用于GIS绝缘缺陷局部放电各发展阶段识别的方法及系统

摘要

本发明公开了一种用于GIS绝缘缺陷局部放电各发展阶段识别的方法及系统，所述方法包括以下步骤：获取绝缘子金属微粒缺陷模型；基于所述绝缘子金属微粒缺陷模型，获取不同电压梯度下的特征参数；其中，所述特征参数包括局部放电量最大幅值、局部放电相位宽度、局部放电次数和局部放电相位分辩谱图脉冲点位分布状况；采用K‑Means聚类算法，以获取的特征参数作为样本进行聚类算法分析，获得聚类结果；基于所述聚类结果进行局部放电各发展阶段的表征和识别。本发明提供了一种基于K‑Means聚类算法的GIS绝缘缺陷局部放电发展阶段的识别方法，为判断其局部放电发展状况提供了系统、有效的依据。

说明书

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及局部放电发展阶段判别领域，特别涉及一种用于GIS绝缘缺陷局部放电各发展阶段识别的方法及系统。

背景技术

气体绝缘组合电器(GIS)中的电场不均匀度较高时，其内部SF

近年来，国内外对GIS设备中绝缘子表面金属微粒诱发的局部放电进行的些许研究表明，其局部放电发展现象呈现出电晕放电、电晕放电和沿面流注放电共存、沿面流注放电三个主要阶段，但缺乏大量的实验数据做支撑，也有观点认为GIS绝缘缺陷局部放电发展至闪络击穿的过程具有“0-1”现象，即外施工频电压低于击穿电压时，缺陷诱发的局部放电量极小且增长缓慢，呈现状态“0”，但当外施电压接近击穿电压时，局部放电量骤增且立即发生贯穿性放电，呈现状态“1”，但该观点仍缺乏充分的实验依据，由此可见，寻找一种依据充分且体系完善的GIS绝缘缺陷局部放电发展阶段识别的方法尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于GIS绝缘缺陷局部放电各发展阶段识别的方法及系统，以解决现有技术存在的对于GIS绝缘缺陷局部放电发展阶段判据不足、对以往经验过于依赖的技术问题。本发明提供了一种基于K-Means聚类算法的GIS绝缘缺陷局部放电发展阶段的识别方法，为判断其局部放电发展状况提供了系统、有效的依据。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开的一种用于GIS绝缘缺陷局部放电各发展阶段识别的方法，包括以下步骤：

获取绝缘子金属微粒缺陷模型；

基于所述绝缘子金属微粒缺陷模型，获取不同电压梯度下的特征参数；其中，所述特征参数包括局部放电量最大幅值、局部放电相位宽度、局部放电次数和局部放电相位分辩谱图脉冲点位分布状况；

采用K-Means聚类算法，以获取的特征参数作为样本进行聚类算法分析，获得聚类结果；基于所述聚类结果进行局部放电各发展阶段的表征和识别。

本发明的进一步改进在于，所述获取绝缘子金属微粒缺陷模型的步骤具体包括：

根据GIS运行工况，搭建获得模拟实验平台；

基于所述模拟实验平台和GIS内金属微粒缺陷的情况，构建获得绝缘子金属微粒缺陷模型。

本发明的进一步改进在于，所述根据GIS运行工况，搭建模拟实验平台的步骤具体包括：

根据实际GIS腔体结构及运行工况，搭建获得密闭的GIS试验腔体；将盆式绝缘子置于GIS试验腔体中；在GIS试验腔体中充满SF

采用铠装工频实验变压器作为模拟实验平台的电压源；设置耦合电阻、阻抗盒和脉冲电流检测装置；其中，所述耦合电阻用于耦合GIS试验腔体内流经的脉冲电流，所述阻抗盒用于检测脉冲电流信号；所述脉冲电流检测装置用于接收脉冲电流信号。

本发明的进一步改进在于，所述脉冲电流检测装置包括：罗氏线圈；所述罗氏线圈置于GIS试验腔体的接地线上。

本发明的进一步改进在于，所述基于所述模拟实验平台和GIS内金属微粒缺陷的情况，构建获得绝缘子金属微粒缺陷模型的步骤具体包括：

所述盆式绝缘子的电极为氧化铝，绝缘部为环氧树脂材料；所述盆式绝缘子的表面固定设置有铝制线性金属微粒，用于模拟附着于绝缘子表面的金属微粒缺陷。

本发明的进一步改进在于，所述基于所述绝缘子金属微粒缺陷模型，获取不同电压梯度下的特征参数的步骤具体包括：

通过加压试验获取绝缘子金属微粒缺陷模型在不同电压梯度下的局部放电信号及其相位分辩谱图；

从所述相位分辩谱图中提取获得不同电压梯度下的特征参数。

本发明的进一步改进在于，所述通过加压试验获取绝缘子金属微粒缺陷模型在不同电压梯度下的局部放电信号及其相位分辩谱图的步骤具体包括：

通过阶梯升压法对绝缘子金属微粒缺陷模型进行加压；其中，首先从零开始升压至局部放电起始电压，维持局部放电起始电压恒定至绝缘子金属微粒缺陷模型稳定放电且谱图不再发生变化，停止加压并检测此时局部放电相位分辩谱图；然后升压至绝缘子金属微粒缺陷模型局部放电相位分辩谱图发生变化，保持电压不变并检测此时局部放电相位分辩谱图；重复进行局部放电相位分辩谱图检测，直至施加于绝缘子金属微粒缺陷模型的电压达到闪络电压，结束检测。

本发明的进一步改进在于，所述采用K-Means聚类算法，以获取的特征参数作为样本进行聚类算法分析，获得聚类结果；基于所述聚类结果进行局部放电各发展阶段的表征和识别的步骤具体包括：

在特征参数组成的样本数据集中随机选取k个点作为初始的聚类中心，根据剩下的点与各个聚类中心的距离，将样本数据集划分为k簇，通过不断迭代使簇内样本点不再发生改变时，聚类完毕，获得聚类结果；根据所述聚类结果，将所述缺陷模型局部放电发展过程划分为k个阶段。

本发明公开的一种用于GIS绝缘缺陷局部放电各发展阶段识别的系统，包括：

模型获取模块，用于获取绝缘子金属微粒缺陷模型；

特征参数获取模块，用于根据所述绝缘子金属微粒缺陷模型，获取不同电压梯度下的特征参数；其中，所述特征参数包括局部放电量最大幅值、局部放电相位宽度、局部放电次数和局部放电相位分辩谱图脉冲点位分布状况；

聚类识别模块，用于采用K-Means聚类算法，以获取的特征参数作为样本进行聚类算法分析，获得聚类结果；基于所述聚类结果进行局部放电各发展阶段的表征和识别。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的方法中，利用聚类算法的能在任意形状样本空间上进行收敛于全局的聚类这一特点，基于特征参数样本对GIS绝缘缺陷的局部放电过程进行聚类划分，通过聚类结果进行阶段识别；与以往的识别方法相比，本发明的方法不仅简单直观，准确度高，还具有较好的鲁棒性。

本发明方法中，采集大量外施工频电压接近击穿电压之间GIS绝缘缺陷局部放电各个阶段的谱图数据进行聚类分析，在谱图理论的基础上对GIS绝缘缺陷的局部放电过程进行聚类划分，解决了判别样本匮乏的问题。

本发明系统利用模拟GIS工况的运行环境且通过聚类算法识别GIS典型绝缘缺陷的局部放电发展阶段，能够做到对其局部放电的发展过程进行清晰地划分，并能掌控其各个发展阶段的放电特征；能够较好地解决GIS典型绝缘缺陷局部放电从起始至闪络击穿中，发展阶段混肴不清，安全评估判据不足等问题。

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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种GIS绝缘缺陷局部放电发展阶段的识别方法流程示意图；

图2是本发明实施例中，GIS盆式绝缘子金属微粒缺陷模型示意图；

图3是本发明实施例中，采用K-Means聚类算法识别谱图的流程示意图；

图4是本发明实施例中，通过K-Means聚类算法对放电阶段的划分结果图；

图5是本发明实施例中，由K-Means聚类算法衍生出的聚类分类数量学习曲线示意图；

图中，1、线形金属微粒缺陷；2、盆式绝缘子。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种GIS绝缘子金属微粒缺陷局部放电发展阶段的识别方法，该方法解决了现有的对于GIS绝缘缺陷局部放电发展阶段判据不足、对以往经验过于依赖的问题，为判断GIS绝缘缺陷局部放电发展预警及监测提供了系统、有效的依据；所述方法具体包括以下步骤：

(1)根据GIS实际运行工况，搭建模拟实验平台，所述模拟实验平台旨在细致化绝缘缺陷在GIS内部发生局部放电的全过程，实验平台的组成如图1所示，由铠装工频实验变压器、测试单元和测量系统三部分组成。其中铠装工频实验变压器最高施加电压为100kV，测试单元为盆式绝缘子，该绝缘子是以220kV盆式绝缘子为基准成比例缩小设计制成，具有清晰直观且便于操作的优点。测量系统由耦合电阻、脉冲信号检测阻抗盒、罗氏线圈、脉冲电流检测装置和示波器组成。

(2)本发明中所述GIS绝缘缺陷模型的盆式绝缘子模型由铝电极以及以环氧树脂材料和氧化铝浇铸而成的绝缘部分组成。GIS在生产、运输、运行过程中不可避免地会产生球形、线形等形状的金属微粒。本发明旨在识别GIS绝缘缺陷局从早期局部放电至闪络击穿的全过程，因此选择表面附着线形金属微粒作为盆式绝缘子模型的绝缘缺陷。而一般情况下长度小于5mm的金属微粒难以通过脉冲电流法、特高频法、超声法等方法检测出，由此本发明选择长度为8mm附着于绝缘子表面的铝制线形金属微粒为研究对象，将其垂直固定在GIS腔体内的移动操作平台上；如图2所示，盆式绝缘子2上固定设置有线形金属微粒缺陷1。

(3)所述通过加压试验获取缺陷模型在不同阶段的局部放电信号及其相位分辩谱图的方法为：将GIS腔体内充入SF

(4)根据所述试验方案，在不同的电压梯度下提取出的特征参量为局部放电量最大幅值Vmax、局部放电相位宽度

(5)采用K-Means聚类算法对所述特征参量组成的数据集进行聚类处理，所述K-Means聚类算法以计算机编程语言Python为平台，需要构建两个容器完成质心的迭代，其一用来存放和更新簇的质心，其二用来记录、保存和更新各个样本到质心之间的距离。初始质心的生成通过调用Python中numpy库的函数随机生成，各个样本与质心的距离通过构建欧几里德距离函数进行计算。首先在所述特征参量数据集中随机选取k个点作为初始的聚类中心，根据剩下的点与各个聚类中心的欧几里德距离，将数据样本划分为k簇，通过不断迭代至使簇内样本点不再发生改变时，聚类完毕，K-Means聚类算法的原理示意图如图3所示。将所提取出的二维参量剔除时间参量，两两组合导入K-Means聚类算法，对组合后各二维参量进行聚类划分并绘图，图4为局部放电最大幅值-局部放电相位宽度聚类图，可知放电阶段可划分为3段。在完成聚类分析后，绘制聚类分类数量学习曲线，所得曲线的拐点数便为GIS金属微粒局部放电发展过程所划分的最优阶段数，如图5的聚类学习曲线所示，拐点出现在聚类簇为3和4时，结合聚类结果判断该放电发展过程宜划分为3个阶段。

测试表明，本系统对放电发展阶段的划分与放电实验过程基本相符。本发明的系统性强，人为干预度小，具有较高的准确度且耗时性小，应用价值非常可观。

综上所述，本发明实施例公开了一种GIS绝缘子金属微粒缺陷局部放电发展阶段的识别方法及系统，所述方法首先根据GIS实际运行工况，搭建GIS模拟运行环境；再根据GIS内金属微粒缺陷的实际情况建制绝缘子金属微粒缺陷模型；接着通过加压试验获取缺陷模型在不同阶段的局部放电信号及其相位分辩谱图；再从得到的谱图中提取不同放电阶段的特征参量；最后将提取到的特征参量绘制相关图谱并将其作为样本进行聚类算法分析来表征缺陷模型局部放电的发展过程及阶段。本方法利用模拟GIS工况的运行环境且通过聚类算法识别GIS典型绝缘缺陷的局部放电发展阶段，能够做到对其局部放电的发展过程进行清晰地划分，并能掌控其各个发展阶段的放电特征。该方法较好地解决GIS典型绝缘缺陷局部放电从起始至闪络击穿中，发展阶段混肴不清，安全评估判据不足等问题。该方法不仅简单实用，可靠性强，而且具有较好的鲁棒性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。