开关柜局部放电超声监测装置及地图滤波信噪分离方法

摘要

本发明公开了一种开关柜局部放电超声监测装置及地图滤波信噪分离方法，包括以下步骤：步骤100：研制开关柜局部放电超声监测装置，装置主要由超声波传感器、无线工频同步模块、信号调理电路、信号采集及FPGA预处理单元、装置软件构成；步骤200：使用开关柜局部放电超声监测装置检测开关柜内部超声信号；步骤300：计算超声信号等效时间、等效频率分布，采用地图滤波技术并结合相位图谱分布，实现放电超声信号及环境噪音分离；步骤400：基于信噪分离后的局部放电超声信号相位图谱，在线评估开关柜绝缘状态；本发明方案实现了放电信号及噪音信号实时分离，提高了开关柜局部放电超声监测的准确度及灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关柜局部放电超声监测装置及地图滤波信噪分离方法。

背景技术

局部放电是各类高压电力设备绝缘故障的早期表现形式，虽然初始阶段放电幅值较小，但其不断发展并最终导致设备绝缘劣化。因此，在线监测局部放电并及时制定检修计划，是确保电力设备安全稳定的重要手段之一，对提高供电可靠性具有重要意义。

目前，常用的开关柜局部放电监测方法包括特高频法、暂态地电波法及超声法。其中，特高频法基于上升时间和持续时间均为纳秒级的电流脉冲所激发的电磁波，实现局部放电的检测，其检测频率范围通常在300MHz至1500MHz。局部放电产生的电磁波传播至开关柜金属外壳时，在壳体表面产生感应电流，并在接地体的波阻抗上产生暂态对地电压，暂态地电波法基于此实现局部放电检测，其检测频率范围通常为1MHz～100MHz。局部放电发生时，周围分子间的剧烈碰撞激发超声波信号并在开关内部传播，在柜体上安装超声波传感器可检测局部放电信号，其信号频率范围为20kHz～200kHz。相比其他两种方法，超声信号频率低，无需具有较高采样率及采样带宽的信号采集装置。除此之外，超声法还具有造价低、易于安装、抗电磁干扰能力强、适用于局部放电定位的优点，因此广泛应用于开关柜局部放电的在线监测中。

然而，在实际应用中，超声法易受环境噪音及现场机械噪音干扰，进而影响局部放电监测的灵敏度及准确度，严重时更会导致开关柜运行状态的误判及漏判。现有去噪方法主要有滤波法及小波变换法，但两种方法均会导致原始超声信号畸变。同时，由于开关柜内绝缘缺陷种类较多，放电信号幅值、频率分布等特性不一致，难以确定滤波截止频率、最优小波函数、分解层数、小波阈值及阈值函数等去噪参数。

因此，迫切需要研发一种新型开关柜局部放电超声在线监测方法，通过该方法对信号时频分布实时筛选并分离放电信号及噪音信号，避免原始放电超声信号产生畸变，大幅度提高局部放电超声监测的准确度及灵敏度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能实现放电信号的实时采集及相位图谱、等效时间-等效频率图谱、波形频谱等分析，同时通过信号等效时间及等效频率的地图筛选技术，准确实现放电信号及噪音信号实时分离，提高开关柜局部放电超声监测的准确度及灵敏度，具有实用性和使用广泛性的开关柜局部放电超声监测装置及地图滤波信噪分离方法。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种开关柜局部放电超声监测装置及地图滤波信噪分离方法，包括以下步骤：

步骤100：研制开关柜局部放电超声监测装置，该装置装置主要由超声波传感器、无线工频同步模块、信号调理电路、信号采集及FPGA预处理单元、装置软件构成；

步骤200：使用开关柜局部放电超声监测装置检测开关柜内部超声信号；

步骤300：计算超声信号等效时间-等效频率分布，采用地图滤波技术并结合相位图谱分布，实现放电超声信号及环境噪音分离；

步骤400：基于信噪分离后的局部放电超声信号相位图谱，在线评估开关柜绝缘状态。

优选的，步骤100中超声波传感器检测频率范围为20kHz～250kHz，谐振频率为70kHz，采用磁吸方式固定于开关柜柜体表面，无线工频同步模块采用2.4GHz通信频率，实现市电电压相位的发送与接收，其有效通讯距离可达800m，相位精度优于5μs，无线工频同步模块可实现工频电源与接收主机的一对一同步或一对多同步，且同步信号互不干扰，信号调理电路主要作用包括超声局部放电信号的滤波器、放大器及去耦合电路，滤波器可滤除传感器检测频率外的噪音信号，去耦合电路用于分离传感器供电电源信号和超声局部放电信号，信号采集及FPGA预处理单元采样频率为50MS/s，采样带宽为10MHz，存储深度为128M，支持3通道超声信号及单通道工频同步信号同步采集，装置软件具备信号采集、地图筛选、脉冲波形展示、相位图谱展示功能。

优选的，装置软件分为信号采集及智能分析两部分，其中，信号采集部分包括采样幅值、时长、脉冲数、存储路径、地图筛选等参数设置，实现超声信号的实时采集；智能分析部分可实现文件导入、等效时间-等效频率图谱、主相位图谱、子相位图谱、脉冲信号波形、波形频谱等分析与展示。

优选的，步骤300中计算信号等效时间-等效频率的地图筛选技术，具体实施步骤如下：

1)将实时采集到的信号s(t)进行标准化处理，得到处理后信号

2)计算信号时间中心t

3)计算信号的等效时间σ

其中，

本发明的有益效果是：能实现放电信号的实时采集及相位图谱、等效时间-等效频率图谱、波形频谱等分析，同时通过信号等效时间及等效频率的地图筛选技术，准确实现放电信号及噪音信号实时分离，提高开关柜局部放电超声监测的准确度及灵敏度，具有实用性和使用的广泛性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，但并不是对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的超声局部放电监测装置构成示意图；

图3为本发明的信号调理模块频率响应示意图；

图4为本发明的典型局部放电超声信号示意图；

图5为本发明的基于地图筛选的信噪分离示意图；

图6为本发明的实测相位图谱示意图；

图7为本发明的实测等效时间-等效频率图谱示意图；

图8为本发明的地图滤波后放电相位图谱示意图；

图9为本发明的地图滤波后噪音相位图谱示意图；

具体实施方式

参阅图1至图9所示的一种开关柜局部放电超声监测装置及地图滤波信噪分离方法，包括以下步骤：

步骤100：研制开关柜局部放电超声监测装置，该装置装置主要由超声波传感器、无线工频同步模块、信号调理电路、信号采集及FPGA预处理单元、装置软件构成；

步骤200：使用开关柜局部放电超声监测装置检测开关柜内部超声信号；

步骤300：计算超声信号等效时间-等效频率分布，采用地图滤波技术并结合相位图谱分布，实现放电超声信号及环境噪音分离；

步骤400：基于信噪分离后的局部放电超声信号相位图谱，在线评估开关柜绝缘状态。

进一步，步骤100中开关柜超声局部放电监测装置构成图如图2所示，装置主要由超声波传感器、无线工频同步模块、信号调理电路、信号采集及FPGA预处理单元、装置软件构成；装置软件为采集及高级分析软件，其中，超声波传感器检测频率范围为20kHz～250kHz，谐振频率为70kHz，采用磁吸方式固定于开关柜柜体表面，具有安装方便、工作频带宽、灵敏度高、瞬态响应快等特点；无线工频同步模块采用2.4GHz通信频率，实现市电电压相位的发送与接收，其有效通讯距离可达800m，相位精度优于5μs；无线工频同步模块可实现工频电源与接收主机的一对一同步或一对多同步，且同步信号互不干扰，与传统同步线圈相比，具有传输方式灵活、距离远、稳定可靠、测试效率高的优点；信号调理电路主要作用包括超声局部放电信号的滤波器、放大器及去耦合电路，滤波器可滤除传感器检测频率外的噪音信号，去耦合电路用于分离传感器供电电源信号和超声局部放电信号。信号调理模块的频率响应如图3所示，数据采集及FPGA预处理单元采样频率为50MS/s，采样带宽为10MHz，存储深度为128M，支持3通道超声信号及单通道工频同步信号同步采集；装置软件具备信号采集、地图筛选、脉冲波形展示、相位图谱展示等功能。

进一步，装置软件分为信号采集及智能分析两部分，其中，信号采集部分包括采样幅值、时长、脉冲数、存储路径、地图筛选等参数设置，实现超声信号的实时采集；智能分析部分可实现文件导入、等效时间-等效频率图谱、主相位图谱、子相位图谱、脉冲信号波形、波形频谱等分析与展示。

进一步，由于放电信号及噪声信号具有不同的时频特性，如图4，因此采用基于信号等效时间-等效频率的地图筛选技术，实现信噪分离，具体实施步骤如下：

1)将实时采集到的信号s(t)进行标准化处理，得到处理后信号

2)计算信号时间中心t

3)计算信号的等效时间σ

其中，

如图5所示，局部放电发生时，超声信号等效时间及等效频率分别分布在12ns～22ns和600kHZ～930kHz范围内，噪音信号的等效时间主要分布在17ns～32ns，等效频率主要分布在70kHz～385kHz。

本方案在实际应用中，以国网某10kV开关柜局部放电超声监测中，实测相位图谱及等效时间-等效频率图谱分别如图6和图7所示；实测信号中包括局部放电超声信号及现场机械噪音信号，其中放电信号最大幅值为0.06V,等效时间主要分布在13ns～22ns范围内，等效频率范围为600kHz～1000kHz；噪音信号最大幅值为0.10V,等效时间及等效频率分别分布在17ns～32ns和30kHZ～390kHz范围内；若未采用信噪分离技术，易导致放电信号幅值的误判，进而无法准确反映设备实际绝缘状况，图8及图9分别为地图滤波后的放电相位图谱及噪音相位图谱，现场应用情况表明，本方案所提出的地图筛选技术可准确实现开关柜局部放电监测的信噪分离。

在线监测局部放电是提高开关柜及整个电网的可靠性的重要手段，超声法具有造价低、易于安装、抗电磁干扰能力强等优点；本方案所开发的开关柜超声局部放电监测装置主要由超声波传感器、无线工频同步模块、信号调理电路、信号采集及FPGA预处理单元、装置软件构成，装置软件分为信号采集及智能分析两部分，可实现放电信号的实时采集及相位图谱、等效时间-等效频率图谱、波形频谱等分析；同时，本方案提出了基于信号等效时间及等效频率的地图筛选技术，准确实现放电信号及噪音信号实时分离；因此本方案的实施可大幅提高局部放电超声监测的准确度及灵敏度，拟在国网推广应用。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，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书所限定的保护范围为准。