一种局部放电定位特高频信号时间差提取方法与系统与流程

1.本发明属于电力设备局部放电定位技术领域，更具体地，涉及一种局部放电定位特高频信号时间差提取方法与系统。


背景技术：

2.局部放电(partial discharge，pd)是电气设备内部发生绝缘缺陷时在局部范围内产生的一种放电现象。电力设备内的多数故障是由内部绝缘缺陷产生的局部放电在运行电压下不断加剧与发展，最终造成设备整体绝缘性能丧失而引发的故障。
3.特高频(ultra high frequency，uhf)检测技术是近年来发展较快的一种用于电力设备pd故障诊断的方法，具有抗干扰能力强、检测频带宽且及灵敏度高等优点。鉴于uhf检测技术的诸多优点，使得uhf法在应用于如gis、变压器等高压电器设备的pd的定位工作中得到广泛应用。
4.uhf定位方法的基本原理为利用四个及以上的uhf传感器组成的传感器阵检测获取pd信息，通过计算各个传感器与参考传感器(任意选取其中一个)之间的信号时延关系以及通过定位算法计算，从而实现pd源定位。获取时间差信息时，由于电磁波的传播速度接近光速，得到的时间差为纳秒级，对于提取的时间差有极为苛刻的精度要求，很小的时间差误差也会导致后续定位结果产生很大误差甚至无法求解得到定位结果。而传统的时间差提取算法如初始峰值法存在峰值点难以判断的弊端；广义相关法存在低信噪比时时间差提取效果很差的弊端。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种局部放电定位特高频信号时间差提取方法与系统，旨在解决现有时间差提取方法精度低的问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种局部放电定位特高频信号时间差提取方法，包括：
7.s1.获取两个特高频传感器针对同一放电源在n个不同时刻采集到的局放信号，并将同一时刻两个特高频传感器采集到的局放信号作为一组信号，得到n组特高频局放信号；
8.s2.对于每组特高频局放信号，计算最佳时间窗内两个特高频传感器采集的局放信号的相关性函数；
9.s3.计算n组最佳时间窗内特高频局放信号的相关性函数的累计结果；
10.s4.确定累计结果在[-δd/c，δd/c]范围内的最大值，最大值对应的横坐标，即为n组特高频局放信号的时间差；
[0011]
其中，δd表示两特高频传感器间的距离；c表示电磁波在介质中的传播速度，n≥2。
[0012]
优选地，步骤s2中，所述最佳时间窗通过以下方式确定：
[0013]
(1)将区域作为时间窗，计算两个特高频传感器
采集的局放信号之间互相关性；
[0014]
(2)计算n不同取值时互相关函数的稳定性δr2；
[0015]
(3)拟合δr2和n的关系曲线；
[0016]
(4)确定δr2曲线的拐点，从而确定n的最佳取值和进行相关分析的最佳时间窗长度；
[0017]
其中，表示向峰值对应的横坐标，表示传感器s1采集到的第i组特高频信号，n＝0，1，
…
，用于控制时间窗长度，dt表示采集特高频局放信号时的最小时间尺度。
[0018]
需要说明的是，本发明通过对不同时间窗长度下的互相关函数计算对应的稳定性函数，并通过稳定性函数的拐点确定出最佳时间窗，该最佳时间窗能够最大程度地减小随机扰动对互相关函数的振荡以及信噪比对相关性的影响，从而解决传统时间差算法中广义相关法受信噪比影响大以及初始峰值法初始峰值不易判断的弊端，实现高精度的时间差计算精度。
[0019]
优选地，时间窗内两个特高频传感器采集的局放信号的相关性函数的计算公式如下：
[0020][0021]
其中，表示时间窗长度为2n
×
dt、时移为τ时两个特高频局放信号的相关性，表示的峰值对应的横坐标，分别表示特高频传感器s1、s2采集到的第i组局放信号，n＝0，1，
…
，用于控制时间窗长度，dt表示采集特高频局放信号时的最小时间尺度。
[0022]
优选地，互相关函数的稳定性δr2的计算公式如下：
[0023][0024]
其中，表示时间窗长度为2n
×
dt、时移为τ时两个特高频局放信号的相关性。
[0025]
需要说明的是，本发明通过定义δr2，并根据δr2幅值的大小确定互相关函数的稳定性，该变量能够定量地描述随机振荡对互相关函数的影响，通过确定δr2曲线的拐点确定最佳时间窗长度，从而避免时间窗长度过长导致相关结果受噪声影响大，或者，时间窗长度过短导致相关结果受随机振荡影响而无法确定时间差。
[0026]
优选地，dt的取值范围为[0.05ns，0.5ns]。
[0027]
需要说明的是，考虑到特高频信号的频率范围为300mhz～1000mhz，而根据香农采样定理采样率应为信号最高频率的两倍以上，本发明优选0.5ns作为dt的上限；考虑到信号采集设备的采样频率上限，本发明优选0.05ns作为dt的下限。
[0028]
优选地，2≤n≤10。
[0029]
需要说明的是，n的取值越大相关结果会趋于稳定，但实际测量为了减少测量时间不会取到特别大，本发明优选10作为n的上限。
[0030]
为实现上述目的，第二方面，本发明一种局部放电定位特高频信号时间差提取系统，包括：处理器和存储器；
[0031]
所述存储器用于存储计算机程序或指令；
[0032]
所述处理器用于执行存储器中的所述计算机程序或指令，使得第一方面所述的时间差提取方法被执行。
[0033]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0034]
本发明通过对两个特高频传感器测得的局放信号在特定小窗范围内的波形进行相关性分析，并对n组在不同时刻测得的特高频局放信号的相关结果进行n次叠加，使得噪声对相关性的影响降到最小，从而得到准确度较高的特高频局放信号时间差。该方法能够有效对实际工程中的含噪声特高频局放信号进行时间差提取，准确度高，受信噪比影响小，对解决实际工程中含噪声的特高频局放信号时间差提取难度大的难题具有重大意义。
附图说明
[0035]
图1是本发明提供的一种局部放电定位特高频信号时间差提取方法流程图；
[0036]
图2是本发明实施例提供的特高频局放信号波形图。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0038]
图1是本发明提供的一种局部放电定位特高频信号时间差提取方法流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0039]
步骤s1.获取两个特高频传感器针对同一放电源在n个不同时刻采集到的局放信号，并将同一时刻两个特高频传感器采集到的局放信号作为一组信号，得到n组特高频局放信号。
[0040]
通过制作实际工程中的大型电气设备中常见的典型绝缘缺陷试样，在实验室中搭建能模拟实际大型电气设备的局部放电平台，在尽可能模拟与现场环境相同的试验条件下，获取能模拟实际工程现场的局部放电特高频信号，并且在不同时刻下测量n组特高频局部放电信号。
[0041]
步骤s2.对于每组特高频局放信号，计算最佳时间窗内两个特高频传感器采集的局放信号的相关性函数。
[0042]
为了使噪声对特高频局放信号的互相关性影响最小，选择在特高频局放信号的峰值附近区域进行相关性分析。对传感器s1、s2采集到的第i组特高频局放信号设的峰值对应的横坐标分别为单位为纳秒)，则选取的区域作为小窗进行互相关分析，其中，dt为设备采集特高频局放信号时的最小时间尺度，n＝0，1，2，
…
；
对于第i组信号，两个特高频传感器接收到的局放信号离散序列其互相关函数可以表达为：
[0043][0044]
空间中，特高频传感器s1、s2与放电源s的摆放位置形成一个三角形或一条直线，根据三角形两边之差小于第三边原理可得时间差δt应该满足：
[0045]
δt≤δd/c
ꢀꢀ
(2)
[0046]
其中，δd为两特高频传感器间的距离；c为电磁波在介质中的传播速度，则在τ∈[-δd/c，δd/c]范围内进行相关分析。
[0047]
为了定量描述相关函数描述的相关性时受随机振荡的干扰，定义互相关函数的稳定性为：
[0048][0049]
随着n的增大，时间窗长度逐渐增长，随机振荡对互相关函数的影响逐渐抵消，互相关函数的稳定性逐渐增加，δr2逐渐减小。但是，时间窗长度的增加也会伴随着引入信噪比较低的区间从而导致互相关函数的准确性受影响。通过拟合/绘制δr2和n的关系曲线，确定δr2曲线的拐点，从而确定n的最佳取值和进行相关分析的最佳时间窗长度。拐点的确定方式可以是现有技术任意一种，在此不进行展开。
[0050]
在τ∈[-δd/c，δd/c]范围内计算的值，并根据的最大值确定对应的得到第i组特高频局放信号对应的时间差计算值。
[0051]
步骤s3.计算n组最佳时间窗内特高频局放信号的相关性函数的累计结果。
[0052]
由于单组特高频局放信号计算的时间差可能由于噪声随机的相关结果而使得特高频局放信号的相关结果出现误差，在τ＝δt处的相关函数幅值也会受到信噪比大小的影响，因此，对n组在不同时刻测得的特高频局放信号进行相关函数叠加，使得n组信号在τ＝δt处的相关曲线的幅值得到n次累积变得突出，而n组相关性随机的噪声经过叠加其幅值反而会降低。对于n组信号得到的互相关函数有：
[0053][0054]
n组数据的相关函数累计结果为：
[0055][0056]
步骤s4.确定累计结果在[-δd/c，δd/c]范围内的最大值，最大值对应的横坐标，即为n组特高频局放信号的时间差。
[0057]
通过确定在τ∈[-δd/c，δd/c]范围内的最大值对应的横坐标，计算出n组特高频局放信号的时间差。
[0058]
由此可知，当两特高频传感器间的距离δd和不同时刻数n均相同时，确定出的n组特高频局放信号的时间差是相同的。
[0059]
实施例
[0060]
利用搭建的局部放电实测信号试验平台，采集两路特高频局部放电样本波形数据，两路特高频传感器距离差设置为δd＝88cm(理论时延为2.933ns)，采集不同时刻的10组样本数据。分别采用能量累积法、初始峰值法、广义相关法、以及本发明提出的小窗互相关累积算法，对不同时刻测得的10组样本数据进行计算求取实测局部放电特高频信号时间差。其中，能量累积法、初始峰值法、广义相关法得到的十组时间差结果进行求平均运算，得到平均计算时间差，各算法计算结果如下表所示：
[0061]
表1各方法计算结果
[0062][0063]
从表1可以看出，小窗互相关累积法具有最好的时间差提取效果，而初始峰值法、广义相关法、能量累积法效果相对小窗互相关累积法效果较差，其原因主要是：
[0064]
图2是本发明实施例提供的特高频局放信号波形图，(a)为完整的特高频局放信号，(b)为该信号峰值附近区域放大。初始峰值法由于实测特高频局放信号存在如图2所示的高频振荡，信号真正的峰值点难以判断；
[0065]
广义相关法在特高频局放信号信噪比较低的情况下容易因为噪声的不相关而导致信号的相关性被噪声削弱；
[0066]
能量累积法判断能量信号的拐点实际只依靠相邻两点间的能量函数的一阶导数或二阶导数，用以判断到达时间的信息量太少容易引入误差。
[0067]
本发明提出的小窗互相关累积法，选择在特高频局放信号的峰值附近区域进行相关分析，最大幅度地减弱了噪声对相关性的影响，同时选取一定长度的区间也避免了单次相关分析信息量太少引起的随机振荡误差，通过多次相关累积使τ＝δt处的相关函数峰值更突出。
[0068]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。