配電網(wǎng)密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號時延估計算法

潘建喬， 吳迪, 陳超， 欒伊斌， 王亮亮， 宋毅

(1.國網(wǎng)浙江平湖供電公司，浙江 平湖 314200；2.保定華創(chuàng)電氣有限公司，河北 保定 071000)

0 引 言

密閉式關(guān)柜為電力網(wǎng)絡(luò)中的樞紐設(shè)備，若密閉式關(guān)柜發(fā)生故障，則直接影響到電力系統(tǒng)的正常運行[1]。密閉式關(guān)柜中包含非常多的絕緣狀態(tài)信息，若發(fā)生局部放電現(xiàn)象則代表絕緣劣化，同時也是絕緣進(jìn)一步劣化的原因[2-3]。因此，對配電網(wǎng)密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號時延估計，能夠減少密閉式關(guān)柜絕緣事故的發(fā)生，由此減少密閉式關(guān)柜故障帶來的影響。

本文方法首先采集密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號，對采集到的信號進(jìn)行處理，然后提出基于高階累積量的時延信號估計算法，計算每段信號中的累積量，對定位誤差和信號的時延序列誤差計算。試驗證明，此次設(shè)計的配電網(wǎng)密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號時延估計算法比傳統(tǒng)算法估計誤差小，滿足了高頻信號時延估計需求。

1 特高頻信號采集及處理

密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號檢測過程中，在兩個不同接收點上能夠接收到不同的信號，使用高速信號采集系統(tǒng)對天線接收到的信號進(jìn)行采集[4-6]，表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中:s(t)為采集到的信號；T為特高頻信號采集時的初始時間；n、n2分別為附加的高斯噪聲。

特高頻信號在第j個采樣點時刻的能量累計值的計算公式為：

(2)

當(dāng)密閉式關(guān)柜局部放電發(fā)生時，局部電源輻射出相應(yīng)的脈沖，變電站內(nèi)設(shè)置的四根天線對應(yīng)脈沖能量。當(dāng)背景噪聲較小時，背景噪聲小于脈沖幅值。同時，一段時間后會積累能量[7-9]，局部放電起始點會在信號積累一段時間后出現(xiàn)拐點，如圖1所示。

由于采集后的特高頻信號中存在噪聲和高頻信號，可導(dǎo)致波頭時刻發(fā)生誤判斷情況。因此，依據(jù)卡爾曼濾波對采集到的信號做平滑處理[10-12]，計算公式為：

(3)

在此基礎(chǔ)上，對特高頻信號進(jìn)行濾波處理，計算公式為：

(4)

根據(jù)上述過程，完成配電網(wǎng)密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號的采集與處理，為密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號時延估計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 局部放電特高頻信號時延估計

對密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號時延估計。依據(jù)高階累積量估計信號時延，步驟如下所示。

步驟一：將觀測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分成k段，每段樣本中都包含不同的數(shù)據(jù)樣本。分別記作x1(k),x2(k),…,xn(k+1)，其中k=1,2,…，N，允許相鄰數(shù)據(jù)重合。

步驟二：計算高頻信號積累量。計算公式為：

s(d)=|n+?|/g″

(5)

式中:s(d)為信號值參數(shù)；n+?為整段信號的三階累積量；g″為三階累積量的平均值。

步驟三：將得到的信號進(jìn)行傅里葉變換。計算公式為：

(6)

步驟四：假設(shè)信號數(shù)據(jù)采集以采集到的初始信號為觸發(fā)信號，依據(jù)觸發(fā)電平設(shè)置閾值，尋找超過閾值的波形的第一個峰值，在此基礎(chǔ)上，往后尋找第一個過零點，將該路信號幅度與初始信號值比較。計算公式為：

(7)

式中:ku為信號幅度比較參數(shù)；Vi/y為信號的旋轉(zhuǎn)矩陣;G為第一路信號的時刻參數(shù)。

步驟五：假設(shè)時延序列誤差一定時，信號的定位誤差與天線布陣方式的關(guān)系，如式(8)所示。

(8)

步驟六：利用過零檢測方法，對信號進(jìn)行過零檢測，得到信號過零點的位置，即為所要估計的是差值。由于在信號采樣率較低時，時延估計精度較差，因此對特高頻信號進(jìn)行差值運算，再進(jìn)行時延估計，以提高時延估計精度。假定采樣間隔t為：

(9)

式中:st為符號發(fā)生變化時的采樣點;n/i為超過閾值的第一個峰值;f為波前時刻過零點的大概位置。

進(jìn)行最優(yōu)變換階次搜索，依據(jù)位置信息最優(yōu)遍歷變換信號累積量，計算最優(yōu)的時差估計值。利用均方誤差衡量時延估計算法的精度，均方誤差定義為：

(10)

由此完成配電網(wǎng)密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號時延估計。

ΔT=[m-(N-1)]dt

(11)

式中:ΔT為信號時延；N為離散信號的點數(shù)；dt為任意兩點之間的時間差。根據(jù)上述過程對信號時延估計，能夠提高估計的精度。

3 試驗對比

為驗證配電網(wǎng)密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號時延估計算法在現(xiàn)場環(huán)境下的應(yīng)用效果，對某配電網(wǎng)特高頻局部放電巡檢過程中出現(xiàn)的異常局部信號定位。試驗數(shù)據(jù)來源于艾瑞數(shù)據(jù)庫(網(wǎng)址為：http://www.iresearch.cn)。為了保證試驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，將傳統(tǒng)高頻信號時延估計算法與此次設(shè)計的算法結(jié)果進(jìn)行比較，對比兩種方法的估計誤差。

3.1 試驗指標(biāo)研究

(1) 信噪比(SNR)是衡量原始UHF信號受噪聲干擾的程度，單位為分貝(dB)，其表達(dá)式為：

(12)

式中:Ps和Pn分別為噪聲信號和放電源信號的能量。SNR<0表示源信號比噪聲弱；SNR>0則表示源信號比噪聲強(qiáng)。

(2)接收用時：

(13)

式中:(x,y,z)為局部放電源；(xi,yi,zi)為傳感器；c為特高頻信號傳輸速度。

3.2 試驗結(jié)果分析

采用本文設(shè)計的配電網(wǎng)密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號時延估計算法與傳統(tǒng)算法相比較，進(jìn)行時延計算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 時延估計結(jié)果

由圖2可以看出，基于EMD算法、基于EMD優(yōu)化雙譜算法和開關(guān)柜局部放電UHF信號時延估計方法的時延估計值達(dá)到穩(wěn)定的迭代次數(shù)分別為1 022、1 000、1 500，所提方法時延估計值達(dá)到穩(wěn)定的迭代次數(shù)為500。由此可以看出，噪聲較大時，雙譜法能夠?qū)r延估計，但是誤差較大。

在模擬的6個信號時延估計過程中，會受到噪聲的干擾，噪聲主要包括白噪聲和窄干擾。在有噪聲的情況下，對比傳統(tǒng)方法與此次設(shè)計的信號時延估計算法的信號時延估計誤差。

試驗表明，此次設(shè)計的局部放電特高頻信號時延估計算法能夠有效估算局部放電源的空間位置，提高了信號時延估計精度，對信號噪聲具有較好的免疫力，能夠滿足局部放電特高頻信號時延估計的要求。

4 結(jié)束語

為解決傳統(tǒng)局部放電特高頻信號時延估計算法時延估計誤差大的問題，設(shè)計了一種配電網(wǎng)密閉式關(guān)柜局部放電特高頻信號時延估計算法。試驗表明，此次設(shè)計的方法能夠減少估計誤差。特高頻采樣頻率情況下的適用性是此次設(shè)計的高頻信號時延估計算法后續(xù)的重點研究內(nèi)容，可提高局部放電特高頻時延估計精度，為其他配電網(wǎng)高頻信號時延估計提供一定的借鑒意義。