基于放電脈沖波形匹配的局部放電類型識別

孟慶振+楊金偉+徐學(xué)偉+韓寶國+李靜鵬

摘 要： 針對局部放電類型識別中不易全面提取特征等問題，提出將采集到的局部放電脈沖信息與經(jīng)典的局部放電類型信息直接進行波形相識度匹配的方法，該方法只需通過表征波形相似性的互近似熵值便可識別出局部放電類型。首先討論不同局部放電類脈沖所具有的不同分布特點和樣式，歸納分析五種典型局部放電的脈沖波形。具體研究基于互近似熵進行局部放電信號識別的原理方法、識別系統(tǒng)和實現(xiàn)流程。實驗結(jié)果證實了基于互近似熵的局部放電識別方法的準(zhǔn)確性和高效性。

關(guān)鍵詞： 局部放電； 放電脈沖； 波形匹配； 互近似熵

中圖分類號： TN98?34； TM76 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0164?05

Partial discharge type identification method based on discharge pulse waveform matching

MENG Qingzhen， YANG Jinwei， XU Xuewei， HAN Baoguo， LI Jingpeng

（Linyi Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Linyi 276023， China）

Abstract： It is difficult to fully extract the features in partial discharge type identification， so a method to march the waveform similarity between the sampled partial discharge pulse information and classical partial discharge type information directly， which can recognize the partial discharge type by means of the cross?approximate entropy presenting the waveform similarity. In this paper， the different distribution characteristics and styles of various partial discharge type pulses are discussed， and five pulse waveforms of classical partial discharge are summarized. The principle method， identification system and implementation procedure for partial discharge signal identification based on cross?approximate entropy are studied. The experimental result proves that the partial discharge type identification method based on cross?approximate entropy is accurate and effective.

Keywords： partial discharge； discharge pulse； waveform matching； cross?approximate entropy

0 引 言

盡管GIS（Gas Insulated Switchgear）設(shè)備具有高可靠性、無需頻繁檢修等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用，但由于GIS設(shè)備一旦出現(xiàn)故障將可能導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)嚴(yán)重故障。因此，及時發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備可能潛在的故障和各種異常情況，以保障GIS設(shè)備可靠運行具有重要意義[1]。

從GIS設(shè)備運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，GIS設(shè)備故障中包括絕緣故障（57.3%）、機械故障（18.1%）和氣體泄漏故障（12.4%）[2]。由此可見，絕緣故障成為影響GIS可靠運行的主要因素。GIS設(shè)備絕緣性能下降甚至發(fā)生閃絡(luò)故障可通過局部放電進行檢測。作為一種有效的局部放電檢測手段，特高頻法利用局部放電時產(chǎn)生很陡的脈沖電流，通過采集局部放電輻射出的300～3 000 MHz頻段的電磁波信號進行局部放電的檢測，已逐步應(yīng)用于GIS設(shè)備的局部放電信號采集和狀態(tài)評估中。

由于局部放電是一個很復(fù)雜的物理電氣過程，受缺陷類型、放電程度、缺陷位置、現(xiàn)場環(huán)境等諸多因素的影響，所呈現(xiàn)的特征具有分化性的特點，不容易識別，而且局部放電信號容易被電力現(xiàn)場的電磁干擾所淹沒，增加了局部放電信號的識別難度。

當(dāng)前局部放電信號進行放電模式識別方法主要針對局部放電信號的脈沖分布特征展開研究，進而提取特定的特征量，通過支持向量機算法、統(tǒng)計概率分類法、距離分類法、核主分量分析方法、模糊識別、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進行放電模式識別[3?6]，取得了一定的效果。由于局部放電現(xiàn)場情況復(fù)雜導(dǎo)致特征的多樣化，要準(zhǔn)確捕捉局部放電的全部特征信息非常困難，而且人工智能等方法通常需要大量的樣本訓(xùn)練以確保放電模式識別的準(zhǔn)確性，算法過程也較為復(fù)雜，對識別系統(tǒng)的運算、存儲能力要求較高[7]。

本文采用互近似熵方法，對采集到的局部放電脈沖波形信息與經(jīng)典的局部放電類型信息直接進行相似度匹配，只需運算得到反映兩者波形相似度的互近似熵值，便可以識別出所采集的局部放電信號屬于哪種局部放電類型，從而避免局部放電信號模式識別中不容易全面提取特征等難點。

1 局部放電特征分析

GIS設(shè)備的絕緣內(nèi)部一旦存在缺陷，尤其當(dāng)絕緣內(nèi)氣體擊穿、小范圍的固體或液體介質(zhì)的局部擊穿、金屬表面的邊緣或者尖角部位場強集中時，在電場強度的作用下，就可能不斷地產(chǎn)生擊穿和熄滅這類重復(fù)性的局部放電。

局部放電由于放電能量較小，雖然一般不會立刻損害GIS設(shè)備，但由于絕緣缺陷一直存在，運行過程中在工作電壓的作用下會持續(xù)出現(xiàn)局部放電的情況，導(dǎo)致GIS設(shè)備絕緣性能不斷下降，最終可能導(dǎo)致絕緣完全擊穿，造成事故。因此，深入分析GIS設(shè)備局部放電的特征，及早發(fā)現(xiàn)和定位GIS設(shè)備放電類型，可以消除GIS設(shè)備局部放電帶來的絕緣隱患。

局部放電過程存在電荷交換、電磁波輻射、能量損耗等復(fù)雜的電氣現(xiàn)象，所采集到的局部放電信號和局部放電的類型、位置以及放電信號的傳播路徑等因素有關(guān)。由于放電位置多樣化，局部放電信號傳播路徑具有不確定性和復(fù)雜化，不能簡單地根據(jù)信號強度判斷局部放電性質(zhì)。但對于同一類型的局部放電，其放電脈沖波的分布和具體波形還是呈現(xiàn)比較明顯的特征，具有較好的辨識度[8]。

首先研究金屬顆粒放電、懸浮電位體放電、絕緣件內(nèi)部氣隙放電、沿面放電、金屬尖端放電等五種主要放電類型的脈沖波形分布情況，由于篇幅限制，取五種主要放電類型的一個工頻周期內(nèi)的脈沖分布情況進行重點分析，如圖1所示。

金屬顆粒性質(zhì)的局部放電，放電持續(xù)時間較長，放電脈沖在時間軸上分布較廣，在整個工頻周期相位均有放電信號分布，但放電脈沖強度和脈沖間隔較為分化，極性效應(yīng)不明顯。

松動金屬部件產(chǎn)生的懸浮電位體放電具有較好的規(guī)律性，放電脈沖強度較為一致，且相鄰放電脈沖的間隔也比較接近。當(dāng)懸浮金屬體不對稱時，正負半波檢測信號有極性差異。

固體絕緣內(nèi)部開裂、氣隙等缺陷引起的絕緣件內(nèi)部氣隙放電，放電脈沖強度差異性比較大，脈沖分布也較為稀疏，脈沖之間的間隔也較分散。但放電相位較穩(wěn)定，無明顯極性效應(yīng)。

絕緣表面金屬顆粒或絕緣表面臟污導(dǎo)致的沿面放電，放電脈沖分散性比較大，脈沖強度具有較大的差異性，脈沖分布不均勻且相鄰脈沖間隔不統(tǒng)一，極性效應(yīng)不明顯。

處于不同電位的金屬毛刺或尖端，由于電場集中導(dǎo)致的金屬尖端放電，放電脈沖所呈現(xiàn)的特征較為明顯，具體表現(xiàn)在放電脈沖分布較為集中，脈沖強度也非常接近，相鄰脈沖的間隔也比較均勻。放電的極性效應(yīng)比較明顯，通常僅在工頻相位的負半周出現(xiàn)。

不同類型的局部放電，其放電脈沖波在強度和時間間隔等方面呈現(xiàn)出不同的特征，具體表現(xiàn)在脈沖的分布波形具有差異性。為進一步分析不同類型的局部放電中單個放電脈沖的波形，以絕緣件內(nèi)部氣隙放電和懸浮電位體放電這兩種類型的局部放電為例[9]，如圖2所示。

兩種類型的單個放電脈沖都為持續(xù)時間極短的陡脈沖，具體表現(xiàn)為振蕩衰減波形，放電脈沖的持續(xù)時間很短，波頭的上升時間僅為納秒級別。盡管兩種不同局部放電類型的單個脈沖具有相似性，但具體的振蕩衰減形式還是有所差別，懸浮電位體放電類型的單個脈沖振蕩衰減程度相對而言更加激烈，幅值震蕩幅度更大，衰減時間也更長。其他類型局部放電信號的單個脈沖波形也都有其自身特點。

結(jié)合局部放電所有脈沖的分布特點和單個放電脈沖的樣式特點，構(gòu)成了每種局部放電類型區(qū)別于其他類型的波形曲線。如果兩條局部放電曲線波形很相似，則判斷這兩條曲線波形屬于同一種局部放電類型的概率很大。因此，可以通過直接比較所采集的局部放電曲線波形和各種不同類型的經(jīng)典局部放電曲線波形的相似度，來確定局部放電類型。由于直接采用反映曲線波形的采樣數(shù)據(jù)進行運算比較，而不是從波形中提取某項特征以確定放電類型，因而可以避免因波形特征可能被遺漏而導(dǎo)致放電類型識別不準(zhǔn)確的問題。

2 互近似熵及其應(yīng)用

2.1 互近似熵

針對傳統(tǒng)的熵存在需要大量采樣數(shù)據(jù)、對噪聲敏感和不易收斂等問題，Pincus從衡量時間序列復(fù)雜性的角度，于20世紀(jì)90年代提出了近似熵（Approximate Entropy，ApEn）和互近似熵（Cross Approximate Entropy，CApEn），以解決混沌現(xiàn)象中難以求解熵等難點[10]。

近似熵和互近似熵定義為：時間序列向量在由[m]維增加至[m+1]維時繼續(xù)保持其相似性的條件概率。其物理意義是當(dāng)維數(shù)變化時，時間序列向量產(chǎn)生新模式的概率大小，如果熵值越大，表明時間序列向量產(chǎn)生新模式的概率越大，也就是該序列向量越復(fù)雜。近似熵用于描述一個時間序列（比如，簡單地理解為一條曲線波形）在模式上的復(fù)雜性（即相似性），是對自身波形復(fù)雜性的描述；而互近似熵則用一種條件概率來衡量兩個時間序列（兩條曲線波形）在模式上的相似性[11]。

互近似熵對兩條時間序列向量的相似性進行定量表述，也就是描述兩條曲線在時間軸上的相似模式，或者說描述兩條曲線在模式上的相似程度有多大，若兩條曲線波形越相似和接近，那么對應(yīng)的互近似熵將越小。

互近似熵以統(tǒng)計的方法來表征兩條曲線隨著時間發(fā)展所呈現(xiàn)出來的差異或變化情況，以此來描述兩條曲線波形的相似程度，互近似熵不用于重建整個曲線波形的全貌，因此只需要較短的數(shù)據(jù)樣本就可以運算得到比較穩(wěn)定的熵值。互近似熵所需數(shù)據(jù)窗較短的優(yōu)點對于動態(tài)觀察兩條局部放電曲線相似度具有重要意義。可以采用一個較短的數(shù)據(jù)窗，在需要比較相似度的兩條局部放電曲線中，從頭到尾移動并計算每一條曲線位置上數(shù)據(jù)窗內(nèi)的互近似熵值，從而通過互近似熵系列得到這兩條波形曲線在時間軸上的相似度，互近似熵值越小，說明當(dāng)前時刻的兩條波形曲線越接近。

同時，互近似熵提出了相似容限的概念，互近似熵相當(dāng)于相似容限條件下的統(tǒng)計概率。當(dāng)參與互近似熵運算的曲線樣本數(shù)據(jù)小于該相似容限時，小于相似容限的曲線細節(jié)信息就會被過濾掉，只保留幅值大于相似容限的相似模式。也就是說，幅值低于相似容限的噪聲能夠被抑制，互近似熵具有良好的抗干擾性能。雖然小波分析等抗干擾方法對于抑制白噪聲等電磁干擾具有一定的效果，但現(xiàn)場應(yīng)用中存在如何有效地區(qū)分局部放電信號和干擾信號頻帶等問題，尤其當(dāng)干擾信號和局部放電信號具有非常相似的時頻特性時，如何高效地抑制干擾信號并準(zhǔn)確地提取局部放電信號仍然是局部放電類型識別的難點，互近似熵方法自身具有良好的抗低頻干擾能力，因此本身作為一種抗干擾手段應(yīng)用于局部放電的檢測中。

互近似熵具有良好的適用性，對于信號類型沒有嚴(yán)格限制，適用于各種信號的相似性分析。對于局部放電信號的多樣化和不確定性，甚至可能包含各種隨機的干擾，互近似熵方法也同樣適用于局部放電信號分析。

2.2 互近似熵計算方法

對于包含[N]個采樣數(shù)據(jù)[i（t）]的兩條波形按以下步驟計算互近似熵值[12]：

（1） 對時間序列[i（t）]進行矢量重構(gòu)，按順序組成[m]維矢量，分別記為[Xk] 和[Xj：]

[Xk=i（k），…，i（k+m-1）， k=1，2，…，N-m+1] （1）

[Xj=i（j），…，i（j+m-1）， j=1，2，…，N-m+1] （2）

（2） 分別計算矢量[Xk]和[Xj]之間的距離，并記錄下最大的矢量距離：

[dXk，Xj=max0≤p≤mi（k+p）-i（j+p）] （3）

（3） 給定相似容限[r，]統(tǒng)計[Xk]和[Xj]的矢量距離小于[r]的個數(shù)[Nm，r，]并計算[Nm，r]與總的矢量個數(shù)[（N-m+1）]的比值，即：

[Cm，r=（d（Xk，Xj）

式中：[Cm，r]反映序列中[m]維模式在相似容限[r]下相互近似的概率。具體應(yīng)用中，通常取[m=2，][r=0.1～]0.25標(biāo)準(zhǔn)差。

（4） 先對[Cm，r]求取對數(shù)，進而求其平均值，從而獲得兩條曲線之間的互相關(guān)程度：

[Om，rd（Xk，Xj）=1N-m+1k=1N-n+1lnCm，rd（Xk，Xj）] （5）

（5） 當(dāng)嵌入維度變?yōu)閇m+1]時，重復(fù)上述步驟（1）～步驟（4）的運算過程，得到[m+1]維數(shù)時的互相關(guān)程度數(shù)值[Om+1，rd（Xk，Xj）]。

（6） 最后得到互近似熵值[CApEn（m，r）]：

[CApEn（m，r）=Tm，rOU（i），U（j）-Tm+1，rOU（i），U（j）] （6）

3 基于互近似熵的放電類型識別

3.1 分析系統(tǒng)

安裝在GIS設(shè)備的傳感器采集局部放電信號后，送入到具有高頻電流采集功能的前端智能電子設(shè)備中。局部放電信號首先經(jīng)過由RC組成的簡單式無源濾波回路或是性能更好的、以放大器為核心元件組成的有源濾波回路以硬件方式過濾掉明顯的毛刺干擾。局部放電識別系統(tǒng)如圖3所示。

經(jīng)過濾波處理的局部放電信號接著進入信號調(diào)理回路，調(diào)理回路主要由阻抗匹配電路和放大電路組成。通過阻抗匹配電路減少局部放電信號傳輸過程中的損耗，同時利用放大電路將較為微弱的信號調(diào)整成符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器電平接口的信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換器進而將采集的局部放電信號由模擬量形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字量形式，并通過對應(yīng)的通信口（CAN、Profibus各種現(xiàn)場總線、光纖以太網(wǎng)等通信方式）將局部放電數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺的局部放電分析系統(tǒng)。

局部放電分析系統(tǒng)由性能強大的工控機甚至服務(wù)器組成，實現(xiàn)局部放電信息的存儲、放電類型識別等處理功能，并最終以告警等方式顯示局部放電的分析結(jié)果通知運行人員。

局部放電分析系統(tǒng)接收來自通信網(wǎng)絡(luò)的局部放電數(shù)據(jù)，并將其存儲到采樣值數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫專門用于存儲現(xiàn)場采集的局部放電數(shù)據(jù)。同時，局部放電分析系統(tǒng)配備經(jīng)典值數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫已事先存儲由出廠試驗數(shù)據(jù)或歷史試驗數(shù)據(jù)等組成的局部放電經(jīng)典值數(shù)據(jù)和對應(yīng)的局部放電類型。數(shù)據(jù)庫可以采用以局部放電類型為關(guān)鍵字的樹形結(jié)構(gòu)，這樣在局部放電類型識別算法應(yīng)用時能迅速地查找到對應(yīng)的局部放電經(jīng)典值數(shù)據(jù)，并調(diào)出到局部放電類型識別算法中，作為算法識別時進行數(shù)據(jù)比較的依據(jù)。

局部放電類型識別算法是識別分析系統(tǒng)的核心，本文采用互近似熵方法直接對待識別的局部放電波形和五種經(jīng)典的局部放電波形分別進行兩條曲線的相似度比較。局部放電類型識別算法從采樣值數(shù)據(jù)庫和經(jīng)典值數(shù)據(jù)庫調(diào)出相應(yīng)的兩條曲線波形數(shù)據(jù)，并根據(jù)互近似熵方法算出的熵值確定局部放電類型，最后將識別的局部放電類型通過局部放電分析系統(tǒng)的顯示界面提醒現(xiàn)場運行人員。

3.2 算法流程

具體的局部放電類型識別算法實現(xiàn)上，采用互近似熵算法對采樣值數(shù)據(jù)和各種經(jīng)典局部放電類型的典型數(shù)據(jù)進行熵值運算，并通過運算得到的熵值進行波形相似度識別。熵值最小對應(yīng)的典型放電類型與該采樣值數(shù)據(jù)（也就是待識別的局部放電）的波形相似度最高，實現(xiàn)流程如圖4所示。

具體的算法步驟主要包括：

（1） 從采樣值數(shù)據(jù)庫調(diào)出待識別的局部放電波形數(shù)據(jù)，將局部放電采樣數(shù)據(jù)按順序形成數(shù)組[{is}，]得到二維的局部放電類型待識別矢量。

（2） 從經(jīng)典值數(shù)據(jù)庫調(diào)出五種經(jīng)典局部放電類型的波形數(shù)據(jù)，將五種經(jīng)典的局部放電類型的數(shù)據(jù)按順序分布形成數(shù)組[ic，k（k=1，2，…，5）]，得到五組局部放電的經(jīng)典類型矢量。

（3） 充分利用互近似熵算法自身具有的抗噪聲功能，類型待識別矢量[{is}]不再采用小波去噪等濾波方法，分別將直接和經(jīng)典類型矢量[ic，k（k=1，2，…，5）]進行互近似熵運算，得到五種經(jīng)典局部放電類型對應(yīng)的五個熵值CApEn。

（4） 選取其中最小的熵值CApEn，理論上表明最小熵值對應(yīng)的經(jīng)典放電波形和待識別的局部放電波形相似度最高，即這兩者局部放電類型最接近，即可初步判定待識別的局部放電類型為該熵值對應(yīng)的經(jīng)典放電類型。

（5） 進一步分析該最小熵值CApEn是否在合理區(qū)間。如果最小熵值CApEn明顯過大，說明待識別的局部放電類型不在這五種經(jīng)典的放電模式中。如果最小熵值在合理的區(qū)間內(nèi)，說明該熵值對應(yīng)的經(jīng)典放電類型是待識別的局部放電類型。

4 實 驗

為了驗證互近似熵方法在局部放電類型識別中的效果，在GIS設(shè)備上進行模擬金屬顆粒放電、懸浮電位體放電、絕緣件內(nèi)部氣隙放電、沿面放電、金屬尖端放電五種類型的局部放電實驗，局部放電實驗過程中利用采樣速率高達800 MS/s的采集器捕捉局部放電脈沖信號，并連續(xù)采集50個工頻放電周期的局部放電樣本數(shù)據(jù)，對得到的樣本數(shù)據(jù)與經(jīng)典的局部放電類型數(shù)據(jù)進行互近似熵值計算，運算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1的互近似熵值，可以分析得到基于互近似熵的局部放電方法具有以下特點：

（1） 當(dāng)待識別樣本的局部放電類型與典型的局部放電類型相匹配時，通過互近似熵運算得到的熵值比較小，在0.2～0.4之間，說明兩者的波形相似度高，在模式上接近；當(dāng)待識別樣本的局部放電類型與典型的局部放電類型不一致時，對應(yīng)的互近似熵值大于0.6，明顯區(qū)分于兩者類型一致時的互近似熵值。說明基于互近似熵方法的局部放電類型識別具有較好的區(qū)分度。

（2） 對隨機生成的樣本數(shù)據(jù)與典型的局部放電類型數(shù)據(jù)進行互近似熵運算，得到的所有熵值都大于0.8，說明隨機生成的樣本數(shù)據(jù)波形與典型的局部放電類型波形在模式上差別很大，可以很容易地排除隨機生成的樣本數(shù)據(jù)不屬于文中所述的五種局部放電類型。

（3） 進一步觀察待識別樣本的局部放電類型與典型的局部放電類型相匹配時熵值的大小情況，金屬尖端放電和懸浮電位體放電兩者類型的互近似熵值最小，說明待識別樣本波形和對應(yīng)的典型波形的相似度更高，與這兩種放電類型的波形具有較好的規(guī)律性有關(guān)。金屬顆粒放電、絕緣件內(nèi)部氣隙放電和沿面放電三種放電類型的互近似熵值逐步增大，說明這三種類型的局部放電波形趨向于渾濁狀態(tài)，波形的信息較為分散和雜亂，不規(guī)則性逐步明顯。

（4） 本文方法沒有采用濾波算法，就直接對可能包含各種噪聲的局部放電采樣數(shù)據(jù)直接進行互近似熵運算，上述的實驗結(jié)果分析表明，互近似熵值能準(zhǔn)確區(qū)分局部放電的類型，表明互近似熵算法具有較好的噪聲容忍度，局部放電應(yīng)用中可以減少傳統(tǒng)局部放電類型識別所需的算法去噪這一環(huán)節(jié)，具有較高的算法效率。

5 結(jié) 語

本文以典型的局部放電波形為基準(zhǔn)，對采集到的局部放電脈沖波形信息與經(jīng)典的局部放電類型信息直接進行相似度匹配。采用具有算法實現(xiàn)簡便、同時具有抗噪能力、所需數(shù)據(jù)窗短等優(yōu)點的互近似熵方法，通過直接運算得到反映兩者波形相似度的互近似熵值，便可以識別出采集的局部放電信號的類型。避免了局部放電信號模式識別中不容易全面提取局部放電特征，及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等局部放電識別方法所需的培訓(xùn)樣本大、不易收斂、計算過程復(fù)雜等難點。

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