（电力系统及其自动化专业论文）gis局部放电在线检测系统中的信号处理及相关问题研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t g i sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ns u b s t a t i o ne q u i p m e n t so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m b e c a u s eo fi t sc l o s e d p r o p e r t ya n dc o m p o s i t i o n a l i t y , c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sc a nn o tb et a k e ni nt i m eo n c ei n t e r n a lf a u l t sh a p p e n ， w h i c hw i l lc a u s em o r em a i n t e n a n c ed i f f i c u l t i e sa n ds e r i o u ss y s t e ma c c i d e n t sc o m p a r i n gw i t ho u t d o o r e q u i p m e n t s a st h es o c i e t ya s k i n gf o rm o r ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y , i ts e e m sm o r ei m p o r t a n tf o rg i so n - l i n e f a u l td e t e c t i o n r e s e a r c hs h o wt h a ti n s u l a t i n gf a u l t sa c c o u n tf o rm o r ei ng i si n t e r n a lf a u l t s ，w h i c hu s u a l l y a c c o m p a n i e sp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i ng e n e r a l ，p df o rg i si sas i g na n dm a n i f e s t a t i o no fi n s u l a t i n g f a u l t s t h e r e f o r e , i ti sm o r ei m p o r t a n tf o ro n l i n ep a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n gf o rg i s 1 1 1 ep a p e rm a i n l y i n t r o d u c e ss i g n a lp r o c e s s i n ga n dp dp o i l l tl o c a t i o nb a s e do n ap o r t a b l eo n l i n ep dm o n i t o r i n g s y s t e m ，w h i c hs e n d sp ds i g n a l si n t oc o m p u t e rb ys e n s o r s ( r e c t a n g l eo p e n i n ga n t e n n a s ) p ds i g n a lp r o c e s s i n gi st h ek e yr e s e a r c hp a r ti nt h ep a p e r a f t e rb r i e f l yi n t r o d u c i n gi n t e r f e r e n c es i g n a l s a c c o m p a n i e sp da n dt h e i rp r o c e s s i n gm e t h o d s ，f f tt h r e s h o l df i l t e r i n gi sp r o p o s e df i r s tt of i l t e rp e r i o d i c n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e h o w e v e r , t h e r ea r ep r o b l e m so fd i f f e r e n ts i g n a l - n o i s er a t i o e sa n dh a r dt oc h o o s e t h r e s h o l di nf f tf i l t e r i n g ，w h i c hw i l lc a u s ee x c e s s i v eo ri n s u f f i c i e n tf i l t e r i n g s oa ni m p r o v i n gf f t t h r e s h o l df i l t e r i n gb a s e do ns i g n a l - n o i s ec h a r a c t e r i s t i c s b e s i d e s ，a i m i n ga te x t e r n a li n t e r f e r e n c e ( m a i n l y c o r o n ai n t e r f e r e n c e ) ，t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ( w a v e l e tt r a n s f o r m ) i su s e dt oi d e n t i f yp da n de x t e r n a l i n t e r f e r e n c e a tl a s t ，e n e r g yr a t i oa l g o r i t h mi su s e df o rt i m ed e l a ye s t i m a t i o n t h ea l g o r i t h mw i t hh i g hs t a b i l i t yi s e a s yt oc h o o s ep a r a m e t e r sa n du s e f u li nc a l c u l a t i n gt i m ed e l a yo fs i g n a l si n t e r f e r e db ys t r o n gn o i s ea n d t h a n s f e r e dt h r o u g hm u l t i - c h a n n e l o np dp o i n tl o c a t i o n ，l e a s ts q u a r ee s t i m a t i o na l g o r i t h mi su s e df o rt h e r e s e a r c h ，w h i c hi se a s ya n dr e l i a b l e a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa l s op r o v ei t sg o o de f f e c t k e y w o r d s ：g i s ；p a r t i a ld i s c h a r g e ；o n - l i n ed e t e c t i o n ；i n t e r f e r e n c es i g n a l ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；p a r t i a l d i s c h a r g el o c a t i o n ：e n e r g yr a t i o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：玉立驽一日 期：旦l 址 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：卑导师签名：立扯日 期：蔓玉型 第一章绪论 1 1g i s 特点 第一章绪论 s f 6 气体绝缘全封闭组合电器( g a s i n s u l a t e ds w i t c h e r ，简称g i s ) 是变电站设备的重要组 成部分，具有占地面积小、元件全部封闭、不受环境干扰、可靠性高、运行方便、检修周期 长、维护工作量少、安装迅速、运行费用低等优点，在世界各地的电力部门已得到j “泛应用， 自上世纪8 0 年代开始，g i s 电器设备在我国得到迅速发展【l 】，在城市及周边地区以及环境客 观条件相对较差的地区有较大的使用量【2 l 。 g i s c b 观如图1 所示。从结构上来说，g i s 实际上是将多个电气设备( 如断路器、隔离开 关、接地开关、电流互感器、母线等) 通过相同结构的密封法兰和内部导电杆的触头连接，密 封在充有一定压力的s f 6 气体或s f 6 混合气体的封闭金属壳体内。s f 6 气体作为绝缘介质，具 有优异的灭弧和绝缘性能，在均匀电场中其击穿强度约为空气或氮气2 3 倍，在不均匀电场 中约为其3 倍；在3 4 个大气压卜其击穿强度与1 个大气压一卜的变压器油相似；在单断口的灭 弧室中，其灭弧能力约为空气1 0 0 倍，也远比压缩空气强。同时，s f 6 气体的化学性能稳定且 无毒性，在1 5 0 时不与水、酸、碱、卤素、氧、氢、碳、银、铜和其它绝缘材料等作用， 5 0 0 时仍不分解。 图卜1g i s 外观图 g i s 使高压变电站的结构和运行发生了巨大的变化，其显著特点是集成化、密闭化、小 型化、安装方便和美观。g i s 的故障率比传统的敞开式设备低一个数鼍级，而且设备检修周 期人人延长。冈此，近年来g i s 在许多人型、重要变电站得剑了酱遍应川。g i s 变电站具有 以卜优点3 l f 4 】： ( 1 ) g i s 大大缩小了电气设备的l i 地面积与空间体积，。l l 地面积仅为敞开式的3 0 或以 下。由丁s f 6 及其混合气体具有良好的绝缘性能，冈此绝缘距离人为减少。通常电气设备的 d i 地面积与绝缘距离成平方关系，而lo i 有的空间体积与绝缘距离成立方关系。随着电压等级 的提高，减少绝缘距离对减少i l l 。地面积和空问的意义就更人。 东南人学硕 ：学位论文 ( 2 ) g i s 的组件是全封闭式的，受污染、盐雾、潮湿等环境的影响较小。其导电部分外 壳屏蔽，接地良好，导电体产生的辐射、电场干扰、断路器开断的噪音均被外壳屏敞了。而 且g i s 被牢固地安装在基础预埋什上，产品重心低，强度高，具有优良的耐震性能，尤其适 合在城市中心或居民区使用。常规断路设备相比，g i s 更容易满足城市环保的要求。 ( 3 ) g i s 以s f 6 气体为绝缘介质，气体本身不燃烧，防火性能好，而且具有优异的绝缘 性能和灭弧性能，运行安全可靠。 ( 4 ) 施工工期短，安装方便。g i s 设备的各个组件通川性强，可采用积木式结构组装在 一个运输单元中，运到施j f 现场就位固定。现场安装的：i ：作餐比常规设备减少了5 0 左右。 ( 5 ) 检修周期长，维修方便。g i s 的故障率为0 0 1 o 0 2 次( 站年) ，一般认为约为常 规设备故障的十分之一，g i s 的停电检修周期一般定为1 0 2 0 年，也有：r ：厂提出不需要检修。 1 - 2g i s 绝缘结构及局部放电机理 1 2 1g i s 绝缘结构 如上所述，g i s 是由断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、 母线及套管等单元，封闭在接地的金属体内组成。g i s 内部充有一定压力并有优异灭弧和绝 缘能力的s f 6 气体作为主绝缘，输电母线用环氧盆式绝缘子作为支撑绝缘。g i s 内部结构如 图卜2 所示。 g i s 有单相封闭式和三相封闭式两种不同结构。三相封仞1 式比单相封闭式的总体尺寸 小、部件少、安装周期短，但额定电压等级高时制造比较困难。所以通常只对11 0 k v 及以下 电压等级采用全三相封闭式结构，对2 2 0 k v 级除断路器以外的其它元件采用二相封闭式结 构，对3 3 0 k v 及以上等级则一般采用单相封闭式结构【5 】。 9 a 结构布置图 w r w 一 善|警、一j q s 窖f，q r 。 嚣以r 一少 ； 0 0 3 旬2 - 0 4 - 0 6 t n s 幽2 - 6 模拟局部放电接收信号波形 东南人学硕 ：学位论文 2 3 2 试验现场干扰测试 刚便携式g i s 局部放电在线检测系统在模拟故障6 i s 装置上进行试验，试验主要是背景 干扰的测试、电晕干扰的测试以及局部放电和注入脉冲的测试等几个部分。具体的实验如下。 2 3 2 1 背景噪声测试 如图2 - 7 所示，在不加电压的情况，在l o o m i t z 附近有较集中的频谱峰值分布，主要是由 于调频立体声的谱率段集中在8 0 1 2 0 m h z 内。2 0 0 3 0 0 m h z 频段散见孤立的峰值，可能为实 验人厅内其它设备产生。在8 0 0 f l t z 以上有峰值，经验表明，该峰值是由载波通信如手机信号 产生的。背景噪声信号幅值基本小于2 m y 。 0 0 0 5 o 0 0 4 0 0 0 3 o 0 0 2 o 0 0 1 o 0 0 0 j o 0 0 1 3 0 0 2 - o 0 0 3 一o 0 0 4 一o 0 0 5 0 0 0 6 乜。止刈妣越 k j 幽洫刎。雌i 山龇“山洲 唧即唧矾| l | l 叩 1 哪唧唧闸肾1 唧 t | n s ( a ) 原始波形 o oo 1o 2o 30 4o 5o 6o 7o 80 91 o f g h z ( b )频谱 图2 - 7 背景噪声波形及其频谱 1 2 第二章便携式g i s 局部放电在线检测系统 2 3 2 2 电晕干扰测试 当电压升高剑7 3 k v 时，高压进线在空气中有很强的电晕，能听到滋滋的电晕声。高压进 线长约2 m ，与测培大线成9 0 。角放置，距离约6 m 左右，所测信号如图2 8 所示。 o 0 1 0 o 0 0 8 o 0 0 6 o 0 0 4 o 0 0 2 o o o o j - o 0 0 2 - o 0 0 4 - o 0 0 6 - o 0 0 8 - o 0 1 0 t n s ( a ) 原始波形 f ，g h z ( b ) 频谱图 图2 8 电压为7 3 k v 时空气中电晕放电的波形及频谱 2 。3 2 3 高压放电试验及注入脉冲电荷时的信号测试 。 电流注入实验是在高压电源处( g i s 管线的最左边) 以脉冲的形式注入一串电流，由丁 被注入的脉冲电流的放电鼙是已知的，所以可以用米判定在实验室的条件下系统最小可以检 测剑的局部放电的灵敏程度为2 5 p c 。图2 - 9 为注入脉冲2 5 p c 时测量到的信号。 1 3 o o o o o o o 0 o o o 东南人学硕士学位论文 0 0 0 8 o 0 0 6 0 0 0 4 o 0 0 2 0 0 0 0 、 3 o 0 0 2 - - 0 0 0 4 - 0 0 0 6 0 0 8 o 0 0 0 9 o o 0 0 8 0 o 0 0 7 0 o 0 0 6 0 ，o 0 0 5 0 o 0 0 4 0 o 0 0 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 d o 02 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 t n s ( a ) 原始波形 o oo 10 2o 3o 4o 5o 6o 7o 80 91 o f ，g h z ( b ) 频谱图 图2 - 9 注入脉冲2 5 p c 时的波形及频谱 从图2 - 9 中可以看出，噪音主要集中在0 5 0 m h z 和7 0 1 2 0 m h z 频带内，前者对应 的主要是空气中电晕放电信号，后者在频域上是多个孤立的峰值，对应调频广播等窄带信号。 其他高频干扰信号较为分散，其能量较小。对于本次实验的放电信号，其能量主要分布在以 1 0 0 m h z 为中心的一个较宽的频带范围内。 2 4 本章小结 该便携式g i s 局部放电在线检测系统是局部放电信号处理及定位的载体，本章对其构 成、各部分作川及本文中采删的试验方法进行了介纠和分析。住此基础上，以下将着重对局 部放电信号处理进行详细阐述。 1 4 第三章局部放电信号处理 第三章局部放电信号处理 本文要解决的最主要问题即为g i s 局部放电在线检测中的信号处理问题。局部放电试 验实际上是一种微量测量，而试验现场存在各种干扰，对检测影响很大，如不预先进行信号 滤波处理，就无法提取精确的局部放电信号。因此，需要分析试验现场干扰类型( 主要有周 期性窄带干扰和电晕干扰) 及处理方法。在本章将重点针对周期性窄带干扰，基于f f t 阈 值滤波的不足，提出基于信噪特征的改进f f t 滤波处理；针对电晕干扰提出小波变换这种 时一频分析方法，利用局部放电和电晕干扰在信号到达时间和频宽上的区别实现二者的识别。 3 1g i s 局部放电干扰信号分析 3 1 1 干扰信号分析 为了有效地滤除干扰，有必要了解局部放电信号中夹杂的干扰成分。局部放电试验实际 上是一种微量测量，故各种干扰信号对检测影响很大，最小的可测视在电荷量取决于试验场 所的干扰水平【l7 1 。测鼙系统及电路中混杂的无用信号被称为噪声，按噪声源不同，可分为 内部噪声和外部噪声，有时将外部噪卢称为干扰。现场的干扰水平比实验室大的多，有时甚 至比局部放电信号高2 3 个数量级。 干扰按频带可分为窄带干扰和宽带干扰；按其干信号的时域特征可将其分为连续的周期 性干扰，脉冲型干扰和白噪卢【2 5 1 。 连续的周期性干扰包括： 电力系统载波通信和高频保护信号引起的干扰，其整个信道的分布范围为3 0 , - - - 5 0 k h z ，带宽约为4 k h z ，这是一种十分重要的连续的周期性窄带干扰； 无线电干扰，此类干扰的波形通常是高频正弦波，有吲定的谐振频率和频带宽度， 其中无线电收音广播干扰和无线手机通信干扰属周期性窄带干扰，无线电电视广播 干扰属周期性宽带干扰【2 州。 脉冲型干扰包括： 供电线路或高压端的电晕放电； 电网中的开关、晶闸管整流设备闭合或开断引起的干扰，这是一类无规律的随即型 脉冲干扰； 电力系统中其他非检测设备放电引起的干扰； 试验线路或邻近处的接地不良引起的干扰； 浮动电位物体放电引起的干扰； 设备的本机噪音和其他的随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间很短的脉冲信 号，而在频域上是包含多种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号相似的时域 和频域特征。 自噪卢包括各种随机噪声，如变压器绕组的热噪声、配电线路及变压器继电保护信号线 路中由丁耦合进入的各种噪卢以及监测线路中的半导体器件的散粒噪声等。理论上，白噪干 扰的功率谱为恒定常数，分布在整个频段上；而在实际应用中，若其频谱在较宽频段上为连 续平缓的即可认为是白噪声。 1 5 东南人学硕士学位论文 而在g i s 局部放电在线检测过程中，现场的干扰主要有周期性窄带干扰和电晕干扰。 周期性窄带干扰信号主要包括无线电干扰以及电力系统载波通信和高频保护信号引起的干 扰，其波形通常为高频止弦波，有固定的谐振频率和频带宽度。目前国内外检测g i s 局部放电 在线检测系统接收剑的周期性干扰主要是无线电干扰信剐27 1 。电晕干扰也是影响较严重的 干扰源之一，主要由于电晕和内部局放在形式上同为一种间歇式的脉冲放电，在以往常规的 信号分析方法中，很难在频域内将其区分开，甚至造成微弱的局放信完全淹没在强大的电晕 背景之中。使测量无法进行1 2 圳。 3 1 2 干扰信号处理方法 干扰是多样的，表现出的特性也不同，用一种方法来有效地抑制所有的干扰是不可能的， 针对不同的干扰源，需采取不同的措施，综合运用，达到抗干扰的目的。抑制干扰的措施有 消除干扰源、切断干扰途径和干扰的后处理3 种方法【2 9 】。对于通过测量传感器进入检测系 统的干扰，则需要通过各种硬件和软件的方法来抑制，即干扰的后处理。其措施主要包括频 域开窗和时域开窗。频域开窗利用周期型干扰在频域上离散的特点对其加以抑制；时域开窗 利h j 脉冲干扰在时域上离散的特点米消除。对于这两种处理方法，应采用频域开窗在前、时 域开窗在后的原则。近年来，小波分析的发展，又开辟了通过时一频分析米抑制干扰的新思 路。 周期性干扰信号主要是载波和通讯类信号，这一类信号在频域上是窄带信号，其频域特 征十分显著，频域范围一般为3 0 5 0 0 k h z 3 0 】。对于周期性窄带干扰，一般可用滤波后和滤波 前的信躁比的若值，即抑制比作为滤波效果的评价标准。从软件上对周期性窄带干扰进行抑 制的数字滤波方法，有最小均方误差( l s ) 、快速傅立叶变换( f f t ) 闽值滤波、自适应滤波、 非自适应滤波、多通带滤波等 3 1 - 3 3 1 。本文将在本章的3 2 节先采用f f t 阈值滤波，在此基础 上根据f f t 的不足，于3 3 节提出一种基于信噪特征的改进f f t 滤波方法。 对丁电晕干扰，近年迅速发展起来的小波变换分析法正得到有效应用。小波变换具有很 强的时频局部化特性和信号特征提取能力，特别适用于局部放电这类脉冲信号的处理。本 文将在3 4 + 肖提出新的局部放电和电晕干扰的识别方法。 3 2f f t 阈值滤波 使用超高频传感器( 天线) 检测由g i s 内部局部放电引起并泄漏的电磁波信号被证明 是一种较为有效的方法之一。3 1 1 节中已经提出，在现场的检测过程中背景中往往包含着 形形色色的干扰，其中诸如调频广播、通讯等静态周期性的干扰最为突出。周期性干扰在 频域内是一个尖脉冲信号，通常幅值较大，根据这个特点，通过f f t 变换在功率谱中找出 背景噪声能量比较大的部分，并将其直接滤除，然后对信号进行反变换既可达到较好的滤 波效果 3 4 - 3 5 】。这里的分析是基丁便携式g i s 局部放电在线检测系统中天线l 和天线2 所采 集的局部放电信号进行的。 3 2 1f f t 发展过程 傅里叶变换( f o u r i c rt r a n s f o m l ) 这一理论的提出对系统分析理论产生了极大为重要的影 响。傅里叶提出了“频率效应”的概念，对信号进行傅里叶变化的目的在于将信号分解成无 1 6 第三章局部放电信号处理 穷多个不同频率的正弦信号e 衄的叠加，进而得到分析信号能量在不同频率成分中的分布情 况。式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 给出了连续信号z ( ，) r 的傅里叶变换对。 傅里叶变换： x 0 ) = 卜o 一埘a c t 傅里叶反变换： 耻去坩科如 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 然而计算机面对的是离散信号一数字系列，上面2 个只适用于连续的信号。为了使傅里 叶变换能为计算机所用，离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，简称d f t ) 应运而 生。式( 3 3 ) 、( 3 4 ) 给出了有限长度序列的离散傅里叶变换对。其中n 为序列长度。 离散傅里叶变换对： ，一l x 伍) = x ( n 胯 o k n - 1 n = o 离散傅里叶反变换： x o ) = 万1n 刍- i x 亿耽麻 。露一l ( 3 3 ) ( 3 4 ) 但是，即使是傅里叶变换的这种形势仍然不是为计算机接受的，冈为它的计算量冗长而 繁杂。直到1 9 6 5 年，美国贝尔实验室的c o o l e y 、t u k e y 两位上程师提出了更加实用的快速 算法一快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，简称f 丌) ，傅里叶变换才正真开始得到广泛 的应用。从此，傅里叶从理论走向实际，成为一种重要的实用数学工具，被，“泛的运用于许 多学科，同时也开创了将计算机，“泛的应用于信号处理领域的新天地3 6 。3 7 1 。 3 2 2 基于f f t 阈值滤波的窄带干扰抑制步骤 f f t 闽值滤波是抑制周期性窄带干扰的有效方法，它根据周期性信号在频域表现为一窄 带脉冲的特性，根据该窄带信号频域幅值是否大于某一阈值而决定是否将其消除。即通过设 定滤波闽值，把采样信号频域波形超过该阈值的频带定为干扰，将其幅值置零，利用傅立叶 反变换( i f f t ) 进行信号重构，从而提取局部放电信号3 8 删。 基y - f f t 阈值滤波的窄带干扰抑制步骤如下： ( 1 ) 对包含窄带干扰的局部放电信号g ( 栉) ( n 1 , 2 ，n ，n 为信号的长度) 进行h 玎 变换，记f 丌变换算子为f ，则变换后的信号为f ( g ( 以) ) 。 ( 2 ) 求取干扰信号的功率谱尸( 后) 。 ( 3 ) 选择适当的闽值f ，对p ( 意) 进行阂值处理：尸( 尼) 乡，则将放电信号所对应的 1 7 东南大学硕：仁学位论文 频谱设置为0 ，其它部分的频谱保持不变，然后用i f f t 重构放电信号；p ( 尼) 0 o o o 3 一o 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 o 0 1 5 0 0 1 0 0 0 0 5 o o o o j 一0 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 05 0 01 0 0 01 5 0 0 2 0 0 0 t n s ( a ) 天线1 的原始波形 o5 0 01 0 0 01 5 0 0 2 0 0 0 t ，n s ( b ) 大线2 的原始波形 1 8 第三章局部放电信号处理 1 0 0 8 0 6 o 4 0 。2 0 0 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 5 010 015 02 0 02 5 0 3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 f m h z ( c ) 天线1 信号频谱 05 010 015 02 0 0 2 5 0 3 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 f m h z ( d ) 天线2 信号频谱 图3 - 1 两天线的放电波形及频谱 由图3 1 中两信号的频谱图还可以看出，局部放电信号的频谱儿乎分布在整个频率轴 上，能量很分散，且能量主要集中低频段。而窄带干扰的频率很集中，能量要比局部放电的 能量儿乎高出一个数量级。冈而可以根据窄带干扰和局部放电信号在f f f