一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法与流程

本发明涉及电力设备状态监测与绝缘缺陷诊断，尤其涉及一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法。

背景技术：

1、气体绝缘输电线路（gil）及气体绝缘开关设备（gis）作为特高压电网的重要组成部分，其运行可靠性直接关系到电力系统的安全稳定运行。实际运行过程中，绝缘缺陷（如金属颗粒、表面划痕及突起缺陷等）在电场作用下易引发局部放电，从而导致设备绝缘性能劣化甚至击穿故障。

2、目前，针对气体绝缘设备内部缺陷的检测方法主要包括超高频检测、超声检测及脉冲电流检测等方法，但上述方法易受电磁干扰及环境噪声影响，在微弱放电及早期缺陷识别方面存在灵敏度不足的问题。相比之下，基于光子计数的检测方法能够直接反映绝缘缺陷在电场作用下产生的发光行为，具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点，因此逐渐成为绝缘缺陷检测的重要手段。

3、然而，在实际应用过程中，不同类型绝缘缺陷在不同发光阶段（如电致发光阶段、气体电离阶段及局部放电阶段）下，其光子计数信号在幅值分布及相位特性上可能呈现出相似的统计特征。尤其是在基于相位分辨光子计数（phase-resolved photon counting，prpc）方法构建的图谱中，不同缺陷类型之间的分布形态存在较强重叠，导致传统方法难以有效区分缺陷类型，限制了光子检测技术在缺陷分类中的应用效果。

4、因此，亟需提出一种能够在不同发光阶段下有效提取光子信号深层特征，并增强不同缺陷之间差异性的绝缘缺陷分类方法，以提高气体绝缘设备缺陷识别的准确性与可靠性。

技术实现思路

1、针对以上不足，本发明提供一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法，通过构建考虑工频周期关联特性的光子脉冲序列模式图谱，并提取多维统计特征，实现不同发光阶段下绝缘缺陷的有效区分。该方法在4类典型绝缘缺陷及6种发光阶段条件下均能够实现稳定分类，具有精度高、适用性强等优点，有助于提升气体绝缘设备绝缘缺陷的识别能力与早期预警水平。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法，包括以下步骤：

4、（1）光子数据获取：构建缺陷电极模型，在交流电压激励条件下采集不同缺陷类型在多个发光阶段下的光子计数数据，并基于电压相位信息构建相位分辨光子计数分布数据；

5、（2）光子脉冲序列构建：将多次重复测量得到的相位分辨光子计数数据按照时间顺序进行拼接，形成连续光子脉冲序列，并通过幅值阈值去噪处理消除背景噪声，同时采用滑动窗口方法对序列进行平滑处理，以提高光子信号的信噪比；

6、（3）特征映射构建：基于工频周期特性，建立当前相位光子脉冲幅值与滞后一个工频周期光子脉冲幅值之间的映射关系，构建二维光子脉冲特征空间，用于表征光子发光过程中的相位相关性与极性分布特征；

7、（4）光子脉冲序列模式构建：利用核密度估计方法对所述二维光子脉冲特征空间中的样本数据进行概率密度建模，并对所得概率密度进行归一化处理，生成光子脉冲序列模式图谱；

8、（5）缺陷分类：基于所述光子脉冲序列模式图谱，提取表征光子分布特性的多维统计特征参数，并对特征参数进行特征融合与降维处理，根据不同缺陷在特征空间中的分布差异，实现绝缘缺陷类型的分类识别。

9、优选的，基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法中，所述缺陷电极模型用于模拟气体绝缘设备中的典型绝缘缺陷，所述典型绝缘缺陷包括表面划痕缺陷、金属颗粒缺陷、附着金属缺陷以及尖端突出缺陷。

10、优选的，基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法中，所述光子计数数据的获取在密闭气体环境中进行，所述密闭气体环境为充入绝缘气体的测试腔体，并通过光子探测器对缺陷在交流电压激励下产生的光子信号进行采集。

11、优选的，基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法中，所述步骤（1）中，所述相位分辨光子计数分布数据的构建方法为：将一个工频周期划分为多个相位区间，并统计各相位区间内的光子脉冲数量，构建以电压相位为横坐标、测量次数为纵坐标、光子脉冲数量为幅值的三维分布矩阵。

12、优选的，基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法中，所述步骤（2）中，所述光子脉冲序列的构建包括以下过程：

13、（1）将同一工况下获取的多组相位分辨光子计数数据按照测量顺序进行首尾拼接，形成连续时间序列的原始光子序列；

14、（2）基于预设幅值阈值对所述原始光子序列进行筛选处理，去除低于阈值的背景噪声信号，得到有效光子脉冲序列；

15、

16、其中，i和j代表直径和直径中的信号数量，[]为空集；为原始采集得到的原始光子脉冲序列，为去除背景噪声后的有效光子脉冲序列。

17、（3）对去噪后的光子脉冲序列采用滑动窗口进行平滑处理，以提高光子信号的信噪比；

18、

19、其中，w是滑动窗口的大小，窗口外的数据点对称反射到窗口中；为经过滑动窗口平滑后的光子脉冲序列。

20、优选的，基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法中，所述二维光子脉冲特征空间的构建方法为：基于处理后的光子脉冲序列，建立当前工频周期光子脉冲幅值与滞后一个工频周期光子脉冲幅值之间的映射关系，用于表征光子发光过程中的相位滞后特性。

21、

22、其中，n是光子序列中信号点的总数；t是ac周期中的量子脉冲数；s是和的标签；为公式（2）得到的平滑光子脉冲序列；为二维特征空间中的横坐标数据；为二维特征空间中的纵坐标数据。

23、优选的，基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法中，所述核密度估计采用非参数概率密度估计方法，对二维光子脉冲特征空间中的样本数据进行建模，以获得光子脉冲分布的概率密度函数。

24、

25、其中，h是带宽参数；k（·）是一个内核函数；为公式（3）中二维特征空间中的横坐标数据；为公式（3）中二维特征空间中的纵坐标数据；m为二维光子脉冲特征空间中的样本数量（特征点数量）；为第s个二维特征点对应的特征值；为特征值对应的概率密度。

26、优选的，基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法中，所述光子脉冲序列模式图谱（ppsp）以当前相位光子脉冲幅值为横坐标、滞后一个工频周期光子脉冲幅值为纵坐标、归一化光子核密度为第三维度，构建三维分布图谱，用于表征不同缺陷的发光特性差异。

27、优选的，基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法中，所述步骤（5）中，多维统计特征参数的提取包括以下内容:

28、（1）从归一化光子核密度分布中提取极值特征，包括最大值pmax与最小值pmin；

29、（2）提取整体分布特征，包括总光子密度stot、平均光子密度savr以及标准差vstd；

30、（3）提取空间分布特征，包括光子核密度分布的质心坐标xcen与ycen；

31、（4）提取分布形态特征，包括偏度ske与峰度kur。

32、优选的，基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法中，所述步骤（5）中，特征融合与降维处理采用非线性降维方法对多维统计特征进行映射包括以下内容:

33、（1）将所述多维统计特征参数构建为高维特征向量；

34、（2）采用t-sne算法对所述高维特征向量进行降维处理，获得二维或三维特征表示；

35、（3）基于降维后的特征分布进行聚类分析，确定不同缺陷类型在特征空间中的聚类中心及分类边界。

36、基于上述的一种基于光子脉冲序列图谱的绝缘缺陷分类方法适用于不同发光阶段下的绝缘缺陷识别，包括电致发光阶段、气体电离阶段、微放电阶段以及局部放电阶段。

37、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

38、1.本发明通过构建考虑工频周期关联特性的光子脉冲序列模式图谱，能够有效刻画不同绝缘缺陷在光子发光过程中的相位滞后特性与极性分布差异，克服了传统相位分辨光子计数方法中不同缺陷特征分布相似、难以区分的问题。在此基础上，通过对光子核密度分布进行建模，并提取包括极值特征、统计分布特征及空间分布特征在内的多维统计参数，实现了对光子发光行为的多维度表征，使不同缺陷在特征空间中形成明显可分离的分布区域，从而显著提升绝缘缺陷分类的准确性与可靠性。

39、2. 本发明通过引入跨工频周期的光子脉冲幅值映射关系，增强了光子信号的时间关联特性表达能力，使得不同缺陷在不同发光阶段下仍能够保持稳定的特征差异，并经特征融合与降维处理后实现有效区分，表明该方法具有良好的阶段适应性与鲁棒性。同时，本发明基于光子信号实现检测，不依赖复杂电磁抗干扰措施，在微弱放电及早期缺陷识别方面具有更高灵敏度，适用于气体绝缘设备的在线监测与早期预警，具有良好的工程应用价值。