基于UHF方法的GIS局部放电检测与仿生模式识别

摘要

气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear-GIS)也称作气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation-GIS),以其结构紧凑、运行可靠、易于维护等优点而在电力系统中得到广泛应用。但由于GIS结构复杂、制造与检修工艺精细,使部分常规的预防性试验方法难以有效实施,因此,GIS一旦发生故障后果相当严重。为了及时掌握GIS的绝缘状态,保证GIS的安全可靠运行,国内外对GIS局部放电检测技术开展了大量的研究,其中超高频(Ultra High Frequency-UHF)局部放电(Partial Discharge-PD)检测方法具有优越的抗干扰性能与较高的检测灵敏度,成为近年来的研究热点。然而,到目前为止,GIS中的LIHF PD检测还是一个尚待深入研究的前沿课题,其难点主要包括:GIS中PD机理及其电磁波传播特性、稳定可靠的检测系统研制、UHF PD信号特征空间的构造与降维以及合理的缺陷类型模式识别方法等。
　　 论文从GIS局部放电机理、PD实际电流激发的电磁波以及GIS实际结构条件下电磁波传播特性出发,通过GIS PD检测试验,应用自主开发的UHF PD检测系统获得了大量试验数据,并在此基础上提出了UHF PD包络信号的特征空间构造与降维方法,应用仿生模式识别理论对GIS中的典型绝缘缺陷类型进行了成功识别。
　　 论文首先对GIS中UHF PD检测的国内外研究与应用现状进行了综述,概括阐述了GIS内部电磁波传播特性、UHF PD信号分析模式、缺陷类型模式识别以及UHF PD检测系统的研究与应用等方面的研究进展及存在的问题。然后详细分析了GIS中典型绝缘缺陷引发的PD的放电机理,并应用时域有限差分算法,以PD实际电流脉冲作为激励源,研究了GIS实际结构对电磁波传播的影响。仿真结果表明,PD实际电流脉冲与理想高斯脉冲激励的电磁波在上升时间、振荡衰减以及频率成分方面都具有明显差异,而且GIS中的盆式绝缘子、三相共筒以及断路器等实际结构均会对电磁波产生幅值、频率等方面的影响。然后,论文共设计制作了5种典型绝缘缺陷模型,并分别在正泰公司生产的126kV GIS与SIEMENS公司生产的252kV GIS上进行了局部放电UHF PD检测试验,应用自主研制的GIS UHF PD检测系统录取了大量试验数据。进而,论文以UHF PD时域包络信号为分析对象,提出了改进的自适应小波去噪算法及特征空间构造方法,将Weibul分布参数及Mel复倒谱系数引入特征空间,在时域、频域与分布域共提取37个特征参数。在此基础上,提出了改进的核主成分分析法与基于相关系数矩阵的降维算法,同时引入基于粗糙集理论的属性约简方法,用于特征空间的降维。并指出了三种降维算法的适用场合。
　　 最后,论文将仿生模式识别理论首次引入局部放电模式识别领域,用于GIS典型绝缘缺陷类型的模式识别。该方法以“认识”及“同源连续性”为基点,完全打破了以往基于“划分”的模式识别思想,具有崭新的特色。本文详细论述了仿生模式识别的基本思想、理论基础与实现方法,在前人研究的基础上提出了新颖的理论解释与计算方法,并与传统的BP神经网络及支持向量机分类方法进行了比较,显示了仿生模式识别方法的优越性。论文结尾,对全文进行了总结,并对下一步的研究工作作了展望。本文的研究成果对于GIS中局部放电机理、UHF PD检测与缺陷类型模式识别及其对GIS运行与检修的指导都具有重要理论价值与现实意义。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 GIS局部放电及检测方法

1.1.1 GIS的绝缘缺陷

1.1.2 GIS局部放电的检测方法

1.2 GIS局部放电UHF检测及模式识别的研究现状

1.2.1 GIS局部放电UHF检测系统

1.2.2 UHF PD信号的分析模式

1.2.3 UHF PD信号特征空间的构造与降维

1.2.4 模式识别分类器的设计

1.3 本文主要研究内容

1.3.1 问题的提出

1.3.2 课题来源

1.3.3 本文主要研究内容与创新点

第二章 GIS局部放电机理及GIS实际结构对电磁波传播的影响

2.1 SF6中的气体放电机理

2.2 GIS典型绝缘缺陷的局部放电机理

2.3 GIS局部放电实际电流信号激励条件下的电磁波传播特性

2.3.1 FDTD算法

2.3.2 GIS局部放电电流实测信号

2.3.3 GIS局部放电电流实测信号激励条件下的电磁波传播特性

2.4 GIS实际结构对电磁波传播的影响

2.4.1 盆式绝缘子对电磁波传播的影响

2.4.2 屏蔽电极对电磁波传播的影响

2.4.3 电磁波在三相共筒GIS中的的传播

2.4.4 电磁波在GIS断路器中的传播

2.5 本章小结

第三章 GIS典型绝缘缺陷的UHF PD检测试验

3.1 试验系统设置

3.1.1 试验系统设置

3.1.2 基于包络检波的UHF放大器

3.2 GIS典型绝缘缺陷的设计

3.2.1 GIS筒底部的自由金属微粒

3.2.2 金属突出物

3.2.3 环氧绝缘子内部气泡

3.2.4 绝缘子表面的金属污秽

3.2.5 浮动电极

3.3 GIS局部放电UJHF检测试验

3.3.1 试验步骤与注意事项

3.3.2 SIEMENS公司252kV GIS试验结果与分析

3.3.3 正泰公司126kV GIS试验结果与分析

3.4 本章小结

第四章 UHF PD包络信号的特征空间构造

4.1 改进的小波阈值滤波算法

4.1.1 小波阈值滤波的基本思想

4.1.2 小波阈值滤波算法

4.1.3 小波阈值滤波算法的改进

4.2 UHF PD包络信号特征参数的选取

4.2.1 时域脉冲波形特征参数

4.2.2 频域特征参数

4.2.3 新型分布特征参数

4.3 UHF PD包络信号特征空间的构造

4.4 本章小结

第五章 特征空间的降维算法研究

5.1 改进的核主成分分析法

5.1.1 核主成分分析法

5.1.2 改进的核主成分分析法

5.2 基于粗糙集理论的降维算法

5.2.1 粗糙集理论的几个定义

5.2.2 基于支持度的连续属性离散化

5.2.3 连接差别矩阵的计算与约简

5.2.4 基于粗糙集知识约简的降维算法

5.3 基于相关系数矩阵的降维算法

5.3.1 相关系数矩阵降维算法的基本思想

5.3.2 相关系数矩阵降维算法的理论方法

5.3.3 相关系数矩阵降维算法的实现

5.4 本章小结

第六章 仿生模式识别的理论基础与实现方法

6.1 仿生模式识别的基本思想

6.2 仿生模式识别的理论基础

6.2.1 事物的同源连续性规律

6.2.2 高维欧氏几何学

6.2.3 高维空间中的膨胀积运算

6.3 仿生模式识别的实现方法

6.3.1 超平面的求解

6.3.2 超曲面与超多面体的求解

6.3.3 仿生模式识别的实现步骤

6.4 本章小结

第七章 GIS绝缘缺陷类型的仿生模式识别与比较

7.1 基于BP神经网络的GIS绝缘缺陷类型模式识别

7.2 基于SVM的GIS绝缘缺陷类型模式识别

7.3 基于BPR的GIS绝缘缺陷类型模式识别与比较分析

7.4 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 本文主要结论

8.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢