基于频谱能量分布概率的直流局部放电信号分类识别方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，特别是一种基于频谱能量分布概率的直流局部放电信号分类识别方法。

背景技术

高压直流输电具有输送容量大、送电距离远、输送功率的大小和方向可以快速控制和调节、对环境影响小等特点，特别适合缓解我国用电负荷与发电能源分布极不均衡的现状。目前我国高压直流输电的最高电压等级为±800kV，而近日开工建设的晋北-江苏±800kV特高压直流输电工程将使我国特高压直流输电工程更加发展壮大。

在长期高电压作用下，电气设备不可避免地出现绝缘性能下降、局部放电等问题。局部放电不仅是电力设备绝缘老化的结果，而且是引起绝缘老化的重要原因，它与绝缘内部的缺陷密切相关。作为一种有效监视电气设备绝缘状况的参数，在直流电压作用下局部放电的研究显得尤为重要。

长久以来人们对于高压直流局放的研究远远落后于交流。从20世纪80年代末开始，荷兰Delft工业大学对高压直流下的局部放电进行了系列研究，以直流电压下局部放电的物理分析开始，并将局部放电分析应用于电容器和高压直流电缆局部放电的检测。1995年U.Fromm等人发展了直流电压下内部气隙重复放电的数学模型，提出了将放电幅值、放电脉冲次数以及相邻放电之间的时间间隔作为直流下局部放电的最基本的参数；2004年P.H.F.Morshuis总结了Delft工业大学十几年有关高压直流局部放电的工作，从一定程度上解释了直流下局部放电的产生与发展过程。

由于不同性质的缺陷对设备绝缘的危害程度不同，因而直流局部放电研究的首要问题是缺陷的识别。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种基于频谱能量分布概率的直流局部放电信号分类识别方法。具体设计方案为：

一种基于频谱能量分布概率的直流局部放电信号分类识别方法，依次进行模型搭建步骤、数据采集步骤、平滑降噪处理步骤、频谱划分步骤、分布概率求取步骤，所述模型搭建步骤为高压直流电源及直流局部放电模拟、检测模型；所述数据采集步骤中，利用标准脉冲发生器对检测系统进行脉冲放电量幅值标定，读取该测量系统所显示信号幅值；所述平滑降噪处理部分，对高频耦合电流传感器采集到的原始局放脉冲波形，采用Savitzky-Golay算法进行降噪，所述频谱划分步骤中，采用直流局放脉冲波形频率特点对放电类型进行分类与识别；所述分布概率求取步骤中，计算得到各个频段的能量分布概率，并绘于能量分布概率图中。

所述高压直流电源及直流局部放电模拟、检测模型包括高压直流电源、保护电阻、电阻分压器、油纸绝缘缺陷模型、真空泵、高频耦合电流传感器、示波器，所述高压直流电源的一端接保护电阻的一端，保护电阻的另一端、电阻分压器的一个固定端接油纸绝缘缺陷模型的一端，电阻分压器的另一个固定端、高压直流电源的另一端接参考地，电阻分压器的滑动端接示波器的输入端，示波器的输出端、油纸绝缘缺陷模型的另一端接高频耦合电流传感器，所述油纸绝缘缺陷模型的内部与真空泵连通，整个实验在屏蔽室内完成，直流电压采用倍压电路产生，局部放电的检测利用意大利TechImp公司研制的局部放电检测仪实现。

所述数据采集步骤中，首先利用标准脉冲发生器对检测系统进行脉冲放电量幅值标定，由一个放电量已知并且可调节的脉冲信号源，以脉冲的形式将电荷注入高压电极，局放测量系统的增益调节至最大，调节触发值至脉冲电流信号水平，然后逐渐增加脉冲电流信号的幅值，直到该测量系统能够获取脉冲电流信号为止，继续增加脉冲源输出信号幅值，读取该测量系统所显示信号幅值。

拟合得到的放电幅值-放电强度关系式为Q＝0.77477+0.06794U-3.81892×10

在直流电压下，将出现局部放电时施加在试品两端的电压定义为局部放电起始电压，由于直流局部放电不具有规律的重复性，因此需规定一个每分钟放电次数，国际认可的每分钟放电次数为1次，也就是说若在实验中采用阶梯升压法，每个电压保持10min，那么只有10min内出现大于10次的放电，才认为此时的外施电压为局放起始电压，依据此法则，采用阶梯升压法确定试品直流局放起始电压。

由于需对局放脉冲波形进行频谱分析，并在频谱函数的基础上求得不同频带波形能量分布概率，因此对局放波形的准确提取是一切工作的前提，但在实验中由于环境微小振动及微弱电磁干扰的存在，信号波形不可避免的含有噪声，加之信号微弱，因此首先就要对原始信号进行预处理，对数据进行有效的消噪和平滑尤为重要，所述平滑降噪处理步骤中，考虑一组以n＝0为中心的2M+1个数据，用如下多项式进行拟合

其最小二乘拟合的残差为：

利用卷积运算来求取拟合多项式的常数项，即对输入数据进行加权平均：

对上式求偏导数，则有：

化简后可得：

式中，i＝0,1,...,N，令A＝{a

Ba＝A

a＝(A

H即为所求卷积系数，

采用上述S-G算法对脉冲波形进行平滑降噪，处理时选取的拟合多项式为5次多项式，单组拟合数据为20个数据点，拟合得到的脉冲波形如图5所示，对比图4及图5中的波形可以看到，S-G算法的滤波效果较好，能够较好地将噪声去除。

所述频谱划分步骤中，现有技术缺陷在于，缺陷在局放起始电压下会出现单一类型的局部放电，每次放电脉冲波形类似，不同缺陷放电脉冲波形较为接近，如图6所示，因此直接从时域的角度对放电波形进行分析划分是较为困难的，但不同缺陷类型产生的看似相近的时域脉冲波形在频域下却有明显的区别，其中针板模型局放振幅较高的频率范围为0-50MHz，在50MHz-150MHz之间也有一些能量分布；内部气隙模型局放能量几乎全部分布在0-50MHz以内，其他频率范围没有分布；沿面模型局放能量主要分布在50MHz-150MHz范围内，在0-50MHz及150MHz-200MHz范围内也有分布，基于以上结果，采用直流局放脉冲波形频率特点对放电类型进行分类与识别。为实现统计分析，并方便快捷地对放电类型进行分类与识别，将0-200MHz分为3个频段，分别为低频段0-50MHz、中频段50MHz-150MHz及150MHz-200MHz，如图7所示，则对局放脉冲波形而言，各个频段的能量分布概率可由式(1.9)计算：

由Parseval能量恒等式可知，式(1.9)还有另一种表现形式，即用频谱函数模平方计算，如式(1.10)所示：

其中R

所述分布概率求取步骤中，根据式(1.10)计算可得到局放脉冲波形各个频段的能量分布概率α、β、γ，由计算式可知三者之和为100％，由前述分析可知，不同缺陷类型在直流电压下产生的局部放电各频段能量分布概率是不同的，为直观分析并方便今后采用聚类分析法对放电类型进行识别，将概率α、β、γ绘于三元参数图(Ternary Plot)中，具体如图8示意，上图中各点概率分布为：A(0，0，100％)，B(0，100％，0)，C(100％，0，0)，D(25％，50％，25％)，将各缺陷类型在局放起始电压下发生的局部放电脉冲进行频谱分析，求得各频段能量分布概率并绘于能量分布概率图中，即可方便直观地对放电类型进行分类与识别。

通过本发明的上述技术方案得到的基于频谱能量分布概率的直流局部放电信号分类识别方法，其有益效果是：

通过绘制三元能量概率分布图，可对不同直径针板模型下的局部放电进行识别。该研究拟为识别电力设备在直流电压下的放电类型、评估放电危害奠定基础。

附图说明

图1是本发明所述实验回路示意图；

图2是本发明所述脉冲电流测量系统标定曲线图；

图3是本发明所述实验电极示意图；

图4是本发明所述平滑处理前局放脉冲波形图；

图5是本发明所述平滑处理后局放脉冲波形图；

图6是本发明所述不同缺陷类型下局部放电脉冲波形图；

图7是本发明所述局放脉冲频谱划分示意图；

图8是本发明所述局放脉冲频谱能量分布概率图示意图；

图9是本发明所述不同直径针板电极局放起始电压及最大场强图；

图10是本发明所述局放起始电压下不同直径针板电极局放脉冲幅值图；

图11a1是本发明所述0.5mm针尖直径局放脉冲波形图；

图11a2是本发明所述0.5mm针尖直径局放脉冲幅值-频谱图；

图11b1是本发明所述1.0mm针尖直径局放脉冲波形图；

图11b2是本发明所述1.0mm针尖直径局放脉冲幅值-频谱图；

图11c1是本发明所述2.0mm针尖直径局放脉冲波形图；

图11c2是本发明所述2.0mm针尖直径局放脉冲幅值-频谱图；

图11d1是本发明所述4.0mm针尖直径局放脉冲波形图；

图11d2是本发明所述4.0mm针尖直径局放脉冲幅值-频谱图；

图12是本发明所述局放起始电压下不同直径针板电极频谱能量分布概率图；

图中，1、高压直流电源；2、保护电阻；3、电阻分压器；4、油纸绝缘缺陷模型；5、真空泵；6、高频耦合电流传感器；7、示波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。

一种基于频谱能量分布概率的直流局部放电信号分类识别方法，依次进行模型搭建步骤、数据采集步骤、平滑降噪处理步骤、频谱划分步骤、分布概率求取步骤，所述模型搭建步骤为高压直流电源及直流局部放电模拟、检测模型；所述数据采集步骤中，利用标准脉冲发生器对检测系统进行脉冲放电量幅值标定，读取该测量系统所显示信号幅值；所述平滑降噪处理部分，对高频耦合电流传感器采集到的原始局放脉冲波形，采用Savitzky-Golay算法进行降噪，所述频谱划分步骤中，采用直流局放脉冲波形频率特点对放电类型进行分类与识别；所述分布概率求取步骤中，计算得到各个频段的能量分布概率，并绘于能量分布概率图中。

所述高压直流电源及直流局部放电模拟、检测模型包括高压直流电源1、保护电阻2、电阻分压器3、油纸绝缘缺陷模型4、真空泵5、高频耦合电流传感器6、示波器7，所述高压直流电源1的一端接保护电阻2的一端，保护电阻2的另一端、电阻分压器3的一个固定端接油纸绝缘缺陷模型4的一端，电阻分压器3的另一个固定端、高压直流电源1的另一端接参考地，电阻分压器3的滑动端接示波器7的输入端，示波器7的输出端、油纸绝缘缺陷模型4的另一端接高频耦合电流传感器6，所述油纸绝缘缺陷模型4的内部与真空泵5连通，整个实验在屏蔽室内完成，直流电压采用倍压电路产生，局部放电的检测利用意大利TechImp公司研制的局部放电检测仪实现。

所述数据采集步骤中，首先利用标准脉冲发生器对检测系统进行脉冲放电量幅值标定，由一个放电量已知并且可调节的脉冲信号源，以脉冲的形式将电荷注入高压电极，局放测量系统的增益调节至最大，调节触发值至脉冲电流信号水平，然后逐渐增加脉冲电流信号的幅值，直到该测量系统能够获取脉冲电流信号为止，继续增加脉冲源输出信号幅值，读取该测量系统所显示信号幅值。

拟合得到的放电幅值-放电强度关系式为Q＝0.77477+0.06794U-3.81892×10

在直流电压下，将出现局部放电时施加在试品两端的电压定义为局部放电起始电压，由于直流局部放电不具有规律的重复性，因此需规定一个每分钟放电次数，国际认可的每分钟放电次数为1次，也就是说若在实验中采用阶梯升压法，每个电压保持10min，那么只有10min内出现大于10次的放电，才认为此时的外施电压为局放起始电压，依据此法则，采用阶梯升压法确定试品直流局放起始电压。

由于需对局放脉冲波形进行频谱分析，并在频谱函数的基础上求得不同频带波形能量分布概率，因此对局放波形的准确提取是一切工作的前提，但在实验中由于环境微小振动及微弱电磁干扰的存在，信号波形不可避免的含有噪声，加之信号微弱，因此首先就要对原始信号进行预处理，对数据进行有效的消噪和平滑尤为重要，所述平滑降噪处理步骤中，考虑一组以n＝0为中心的2M+1个数据，用如下多项式进行拟合：

其最小二乘拟合的残差为：

利用卷积运算来求取拟合多项式的常数项，即对输入数据进行加权平均：

对上式求偏导数，则有：

化简后可得：

式中，i＝0,1,...,N，令A＝{a

Ba＝A

a＝(A

H即为所求卷积系数，

采用上述S-G算法对脉冲波形进行平滑降噪，处理时选取的拟合多项式为5次多项式，单组拟合数据为20个数据点，拟合得到的脉冲波形如图5所示，对比图4及图5中的波形可以看到，S-G算法的滤波效果较好，能够较好地将噪声去除。

所述频谱划分步骤中，现有技术缺陷在于，缺陷在局放起始电压下会出现单一类型的局部放电，每次放电脉冲波形类似，不同缺陷放电脉冲波形较为接近，如图6所示，因此直接从时域的角度对放电波形进行分析划分是较为困难的，但不同缺陷类型产生的看似相近的时域脉冲波形在频域下却有明显的区别，其中针板模型局放振幅较高的频率范围为0-50MHz，在50MHz-150MHz之间也有一些能量分布；内部气隙模型局放能量几乎全部分布在0-50MHz以内，其他频率范围没有分布；沿面模型局放能量主要分布在50MHz-150MHz范围内，在0-50MHz及150MHz-200MHz范围内也有分布，基于以上结果，采用直流局放脉冲波形频率特点对放电类型进行分类与识别。为实现统计分析，并方便快捷地对放电类型进行分类与识别，将0-200MHz分为3个频段，分别为低频段0-50MHz、中频段50MHz-150MHz及150MHz-200MHz，如图7所示，则对局放脉冲波形而言，各个频段的能量分布概率可由式(1.9)计算：

由Parseval能量恒等式可知，式(1.9)还有另一种表现形式，即用频谱函数模平方计算，如式(1.10)所示：

其中R

所述分布概率求取步骤中，根据式(1.10)计算可得到局放脉冲波形各个频段的能量分布概率α、β、γ，由计算式可知三者之和为100％，由前述分析可知，不同缺陷类型在直流电压下产生的局部放电各频段能量分布概率是不同的，为直观分析并方便今后采用聚类分析法对放电类型进行识别，将概率α、β、γ绘于三元参数图Ternary Plot中，具体如图8示意，上图中各点概率分布为：A(0，0，100％)，B(0，100％，0)，C(100％，0，0)，D(25％，50％，25％)，将各缺陷类型在局放起始电压下发生的局部放电脉冲进行频谱分析，求得各频段能量分布概率并绘于能量分布概率图中，即可方便直观地对放电类型进行分类与识别。

实施例1不同针尖直径下针板电极局放起始。

实验采用前述阶梯升压法，确定了针板电极结构在针电极直径不同时的局放起始电压，并利用Ansoft仿真软件计算了局放起始电压下模型内部最大场强，实验结果如下表及图9所示。

由实验结果可见，随针电极直径增加，局部放电起始电压上升，其原因是间隙内电场越来越均匀。但另一方面，随电极直径增加，局放起始电压下间隙内最大场强下降。分析认为该现象是因为针电极直径增加后使电极表面有效作用面积增加，强场区域分布更加广泛，因而使电离可在较大范围内发生，从而放电不再依赖过高的电场强度。此外，随电极直径增加，局放起始电压分散性越大，该现象是因为大直径下针尖场强减小，电离过程更加随机，进而引起局部放电过程的不稳定。该过程还造成局放起始电压下大直径电极结构局放脉冲幅值的大分散性，如图10所示。针电极直径越大，局放起始电压下局部放电脉冲幅值越高，且分散性越大。考虑间隙发生局放时的视在放电量计算公式(1.11)可知，在假设间隙间电容不变的情况下，针电极直径越大，发生局放时间隙两端电压降越大，因此视在放电量越大。

Q＝C

式中Q为间隙发生局放时的视在放电量，C

实施例2不同针尖直径下针板电极局放脉冲频谱及能量分布概率图。

图11中11a1到11d2分别为实验测得的局放起始电压下不同直径针板电极局放脉冲平均波形及对应的幅值-频谱图。事实上在求取各频段内放电能量分布概率及绘制能量概率分布图时，是将所有局放起始电压下的局放脉冲波形进行处理，最终的处理结果如图12所示。

由图12可知，随针电极直径增加，局放脉冲中频段能量增加，低频段能量减少，但放电能量分布都集中在(≥50％，≤50％，≤10％)范围内。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。