绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法

摘要

本发明公开了电力传输控制技术领域中的一种绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法。包括：获取绝缘泄漏电流信号s(n)；对绝缘泄漏电流信号s(n)进行滤波得到滤波电流信号s

说明书

技术领域

本发明属于电力传输控制技术领域，尤其涉及一种绝缘泄漏电流中周期 分量与陡脉冲分量的分离方法。

背景技术

绝缘的交流泄漏电流中含周期分量，也经常包含很陡的脉冲分量，二者 均含有体现绝缘状况的信息，有多种基于泄漏电流的绝缘分析需要对周期分 量和脉冲分量进行分析，如果不能将二者进行准确分离必将影响基于泄漏电 流分析的效果。

数字滤波方式和数字非滤波方式可实现对绝缘泄漏电流中周期分量和脉 冲分量的分离。

数字滤波方式通过滤除脉冲分量从而获得周期性分量，原理简单且实现 容易，该方式在待分离的两部分分量没有频率重叠时能达到较好效果。但脉 冲分量的频谱分布非常广泛，周期性分量也有多次谐波所组成，而基于数字 滤波的方式，尤其是基于频域的数字滤波方式仅能获得某一频段内的信号作 为分析所得的周期性分量，这样所得的周期性分量中必然舍弃了部分周期性 分量同时又保留了部分脉冲分量，可能会在一定程度上影响分离的效果。

非滤波方式通过阈值判断电流中是否有脉冲，如果电流中有脉冲则用无 脉冲的信号替换之。该方式原理简单、实现容易，在信号中周期分量周期性 强且脉冲分量与周期分量区别明显时具有很好的效果。但实际应用中存在的 脉冲放电幅值有大有小，当有较小幅值的脉冲放电发生在电流的非峰值区时， 根据信号的最大幅值来判断该周期内是否发生放电就存在一定的难度，尤其 要实现自动阈值则难度更大。

综上所述，目前常用的绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方 法都存在不足之处，有必要对该方法进行改进，从而解决其存在的不足。

发明内容

本发明的目的在于，提供绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方 法，用于解决基于数字滤波方式和非滤波方式的周期分量和脉冲分量的分离方 法存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种绝缘泄漏电流中周期分 量与陡脉冲分量的分离方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：获取绝缘泄漏电流信号s(n)，n表示信号的序号；

步骤2：对绝缘泄漏电流信号s(n)进行滤波得到滤波电流信号s₁(n)；

步骤3：利用公式s₂(n)＝s(n)-s₁(n)计算得到差值电流信号s₂(n)；

步骤4：对差值电流信号s₂(n)进行处理，得到绝缘泄漏电流的陡脉冲分量 s₃(n)；

步骤5：利用公式s₄(n)＝s(n)-s₃(n)计算得到绝缘泄漏电流的周期分量 s₄(n)。

所述对绝缘泄漏电流信号s(n)进行滤波得到滤波电流信号s₁(n)利用公式

$s_1\left(i\right)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Med}\left(\right\{s\left(j\right)|0\le j\le 2i\}),& 0\le i\le k-1\\ \mathrm{Med}\left(\right\{s\left(j\right)|i-k\le j\le i+k\}),& k\le i\le N-k-1\\ \mathrm{Med}\left(\right\{s\left(j\right)|2i-N+1\le j\le N-1\}),& N-k\le i\le N-1\end{array}\right)$

其中，s(j)为绝缘泄漏电流信号，s₁(i)为滤波电流信号，Med(s)为获取序列s 的中位数运算；N为绝缘泄漏电流信号总长度，k为设定常数且满足 2k+1≤N；j为绝缘泄漏电流信号的序号，i为滤波电流信号的序号。

所述对差值电流信号s₂(n)进行处理具体是：

步骤11：获取差值电流信号s₂(n)的过零点的位置，并将所有过零点的位 置组成数组p(m)；m＝1，2，...，L，L为差值电流信号s₂(n)的过零点的数量；

步骤12：令i＝1；

步骤13：令A＝max{|s₂(j)||p(i)≤j≤p(i+1)}，当A大于等于设定阈值 I_pc时，保持s₂(j)不变；否则，令s₂(j)＝0；

步骤14：如果i≤L-2，则令i＝1+1并返回步骤13；否则，执行步骤15；

步骤15：令s₃(n)＝s₂(n)。

所述设定阈值为$I_{\mathrm{pc}}=\frac{1}{10N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}\left|s\left(n\right)\right|.$

本发明实现了绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的有效分离。

附图说明

图1是绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法流程图；

图2是绝缘泄漏电流试验原理图；

图3为脉冲幅值大时非滤波方式的分离结果示意图；其中，(a)是原电流信 号图，(b)是分离的陡脉冲分量示意图，(c)是分离的周期分量示意图；

图4为脉冲幅值大时改进的中值滤波的分离结果；其中，(a)是原电流信号 图，(b)是分离的陡脉冲分量示意图，(c)是分离的周期分量示意图；

图5为脉冲幅值小时改进的中值滤波的分离结果；其中，(a)是原电流信号 图，(b)是分离的陡脉冲分量示意图，(c)是分离的周期分量示意图；

图6为脉冲密集时改进的中值滤波的分离结果；其中，(a)是原电流信号图， (b)是分离的陡脉冲分量示意图，(c)是分离的周期分量示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅 仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

图1是绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法流程图。图1中， 本发明提供的绝缘泄漏电流中周期分量与陡脉冲分量的分离方法包括：

步骤1：获取绝缘泄漏电流信号s(n)，n表示信号的序号。

获取绝缘泄漏电流信号是本领域技术人员常用的技术手段，可以采用无感 电阻或Rogowski线圈等方式。

步骤2：对绝缘泄漏电流信号s(n)进行滤波得到滤波电流信号s₁(n)。

本发明采用改进的中值滤波算法对绝缘泄漏电流信号s(n)进行滤波，从而 得到滤波电流信号s₁(n)。中值滤波是一种非线性的滤波方法，该方法通过对窗 内信号取中值来抑制脉冲噪声的干扰，通过窗的向后移动最终得到滤波后信 号。因为陡脉冲状分量持续时间不长且通常处于周围信号的极大值或极小值的 位置，选择一定长度的窗，然后对窗内信号取中值通常能将脉冲噪声对应部分 变为符合信号整体趋势的部分。因此，该算法对含脉冲状噪声叠加的信号尤为 有效。中值滤波算法原理简单、实现容易、滤波效果不错。为了对信号开头和 结尾的几个点也实现滤波，可以使用下面的改进形式

$s_1\left(i\right)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Med}\left(\right\{s\left(j\right)|0\le j\le 2i\}),& 0\le i\le k-1\\ \mathrm{Med}\left(\right\{s\left(j\right)|i-k\le j\le i+k\}),& k\le i\le N-k-1\\ \mathrm{Med}\left(\right\{s\left(j\right)|2i-N+1\le j\le N-1\}),& N-k\le i\le N-1\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，s(j)为绝缘泄漏电流信号，s₁(i)为滤波后得到的滤波电流信号。Med(s) 为获取序列s的中位数运算，中位数为序列按大小顺序排序后刚好位于中间位 置的那个元素的值，如[1 5 3]的中位数为3。N为绝缘泄漏电流信号总长度，k 为设定常数且满足2k+1≤N。j为绝缘泄漏电流信号的序号，i为滤波电流信 号的序号。上式中，2k+1为滤波窗的长度。

滤波窗的长度对算法分离性能有非常大的影响，滤波窗的长度选择过大则 算法速度变慢，滤波窗的长度选择过小则算法精度将严重下降。滤波窗的长度 的合理值与脉冲宽度以及信号的情况有关，对于泄漏电流来说，主要取决于脉 冲宽度。脉冲持续时间越短、采样频率越低则滤波窗的长度应该适当选择相对 较小值，否则滤波窗的长度应适当选择稍大些。

步骤3：利用公式s₂(n)＝s(n)-s₁(n)计算得到差值电流信号s₂(n)。

步骤4：对差值电流信号s₂(n)进行处理，得到绝缘泄漏电流的陡脉冲分量 s₃(n)。

经过中值滤波，反映突变部分的放电脉冲已经基本被滤除， s₂(n)＝s(n)-s₁(n)为未经处理的脉冲分量。但考虑到中值滤波对除放电脉冲其 他部分的信号也进行了滤波，由于量化误差等原因导致此时所得脉冲部分 s₂(n)中含有虚假的小脉冲，应该予以抑制。

考虑到放电陡脉冲是从过零点开始，然后幅值增加到峰值后再减少到过零 点，每次放电脉冲的最大幅值应大于一临界值I_pc，而s₂(n)中虚假放电脉冲的 最大幅值则小于此临界值I_pc，据此可删除s₂(n)中的虚假放电脉冲。I_pc的取值 将严重影响分离所得脉冲分量，可以设定为一固定值，或者设定为与泄漏电流 有关的某一值，或者在系统实现时将该参数在一定范围内让用户根据实际情况 选择。利用本发明对大量测量所得绝缘子泄漏信号进行分离，结果表明不同情 况时下式

$I_{\mathrm{pc}}=\frac{1}{10N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}\left|s\left(n\right)\right|---\left(2\right)$

均具有不错的效果。其中，n表示绝缘泄漏电流信号s(n)的序号，N为绝缘泄 漏电流信号s(n)的总长度。

根据式(2)获得的阈值I_pc能随着信号的变化而变化，根据该阈值能自动 舍弃峰值过小的突变信号而保留较大的脉冲放电信号，因此具有较好的自适应 性。如果想在分离所得陡脉冲分量中保留一些稍大幅值的放电信号，则I_pc可 选择适当大些。

因为放电都是从0开始然后幅值上升最后再降到0结束，因此如果仅根据 s₂(n)中信号的幅值是否大于I_pc来判断该点是否属于脉冲放电，则将会使脉冲 内的小幅值部分被忽略而影响分离效果。应当根据整个脉冲的幅值是否大于 I_pc来决定脉冲的取舍。因此，对s₂(n)的处理如下：

步骤11：获取差值电流信号s₂(n)的过零点的位置，并将所有过零点的位 置组成数组p(m)；m＝1，2，...，L，L为差值电流信号s₂(n)的过零点的数量。

步骤12：令i＝1。

步骤13：令A＝max{|s₂(j)||p(i)≤j≤p(i+1)}，当A大于等于设定阈值 I_pc时，保持s₂(j)不变；否则，令s₂(j)＝0。其中，设定阈值为n表示绝缘泄漏电流信号s(n)的序号，N为绝缘泄漏电流信号s(n)的总长度。

步骤14：如果i≤L-2，则令i＝1+1并返回步骤13；否则，执行步骤15；

步骤15：令s₃(n)＝s₂(n)。

经过上述对s₂(n)的处理，得到了绝缘泄漏电流的陡脉冲分量s₃(n)。

步骤5：利用公式s₄(n)＝s(n)-s₃(n)计算得到绝缘泄漏电流的周期分量 s₄(n)。

实施例2

以下通过实验说明本发明提供的方法在具体实施中的效果。

绝缘子泄漏电流试验原理图如图2所示。其中，T1为调压器，T2为隔 离变压器，L为滤波器，T3为变压器，G为球隙，K为人工气候室，S为试 品绝缘子，F为电容分压器，R1为变压器防振电阻，R2为球隙保护电阻， R3为无感电阻，TVS为瞬态电压抑制器，Y为示波器。

试品为内蒙古精诚高压电瓷有限公司生产的XWP2-70高压线路耐污盘 形悬式绝缘子，单片试品加恒压10kV，采样频率为25kHz，采样点数为2500。

将基于非滤波方式的分离方法以及本发明使用的基于改进的中值滤波算 法都在MATLAB7.1中实现。将三种算法对大量的含有陡脉冲放电的泄漏电 流信号进行了分离，现选取3个典型信号的分离结果进行说明。

图3和4所示的周期分量与陡脉冲放电信号幅值上有着明显的界限。非 滤波方式的分离算法有望能选择合适的阈值，比如1mA，则分离所得工频周 期信号、陡脉冲放电分量如图3所示，此时该方法能有效分离周期分量和陡 脉冲分量。但分离的脉冲分量中含有少许噪声，这是因为用未放电的一个周 期信号替换放电的一个周期信号时由于不同周期信号存在一些差异导致的。 本发明使用的改进的中值滤波也能得到较好的效果，但分离所得陡脉冲分量 中亦有幅值很小的脉冲，这主要是因为污秽、湿度以及电压的影响导致泄漏 电流信号在对应区域存在一定幅值的脉冲所致，将式(2)适当增大可抑制这 些脉冲。

但对于绝缘子，其脉冲放电分量并非固定不变，某些周期放电脉冲幅值 大，某些周期放电脉冲幅值小的情况也难以避免，而且放电未必会发生于周 期信号的峰值区。此时，仅含小幅值脉冲的周期对应电流的峰值与无放电周 期的电流信号峰值非常接近，这给非滤波方式的分离方法中阈值的选择造成 了较大的困难，此时该方法难以很好地判断信号中是否存在脉冲放电。而本 发明使用的改进中值滤波就不存在这个问题，它们不是基于幅值判断而是根 据信号中的突变点判断，这很好地适应了陡脉冲放电的情况，分离所得结果 如图5所示。

信号第一个周期的峰值仅大于未放电信号，峰值很小，故对于非滤波方 式的分离方法，易将第一个周期的信号误认为没有放电而使分离结果存在一 定的误差。

随着污秽度和湿度的增加，绝缘子放电现象越来越频繁和严重，找到在 一个周期内没有放电的信号将变得越来越困难。此时因为每个周期都存在放 电，难以找到没有放电的信号去替换放电的信号，非滤波方式的泄漏电流分 离方法使用起来存在一定的难度，甚至无法使用。而本发明使用的改进中值 滤波算法则不存在这个问题，即使每个周期信号中都存在陡脉冲放电，该算 法都能很好分离其中的周期分量和脉冲放电分量。分离所得结果如图6所示。 图6中脉冲信号非常密集，而分离得到的周期分量比较平滑。如果将周期分 量与原泄漏电流合在一起比较则会发现没有放电的地方二者完全吻合，而有 脉冲放电的区域分离所得周期分量很好地延续了信号的整体趋势。

在本发明中，由于陡脉冲即为突变点，无论脉冲的幅值是大还是小，放 电位置是在峰值还是在较小值上，改进的中值滤波算法均可有效识别突变点； 并且，本发明采用基于自适应阈值法，可以有效识别出了真正的陡放电脉冲， 故能够实现陡脉冲和周期分量的有效分离。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。