一种GIS特高频局部放电在线监测系统及其监测方法

摘要

一种GIS特高频局部放电在线监测系统及其监测方法，监测系统包括传感器阵列单元、波形信号采集及传输单元、上位机单元。上位机单元包括信号处理滤波模块、局部放电判断模块、局部放电定位模块。局部定位模块包括距离计算模块和空间定位模块。监测方法包括：通过传感器阵列单元采集GIS运行时的背景噪声；示波器得到波形并发送至上位机单元；上位机单元计算出局部放电阈值，依据阈值对后续的波形数据进行监测；当一组波形数据中存在多个分量幅值大于阈值则判定发生局部放电；以变时间窗法对波形数据进行分析，计算波形畸变时间并求得时延，再以牛顿迭代法求解双曲面方程组得到局部放电位置，并发出警报。本发明能快速发现局部放电并准确定位。

说明书

技术领域

本发明涉及电气设备局部放电在线监测领域，具体涉及一种GIS特高频局部放电在线监测系统及其监测方法，旨在及时的发现GIS内部的局部放电现象并进行定位。

背景技术

变压器站经过长时间运行，气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)内部易产生缺陷而引起局部放电，长时间的高频局部放电极易破坏或击穿GIS绝缘层，造成经济损失甚至引发事故，因此及时发现GIS内部的局部放电现象并对其定位，对变压器站的运维有着极其重大的意义。

在传统的GIS局部放电检测中，通常局部放电问题已经存在了一段时间后，才被检修人员探测到。变电站GIS设备数量较多，若缩小检修间隔，则成本成倍增加，若增大检修间隔，则极易错过最佳检修时间。传统的GIS检修一般采用平面时差法，该方法需要反复变换传感器位置，还需要人工对波形图的畸变时间进行判断，操作繁琐复杂，且定位精度不高。传统的GIS检修过程中各种设备连线繁杂，不仅使用不便还存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种GIS特高频局部放电在线监测系统及其监测方法，能够快速发现放电现象并进行定位，布线及操作简单，节约人力。

为了实现上述目的，本发明的在线监测系统包括传感器阵列单元、波形信号采集及传输单元、上位机单元；所述的传感器阵列单元包括均匀布置在GIS绝缘子外缘的多个外置传感器以及布置在GIS内部的参考传感器；所述的波形信号采集及传输单元包括示波器和无线路由器，示波器用于融合传感器波形信号并定时发送波形数据；所述的上位机单元包括依次相连的信号处理滤波模块、局部放电判断模块以及局部放电定位模块；信号处理滤波模块接收波形数据并进行预处理及滤波，局部放电判断模块对GIS内部是否产生局部放电进行判断，局部放电定位模块用于定位局部放电的位置，包括距离计算模块和空间定位模块。

所述的传感器阵列单元包括四个特高频传感器，GIS绝缘子为盆式绝缘子，三个外置传感器以间隔120°的方式布置在GIS盆式绝缘子外缘，一个参考传感器布置在GIS内部。

本发明GIS特高频局部放电在线监测系统的监测方法，包括以下步骤：

1)通过传感器阵列单元中的多个特高频传感器采集GIS运行时的背景噪声；

2)示波器对背景噪声可视化，得到波形Y₀,Y₁,Y₂,Y₃并通过无线路由器发送至上位机单元；

3)上位机单元的信号处理滤波模块对波形Y₀,Y₁,Y₂,Y₃进行归一化预处理及小波变换滤波，局部放电判断模块计算出局部放电阈值T₀,T₁,T₂,T₃，并依据阈值对后续的波形数据进行监测；

4)当波形数据Y₀,Y₁,Y₂,Y₃中没有大于阈值T₀,T₁,T₂,T₃的分量或分量数量不足时，重复上述步骤1)-3)；当一组波形数据中存在多个分量幅值大于阈值则判定GIS内部发生局部放电；

5)局部放电定位模块以变时间窗法对波形数据Y₀,Y₁,Y₂,Y₃进行分析，计算波形畸变时间，并求得时延Δt_i＝t_i-t₀，再以牛顿迭代法求解双曲面方程，得到局部放电位置，并发出警报。

优选的，设所获波形数据为Y，对Y进行归一化处理其中表示波形Y的均值,表示中的最大值。所述的小波变换滤波采用无偏估计以及根据每一层小波分解的噪声水平估计进行调整，对波形Y进行滤波。

优选的，上位机单元通过获得的波形数据计算阈值T＝5max(Y)，并随时间进行更新，系统运行设定时间后，锁定四个阈值T₀,T₁,T₂,T₃。

距离计算模块记参考传感器所得波形信号Y₀的波形畸变时间为t₀，记外置传感器所得波形信号Y_i,i＝1,2,3，其波形畸变时间为t₁,t₂,t₃，则时延Δt_i＝t_i-t₀；局部放电点到参考传感器及三个外置传感器的距离差Δs_i＝cΔt_i，其中c为光速，设局部放电点坐标为(x,y,z)。

构建双曲面方程如下：

其中，(x₀,y₀,z₀)为内置传感器的坐标，(x_i,y_i,z_i)为外置传感器的坐标位置；

通过牛顿迭代法求解上述方程得到局部放电点的坐标。

优选的，对设定时间段的波形信号Y以变时间窗法计算时间窗内的信号标准差：

其中，N为信号Y的维度，i为时间窗长度，

其次，计算标准差梯度D_i＝S_i-S_i-1；

最后，得到畸变发生时间：

所述牛顿迭代法的迭代式为：

x^(k+1)＝x^(x)-J^-1(x^(x))F(x^(x))

其中，F为该三元非线性方程组F(x)＝0。

所述示波器的采样率依据GIS材料选定。

与现有技术相比，本发明的在线监测系统中所采用的设备及装置均为GIS局部放电检测中的常用设备，本发明在对GIS内部是否出现局部放电进行实时监测时，不需要花费大量经费购置新设备，具有极强的经济效益；本发明设备终端与上位机之间的数据通信方式采用的是网络无线传输，解决了监测布线复杂以及技术人员不能离开现场的不便，本发明局部放电定位模块以变时间窗法对波形数据进行分析，计算波形畸变时间，并求得时延，再以牛顿迭代法求解双曲面方程组，具有计算方便，精度高的特性，因此定位速度快，定位精度高。

附图说明

图1本发明GIS特高频局部放电在线监测系统框图；

图2本发明GIS特高频局部放电在线监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明的GIS特高频局部放电在线监测系统包含以下组成部分：传感器阵列单元、波形信号采集及传输单元、上位机单元。上位机包括信号处理滤波模块、局部放电判断模块、局部放电定位模块。局部定位模块包括距离计算模块和空间定位模块。

传感器阵列单元包括4个特高频传感器，其中3个特高频传感器以间隔120°的方式布置在GIS盆式绝缘子外缘；另外一个特高频传感器布置在GIS内部，也称其为参考传感器。

波形采集及传输单元包括一台示波器及一台无线路由器，示波器通道1-4融合获取特高频传感器波形信号，定时通过无线路由器经由网络发送波形数据。

上位机单元的信号处理滤波模块对波形进行归一化预处理及小波变换滤波。设所获波形数据为Y，对Y进行归一化处理其中表示波形Y的均值,表示中的最大值。小波变换滤波采用无偏估计及根据每一层小波分解的噪声水平估计进行调整对波形Y进行滤波。局部放电判断模块采用经验阈值法对GIS内部是否产生局部放电进行判断。在检测系统启动时，即GIS正常运行时对特高频传感器所得波形信号Y进行阈值T获取，其中T＝5max(Y)。当检测系统发现检测过程中波形信号Y中存在多个分量y_i＞T时，说明GIS内部发生了局部放电。局部放电定位模块以双曲面交点法来定位局部放电位置，包括距离计算模块和空间定位模块。距离计算模块记内置特高频传感器所得波形信号Y₀的波形畸变时间为t₀，记外置超高频传感器所得波形信号Y_i,i＝1,2,3，其波形畸变时间为t₁,t₂,t₃，则时延Δt_i＝t_i-t₀。局部放电点到内置传感器及三个外置传感器的距离差Δs_i＝cΔt_i，其中c为光速。

设局部放电点坐标为(x,y,z)，构建双曲面方程：

其中，(x₀,y₀,z₀)为内置传感器的坐标，(x_i,y_i,z_i)为外置传感器的坐标位置。

通过求解上述方程得到局部放电点的坐标。

距离计算模块中采用改进标准差法确定信号畸变发生时间。

对一段时间的波形信号Y以变时间窗计算时间窗内的信号标准差：

其中N为信号Y的维度，i为时间窗长度。计算标准差梯度D_i＝S_i-S_i-1，则畸变发生时间

双曲面方程组的解法使用牛顿迭代法进行。迭代式为：

x^(k+1)＝x^(x)-J^-1(x^(x))F(x^(x))；

其中F为该三元非线性方程组F(x)＝0。

参见图2，本发明以一台实验用GIS及高频高压发生器为例，监测方法包括以下步骤：

1)将三个特高频传感器以间隔120°的方式布置在GIS盆式绝缘子外缘；另外一个特高频传感器布置在GIS内部。将传感器通过信号线与示波器连接。设置示波器采样率为10GHz，将示波器与无线路由器连接，使示波器与上位机处于同一个局域网中。

2)运行上位机，示波器定时向上位机发送波形数据，上位机对每次获得的波形数据都进行归一化预处理及小波变换滤波。上位机通过获得的波形数据计算阈值T＝5max(Y)，并随时间进行更新，系统运行一段时间后，锁定四个阈值T₀,T₁,T₂,T₃。

3)当GIS内部正常运行时，上位机不进行波形畸变时刻计算及局放点定位。启动高频高压发生器，在GIS内部产生一个稳定的高频局部放电信号。

4)上位机通过获得的波形数据，分析发现四组波形数据均稳定存在大于各自阈值T₀,T₁,T₂,T₃的多个分量，判定在GIS内部存在有局部放电。

5)距离计算模块中采用改进标准差法确定信号畸变发生时间。

首先按照下式对波形信号Y以变时间窗计算时间窗内的信号标准差：

其中N为信号Y的维度，i为时间窗长度。接着计算标准差梯度D_i＝S_i-S_i-1，则得到畸变发生时间得到四个畸变发生时间t₀,t₁,t₂,t₃，得到时延Δt_i＝t_i-t₀，计算距离差Δs_i＝cΔt_i。

6)空间定位模块依据距离差Δs_i＝cΔt_i及传感器坐标信息求解方程组最终得到局放点坐标(x,y,z)。

7)上位机输出局放点坐标，并向技术人员发出警报。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，而非用以对本发明做任何形式上的限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神原则的条件下，本发明还可以做出若干形式上的修改或简单替换，这些修改和替换也均会落入由所提交权利要求确定的专利保护范围之内。