（电力系统及其自动化专业论文）发电机局部放电信号处理与评估技术研究.pdf

上海交通大学博1 ：学他论文摘要 的白噪声和窄带干扰抑制问题进行了研究。研究结果显示，经验模态 分解结合向量阈值的消噪算法能有效地抑制白噪声，检测出局放脉 冲；将经验模态分解的自适应分频特性与自适应滤波算法结合起来， 能有效地将多频率窄带干扰抑制的问题转化为多个单频率窄带干扰 的问题，取得优于普通白适应滤波的效果。 3 论文基于长期在线监测的发电机局部放电数据，对局部放电的评估技 术进行了研究：对于中性点检测局部放电的方式，相位分布之间会 发生混叠，这给放电的模式识别带来了困难，论文从放电模式的稳定 性出发，定义了相似率参数，通过相似率分布来研究放电模式的变化 情况；构造了局部放电相位分布的s k k u 图谱，对绝缘老化状态与 s k k u 图谱之间的关系进行了研究，结果显示，不同发电机的s k k u 图谱之间存在相似性，其数据分布与绝缘状态之间存在一定的关联， 可用作参考评估发电机的绝缘状态。 4 在介绍m u l t i a g e n t 理论的基础上，研究并实现了发电机局部放电在 线监测m u l t i a g e n t 系统。发电机局部放电m u l t i a g e n t 系统是一个多 层的智能分布式系统，根据系统的数据处理及诊断流程，各层可以根 据需要分别设置不同的a g e n t ，执行相对独立的功能。各个a g e n t 可 以单独进行更新，确保使用最新的技术和处理方法，同时有利于系统 进行扩展，增加新的子监测系统或新的传感器。 论文最后对上述研究成果进行了总结，指出了局部放电在线监测应用 中还有待于进一步研究的问题。 关键词： 局部放电，发电机，在线监测，m u l t i a g e n t ，多小波，经验模 态分解 上海交通人学博i ：学位论文 a b s t r a c t s t u d yo fs i g n a lp r o c e s s i n ga n de v a l u a t i o ni n g e n e r a t o rp do n l i n em o n i t o r i n g a b s t r a c t m e a s u r i n gp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i sa l li m p o r t a n tm e a n so fm o n i t o r i n g a n dd i a g n o s i sf o rg e n e r a t o ri n s u l a t i o n b yo n l i n em o n i t o r i n gp di ng e n e r a t o r , i n s u l a t i o nd i a g n o s i sc a l lb ec o n d u c t e d ，p r e w a r n i n gc a nb eg i v e na n ds e r i o u s a c c i d e n tc a l lb ea v o i d e d h o w e v e r , w h e ng e n e r a t o r sr u no ns i t e ，t h e c i r c u m f e r e n c ei n t e r f e r e n c e su s u a l l yt a k eo ns t r o n g e rt h a nw e a kp ds i g n a l s a n di tb r i n g sn u m e r o u si s s u e si nt h em e a s u r e m e n t i na d d i t i o n ，p ds i g n a l si s a p tt ob ei n f l u e n c e db ym a n yo u t s i d ef a c t o r s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，a n dt h e a s s e s s m e n to fp de x t e n ti sau n c e r t a i n t yp r o b l e mw i t hn os t r i c ts p e c i f i c a t i o n s h o wt o s u p p r e s st h ei n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l ya n da s s e s s t h ep de x t e n t c o r r e c t l ya r et w of o c u s e si np dr e s e a r c hf i e l d m u l t i w a v e l e ti s an e w d e v e l o p m e n to fw a v e l e tt h e o r ya n dp o s s e s s e sm o r ea d v a n t a g e st h a nc l a s s i c a l w a v e l e ti ns i g n a lp r o c e s s i n g a n de m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ( e m d ) i s an e w l yd e v e l o p e dm e t h o df o ra n a l y z i n gn o n s t a t i o n a r ys i g n a l s i nt h e d i s s e r t a t i o n w ea p p l yt h em u l t i w a v e l e ta n de m dt od e n o i s et h ep dd a t a f u r t h e r m o r e ，p r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o no fp da s s e s s m e n ti s c o n d u c t e db y m e a n so fs i m i l a r i t ya n a l y s i s f i n a l l y , b a s e do nt h em u l t i a g e n tt e c h n i q u e ，a p do n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e do u t b a s e do na b o v e a n a l y s i s ，f o l l o w i n g r e s e a r c hi nt h ep do n - l i n e m o n i t o r i n gw e r ec a r r i e do u t ： 1 m u l t i w a v e l e tb a s e dd e n o i s i n ga l g o r i t h mw a sa p p l i e dt od e t e c tp d i nt h e d i s s e r t a t i o n ，v e c t o rb a s e dt h r e s h o l d ，n e i g h b o rc o e 伍c i e n tb a s e dt h r e s h o l d a n dp r e p r o c e s s i n gw a si n v e s t i g a t e d a n df u r t h e r , p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n w i t hw a v e l e tw a sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t h w a v e l e t ，m u l t i - w a v e l e tc a np r o c e s sp d w i t hv a r i o u sm o d e sa n dp r e s e r v i n g m o r es i g n a lf e a t u r e sw h i l er e m o v i n gn o i s ef r o mt h em e a s u r e dd a t a 第1 l i 页 上海交通大学博卜学位论文 a b s t r a c t 2 e dt h e o r yw a si n t r o d u c e di n t ot h ea n a l y s i so fp d i n c o r p o r a t e dw i t h v e c t o rt h r e s h o l d i n ga n da d a p t i v ef i l t e rr e s p e c t i v e l y , s u p p r e s s i o no fw h i t e n o i s ea n dd i s c r e t es p e c t r u mi n t e r f e r e n c e ( d s i ) w e r ei n v e s t i g a t e d 1 1 1 e r e s u l t so b t a i n e dd e m o n s t r a t et h a t e da n dv e c t o rt h r e s h o l db a s e d d e n o i s i n ga l g o r i t h mc a ns u p p r e s st h ew h i t en o i s ee f f e c t i v e l y , w i t ht h e p e r f o r m a n c ec o m p a r a b l e w i t hw a v e l e tb a s e dm e t h o d e db a s e d a d a p t i v ef i l t e rc a nt r a n s f e rt h ed s lw i t hm u l t i p l ei n t e r f e r e n c ef r e q u e n c i e s ( m i f ) i n t om u l t i p l ed s i sw i t hs i n g l em i fs u c c e s s f u l l ya n dp e r f o r m s b e t t e ri nc o m p a r i s o nw i t hc o m m o na d a p t i v ef i l t e r s 3 b a s e do nl o n g t e r mp dd a t ad e t e c t e df r o mg e n e r a t o r s ，i n v e s t i g a t i o no fp d a s s e s s m e n tt e c h n i q u e sw a sc a r r i e do u t ：c o n s i d e r i n gt h es t a b i l i t yo f d i s c h a r g et y p e ，s i m i l a r i t yr a t ew a sd e f i n e da n dt h es t a b i l i t yo fd i s c h a r g e c a nb ea n a l y z e db yt h ed i s t r i b u t i o no ft h ep a r a m e t e r ；s k - k up l o to fp d s i g n a t u r ew a sc o n s t r u c t e d ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e ni n s u l a t i o nc o n d i t i o n a n ds k - k up l o ts h a p ew a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so b t a i n e ds h o w st h a t t h e r ee x i s t sc o r r e l a t i o nb e t w e e nd a t ad i s t r i b u t i o na n dd i s c h a r g es e v e r i t y e x t e n t ，a n dt h ec o n c l u s i o n sc a na c ta sr e f e r e n c ew h e na s s e s s i n g t h e i n s u l a t i o nc o n d i t i o n 4 ap do n l i n em o n i t o r i n gm u l t i - a g e n ts y s t e mf o rg e n e r a t o r sw a sd e s i g n e d a n dr e a l i z e d p do n l i n em o n i t o r i n gm u l t i a g e n ts y s t e mi sam u l t i - l a y e r i n t e l l i g e n td i s t r i b u t e ds y s t e m a g e n t s c a nb ed e f i n e da sr e q u i r e da n d f u n c t i o n e da n du p d a t e di n d e p e n d e n t l y m a ti sm o r e ，t h es y s t e mc a nb e e x t e n d e df l e x i b l y , e n a b l es u p p o r t i n gn e wm o n i t o r i n gs y s t e m sa n ds e n s o r s a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，as y s t e m a t i c a ls u m m a r yi sg i v e n f u r t h e r w o r kt ot h er e s e a r c hi sp o i n t e do u t k e yw o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ，g e n e r a t o r , o n l i n em o n i t o r , m u l t i - a g e n t ， m u l t i w a v e l e t ，e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n 第页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：钱勇 日期：2 0 0 7 年7 月1 5 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：钱勇 日期：2 0 0 7 年7 月1 5 日 指导教师签名：陈陈 黄成军 日期：2 0 0 7 年7 月1 5 日 上海交通人学博七学位论文 第一章 绪论 第一章绪论 1 1 发电机绝缘在线监测的意义 发电机是电力系统的重要组成部分。随着我国电力工业的发展和科学技术的进 步，发电机的单机容量不断增大。据统计，我国电力总装机容量自1 9 8 7 年迈上1 亿 千瓦台阶以后，分别跨跃了2 0 0 0 年的3 亿千瓦和2 0 0 5 年的5 亿千瓦，无论是发电 机的台量、装机规模还是发电总量均列世界第二位。据电力部门预测，2 0 0 5 - - , 2 0 1 0 年全国新投产总装机容量约3 2 , - - , 3 7 亿千瓦，其中水电大约是7 0 0 0 万千瓦，火电大 概是2 5 - - , 3 亿千瓦，核电3 3 0 万千瓦，火电当中单机容量6 0 万千瓦及以上的机组共 计2 9 0 多台，装机1 8 6 亿千瓦，占总投产火电装机容量的6 2 5 ，大机组的比重提 高了很多，单机容量3 0 万千瓦( 含3 0 万千瓦) 的机组共计2 4 0 多台，装机7 5 0 0 万千 瓦，所占的比重为2 5 1 ，单机容量1 0 万千瓦以下的机组尽量减少例。目前，3 0 万 千瓦及以上机组已成为我国电力系统的主力机组，单机容量为6 0 万千瓦和1 0 0 万千 瓦的发电机组也相继并网发电。这些发电机一旦发生事故停机，不但会严重损坏电 机本身，造成停电损失，还可能引发系统振荡甚至失稳，影响电力系统的正常供电， 造成巨大的经济损失和不良的社会影响。因此，发电机的运行可靠性极为重要。 造成事故停机的原因是多种多样的，例如电气系统、冷却系统、机械系统故障等。 调查表明，由于发电机定子绝缘老化而造成的事故是其中的一个主要原因，大约4 0 的电动机或发电机的故障是由于定子线圈绝缘老化引起的l 引。因此各国运行和制造单 位对发电机的绝缘状况的评估工作都高度重视，并建立了相应的经验评估体系。我 国电力行业标准关于发电机的绝缘评估也有明确的规定，累计运行时间2 0 年以上且 运行或预防性试验中绝缘频繁击穿的发电机，应进行定子绕组绝缘老化鉴定i 4 1 。 然而，全面细致的发电机绝缘系统检查和预防性加固修缮，以及综合电气试验等 工作动辄需要数月的检修周期。对于大型发电机而言，寻找这样的机会并下这样的 决心是相当困难并且存在过度检修的风险。 对于绝缘老化来说，不管由何种因素引起，都会在电机内发生局部放电( 以下简 称局放) ，理论研究和大量的实践证实，对发电机进行在线局放监测，可以有效地监 测电机绕组的松动、过热、端部污染等绝缘损坏，并为电机的寿命预测提供依据。 根据局放的测量和分析进行维修的安排，减少了不必要的停机，节约了维修费用。 上海交通大学博1 ：学位论文 第一荦绪论 鼍皇曼曼曼寰! 曼曼舅曼曼曼鼍曼曼曼曼舅曼曼皇曼曼曼量曼曼曼量量舅皇量舅舅舅舅量曼量鼍量皇舅量皇曼皇曼舅皇量曼曼邑曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼筹一 因此，近年来国内外致力于发电机局放的在线监测系统的研究。 1 2 局放在线监测研究现状 自上世纪5 0 年代以来，国外围绕发电机局放在线监测技术已经展开了大量的研 究工作，无论是在理论研究上，还是在产品研发上都有很多的成果。国内在局放在 线监测方面的研究起步较晚，发展也比较缓慢，与国外相比还有较大的差距。下面 从局放监测方法和数据分析系统两个方面对发电机局放在线监测的研究现状进行介 绍，其中，主要讨论局放的数据分析系统。 1 2 1 发电机局放监测方法 就发电机局放的监测方法而言，目前具有代表性的主要有三种：耦合电容法， 槽耦合器监测法，中性点耦合法射频监测法，参见表1 1 。 表1 - 1 发电机局放监测方法 t a b 1 - 1g e n e r a t o rp do n l i n em o n i t o r i n gm e t h o d 监测方法传感器优点 缺点 便携式耦合电容高压耦合电容器灵敏度相对较高 区分外部干扰信号和 法【5 - 7 l内部放电信号困难 中性点耦合法射频电流传感器( r f c t )安全简便灵敏度较低，识别放电 射频监测洲8 】 阻容耦合相位困难 槽耦合器监测法定子槽耦合器 高灵敏度，能有效地传感器必须安装在电 1 7 ，9 】 区别局放和干扰 机内部 除了上述监测方法，还有电阻测温元件( r t d ) 引线监测法 1 0 - 1 2 】、超声监测法等 f 1 3 1 4 1 、由于灵敏度相对较低或信噪比较低，目前较少采用。 基于表1 1 中的监测方法，国内外一些公司或研究单位开发了一些发电机局放在 线监测设备，如表1 2 所示，国外有加拿大i r i s 公司、瑞士p dt e c h 公司等单位，而 国内有北京吉思电气、西安博源电气、上海第二工业大学、上海交通大学等研究机 构【1 5 1 6 1 。 表1 - 2 国内外发电机局放在线监测系统比较 t a b 1 - 2p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fg e n e r a t o rp do n li n em o n i t o r i n gp r o d u c t s 单位监测点传感器频带范围抗干扰实现方法 云母电容传感4 0 m h z 加拿大i r i s三相高压出线端硬件电路时延鉴别 器对 1 6 0 m h z 0 3 m h z 瑞士p d t e c h三相高压出线端云母电容器硬件为主频带选择 3 9 m h z 三相高压出线端及 5 0 k h z 北京吉思电气高频电流传器 硬件电路差动平衡 中性点 l m h z 上海交通人学博i = 学位论文第一章绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼皇曼鼍量曼曼皇曼曼曼鼍曼量舅量曼曼量曼曼曼曼皇量量曼曼曼曼曼皇鼍曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼量i 邑曼曼曼曼曼量皇曼鼍量曼量曼 高压陶瓷电容 5 m h z 西安博源电气三相高压出线端 软件时延鉴别 器对 1 0 0 m h z 上海第二工业 大学 中性点高频电流传器可达4 0 m h z硬件电路窄带滤波 5 0 0 k h z 软硬结合数字信号处 上海交通大学中性点高频电流传器 1 0 m h z 理为主 总结国内外发电机局放在线监测方法，主要从高压母线、发电机内部和中性点三 处检测局放信号。从高压母线上检测信号具有灵敏度高的优点，但是却存在安全隐 患等问题，从发电机内部检测信号能获得较高的灵敏度，但存在难以安装、维护等 缺点，相比前两种方法，基于中性点耦合的检测方法最大的优点在于传感器安装方 便，系统安全可靠，且随着计算机与数字信号处理技术的发展，该方法灵敏度较低 等问题能逐步得到解决，因而目前在工程实际中得到了广泛的使用。 1 2 2 局放数据分析系统 局放监测作为监测发电机绝缘状况的重要手段，理论上，通过在线检测局放信号， 分析局放的波形及统计特性，最终可以确定绝缘损坏的类型及其劣化的程度，提前 给出预警信号，防止严重事故的发生。但是，在实际的现场应用中，检测及分析局 放信号都存在着一系列的问题。首先，局放信号是微弱的电信号，而在发电机运行 的现场，环境往往很恶劣，存在大量的干扰，严重影响检测工作的正常进行；其次， 局放不像温度、气压等数据，可以直接通过读取数值判断出绝缘是否异常，局放数 据往往需要经过专业人员分析比较之后才能得出较为可靠的结论：此外，利用局放 信号评估绝缘系统目前还没有严格统一的标准，由局放评判绝缘状况存在诸多的不 确定性。 为了解决上述的问题，国内外的学者做了许多研究工作，取得了大量的成果。下 面从局放信号的检测、特征参数的提取、局放模式的识别、局放严重程度的评估和 局放诊断系统五个方面进行介绍。 1 ) 局放信号的提取 检测局放信号目前最大的困难在于抑制现场检测中存在的各种干扰。在许多情况 下，这些干扰会使得系统产生错误的预警信息，严重影响局放监测系统诊断结论的 可信度。因而，对干扰的抑制，一直是局放检测中的首要问题。 现场存在的干扰根据其时频特性，可以分为白噪声、窄带干扰和脉冲型干扰。白 噪声在时域内幅值呈高斯分布，而窄带干扰在频率内有很明显的主频率，脉冲型干 扰在时域和频域内均具有和局放相似的特征。对于这几种干扰的抑制，国内外均做 了大量的研究工作，现简单小结如下。 第3 页 上海交通大学博i ：学位论文第一章绪论 一曼量曼曼曼量皇曼! 曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼量皇曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼蔓葛皇曼量曼曼曼皇曼量蔓皇曼璺曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼 表1 - 3 局放检测中常见的干扰及抑制方法 t a b 1 3c o m m o ni n t e r f e r e n c e sa n dd e n o i s i n gm e t h o d si np dd e t e c t i o n 干扰类型干扰源常用抑制方法存在的问题 白噪声绕组的热噪声、配电线小波变换降噪u 7 q 9 1 时域平需要信号的先验知识 路以及继电保护线路的均降噪【2 0 1 热噪声和检测电路中的 噪声 窄带干扰无线电发射、高频保护窄带检测器，平衡电桥+ 脉用模拟方法实现，麻烦， 信号和电力载波通信系冲识别电路2 1 】需要附加设备，需要现场 统 调整 频率抑制向量( f r v ) 法【2 2 】计算频率抑制向鼍较困难 f f t 滤波【2 l 】计算量人，确定阈值斟难 白适应滤波2 1 】计算量大，参数设置困难， 可能不稳定 小波变换2 1 1 小波包变换阈值设置困难 【2 3 】 f i r 滤波i i r 级联陷波滤需要知道干扰信号的频率 波器【2 4 】 脉冲型干扰电力电子设备周期的开平衡抑制法口5 j需要附加设备，需要计算 关动作、偶尔的开关动复杂的传递函数 作或雷击、邻近金属触 距离分类器【2 6 】过程复杂，用于离线处理， 头之间的电弧、旋转电 在线处理情况还有待研究 机中滑环和电刷的电 神经网络 2 5 , 2 7 】泛化性能较差 弧、电力系统的局放和 电晕等 目前，对于白噪声的抑制，通常是通过小波消噪算法来实现的，小波消噪算法 在实际应用时存在一个典型的问题，需要根据信号的波形特征，选择一个合适的小 波基函数，在缺乏信号波形先验知识的情况下，小波基函数选择的合适与否，直接 影响到最后消噪的结果；对于窄带干扰，可以采用f f t 滤波、自适应滤波、小波滤 波等算法，但是这些算法用于实际处理时都还存在缺乏自适应性的问题；脉冲型干 扰是三者中最难抑制的干扰类型，常规的时频分析及数字滤波技术都难以解决这个 问题，当前主要是通过脉冲识别加以抑制，如利用神经网络 2 5 , 2 7 。 按照c i g r e 的标准，局放数据有多种表示形式【2 引。一般说来，由现场测量设备 检测到的局放数据可以分作两类：基于相位分布的数据和基于时间分布的数据，见 表1 - 4 。目前对局放的分析和评估主要是基于这两类数据。 表1 - 4 局放的数据类型 t a b 1 - 4c o m m o nt y p e so fp dd a t a i 数据类型常见形式优点 0 0 基丁相位分布的数据 h q n ( 伊) 、h q m a x ( 伊) 、h 。( 伊) 、i ( 妒) 、 能显示局放的变化趋势，可用0 上海交通人学博上学位论文第一章绪论 妒1 嗍等 于缺陷类型的识别 基于时间分布的数据g f能显示局放的波形，获取简单 的老化和缺陷信息 除了上述两类常用的局放数据，近年来，有学者采用了另外一种类型的数据，这 种数据没有相位和时间信息，描述的是放电量随外加电压的变化，即矿2 9 1 。之所 以采用这种数据是因为局放具有明显的迟滞现象，根据这种现象可以建立一种模型， 确定神经网络分类器的拓扑结构。 2 ) 局放特征参数的提取 任何一种可以识别并分类的模式具有许多可辨别的属性或特征。局放模式识别过 程的第一步是考虑怎样选择特征及如何提取这些特征。目前用于局放识别的特征很 多，综合国内外的相关文献，大致可以分为脉冲基本特征、统计特征及信号图像处 理后的特征，见表1 5 。 表1 - 5 局放特征参数及其提取方法 t a b 1 - 5f e a t u r ep a r a m e t e r sa n dc o r r e s p o n d i n ge x t r a c t i o nm e t h o d s 提取特征参数的方式特征参数说明 脉冲特征参数1 0 个基本参数3 们、2 个衍生参数3 1 ，3 2 】基于时间分布 的数据 统计特征参数2 9 个统计算子3 3 1 、2 个w e i b u l l 参数【3 4 1 5 个基丁相位分布 w e i b u l l 参数【3 5 】 的数据 信号图像处f o u r i e r 变换f o u r i e r 系数的均值、两个周期的绝对差值3 6 1 典基丁时间、相位 理后的特征型时长、典型带引3 7 1 分布的数据 参数 h a a r 变换 h a a r 系数w a l s h 系数的均值、两个周期的绝对差 基于时间、相位 w a l s h 变换值【3 6 1分布的数据 分形分析分分形维、空缺掣3 3 , 3 4 第一、二簇的平均脉冲数、基于相位分布 形图像压缩第一、二簇的初始和结束相位角、第二簇初始和的数据 结束电荷转换量【3 8 】 纹理分析6 个g l d h m 特征参数、7 个s g l d m 特征参数、基于相位分布 5 个g l r l m 特征参数、p s m 特征参数3 9 1 的数据 小波变换 逼近系数、细节系数垂直系数、水平系数、对角 信号分解图像 系数1 4 0 1分解 除了表1 5 中的特征参数，针对前述g v 类型的数据，采用自回归时序模型，可 以提取q t 1 、q t - 2 、q t - 3 和v t 1 、k - 2 、k - 3 等作为特征参数【2 9 j 。 不同的特征参数在识别不同的局放源时，其性能相差较大，为了提高识别的可靠 性，可以综合多种特征参数提取方法【4 l 】。 3 ) 局放类型的识别 在模式识别方面有许多关于分类方法的报道。这些分类方法主要基于决策函数、 距离函数、似然函数和人工神经网络等。综合国内外目前的相关文献，用于局放模 第5 页 ：海交通大学博十学位论文第一章 绪论 一式识别的分类器大致可以分为距离分类器、统计分类器、基于人工神经网络( a n n ) 的分类器和基于模糊逻辑的分类器，见表1 6 。 表1 - 6 局放分类器 t a b 1 6c l a s s i f i e ro fp d 分类器常用分类算法或结构说明 距离决策最小距离分类 4 2 1 、最相邻分类【3 4 j 、百分比分类和多项式基于相位、时间分布的 函数分类器 分类【4 3 1 、决策图表i “1数据 统计分类器 b a y e s 分类m 和识别率分类4 5 】 基于相位分布的数据 a n n 分类 反向传输神经网纠矧、k o h o n e n 白组织特征映射【4 5 1 、学 习向量量化网络m ，逆传输神经网络【3 2 】，模块神经网络【4 8 】所有类型的数据 器 和级联神经网络【2 9 1 基于模糊逻 基于条件概率分类、基于特征空间分类【3 7 1 基于相位、时间分布的 辑的分类器数据 在上述的分类器中，a n n 分类器由于相比于其它分类器具有从样本学习的能力， 在工程实际中应用最为广泛。除了常规的反向传输神经网络，近年来报道的多层神 经网络【5 0 1 、模块神经网络【4 8 1 、级联神经网络【2 9 】都值得关注。 需要指出的是，对于单一类型的局放信号，以上的分类器均能有效地识别出来， 但是，对于多局放源的信号，当前的分类器还难以获得满意的效果。 4 ) 局放严重程度的评估 局放严重程度的评估本质上就是绝缘劣化程度的评估。绝缘的劣化是一个长期的 过程，相应地，局放对绝缘的影响也有一个长期积累的过程。 影响绝缘老化的因素主要有电、热、机械振动和冷热循环等。构建一个全面的多 因子老化模型是很复杂的，目前在这方面，主要研究的是单因子和双因子老化模型 【5 1 - 5 3 1 ，见表1 7 。 表1 - 7 绝缘老化模型 t a b 1 7a g i n gm o d e l sf o ri n s u l a t i o nd e t e r i o r a t i o n 类犁 常用老化模型 说明 单因子老化模型幂倒数模型【5 4 l 、指数模型f 5 4 】电老化 热老化模型【5 4 1 ，现象学模型【5 5 1热老化 机械老化模型5 6 1 机械老化 双因子老化模型s i m o n i 模型、r a m u 模型、f a l l o u 模型、c r i n e 模电热老化 型洲、m o n t a n a r i 模型【5 7 1 ，g j a e r d e 模型【5 8 l ， 多因子老化模型s r i n i v a s 模型电热机械老化 其它n e l s o n 模型【5 9 l电、热、电热机械老化 第6 页 上海交通大学博十学位论义第一章绪论 9i 空间电荷模型唧1l0 局放导致绝缘产生老化，反过来，绝缘的老化也影响了局放的放电过程。具体说 来，随着绝缘的逐步老化，局放的脉冲形态、统计参量等都会发生相应的变化，而 且这些变化是连续的，与缺陷是相关联的【6 1 】。局放的某些特征量，可以在一定程度 上反映绝缘的老化状态，具体而言，随着绝缘的老化，相位分布的偏斜度由大变小， 且偏斜度与与分层缺陷有关 6 2 - 6 4 ；互相关因子随老化时间呈现明显增大的趋势【6 5 】； 局放幅值的w e i b u u 参数与缝隙及树中的放电紧密相关，可以作为绝缘老化的指示参 且【岘d 7 1 。除了上述的局放统计特征量，近年来，日本的n a g o y a 大学还研究了局放模 式及放电电流波形随绝缘老化的变化情况引，将局放脉冲标准化频谱上3 0 d b 对应的 频率和局放脉冲的k u s k 图作为判断绝缘老化的新参数【6 9 1 。 评估绝缘的剩余寿命是局放在线监测追求的目标。通过提取局放脉冲或放电图谱 的若干特征，结合神经网络或模糊逻辑，可以获得一些定性的绝缘老化信息【7 0 。7 2 ， 但是要评估绝缘的剩余寿命，在当前的研究水平之下还难以实现。文献【7 3 】指出，在 局放在线监测的水平达到能描述微观的放电能量密度之前，仅仅通过测量局放对绝 缘剩余寿命进行准确评估是不可能的。 为此，除局放之外，近年来学者们还尝试了其它的诊断方法，如超声法【7 4 刁们。文 献 7 5 以超声的最小速度i n 和平均速度作为评估绝缘的特征量。文献 5 9 】提出 了动态老化理论，在此基础之上提出了动态多因子老化模型，指出动态停滞电压和 超声行波绝缘响应是评估绝缘剩余寿命最好的参数。 在进行局放严重程度评估时，局放量的变化趋势是可靠的方法，但是不能仅仅以 局放水平作为评估的基准，应该综合模式分析和相间比较【7 。 5 ) 局放源的定位 局放源的定位对于绝缘评估和维护都有重要的意义。当前，在这方面，国外加拿 大、荷兰、意大利等国一些研究结构做了较多的研究工作【1 3 ，7 8 。8 1 1 ，而国内相关的研 究报道较少。 加拿大的i r i s 公司和瑞士的a b b 公司都直接在发电机内部安装传感器，进行局 放信号的测量与定位【l3 1 ，但是该方法在安装传感器时需要拆开发电机，对于已运行 的发电机是难以接受的。意大利的g e n o v a 大学通过在发电机线棒上安装两个压电超 声传感器对局放源进行定位【7 8 】，荷兰的d e l f t 理工大学则通过在定子上安装多个v h f 传感器对定子上的局放源进行定位【7 9 - 8 1 1 。但是这些都是离线的定位方法，难以用于 在线检测。 局放脉冲在传播时显示出快传输和慢传输两种模态，且在通过绕组传播时会产生 第7 页 卜海交通火学博一j ：学位论文 第一币绪论 衰减，导致在电机不同端点测得的局放脉冲不一致，此外，对不同类型的放电，检 测设备的灵敏度也不一定相同【8 2 】，受以上诸多因素的影响，在目前的自动监测系统 里，对局放进行准确定位还难以实现。 6 ) 局放诊断系统 局放的分析评估是很复杂的工程，往往需要有专家的知识才能得出正确的结论， 经常利用专家进行分析是很不现实的。因而，开发具备专家知识的自动化局放诊断 系统也就成了局放研究的必然趋势。利用这样的诊断系统，既使是现场的工程技术 人员也能够正确地对局放进行分析评估，有利于正确及时地安排设备检修。 需要指出的是，局放诊断系统通常不受监测对象的限制，在很多情况下，只需稍 做调整，一种高压设备的诊断系统便可适用于另外一种高压设备，因而下面对局放 诊断系统进行介绍时其诊断对象并不局限于发电机。 综观国内外局放诊断系统的相关文献，捷克理工大学、德国w u p p e r t a l 大学、英 国s t r a t h c l y d e 大学、加拿大i r i s 公司等研究机构做了大量的研究工作。 捷克理工大学开发了几种不同类型的局放诊断专家系统：用于离线局放诊断的 i z o l e x 专家系统和c e v x 专家系统，用于在线局放诊断的c e v x o n 专家系统、 a l t o n e x 专家系统和m c v 专家系统【8 3 。9 7 1 。如图1 1 所示，为该大学开发的用于评 估局放的复杂系统m c v ：包含两个并行的系统，用基于规则的专家系统执行局放脉 冲的幅值分析，以确定绝缘系统的损坏程度；用神经网络进行局放脉冲的相位分析， 以确定局放的类型。这样的系统结构可以同时进行分析，有助于提高诊断系统的运 行效率。 图1 - 1 捷克理工大学开发的m c v 系统的框图 f i g 1 - 1d a t af l o wi nt h em c vs y s t e md e v e l o p e db yc z e c ht e c h n i c a lu n i v e r s i t y 英国s t r a t h c l y d e 大学利用a g e n t 技术，构建了基于超高频( u h f ) 的变压器局放在 线诊断系统8 8 - 9 0 。该系统最大的优点在于智能化，具有很强的扩展性，整体结构如 第8贞 j ：海交通人学博士学位论文 第一章 绪论 图1 2 所剥韶j 。系统分为4 层：数据监测层、解释层、验证层和信息层，每一层都 能单独进行更新，使得系统能够很方便地采用最新的技术，其中的验证层可以将来 自不同数据源的数据进行交叉确证，以确保诊断的结果具有较高的可靠性。 印度w st e s ts y s t e m sl i m i t e d 建立了一个基于模糊逻辑的专家系统，用以识别 局放的类型1 9 。该系统以局放三维图谱的三个分量作为系统的输入，通过设置不同 的模糊集，可以识别变压器中四种类型的局放。加拿大w a t e r l o o 大学建立了一个模 糊专家系统，根据局放的波形来识别气泡的大d 、, 1 4 引。该系统以局放脉冲波形的5 个 基本特征参数( 视在电荷、上升时间、下降时间、宽度和面积) 为输入量，通过f u z z y c l i p s 构建的专家系统来确定绝缘中气泡气隙的尺寸大小，如图1 3 所示。 i j l t f 传感器 其它传感器、控 图1 - 2s t r a t h c l y d e 大学研究的诊断系统结构 f i g 1 - 2i n t e l l i g e n td i a g n o s i ss y s t e md e v e l o p e db ys t r a t h c l y d eu n i v e r s i t y 第9 页 上海交通入学博十学位论文第一章绪论 图卜3 加拿大w a t e r l o o 大学研究的模糊专家系统 f i g 1 3f u z z ye x p e r ts y s t e md e v e l o p e db yc a n a d aw a t e r l o ou n i v e r s i t y 德国s i e m e n sa g 构建了一个冗余的专家系统 9 2 , 9 3 】，由3 个独立的诊断系统分别 对局放数据进行分析，然后将得到的结果进行综合比较，以得出较为可靠的结论。3 个诊断系统分别采用改进的神经网络、模糊分类算法和l 2 距离分类器进行局放的分 类，冗余专家系统的结构如图1 4 所示。 测量 特征 提取 分类 分类 置信度 推理 肋芊据卜 w a l s h f o u r i e rh a a r h a d a m a n d l 2 - 距离改进的b pn n模糊 ，t l 置信的动态 置信的动态 j 2 摒( l 2 ) 5 0 边界( 模糊) 叫昌l a ) 敏的结论? il 叫b ) 多数的结论?h c ) 未知的缺陷? 图i - 4 德国s i e m e n sa g 开发的冗余专家系统 f i g 1 - 4r e d u n d a n td i a g n o s i se x p e r ts y s t e md e v e l o p e db ys i e m e n sa g 德国w u p p e r t a l 大学开发了局放自动诊断系统w i n t e d 9 4 1 ，该系统是一个冗余的 诊断系统，通过采用不同的特征参数，利用不同的分类器，可以构造出不同类型的 局放诊断系统 4 l , 9 4 - 9 6 ，如图1 5 所示为该大学新近开发的r d s 3 型局放诊断冗余专家 第l o 页 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 系统。r d s 3 系统提取了傅立叶变换特征、电压梯度特征和电压差特征三种不同类型 的特征参数，用相同的距离分类器对这三种特征参量进