气体绝缘组合电器局部放电在线检测去噪方法

1、一种气体绝缘组合电器局部放电在线检测的去噪方法，其特征在于具体的方法步骤如下： 1)定时采集局部放电信号 计算机(11)首先通过总线(10)定时控制高速数字采集器(9)采集经放大滤波器(7)后的局部放电电压信号，高速数字采集器(9)将电压信号转换为数字信号，再通过总线(10)传送至计算机(11)内进行数据处理； 2)复小波去噪 复小波去噪包括复小波分解、阈值生成、复小波系数处理、信号重构及复合信号处理五个步骤，其各步骤如下： (1)复小波分解 首先采用复小波将定时采集的局部放电信号分解到不同的频带内，得到各个频带的复小波系数，并将该系数传送至复小波系数处理步骤； (2)阈值生成 采用基于斯坦无偏估计的阈值算法或者极小极大方差阈值算法生成阈值，并将该阈值传送至复小波系数处理步骤； (3)复小波系数处理 将复小波分解步骤得到的各频带的复小波系数，减去阈值生成步骤生成的阈值，得到新的复小波系数，传送至信号重构步骤； (4)信号重构 再对经复小波系数处理步骤得到的新的复小波系数进行复小波重构，生成复小波去噪变换后的信号的实部、虚部和相位信号，传送至复合信号处理步骤； (5)复合信号处理 最后，将信号重构步骤传送来的复小波去噪变换后的信号的实部、虚部和相位信号，按照实部×虚部或实部×相位或虚部×相位方法生成复合信号，并将该复合信号传送至局部放电判断步骤； 3)局部放电判断 局部放电判断是根据复小波去噪步骤中生成的复合信号幅值，以预先测定的检测现场的无局部放电的噪声信号幅值为判据，判断是否发生局部放电，并根据判断结果：当发生局部放电时，则将判断结果传送至报警步骤；当没有发生局部放电时，则进行下一次定时采集局部放电信号步骤； 4)报警 报警步骤接收从局部放电判断步骤传送来的判断结果，进行图像和声光报警，其声光报警为警铃响和光字牌亮，其图像为计算机屏幕显示。

气体绝缘组合电器局部放电在线检测去噪方法\n技术领域\n本发明属于电气设备绝缘监测技术领域，特别涉及气体绝缘组合电器绝缘 监测技术。\n背景技术\n电气设备中的气体绝缘组合电器（GIS)在运行中，由于GIS内部的各种缺 陷，会引发各种形式的局部放电，如电暈、杂质放电、环氧支撑绝缘子内部气 隙放电等。GIS内部局部放电持续一段时间会发展成为绝缘击穿故障，造成停电 事故，影响电力系统的安全运行，给国民经济造成损失。GIS早期绝缘故障的局 部放电，具有超高频的特性，其等效频率很高，可达lGHz。由于GIS是良好的 波导结构，因此局部放电产生的超髙频信号能在其中传播，并通过其绝缘子与 法兰盘连接处向外泄漏，所以在GIS内部检测局部放电信号或在其外部检测泄 漏的局部放电信号，均可及时发现GIS的内部缺陷，采取相应的措施，能避免 电气设备故障的发生，保证电力系统的安全运行。\n现有对设备运行无影响且易于现场应用的外置式气体绝缘组合电器局部放 电检测装置，如中国专利CN00237978.3公开的"GIS故障检测装置的天线"， 由信号接收器、阻抗变换器、屏蔽电缆组成，其特征在于信号接收器的形状为 环行体，其中间设有缝槽，屏蔽电缆与信号接收器之间接有阻抗变换器，但其 检测频带较窄，灵敏度不高，抗干扰能力较差，信号检测不准确。\n发明内容\n本发明的目的是针对现有外置式气体绝缘组合电器局部放电检测的不足之 处，提供了一种气体绝缘组合电器局部放电在线检测去噪方法。本发明采用软 硬件联合抗干扰去噪并对局部放电信号进行检测，具有能提高GIS局部放电的 超高频检测频带，选取有效频带进行检测，增强检测系统的抗干扰能力，提高 检测的灵敏度及准确性等特点。\n本发明通过以下技术方案实现： 一种气体绝缘组合电器局部放电在线检测 装置，包括外置屏蔽谐振环传感器、放大滤波器、高速数字采集器和计算机， 外置屏蔽谐振环传感器与放大滤波器之间及放大滤波器与高速数字采集器之间 通过同轴电缆连接，高速数字釆集器通过总线与计算机连接。本发明装置的外 置屏蔽谐振环传感器由接收圆环、加载阻抗、馈线、支架座组成，其接收圆环 由金属管制成半径为100-180mm的开口圆环，金属管的外径为8-10mm,管壁 厚为l-2mm,开口间隙的宽度为20-40mm;在接收圆环内靠开口间隙的两端距 开口端面5-20mm处，分别设置一加载阻抗，其中一个加载阻抗为厚壁金属环， 另外一个为薄壁金属环，调节加载阻抗相对于开口端面的距离，可调节传感器 的工作频带和输出电压的大小；设置在接收圆环内的馈线为剥皮的同轴电缆，\n馈线的导电芯线穿过薄壁加载阻抗的空心并通过接收圆环的开口间隙与厚壁加 载阻抗固定连接，馈线的外层屏蔽网与薄壁加载阻抗固定连接，馈线的另一端 穿过接收圆环内腔与设置在接收圆环下端外壁上的支架座内的电缆接头固定连 接。本屏蔽谐振环传感器接收GIS局部放电泄漏在检测现场的电磁波信号，并\n将电磁波转化为髙频振荡电流，该髙频振荡电流在加载阻抗上产生的高频振荡 电压，通过同轴电缆传输至放大滤波器。本屏蔽谐振环传感器初始工作频带为\n340MHz ~ 430MHz ，通过调节加载阻抗，使传感器的工作频带微调范围为 -30〜30MHz，并在GIS局部放电现场检测时，可选取干扰最小的频带对局部放 电信号进行检测，从而增强了传感器的抗干扰能力，提高了信噪比。本发明装 置的放大滤波器由放大电路和滤波电路组成，包括低噪声髙增益耦合集成放大 器、由电容C,和电感丄及电阻i?，构成的去耦和滤波电路、对输入信号的隔直电容 C2、连接滤波器的电容q及微带线结构的滤波器，其滤波器的频率范围为300 ~ 500MHz的微波频段。本放大滤波器将从屏蔽谐振环传感器通过同轴电缆输入 的、非常微弱的GIS局部放电信号，在检测现场条件复杂且干扰较多、干扰强 度大的环境下，进行放大及滤波，从而进一步提髙信噪比和灵敏度。本发明装 置的高速数字采集器和计算机，均为巿场购件，高速数字采集器将从放大滤波 器通过同轴电缆传输入的电压信号转换为数字信号，计算机通过总线对高速数 字采集器采集的数字信号进行分析和处理，通过计算机软件再进一步除去噪声 分量，从而进一步提高本发明装置检测的灵敏度及准确性。\n一种气体绝缘组合电器局部放电在线检测的去噪方法，该方法利用本装置 的高速数字采集器和计算机及其间的连接总线，通过计算机程序进行软件去噪, 其方法步骤如下：\n1) 定时釆集局部放电信号\n计算机首先通过总线定时控制髙速数字采集器釆集经放大滤波器后的局部 放电电压信号，髙速数字采集器将电压信号转换为数字信号，再通过总线传送 至计算机内进行数据处理；\n2) 复小波去噪\n复小波去噪包括复小波分解、阈值生成、复小波系数处理、信号重构及复 合信号处理五个步骤，其各步骤如下：\n(1) 复小波分解\n首先釆用复小波将定时采集的局部放电信号分解到不同的频带 内，得到各个频带的复小波系数，并将该系数传送至复小波系数处理 步骤；\n(2) 阈值生成\n采用基于斯坦（Stein)无偏估计的阈值算法或者极小极大方差阈 值算法生成阈值，并将该阈值传送至复小波系数处理步骤；\n(3) 复小波系数处理\n将复小波分解步骤得到的各频带的复小波系数，减去阈值生成步 骤生成的阈值，得到新的复小波系数，传送至信号重构步骤；\n(4) 倌号重构\n再对经复小波系数处理步骤得到的新的复小波系数进行复小波 重构，生成复小波去噪变换后的信号的实部、虛部和相位信号，传送\n至复合信号处理步骤；\n(5)复合信号处理\n最后，将信号重构步骤传送来的复小波去噪变换后的信号的实\n部、虛部和相位信号，按照实部x虛部或实部x相位或虛部x相位等 方法生成复合信号，根据现场经验选取去噪效果最好的复合信号，并\n将该复合信号传送至局部放电判断步骤；\n3) 局部放电判断\n局部放电判断是根据复小波去噪步骤中生成的最好的复合信号幅值，以预 先测定的检测现场的无局部放电的噪声信号幅值为判据，判断是否发生局部放 电，并根据判断结果：当发生局部放电时，则将判断结果传送至报警步骤；当 没有发生局部放电时，则进行下一次定时采集局部放电信号步骤；\n4) 报警\n报警步骤接收从局部放电判断步骤传送来的判断结果，进行图像和声光报 警，其声光报警为警铃响和光字牌亮，其图像为计算机屏幕显示。\n由于复小波的相频特性，不仅可改变小波变换域的能量集中程度，还具有 提取信号中具有不同特点的信号的能力，因此可以通过对复小波变换的实部和 虛部优化组合而形成的复合信号来对局部放电信号进行软件去噪，可提高本发 明的局部放电检测的灵敏度，准确判断是否发生局部放电。\n本发明的主要技术特征是采用软硬件联合方式抗干扰去噪对GIS局部放电 进行检测。本发明具有屏蔽谐振环传感器的接收频段可在线调整，以避开GIS 在线检测现场的可能存在的各种干扰信号，抗干扰能力强；检测频带较宽，约 为100MHz,相对频宽达0.237，属宽带接收范围；采用对复小波变换的实部和 虛部优化组合而形成的复合信号来对局部放电信号进行软件去噪，通过软硬件 联合抗干扰去噪，提高了检测的灵敏度及准确性等特性。本发明可广泛应用于 气体绝缘断路器、气体绝缘电缆和气体绝缘变压器的绝缘监测。\n图1为本装置的系统结构图；\n图2为本装置的结构框图；\n图3为本装置的屏蔽谐振环传感器结构图；\n图4为本装置的屏蔽谐振环传感器的厚壁加载阻抗剖面图;\n图5为本装置的屏蔽谐振环传感器的薄壁加载阻抗剖面图;\n图6为本装置的放大滤波器的工作原理图；\n图7为本装置的放大滤波器的滤波器的工作原理图；\n图8为本实施例的屏蔽谐振环传感器的实测驻波比曲线；\n图9为本发明方法的程序流程图；\n图io为本实施例的测量得到局部放电信号波形图； 图ii为本实施例的复小波去噪后的实部波形图；\n图12为本实施例的复小波去噪后的虛部波形图；\n图13为本实施例的复小波去噪后的实部x虛部波形图。\n图中：\n1气体绝缘组合电器（GIS) 2母线\n3绝缘子 4泄漏电磁荻\n5屏蔽谐振环传感器 6、 8同轴电缆\n7放大滤波器 9髙速数字釆集器\n10总线 11计算机\n12接收圆环 13厚壁加载阻抗\n14薄壁加载阻抗 15馈线\n16支架座 17放大器\n18滤波器\n具体实施方式\n以下结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。\n如图1~8所示， 一种气体绝缘组合电器局部放电在线检测装置包括外置屏 蔽谐振环传感器5、放大滤波器7、髙速数字采集器9和计算机11.外置屏蔽谐 振环传感器5通过同轴电缆6与放大滤波器7连接，放大滤波器7通过同轴电 缆8与髙速数字采集器9连接，高速数字采集器9通过总线lO与计算机ll连 接。其外置屏蔽谐振环传感器5，由接收圆环12、厚壁加载阻抗13和薄壁加载 阻抗14、馈线15和支架座16组成。本实施例的屏蔽谐振环传感器的接收圆环 12为铜制的半径为125mm的开口圆环，铜管的外径为10mm，管壁厚为1.5mm， 开口间隙的宽度为30mm，其厚壁加载阻抗13和薄壁加载阻抗14分别放置在接 收圆环12内靠开口间隙的两端距开口端面10mm处，设置在接收圆环12内的 馈线15为剥皮的同轴电缆，馈线15的导电芯线穿过薄壁加载阻抗14的空心并 通过接收画环12的开口间隙与厚壁加载阻抗13焊接，馈线15的外层屏蔽网与 薄壁加载阻抗M焊接，馈线15的另一端穿过接收圆环12内腔与设置在接收圆 环12下端外壁上的支架座16内的电缆接头焊接。现场测量时将置屏蔽谐振环 传感器5安装在变电站GIS的绝缘子与法兰连接处，距离3-5米，保证传感器\n接收的是泄漏电磁波的远区辐射场，由于外置屏蔽谐振环传感器5具有明显的 方向性，应使传感器的轴面与来波方向尽量垂直，以提髙检测信号的强度。本 外置屏蔽谐振环传感器5的工作频带为340MHz~430MHz,实测的驻波比曲线 如图8所示，传感器在工作频带内的驻波比小于2，驻波比曲线呈优良的"U"型，\n即有效频带内能量损耗很小，而有效频带外的信号的衰减迅速，表明干扰抑制 能力很强。放大滤波器7由放大电路与滤波电路构成，放大电路采用ERA-3低 噪声髙增益耦合集成放大器，增益为20dB;滤波电路釆用微带线结构，频率范 围为30O~5O0MHz的微波频段。本实施例的髙速数字采集器9为巿场采购的 LeCroy公司的WavePro7100高速数字存储示波器，也可采用采样频率〉500MHz 的髙速数据采集卡，计算机11为市场上采购的普通P4计算机。\n当局部放电信号经过屏蔽谐振环传感器5和放大滤波器7后，仍然可能存 在有较大的噪声分量，因此还需要对高速数字采集器9采集的数字信号进行软 件去噪，其程序流程图如图9所示。 一种气体绝缘组合电器局部放电在线检测 的去噪方法，该方法利用高速数字采集器9和计算机11及其间的连接总线10, 通过计算机程序进行软件去噪，该方法包括定时采集局部放电信号、复小波去 噪、局部放电判断和报警四大步骤，其方法步骤如下：\n1) 定时釆集局部放电信号\n计算机11首先通过总线10定时控制髙速数字采集器9釆集经放大滤波器7 后的局部放电电压信号，高速数字采集器将电压信号转换为数字信号，再通过 总线IO传送至计算机11内进行数据处理。\n2) 复小波去噪\n复小波去噪包括复小波分解、阈值生成、复小波系数处理、信号重构及复 合信号处理五个步骤，其各步骤如下： (1)复小波分解\n采用构造的复小波将定时采集的局部放电信号按尺度6分解到不 同的频带内，得到各个频带的复小波系数。\n小波的多分辨分析特性可将信号在不同尺度下进行多分辨率的 分解，并将相互交织的各种不同频率组分的混合信号分解成不同频段 的信号，因而对信号具有按频带处理的能力。由正交小波构造条件可 知：滤波器只与其幅频特性有关，与其相频特性无关。因此，保持滤 波器的幅频特性，改变其相频特性，就可获得与现有实小波相同特性 的复小波。设正交小波滤波器为、*、 L f (^为A的傅立叶变换）， 其中八S和；、S为对偶滤波器，且根据正交滤波器性质有A一")-^(")、 设滤波器A(")为正交紧支滤波器，其傅立叶变换为\nA>)=^"]e"，并令"e-，，则得"小—1"""',由实小波的正交紧支性 和正交紧支实小波的^)在单位圆上有重根的特点，^)可表示为：\n式中：/^g"，…；4为不等于±】的实数；2'、为互位共轭复数。\n用":")代替"-z,)，或用』-i)代替卜z:)(包括z'-M,保持了^)的\n幅频特性，改变其相频特性，刷由N次实系数多项式变为N次复系\n数多项式，对应的小波滤波器即为复小波滤波器，得到与^)具有相 同的幅频特性，不同的相频特性的复小波滤波器"w。复小波的相频 特性，不仅可改变小波变换域的能量集中程度，还具有提取信号中具 有不同特点的信号的能力。\n(2) 阈值生成\n釆用极小极大方差阈值算法生成阈值，并将该阈值传送至复小波 系数处理步骤。\n(3) 复小波系数处理\n将复小波分解步骤得到的各频带的复小波系数，减去阐值生成步 骤生成的阈值，得到新的复小波系数。\n(4) 信号重构\n再对经复小波系数处理步骤得到的新的复小波系数进行复小波 重构，生成复小波去噪变换后的信号的实部和虛部。\n(5) 复合信号处理\n将信号重构步骤传送来的复小波去噪变换后的信号的实部和虛 部信号，按照现场经验选取实部x虛部构成复合信号，并将该复合信 号传送至局部放电判断步骤。\n3) 局部放电判断\n局部放电判断是根据复小波去噪步骤中生成的复合信号幅值，以预先测定 的检测现场的无局部放电的噪声信号幅值为判据，判断是否发生局部放电，并 根据判断结果：当发生局部放电时，则将判断结果传送至报警步骤，当没有发 生局部放电时，则进行下一次定时采集局部放电信号步骤。\n4) 报警\n报警步骤接收从局部放电判断步骤传送来的判断结果，进行图像和声光报 警，其声光报警为警铃响和光字牌亮，其图像报警为计算机屏幕显示，表明被 检测的GIS发生了局部放电故障，提醒值班人员及时采取相应的措施，保证GIS 的安全运行。\n图10为本实施例通过髙速数字釆集器9测量得到的局部放电信号波形图， 从该图可以看出，所采集信号信噪比较低，被较强的噪声污染；图ll为本实施 例经复小波去噪后的实部信号波形图，图12为本实施例经复小波去噪后的虛部 信号波形图，图13是本实施例实部x虛部构造的复合信号波形图，从处理结果 可见本发明采用的复小波能够准确地提取局部放电信号，有效地抑制各种噪声 干扰，有利于准确判断是否有局部放电发生。