基于差值能量函數的局部放電特高頻信號起始時刻確定方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及電力設備局部放電檢測領域，尤其涉及一種基于差值能量函數的局部 放電特高頻信號起始時刻確定方法。
【背景技術】：
[0002] 局部放電是導致電力設備發生重大事故的主要原因之一，快速準確定位局部放電 源對電力設備的維護和保證電力系統安全運行至關重要。局部放電監測對于電力設備的安 全運行有著極其重要的意義。由于特高頻法具有檢測靈敏度高、信噪比高及可實現局部放 電源定位等優點，其在電力設備局部放電檢測中獲得廣泛應用，其中對于局部放電源的定 位更是研究的熱點之一。
[0003] 由于氣體絕緣組合電器、變壓器等大型設備結構復雜，同時現場干擾強烈，以及傳 播過程會使信號產生畸變，這些因素都嚴重影響對放電源的精確定位。利用特高頻法進行 局部放電定位的前提是準確確定局部放電產生的特高頻信號的起始時刻。因此，確定局部 放電特高頻信號的起始時刻是局部放電定位技術的基礎，也是決定定位準確度的關鍵。目 前的時差確定方法主要有閾值法、累積能量法和相關估計法等。閾值法即首先根據背景噪 聲水平合理選定信號的閾值，以特高頻傳感器接收的信號達到閾值的時刻作為信號起始時 亥IJ。累積能量法即尋找接收信號的累積能量曲線的拐點作為信號起始時刻，將多個不同位 置的特高頻傳感器接收到信號起始時刻的差值作為信號時差的估計值。發明人發現，以上 幾種方法均存在不足之處。其不足之處體現在：（1)要求特高頻信號具有較高的信噪比。當 特高頻信號的噪聲較大時，確定的信號時差有較大誤差；(2)當現場存在干擾使特高頻信 號波形發生畸變時，應用以上方法確定特高頻信號的時差也會產生較大誤差。
[0004] 因此，亟需一種方法來確定局部放電特高頻信號的起始時刻，并且受噪聲的干擾 較小，計算結果精確度較高。

【發明內容】
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[0005] 本發明的目的在于提供一種基于差值能量函數法的局部放電特高頻信號起始時 刻確定方法。
[0006] 為達到上述目的，本發明采用如下技術方案來實現的：
[0007] 基于差值能量函數的局部放電特高頻信號起始時刻確定方法，包括如下步驟：
[0008] 1)在被測試設備安裝特高頻傳感器，采用高采樣率數字檢測設備采集并記錄局部 放電產生的特高頻信號波形；
[0009] 2)計算局部放電產生的特高頻信號波形的累積能量函數；
[0010] 3)優化選取數據窗口的長度WL，從第一個數據窗開始滑動計算特高頻信號波形 累積能量函數的差值能量函數；
[0011] 4)確定差值能量函數的首個顯著峰值對應的時刻，將其作為特高頻信號的起始時 刻。
[0012] 本發明進一步的改進在于，步驟1)中所述特高頻傳感器，為超寬帶特高頻信號傳 感器，數量為四個或者以上，能夠建立多個時差定位方程組，通過求解時差方程組確定局部 放電源的位置。
[0013] 本發明進一步的改進在于，步驟1)中所述采用高采樣率數字檢測設備，采用的采 樣率應不低于5GS/s，且隨著采樣率的增加起始時刻精度會逐漸提高。
[0014] 本發明進一步的改進在于，步驟2)中所述累積能量函數，具體計算方法為：
[0015] 假定采集的局部放電特高頻信號波形為VaiKi= 1，2，一N，N為單次脈沖的采樣 點數，h為第i個采樣點對應的時刻，則累積能量函數U(tk)計算公式如式⑴：
[0017] 本發明進一步的改進在于，步驟3)中所述的差值能量函數，為一定數據窗口長度 內累積能量最大值與最小值之差，具體計算公式為：
[0018] du(i) =max{Ui+m}-min{Ui+m}m=-WL/2,…，WL/2 (2)
[0019] 式中，du(i)為第i個數據窗內的差值能量值，U1為第i個采樣點對應的累積能量 數值，WL為滑動數據窗口的長度。
[0020] 本發明進一步的改進在于，步驟3)中所述的優化選取數據窗口的長度，包括以下 步驟：
[0021] (a)根據步驟1)檢測并記錄20組特高頻信號波形；
[0022] (b)針對測到的每組特高頻信號，利用蒙特卡羅統計法分析時差受噪聲影響程度： 在測量到的局部放電特高頻信號波形的數據中加入指定信噪比的白噪聲，利用差值能量函 數法確定加入白噪聲后各傳感器之間的起始時刻，進而計算天線信號到達時刻的時差；利 用蒙特卡羅法重復以上加入白噪聲-確定傳感器信號時差過程N次，最后計算N次時差統 計的平均值及標準差；
[0023] (c)改變窗口長度，重復步驟（b)，以計算得到的時差平均值與真實時間差誤差最 小、標準差最小為目標，選取最優的窗口長度；
[0024] ⑷對采集的20組特高頻信號，重復步驟（b)~（c)，得到各組信號優選的數據窗 口長度；綜合比較20組信號，以評估的時差平均值與真實時間差誤差最小、標準差最小為 目標，選取最優的窗口長度。
[0025] 本發明進一步的改進在于，步驟4)所述的確定差值能量函數的首個顯著峰值對 應的時刻，包括以下步驟：
[0026] (a)對特高頻信號差值能量函數進行以下計算：計算其最大值M1，求取差值能量函 數為0.SM1對應的時刻tpt2=ti-lOns時刻之前一般僅包含噪聲，提取該部分噪聲信號， 計算噪聲部分數學形態學梯度的最大值Vn;
[0027] (b)以1.5Vn為閾值，提取差值能量第一個大于該閾值的峰值對應的時刻，將其作 為局部放電特高頻信號的起始時刻。
[0028] 相對于現有技術，本發明的有益效果體現在：
[0029] 本發明提供了一種基于差值能量函數的局部放電特高頻信號起始時刻確定方法。 差值能量函數可強化累積能量的快速增長位置，減弱累積能量的緩慢增長部分。特高頻信 號中的白噪聲與低頻（〈1GHz)窄帶噪聲對應累積能量的緩慢增長位置，因此差值能量函數 可有效減低白噪聲與窄帶白噪聲水平。
[0030] 進一步，由于差值能量函數可有效降低噪聲水平，使用本發明確定局部放電特高 頻信號的起始時刻，相對于傳統方法具有較高的精確度，并且受外部噪聲的干擾較小，特別 在現場局部放電檢測時可有效減低噪聲的影響。
[0031] 進一步，本發明優化選取數據窗口的長度步驟中提出了分析噪聲對時差確定算法 影響的方法，該方法還可用于對不同時差確定算法受噪聲影響程度的評估。
[0032] 進一步，本發明可以應用在電力設備檢測領域，對提高局部放電源的定位精度有 較大的實用價值。
【附圖說明】：
[0033] 圖1為本發明基于差值能量函數的局部放電特高頻信號起始時刻確定方法的流 程圖。
[0034] 圖2為本發明實驗中采用的特高頻傳感器布置方式圖。
[0035] 圖3為本發明四個特高頻傳感器測得的局部放電特高頻信號波形圖。
[0036] 圖4為本發明傳感器#1信號的累積能量函數與差值能量函數波形圖。
[0037] 圖5為本發明不同數據窗口長度下傳感器#1差值能量函數波形圖。
[0038] 圖6為本發明采用蒙特卡羅法計算時差平均值與標準差的流程圖。
[0039] 圖7為本發明計算得到的不同信噪比下傳感器#1與#2信號時差平均值與標準 差；其中，圖7 (a)、7 (b)分別為時差平均值與標準差變化趨勢圖。
[0040] 圖8為本發明利用差值能量函數確定起始時刻實例圖。
【具體實施方式】：
[0041] 下面結合附圖和實施例對本發明的【具體實施方式】進行說明。
[0042] 如圖1所示，本發明基于差值能量函數的局部放電特高頻信號起始時刻確定方 法，包括如下步驟：
[0043] (1)在被測試設備安裝特高頻傳感器，采用高采樣率數字檢測設備采集并記錄局 部放電產生的特高頻信號波形；
[0044] 作為一種實施例，圖2為本發明搭建的一種基于特高頻傳感器陣列的變電站局部 放電檢測實驗系統，該系統由4個全向傳感器與數字采集設備組成，4個傳感器位于矩形的 四個頂點；利用便攜式特高頻信號發生器向空間中輻射特高頻信號，傳感器為盤錐形全向 傳感器，其帶寬為300MHz~3GHz。利用高速采集數字示波器以10GS/s的采樣率檢測采集 特高頻信號，檢測得到4個傳感器的特高頻信號波形如圖3所示。
[0045] (2)計算局部放電產生的特高頻信號波形的累積能量函數；
[0046]本步驟中所述的累積能量函數，具體計算方法為：假定采集的局部放電特高頻信 號波形為VU1)，i= 1，2,…N，N為單次脈沖的采樣點數，h為第i個采樣點對應的時刻， 則累積能量函數U(tk)計算公式為：
[0048] 作為一種實施例，計算了傳感器#1的累積能量函數，如圖4所示。
[0049] (3)優化選取數據窗口的長度WL，從第一個數據窗開始滑動計算特高頻信號波形 累積能量函數的差值能量函數；
[0050] 本步驟中所述的差值能量函數，為一定數據窗口長度內累積能量最大值與最小值 之差，具體計算公式為：
[0051] du(i) =max{Ui+m}-min{Ui+m}m=-WL/2,…，WL/2 (2)
[0052] 式中，du(i)為第i個數據窗內的差值能量值，U1為第i個采樣點對應的累積能量 數值，WL為滑動數據窗口的長度。
[0053] 作為一種實施例，利用公式（2)計算了窗口長度為2、8及14個采樣點時傳感器 #1特高頻信號的差值能量函數，