基于放电事件驱动迟滞补偿的开关柜状态检测方法及系统

本发明属于电力设备状态监测与故障诊断，具体涉及一种基于放电事件驱动迟滞补偿的开关柜状态检测方法及系统。

背景技术：

1、开关柜作为配电系统中的重要一次设备，承担电能分配、线路保护以及运行控制等功能，其运行可靠性直接影响配电系统的安全稳定运行。开关柜在长期运行过程中，受到电场集中、机械振动、环境湿度、热应力以及绝缘材料老化等因素影响，内部绝缘结构可能逐渐产生局部缺陷，并进一步发展为局部放电、绝缘击穿甚至电弧故障。其中，局部放电是绝缘系统劣化过程中的重要表现形式之一，持续放电可能导致绝缘材料性能下降并加速故障发展。因此，对开关柜内部局部放电及早期绝缘异常状态进行有效检测，对于提高设备运行可靠性和故障预警能力具有重要意义。

2、目前，开关柜绝缘状态检测主要采用高频脉冲电流检测、暂态地电压检测、特高频电磁检测、超声检测等方法。其中，基于电信号的局部放电检测方式具有响应速度快、能够捕获放电瞬态过程等特点，可以较为准确地确定局部放电事件的发生时刻，并通过放电脉冲幅值、脉冲数量、放电能量及频谱分布等参数反映局部放电活动状态。然而，局部放电电信号属于快速瞬态信息，其检测结果容易受到现场电磁干扰、设备结构、传感器安装位置以及传播路径等因素影响。对于处于早期发展阶段、放电强度较低或具有间歇性的绝缘缺陷，仅依靠电信号检测难以全面表征绝缘材料持续劣化过程中产生的物理和化学变化。

3、在局部放电、电弧放电以及绝缘材料异常劣化过程中，开关柜内部绝缘介质和周围材料还可能发生电离、氧化、热解等物理化学反应，并产生相应的特征气体。例如，空气绝缘条件下的局部放电可能伴随o3、no2及co等气体变化；对于含有含氟绝缘介质的设备，异常放电过程中还可能产生相应的含氟绝缘气体分解产物。因此，通过检测开关柜内部特征气体及其变化规律，可以从化学信息角度反映绝缘劣化和异常放电过程，为电信号检测提供补充信息。

4、现有气体检测方式通常利用电化学气体传感器、光谱检测装置或其他气敏元件获得特征气体浓度信息。但是，单一气体浓度信息主要反映某一种或少数几种气体的变化情况，对于不同绝缘缺陷引起的复杂混合气体响应，其可利用的信息维度有限。采用由不同敏感材料构成的嗅觉传感器阵列，可以利用不同气敏元件对多种气体所表现出的交叉敏感特性，并通过稳态响应、响应时间、恢复时间、响应曲线变化速率以及传感器间响应关系等动态参数形成多维气体响应特征，为绝缘缺陷状态识别提供更加丰富的气体信息。

5、另一方面，气体检测信息与局部放电电信号之间存在不同的时间响应特性。局部放电电信号通常能够在放电发生后快速被检测，而故障气体从生成到最终被气体检测单元感知，需要经历气体生成、柜内扩散和输运、采样管路传输以及气体传感器响应等过程，因此气体检测信号相对于实际局部放电事件通常存在时间迟滞。此外，不同种类气体的生成机理、传输特性及传感器响应速度不同，使不同特征气体对应的迟滞时间并不完全一致；同一种特征气体在不同局部放电强度条件下，其生成速率以及达到传感器响应阈值所需的时间也可能发生变化。因此，采用固定迟滞时间对全部气体检测数据进行统一校正，难以准确描述不同特征气体与实际局部放电事件之间的动态时间对应关系。

6、现有多源状态检测方法通常通过统一采集时钟、时间戳或数据窗口对不同检测设备获得的数据进行同步处理。该类方法能够降低不同采集设备内部时钟偏差、采样频率不同以及数据传输过程造成的时间错位，但其主要解决的是检测设备之间的时间基准一致性问题，无法直接消除由气体自身生成、扩散、传输以及传感器响应过程产生的物理迟滞。因此，即使电信号检测设备和气体检测单元已经具有统一的采集时间基准，实际检测到的气体响应仍可能对应于此前发生的局部放电事件。如果直接依据气体实际采样时刻与同一时刻的电信号进行融合，容易造成气体信息与局部放电事件之间的错误关联，影响多模态状态特征的准确构建及后续故障状态识别。

7、尤其是在一个气体响应迟滞时间范围内连续发生多个局部放电事件时，某一时刻检测到的气体响应可能对应于多个前序局部放电事件。若仅采用固定迟滞时间、单一回溯时间点或宽时间窗口建立关联，容易出现多个候选局部放电事件同时满足时间条件的情况，难以唯一确定当前气体响应的来源事件，从而产生事件错配并影响后续气-电特征融合的准确性。

8、因此，有必要提出一种面向开关柜气-电多模态状态检测的方法，利用电信号快速响应特性确定多个局部放电事件及其发生时刻，并根据各局部放电事件的电气特征表征其放电强度；进一步针对不同特征气体建立与放电强度相关的动态迟滞关系，预测各局部放电事件对应的气体响应时刻，并在实际气体响应出现后从多个历史候选局部放电事件中确定其来源事件，在此基础上进行时间戳校正和事件级气-电信息融合。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于放电事件驱动迟滞补偿的开关柜状态检测方法及系统，用于解决现有开关柜状态检测过程中单一检测信息表征能力不足、电信号与气体检测信号响应时间尺度差异较大、气体检测信号存在明显响应迟滞，以及连续局部放电条件下气体响应来源事件难以唯一确定而导致多源检测信息错误关联的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。一种基于放电事件驱动迟滞补偿的开关柜状态检测方法，包括：

3、通过统一授时单元向电信号检测单元和气体检测单元提供统一时间基准，使所述电信号检测单元采集的电信号数据和所述气体检测单元采集的气体检测数据分别获得基于同一时间源的采样时间戳；

4、对所述电信号数据进行局部放电事件检测，根据超过预设放电判据的脉冲序列确定至少一个局部放电事件及其发生时刻，记录各局部放电事件对应的电信号特征；

5、根据各局部放电事件对应的电信号特征确定各局部放电事件的放电强度表征量；

6、针对第k种特征气体，根据各局部放电事件对应的放电强度表征量确定相应的动态迟滞时间，并根据各局部放电事件的发生时刻和对应动态迟滞时间确定第k种特征气体相对于各局部放电事件的预测气体响应时刻；

7、当检测到第k种特征气体的实际气体响应后，将所述实际气体响应时刻之前预设历史时间范围内的局部放电事件构成候选局部放电事件集合，根据所述实际气体响应时刻与各候选局部放电事件对应预测气体响应时刻之间的时间匹配关系确定目标局部放电事件，并根据目标局部放电事件对应的动态迟滞时间对气体检测数据的采样时间戳进行回溯校正；

8、从关联至所述目标局部放电事件且经过时间校正的气体检测数据中提取气体特征，并将所述气体特征与所述目标局部放电事件的电信号特征进行融合，形成气-电联合状态特征；

9、将所述气-电联合状态特征输入预先建立的状态识别模型，根据所述状态识别模型的输出结果确定开关柜的运行状态、绝缘缺陷类型和故障等级中的至少一项。

10、进一步优选，所述电信号检测单元采用高频脉冲电流检测、暂态地电压检测、特高频电磁检测以及超声检测中的至少一种检测方式；所述电信号特征包括放电脉冲最大值、平均幅值、幅值标准差、脉冲计数、脉冲间隔、累计能量、能量变化率、主频以及高频频谱分量中的至少一种。

11、进一步优选，所述放电强度表征量根据局部放电事件对应时间窗口内的放电脉冲平均幅值、脉冲计数及时间窗口长度构建；通过对所述放电脉冲平均幅值和脉冲计数进行归一化处理，使不同检测通道和不同工况下的放电强度表征量具有统一的比较尺度。

12、进一步优选，所述气体检测单元包括气体采样探头和气体感知单元，所述气体感知单元采用电化学气体传感器、激光光谱检测装置、红外吸收检测装置、光声检测装置或嗅觉传感器阵列中的至少一种；所述特征气体包括co、no2、o3以及含氟绝缘气体分解产物中的至少一种。

13、进一步优选，所述动态迟滞时间的确定包括：

14、在多个放电强度条件下同步采集局部放电电信号和第k种特征气体的检测信号，以满足预设放电判据的电信号首次出现时刻作为局部放电事件起始时刻，以第k种特征气体检测信号超过预设气体响应阈值的时刻作为气体响应时刻，将所述气体响应时刻与局部放电事件起始时刻之间的时间差确定为第k种特征气体对应的实测迟滞时间；

15、根据多组放电强度表征量及对应的实测迟滞时间进行参数拟合，获得第k种特征气体对应的基准迟滞时间和放电强度敏感系数，并建立动态迟滞模型：；其中，为第k种特征气体在当前放电强度下对应的动态迟滞时间，为第k种特征气体对应的基准迟滞时间，为第k种特征气体对应的放电强度敏感系数，为当前局部放电事件对应的放电强度表征量；

16、进一步优选，所述目标局部放电事件的确定包括：在所述实际气体响应时刻之前的预设历史时间范围内获取至少一个候选局部放电事件，对于各候选局部放电事件分别依据其发生时刻和对应动态迟滞时间确定预测气体响应时刻；

17、当第k种特征气体检测信号满足预设气体响应判据时，获取实际气体响应时刻，并计算所述实际气体响应时刻与各预测气体响应时刻之间的绝对时间差作为时间匹配偏差；从时间匹配偏差满足允许时间匹配误差的候选局部放电事件中选取时间匹配偏差最小的局部放电事件作为目标局部放电事件；

18、根据所述目标局部放电事件对应的放电强度表征量计算第k种特征气体的动态迟滞时间，并按照下式对第k种特征气体检测数据的时间戳进行校正：；其中，为第k种特征气体检测数据的实际气体响应时刻，为迟滞补偿后的校正时间戳；

19、根据所述校正时间戳，将第k种特征气体检测数据关联至所述目标局部放电事件。

20、进一步优选，当同一检测周期内获得两种以上特征气体的实际气体响应时，分别计算不同特征气体相对于各候选局部放电事件的时间匹配偏差，并结合不同特征气体的响应先后次序构建联合时间匹配指标，根据所述联合时间匹配指标确定目标局部放电事件。

21、进一步优选，所述气体检测单元采用嗅觉传感器阵列，所述嗅觉传感器阵列至少包括导电聚合物气体传感器子阵列和金属氧化物半导体气体传感器子阵列，不同气体传感器采用不同敏感材料，以获得对多种特征气体的交叉敏感响应；对于一次气体响应过程，从所述嗅觉传感器阵列中提取稳态响应值、达到最终稳态响应值预设比例所对应的响应时间、恢复时间、响应曲线上升段斜率以及不同气体传感器响应曲线之间的相关性特征，构成表征开关柜内部气体组分及变化状态的嗅觉特征向量；将所述嗅觉特征向量与经候选事件匹配确定的目标局部放电事件对应的电信号特征进行融合，用于开关柜绝缘缺陷及异常放电状态识别。

22、进一步优选，所述电信号数据的采样频率高于所述气体检测数据的采样频率；在确定所述目标局部放电事件后，以所述目标局部放电事件的发生时刻作为事件时间基准，对目标局部放电事件对应时间窗口内的电信号数据进行时域和频域统计处理，获得对应的电信号特征向量；将经过时间戳校正的气体检测数据映射至所述事件时间基准，建立目标局部放电事件对应的电信号特征与气体特征之间的事件级时间对应关系。

23、进一步优选，所述气-电联合状态特征包括所述目标局部放电事件对应的电信号特征和关联至所述目标局部放电事件的气体特征；所述电信号特征至少包括放电幅值特征、放电频次特征、放电能量特征以及频谱特征中的一种；所述气体特征至少包括经迟滞校正后的气体浓度、气体浓度变化速率、不同气体之间的比例关系、气体变化趋势以及气体传感器动态响应特征中的一种；将所述电信号特征和气体特征按照预定顺序组合，形成表征目标局部放电事件及开关柜运行状态的多维状态特征向量。

24、进一步优选，所述状态识别模型采用随机森林分类模型；所述随机森林分类模型包括多个决策树分类器，各决策树分类器分别对输入的所述气-电联合状态特征进行分类，并根据多个决策树分类器的分类结果通过投票方式获得最终状态识别结果；所述状态识别结果至少包括正常运行状态、金属突出物局部放电状态、气隙局部放电状态、污秽局部放电状态以及金属颗粒局部放电状态中的一种。

25、本发明还提供了一种基于放电事件驱动迟滞补偿的开关柜状态检测系统，包括电信号检测单元、气体检测单元、统一授时单元以及数据处理单元；

26、所述电信号检测单元用于采集开关柜局部放电产生的电信号数据，并向所述数据处理单元输出带有时间信息的电信号数据；

27、所述气体检测单元用于采集开关柜内部的气体检测数据，并向所述数据处理单元输出带有时间信息的气体检测数据；

28、所述统一授时单元用于向所述电信号检测单元和气体检测单元提供基于同一时间源的时间基准，使所述电信号数据和气体检测数据具有可对应的采样时间信息；

29、所述数据处理单元与所述电信号检测单元、气体检测单元以及统一授时单元通信连接，用于完成局部放电事件识别、放电强度表征量确定、动态迟滞时间确定、预测气体响应时刻计算、候选局部放电事件匹配、目标局部放电事件确定、气体检测数据时间戳校正、气-电联合状态特征构建以及开关柜状态识别。

30、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

31、（1）本发明针对气体响应迟滞时间范围内可能连续发生多个局部放电事件的情况，根据各局部放电事件的放电强度分别确定对应特征气体的动态迟滞时间并预测气体响应时刻；在检测到实际气体响应后，通过实际气体响应时刻与多个预测气体响应时刻之间的匹配确定目标局部放电事件，从而降低连续局部放电条件下气体响应与错误前序事件关联的概率。

32、（2）本发明针对不同特征气体分别建立与放电强度相关的动态迟滞模型，使不同特征气体具有各自的预测气体响应时刻；进一步能够利用多种特征气体之间的响应时间差异及响应先后关系进行联合事件匹配，使气体响应时间差异由需要补偿的不利因素转化为用于局部放电来源事件辨识的时序特征。

33、（3）本发明以局部放电事件为时间锚点，按照局部放电事件检测、动态迟滞预测、实际气体响应检测、候选事件匹配、时间戳回溯以及事件级气-电融合的方式进行处理，在完成气体物理响应迟滞补偿的同时，建立气体响应与其来源局部放电事件之间的对应关系，为后续绝缘缺陷识别提供具有明确事件归属的气-电联合状态特征。

34、（4）本发明通过嗅觉传感器阵列获取不同气敏材料对多种特征气体的交叉响应，并提取稳态响应值、响应时间、恢复时间、响应曲线斜率及传感器间相关性特征构建嗅觉特征向量，相较于仅检测单一气体浓度，能够获得更多维度的绝缘劣化化学信息。

35、（5）本发明将局部放电电信号特征与经过迟滞校正的气体特征进行事件级融合，形成气-电联合状态特征，并输入状态识别模型进行状态识别，能够综合利用电信号快速响应能力和气体信息对绝缘材料劣化过程的敏感性。

36、（6）本发明通过统一授时单元向电信号检测单元和气体检测单元提供同一时间源的同步触发信号和绝对时间信息，并结合动态迟滞补偿实现采集设备时间同步和物理响应时间校正两个层次的时间处理，为具有不同采样频率和不同响应速度的多模态检测信息融合提供统一的事件时间尺度。