辨识脉冲信号，并可根据不同现场检测环境进行动态灵活调节幅度阈值，脉冲拾取充分考虑了时间相关背景噪声水平，并可随之做出相应改变。可以最大程度的排除一部分上升沿变化缓慢的干扰信号，提高局部放电脉冲信号识别的准确性，同时增加了脉冲信号检测的灵活性。

此外，本发明的方法可以在生成尽可能完整的脉冲事件记录和限制检测到虚假噪声事件之间进行平衡。并且，本发明的方法只涉及线性计算，复杂度低，非常适合在嵌入式传感器***上执行。

在一实施例中，根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于或等于第一阈值的高幅值长时窗口信号，包括：将所述长时滑动窗口以自身窗口长度为步长，滑过待检测信号，记录每个所述长时滑动窗口内的待检测信号的最大幅值；截取所述最大幅值大于或等于设定的第一阈值的所述长时滑动窗口内的信号，得到高幅值长时窗口信号。

具体地，将长时滑动窗口的滑动步长设置为窗口长度，即长时滑动窗口在没有重叠的情况下滑过整个待检测信号。如果长时滑动窗口内的信号最大幅值A_LTW小于第一阈值，即：

A₀：A_LTW<A₀

则将该长时滑动窗口内的所有信号进行忽略，低于A₀这个值时，可以认为没有产生局部放电脉冲信号，只有噪声在起作用。

如果长时滑动窗口内的信号最大幅值A_LTW大于或等于第一阈值：

A_LTW≥A₀

则截取该长时滑动窗口内的信号，这些窗口信号称之为高幅值长时窗口信号，此时转向下一步，通过短时滑动窗口进行进一步判断。

本发明实施例通过设置第一阈值，将事件搜索聚焦在具有相对高幅值的信号上来优化计算时间。

在一实施例中，基于所述高幅值长时窗口信号，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关系，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值关系，判断是否检测到局部放电脉冲信号，包括：

步骤S310、将短时滑动窗口以设定的步长滑过每个所述高幅值长时窗口信号；

步骤S320、基于截取的高幅值长时窗口信号，计算每个所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值，并记录每个短时滑动窗口内信号的最大幅值；

步骤S330、基于所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值，判断待检测信号中是否检测到局部放电脉冲信号。

具体地，分别判断短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及短时滑动窗口的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值，是否大于或等于第二阈值；若两个比值均大于或等于第二阈值，说明短时窗口内幅值上升迅速且能量较高，可以排除一部分幅值上升比较缓慢的信号以及方波信号等干扰信号，判定检测到局部放电脉冲信号，截取该脉冲信号；若否，则未检测到局部放电脉冲信号，将该短时窗口内信号丢弃。

在一实施例中，在检测到局部放电脉冲信号后还包括步骤S400，具体地，步骤S400包括：

步骤S410、基于短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和短时滑动窗口滑过的高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，确定检测到的局部放电脉冲信号的起始时间和结束时间。

具体地，获取短时滑动窗口能量分布平均值和其滑过的高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关于时间的变化曲线；获取变化曲线中出现的三角波形的峰值，若三角波形的峰值大于或等于第二阈值，则三角波形的开始上升时间和结束下降时间分别为检测到的局部放电脉冲信号的起始时间和结束时间。

需要理解的，短时滑动窗口在某个高幅值长时窗口信号内滑动时，短时滑动窗口随着不断滑动，能量分布平均值δ_STW是不断变化的，但该高幅值长时窗口信号的能量分布平均值δ_LTW是不变的。当短时滑动窗口在该高幅值长时窗口的噪声信号中滑动时，能量比值δ_STW/δ_LTW相对平坦，当短时滑动窗口滑动到脉冲信号的上升沿时，短时滑动窗口内的信号能量逐渐增加，其能量比值δ_STW/δ_LTW也逐渐上升，当短时窗口滑过脉冲信号的顶点时，其窗口内的能量达到峰值，能量比值δ_STW/δ_LTW也达到一个最大值，随着短时滑动窗口滑动到脉冲信号的下降沿时，其能量比值δ_STW/δ_LTW也逐渐下降，当短时滑动窗口滑过脉冲信号下降沿后再次滑入噪声信号中，其能量比值δ_STW/δ_LTW又恢复平坦，如图4所示。因此，在短时滑动窗口滑过脉冲信号的过程中，能量比值会呈现一个三角波形，开始上升时间为局部放电脉冲信号的起始时间，峰值位置为局部放电脉冲信号的顶点位置，结束下降时间为局部放电脉冲信号的结束时间。

若三角波形的峰值大于或等于第二阈值，则记录三角波形开始上升位置和下降末端对应的时间戳，得到对应的局部放电脉冲信号的开始时间和结束时间，提取脉冲信号进行保存。如果有两次或多次记录三角波形开始上升位置和下降末端对应的时间戳非常接近，则只记录第一次的时间戳，它们可以看作是同一个局部放电脉冲事件。若三角波形的峰值小于第二阈值，则将该短时窗口内信号丢弃。

步骤S420、基于起始时间和结束时间截取检测到的局部放电脉冲信号。

步骤S430、将截取的局部放电脉冲信号发送至目标设备。目标设备可以为PC机、笔记本、工控机等，内置局部放电分析***软件，局部放电分析***软件用于对局部放电脉冲信号进一步辨识及局部放电源定位等。将截取的局部放电脉冲信号发送至目标设备的方式可以为无线传输也可以为有线传输。

局部放电脉冲信号是典型的瞬态脉冲信号，脉冲能量一般集中在50MHz～500MHz频段，为获取脉冲的完整波形信号需要采用吉赫兹高速采样，如果全波形采样回传目标设备，则数据量巨大，传输带宽压力大，无法支持连续、长时间的局部放电采样检测，并且收集大量无用信息会淹没少量关键信息。而后续分析只需关注连续高速采样数据中包含的局部放电脉冲信号样本，其他不包含局部放电脉冲信号的数据从长期监测的角度考虑，可以在射频传感器侧实时去除。

图5是基于本发明实施例通过2.5GSPS高速采样和实时脉冲检测获得的一个局部放电脉冲信号的样本数据实例，截取局部放电脉冲信号时长为4μs，共包含10000个二进制样本，每个样本占2Byte大小，所以该局部放电脉冲信号所有样本的总数据量为10000×2Byte＝20KB，假设10个工频周期(200ms)内共检测到100个脉冲信号，则总数据量是20KB×100＝2MB。对比用2.5GSPS采样率连续采集200ms时长的信号所产生2.5G×2Byte×0.2S＝1GB的数据量，减小了500倍。对比数据传输带宽的要求，实时脉冲检测后的采样数据率是10MB/s,可以支持通过无线通信等方式传输回目标设备并支持连续长时间检测，而连续信号采样的数据率是5GB/s，只能用高带宽高成本的光纤通信回传局部放电，且很难实现连续长时间的检测和快速的局部放电数据分析。因此，本发明实施例通过在采集端检测局部放电脉冲信号然后对其进行截取和传输，在传感器前端利用典型局放脉冲时域波形特点，将局部放电脉冲信号从大量无用信息中截取出来，大大降低数据量和传输带宽，为后续数据分析定位提供数据基础，能够降低数据传输带宽要求且实现长时间的检测和快速的局部放电数据分析。

下面结合一个具体实施例说明本发明实施例局放脉冲实时检测方法的流程。

参见图2至图5，局放脉冲实时检测方法包括以下步骤：

(1)根据典型局部放电脉冲信号特征，选择0.5us时间尺度上幅值急剧增加的信号进行记录。使用长时滑动窗口和短时滑动窗口相结合的方式检测局部放电脉冲信号，长时窗口(LTW)的长度大于短时窗口(STW)的长度，短时窗口长度L_STW和长时窗口长度L_LTW典型值可分别设置为0.32us和12.8us。

(2)根据现场测试环境噪声情况，设置第一阈值即幅值阈值为A₀(A₀根据不同测试现场的信噪比情况，可以参考一些样本后依据经验选择A₀的值，如果没有关于本底噪声的信息，它也可以设置为0。A₀的选择意味着能够被选择的最小脉冲，取决于本地信噪比(SNR)，可根据实际环境动态设置)，疑似局部放电脉冲信号只在最大幅值高于阈值A₀的各个长时滑动窗口中搜索，如图3所示。长时滑动窗口滑动步长设置为窗口长度，即在没有重叠的情况下滑过整个采集信号。如果长时滑动窗口内信号最大幅值A_LTW小于幅值阈值A₀：

A_LTW<A₀

则将该长时滑动窗口内的所有信号进行忽略，阈值A₀即上述第一阈值，低于A₀这个值时，可以认为没有产生局部放电脉冲信号，只有噪声在起作用。

如果长时滑动窗口内信号最大幅值A_LTW大于或等于幅值阈值A₀：

A_LTW≥A₀

则保留这些长时滑动窗口信号，这些窗口信号称之为高幅值长时窗口信号，对应的窗口称之为高幅值长时窗口，此时转向第三步，通过短时滑动窗口进一步判断。

本步骤通过设置幅值阈值，仅将事件搜索聚焦在具有相对高幅值的信号上来优化计算时间。

(3)短时滑动窗口步长设置为短时滑动窗口长度的一半，即以50％的重叠率滑过每个高幅值长时窗口，如图3所示，分别计算滑动的短时滑动窗口内信号的标准差，以及高幅值长时窗口内信号的标准差，该标准差代表窗口内的信号能量在窗口长度时间尺度上的能量分布平均值。

具体地，δ是窗口内采样信号的标准差，计算公式为：

幅值(x₁,x₂,x₃…x_n)为窗口内采样信号的幅值，u为窗口内采样信号的平均幅值，n为窗口内采样信号的统计个数。

3-1)如果δ_STW/δ_LTW≥K₀，短时窗口中信号的标准差即能量分布平均值δ_STW和长时窗口中信号的标准差即能量分布平均值δ_LTW之比高于第二阈值K₀，则进入步骤3-2)。如果δ_STW/δ_LTW<K₀，则忽略短时滑动窗口中的信号。

δ_STW为短时滑动窗口内信号能量在短时窗口长度时间内的能量分布平均值，短时滑动窗口以50％的重叠率滑动，每次窗口滑动新建的一个窗口，前半个窗口信号为原来的信号，后半个窗口为新增的信号，即检测半个窗口新增信号能量的大小，如果信号能量急剧增加，则可能为局部放电脉冲信号；窗口重叠率可调，重叠率越高，则说明越窄的窗口增加的信号能量越高，为局部放电脉冲信号的可能性就越大。δ_LTW为高幅值长时窗口内信号能量在长时窗口长度时间内的能量分布平均值。

3-2)如果A_STW2/A_STW1≥K₀，A_STW2/A_STW1为两个相邻短时窗口中的信号最大幅值(绝对值)之比，该比值高于相对系数阈值K₀，即表明信号幅值在短时间内急剧增加，则记录检测到局部放电脉冲事件；如果A_STW2/A_STW1<K₀，则忽略短时窗口信号。

即同时符合以上3-1)和3-2)情况，则记录检测到局部放电脉冲事件。

第二阈值K₀是衡量发生类似局部放电事件时信号幅值增加的尖锐程度，是一个比值，一般大于1，典型经验值设置1.8可以较好的发挥作用。A是窗口内采样信号的最大幅度，STW1与STW2为两个相邻的短时窗口。A₀，K₀，T_STW，T_LTW的值都为经验值。

该步骤可以进一步排除一部分幅值上升比较缓慢的信号以及方波信号等干扰信号。

(4)如3-1)，一个长时窗口的标准差δ_LTW是不变的，当短时滑动窗口在长时窗口内滑动，其δ_STW是不断变化的，当短时滑动窗口处在噪声信号中滑动时，短时滑动窗口与长时窗口的标准差比值δ_STW/δ_LTW相对平坦。当短时窗口滑入脉冲信号的上升沿时，窗口内的信号能量逐渐增加，其比值δ_STW/δ_LTW也逐渐上升，当短时滑动窗口滑过脉冲信号的顶点时，短时滑动窗口内的能量达到峰值，其比值δ_STW/δ_LTW也达到一个最大值，随着短时滑动窗口滑入脉冲信号的下降沿时，其比值δ_STW/δ_LTW也逐渐下降，当短时滑动窗口滑过脉冲信号下降沿后再次滑入噪声信号中，其比值δ_STW/δ_LTW又恢复平坦，如图4所示。因此，在短时滑动窗口滑过脉冲信号的过程中，能量比值会呈现一个三角波形，开始上升位置为脉冲信号的起始位置，峰值位置为脉冲信号顶点位置，下降末端为脉冲结束位置。

若三角波形的峰值大于或等于K₀，则记录三角波形开始上升位置和下降末端对应的时间戳，得到对应的脉冲信号的起始端和结束端的位置，提取脉冲信号进行保存。如果有两次或多次记录三角波形开始上升位置和下降末端对应的时间戳非常接近，则只记录第一次的时间戳，它们可以看作是同一个局部放电脉冲事件。

(5)提取的局部放电脉冲信号可以以有线方式，也可以以无线的方式传输至目标设备。

本发明实施例采用动态可调的第一阈值对背景干扰进行过滤，并运用长短滑动时间窗口相结合的方式对信号标准差和相邻信号幅值的比率进行观测，截取疑似局部放电脉冲信号发送至目标设备。具体为，寻找连续采样记录中的特定的脉冲信号部分，其中信号的强度在0.1-1us的时间尺度上急剧增加，这是局部放电期间辐射的电磁脉冲的典型持续时间。通过设置第一阈值、第二阈值和检测窗口的宽度，可以对特定上升沿陡度的高能量脉冲信号进行检测。为了减少数据处理的时间和计算资源开销，可以将采集的数据样本先以大窗口进行滑动检测，只截取最高幅值大于某个特定幅值门限(第一阈值)的大窗口内的数据；然后以小窗口以一定比例的重叠率对截取的高幅值大窗口信号进行滑动检测，判断小窗口内信号的能量平均值与大窗口内信号的能量平均值比值，和滑动的两个相邻小窗口内最大幅值比值，是否均大于相对系数阈值(第二阈值)来判断是否为局放脉冲信号。上述脉冲检测通过计算两个相邻滑动窗口的最高幅值的相对系数以及滑动窗口相对底噪的能量系数得以实现。

本发明实施例的局部放电脉冲检测方法，对宽带射频传感器耦合的空间电磁波信号进行高速连续采样的数字信号，通过长短时滑动窗口相结合的方式进行扫描，截取疑似局放脉冲信号。首先，通过长时滑动窗口对原始采集信号进行扫描，采用动态可调的幅度阈值对背景干扰进行过滤，截取每个长时滑动窗口最大幅值大于或等于设置的第一阈值的窗口信号，称为高幅值长时窗口信号。其次，通过短时滑动窗口以一定重叠率对高幅值长时窗口信号进行扫描，对长、短时窗口信号能量分布平均值比率，以及短时滑动窗口相邻两个滑动窗信号最大幅值的比率进行观测，截取两个比率均大于或等于设置的第二阈值的信号，获得疑似局放脉冲信号。本发明能够从连续高速采集的无线射频信号中，检测到脉冲信号并提取与其相关的样本数据，而把与宽带射频脉冲不相关的周期性窄带干扰和其他不具备脉冲特征的干扰噪声等样本数据去除掉，大大降低数据量和传输带宽，使无线传输成为可能，并为后续局放信号特征辨识分析提供数据基础。

本发明实施例还提供一种宽带射频局放传感器，如图6和图7所示，该宽带射频局放传感器包括：

射频传感模块1，设置于待测设备所处空间，用于采集目标信号。射频传感模块1是一个集无线信号接收及模拟调制于一体的模块。涵盖50M-1000M的超宽带频段，可以分布式地部署在被测电工设备周边，不同传感器之间具备高精度同步检测能力。射频传感模块1的工作流程具体内容参见上述方法实施例对应部分，在此不再赘述。

数据采集及预处理模块2，和射频传感模块1连接，用于对获取的目标信号进行高速采样得到待检测信号，以及根据本发明上述方法实施例对待检测信号进行局放脉冲信号检测及截取。数据采集及预处理模块2集成了高速数模转换器ADC、FPGA以及高精度时钟同步模块等。数据采集及预处理模块2的工作流程具体内容参见上述方法实施例对应部分，在此不再赘述。

通信及控制模块3，和目标设备连接，用于对截取的数据进行回传及目标设备的控制命令的下达。通信及控制模块3的工作流程具体内容参见上述方法实施例对应部分，在此不再赘述。

在一实施例中，射频传感模块1包括：

信号接收模块，用于接收待测设备所处空间的射频电磁波信号。

模拟调制模块，用于对所述信号接收模块接收的电磁波信号进行滤波和增益调节，得到目标信号。

在一实施例中，数据采集及预处理模块2包括：

数据采集模块，对所述射频传感模块转发的目标信号进行高速采样，得到待检测信号。

数据同步模块，用于对多个射频传感模块接收到的目标信号进行时间同步。

数据预处理模块，用于根据本发明上述方法对待检测信号进行局放脉冲信号检测及截取。具体地，根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于第一阈值的窗口信号；以及基于截取的信号，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的长时窗口内信号的能量分布平均值的比值关系，以及短时滑动窗口的相邻两个窗口内信号幅值的比值关系，判断是否检测到局部放电脉冲信号。

在一实施例中，数据预处理模块包括：

局放脉冲信号的粗略判定，设置长时滑动窗口，在待检测信号进行滑动，当长时滑动窗口内信号幅值的最大值大于或等于设置的第一阈值时，判定该长时窗口内有疑似局放信号，截取该长时窗口信号。

局放脉冲信号的精确判定，设置短时滑动窗口，在截取的高幅值长时窗口内滑动，当短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的长时窗口内信号的能量分布平均值的比值关系，以及短时滑动窗口的相邻两个窗口内信号幅值的比值关系比值均大于或等于设置的第二阈值，则检测到局部放电脉冲信号；若否，则未检测到局部放电脉冲信号。

局放脉冲起止时间判定，基于短时滑动窗口能量分布平均值和其滑过的长时窗口能量分布平均值的比值，获取短时滑动窗口能量分布平均值和长时窗口能量分布平均值的比值关于时间的变化曲线，当变化曲线的三角波形的峰值大于或等于第二阈值，则三角波形的开始上升时间和结束下降时间为检测到的局部放电脉冲信号的起始时间和结束时间。基于起始时间和结束时间截取检测到的局部放电脉冲信号；将截取的局部放电脉冲信号发送至目标设备。

通信及控制模块3包括：通信模块，包括有线和无线方式，与目标设备建立连接，用于将预处理后的信号发送至目标设备进行进一步分析计算。控制模块，用于将采样控制和配置命令进行下发，对传感器节点进行管理和配置。

具体地，宽带射频局放传感器的部署图如图7所示。目标设备可以为PC机、笔记本、工控机等目标设备，内置局部放电分析***软件，局部放电分析***软件用于对局部放电脉冲信号进一步辨识及局部放电源定位，具备脉冲分类、局放定位、特征挖掘和脉冲类别识别等功能。将截取的局部放电脉冲信号发送至目标设备的方式可以为无线传输也可以为有线传输，例如可以通过工业交换机进行无线传输。

本发明实施例通过在采集端检测局部放电脉冲信号然后对其进行截取和传输，在传感器侧利用典型局放脉冲时域波形特点，将局部放电脉冲信号从大量无用信息中截取出来，大大降低数据量和传输带宽，为后续数据分析定位提供数据基础，能够降低数据传输带宽要求且实现长时间的检测和快速的局部放电数据分析。

以上，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，其特征在于：

获取待检测信号；

根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于或等于设置的第一阈值的高幅值长时窗口信号；

基于所述高幅值长时窗口信号，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关系，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值关系，判断是否检测到局部放电脉冲信号，其中，所述长时滑动窗口的窗口长度大于所述短时滑动窗口的窗口长度。

2.根据权利要求1所述的基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，其特征在于：根据长时滑动窗口截取待检测信号中信号幅值大于或等于设定的第一阈值的高幅值长时窗口信号，包括：

将所述长时滑动窗口以自身窗口长度为步长，滑过待检测信号，记录每个所述长时滑动窗口内的待检测信号的最大幅值；

截取所述最大幅值大于或等于设定的第一阈值的所述长时滑动窗口内的信号，得到高幅值长时窗口信号。

3.根据权利要求1所述的基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，其特征在于：基于所述高幅值长时窗口信号，根据短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和其滑过的所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关系，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值关系，判断是否检测到局部放电脉冲信号，包括：

将短时滑动窗口以设定的步长滑过每个所述高幅值长时窗口信号；

基于截取的高幅值长时窗口信号，计算每个所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值，并记录每个短时滑动窗口内信号的最大幅值；

基于所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值，判断待检测信号中是否检测到局部放电脉冲信号。

4.根据权利要求3所述的基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，其特征在于：基于所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值，判断待检测信号中是否检测到局部放电脉冲信号，包括：

分别判断所述短时滑动窗口信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值是否均大于或等于第二阈值；

若所述短时滑动窗口信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，以及所述短时滑动窗口在滑动过程中的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值均大于或等于所述第二阈值，则检测到局部放电脉冲信号；

若所述短时滑动窗口信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号能量分布平均值的比值，或者短时滑动窗的两个相邻窗口内信号最大幅值的比值小于所述第二阈值，则未检测到局部放电脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，其特征在于，在检测到局部放电脉冲信号后，还包括：

基于所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述短时滑动窗口滑过的高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，确定检测到的局部放电脉冲信号的起始时间和结束时间；

基于所述起始时间和所述结束时间截取检测到的局部放电脉冲信号；

将截取的局部放电脉冲信号发送至目标设备。

6.根据权利要求5所述的基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，其特征在于，基于所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述短时滑动窗口滑过的高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值，确定检测到的局部放电脉冲信号的起始时间和结束时间，包括：

获取所述短时滑动窗口内信号的能量分布平均值和所述高幅值长时窗口信号的能量分布平均值的比值关于时间的变化曲线；

获取所述变化曲线中出现的三角波形的峰值，若所述三角波形的峰值大于第二阈值，则所述三角波形的开始上升时间和结束下降时间为检测到的局部放电脉冲信号的起始时间和结束时间。

7.根据权利要求1所述的基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，其特征在于，所述能量分布平均值为时间窗口内的信号的标准差。

8.根据权利要求1所述的基于长短时滑动窗口的局放脉冲实时检测方法，其特征在于，获取待检测信号，包括：

获取待测设备所处空间的射频电磁波信号；对所述射频电磁波信号进行采样，得到待检测信号。

9.一种宽带射频局放传感器，其特征在于，包括：

射频传感模块，设置于待测设备所处空间，用于采集目标信号；

数据采集及预处理模块，和所述射频传感模块连接，用于对获取的目标信号进行高速采样得到待检测信号，以及根据如权利要求1至8任一项所述的局放脉冲实时检测方法对待检测信号进行局放脉冲信号检测及截取；

通信及控制模块，和目标设备连接，用于对截取的数据进行回传及目标设备的控制命令的下达。

10.根据权利要求9所述的宽带射频局放传感器，其特征在于，所述射频传感模块包括：

信号接收模块，用于接收待测设备所处空间的射频电磁波信号；

模拟调制模块，用于对所述信号接收模块接收的电磁波信号进行滤波和增益调节，得到目标信号。

11.根据权利要求9所述的宽带射频局放传感器，其特征在于，所述数据采集及预处理模块包括：

数据采集模块，对所述射频传感模块转发的目标信号进行高速采样，得到待检测信号；

数据同步模块，用于对多个射频传感模块接收到的目标信号进行时间同步；

数据预处理模块，用于根据如权利要求1至8任一项所述的局放脉冲实时检测方法对待检测信号进行局放脉冲信号检测及截取。

12.根据权利要求9所述的宽带射频局放传感器，其特征在于，所述通信及控制模块包括：

通信模块通过有线和/或无线方式与目标设备建立连接，用于将截取的信号发送至目标设备；

控制模块，用于将目标设备的采样控制和配置命令进行下发，对宽带射频局放传感器进行管理和配置。

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