CN102508031A - 一种基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法，其包括下列步骤：采用一第一传感器检测一高频局部放电脉冲信号，采用一第二传感器检测一工频信号；一第一采集系统分段采集第一传感器传输的高频局部放电脉冲信号，所述第一采集系统在开始采集第一传感器传输的高频局部放电脉冲信号的同时输出一触发信号，以触发一第二采集系统，使之同步地采集第二传感器传输的工频信号；第一采集系统和第二采集系统将采集的高频局部放电脉冲信号和工频信号传输至一数据分析系统；数据分析系统根据被触发的工频信号的初始相角计算高频局部放电脉冲信号的相角。

Description

一种基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法

技术领域

本发明涉及一种信号检测方法，尤其涉及一种局部放电脉冲信号的相角测量方法。

背景技术

局部放电检测作为绝缘诊断的重要手段，因其能及时有效地反映电力系统电气设备的绝缘状况，正为电力部门所普及。目前应用较多的主要是基于电量的局部放电检测方法，检测信号按照频带可分为500KHz以下宽带或者窄带信号，10MHz以下的高频(High frequency-HF)信号，200MHz以下的甚高频(Very High Frequency-VHF)信号和3GHz以下超高频(Ultra HighFrequency-UHF)信号。采集的局部放电信号主要通过两种方式进行分析，即基于相位的分析模式(Phase Resolved Partial Discharge-PRPD)和基于时间的分析模式(Time Resolved Partial Discharge-TRPD)。前者以局部放电发生的工频相位(0-360°)、放电量幅值q和放电次数n等检测量为依据进行统计学等方式的分析，后者则分析局部放电所检测到的放电波形及时间信息，不包含相位信息。

运行于PRPD模式下的局部检测系统一般以工频信号过零点为起点连续采集规定工频周期长度的信号，系统通过高通和低通滤波将检测阻抗耦合的信号分离为工频信号和局放信号。因为该模式下的工频信号和局放信号为同源信号，且利用工频过零点进行了采集同步与时间标定，局放信号的相位可自然标定。

而运行于TRPD模式下局放检测系统，一般仅采集局部放电脉冲信号，因仅含有局部放电脉冲的时间信息，不包含工频信号信息，故不能直接标定局部放电信号的相位。要实现局部放电脉冲的相位标定，也可参考PRPD的信号处理模式，通过连续采集规定工频周期的信号实现。但是TRPD模式因分析放电波形频率分布信息的需要，采样率很高，连续采集对采集系统板上存储空间和处理器主频的要求都非常高。另一种方法则只采集局部放电脉冲片段，同时记录采样时间，通过GPS对时与工频信号过零点同步来计算局部放电脉冲对应的相位。该方法需要增加额外的GPS模块。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法，其能够实现TRPD局部放电测量模式下局部放电脉冲相角的标定。

本技术方案的发明构思为：通过局部放电脉冲本身触发工频信号的同步采集，然后通过计算所触发的工频信号初始相角来标定局部放电触发脉冲相角的方法，工频信号初始相角的计算是基于傅里叶级数算法求得的。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法，其包括下列步骤：

(1)采用一第一传感器检测一高频局部放电脉冲信号，采用一第二传感器检测一工频信号；

(2)一第一采集系统分段采集第一传感器传输的高频局部放电脉冲信号，所述第一采集系统在开始采集第一传感器传输的高频局部放电脉冲信号的同时输出一触发信号，以触发一第二采集系统，使之与第一采集系统同步地采集第二传感器传输的工频信号；

(3)所述第一采集系统和第二采集系统将采集的高频局部放电脉冲信号和工频信号传输至一数据分析系统；

(4)所述数据分析系统根据下列模型计算所述触发信号所触发的工频信号的初始相角

式中，U(n)为第n次采样所得到的值；N＝Tf为一个工频周期内的总采样次数，f为第二采集系统采集工频信号的采样频率，T为一个工频周期的时间；

(5)所述数据分析系统根据下列模型计算所述高频局部放电脉冲信号的相角：

式中，

为步骤(4)中算得的触发信号所触发的工频信号的初始相角，也即该触发信号的相角。

为第i个高频局部放电脉冲信号的相角；f为实测工频信号频率；t_i为第i个高频局部放电脉冲信号出现的瞬时时刻；t₀为触发信号出现的瞬时时刻，也就是计算所选取的局部放电脉冲群内首脉冲出现的瞬时时刻；Δt_i为第i个高频局部放电脉冲信号与脉冲群内首脉冲出现瞬时时刻(即触发信号出现的瞬时时刻)的时间差；

在上述局部放电脉冲相角测量方法中，所述步骤(1)与步骤(2)之间还具有步骤(1a)：对所述高频局部放电脉冲信号和工频信号分别进行放大与滤波的调理处理；所述步骤(2)中第一采集系统采集的是经过调理处理的高频局部放电脉冲信号，第二采集系统采集的是经过调理处理的工频信号。

在本技术方案中，由于第一采集系统和第二采集系统需要针对高频局部放电脉冲信号和工频信号的不同特点使用不同的采样率分别采集，即在实现对高频局部放电脉冲信号连续触发、高速采集和分段存储的同时，低速采集工频信号，因此需要实现两采集系统同步启动采集，即实现时间标定的同步，才可以进一步实现通过计算被触发信号触发的工频信号的初始相角来获得高频局部放电脉冲信号的相角。

本技术方案中被触发的工频信号的初始相角是基于傅里叶级数和三角函数的正交性计算得到的，其原理如下：

周期为T的周期信号f(t)，若满足狄里赫利条件，便可以展开为Fourier(傅里叶)级数的三角形式，如式(2)所示：

$f\left(t\right)=a_0+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(a_n\cos \mathrm{\ωt}+b_n\sin \mathrm{\ωt})---\left(2\right)$

式中

a₀为常数项，a_n与b_n为Fourier级数的系数。若将(2)式中的同频率项加以合并，可以将其写成另外一种形式：

D₀为常数项，D_n为Fourier级数的系数。如果把周期信号f(t))认为是一组频率为nω(n＝1，2，…)的正弦信号的叠加，

就是频率为nω的正弦波的初始相位值。

在一个工频信号采样时间段内，假设电力系统的电压值为一个稳定的周期信号，仅含正弦奇次谐波分量。可以证明，电压值属于封闭的线性空间，而Fourier级数的三角函数系是这个线性空间的一组正交基。电压为该空间的向量，即可以由三角函数系线性表出。故可将电压按式(3)分解为Fourier级数的形式：

式中ω为电网电压的工频基波角频率，

是频率为(2k-1)ω的正弦波分量的初始相位值。例如k＝1，则

其为工频基波信号的初始相位值。

对电压分别乘以工频基波的正弦和余弦信号，并在一个工频周期内积分，根据三角函数的正交性质得到：

由式(7)除以式(6)，得到：

对式(8)求反正切，可得到电压基波的初相位

即本技术方案所要计算的工频信号初始相角

于是有：

将上述算法离散化并化简，由式(9)得到基波电压初相位的离散化计算公式，即本技术方案中需要求取的被触发的工频信号的初始相角

U(n)为第n次采样所得到的值；N＝Tf为一个工频周期内的总采样次数，f为第二采集系统采集工频信号的采样频率，T为一个工频周期的时间。

采用本发明所述的局部放电脉冲相角测量方法，对高频局部放电信号采样而言，只需要采集局部放电脉冲信号，而不需要采集整个采样时间内的非局部放电脉冲信号。因为局部放电脉冲信号一般只占到整个采样时间的1％不到，这样对局部放电检测系统板上存储空间要求大幅度降低，同时信号处理量也大为减少。高频局部放电脉冲信号与工频信号通过局部放电脉冲信号作为同一触发源，实现两者采集的同步启动，，可以在无需GPS对时模块参与的情况下实现局部放电脉冲的相角标定，因此具有很好的实施效果。

附图说明

图1显示了本发明所述的局部放电脉冲相角测量方法在一种实施方式中所采用的系统结构和步骤。

图2为本发明所述的局部放电脉冲相角测量方法中根据触发信号所触发的工频信号的初始相角获得高频局部放电脉冲信号相角的流程示意图。

图3显示了应用本发明所述的基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法所检测的局部放电PRPD图谱，该图谱为实验室模拟局部放电图谱。

图4为本发明所述的基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法在局部放电现场检测中的应用实例。

具体实施方式

本实施例中将结合说明书附图对本发明所述的局部放电脉冲相角测量方法做进一步说明。

如图1所示，本实施例中局部放电脉冲相角测量方法包括下列步骤：

(1)采用高频局放信号传感器检测高频局部放电脉冲信号(例如UHF信号)，采用工频信号传感器检测工频信号；

(2)对高频局部放电脉冲信号和工频信号分别进行放大和滤波的调理处理；

(3)第一采集系统分段采集第一传感器传输的高频局部放电脉冲信号，该第一采集系统在开始采集第一传感器传输的高频局部放电脉冲信号的同时还输出一触发信号，以触发第二采集系统，使之同步地采集第二传感器传输的工频信号；

(4)第一采集系统和第二采集系统将采集的高频局部放电脉冲信号和工频信号传输至数据分析系统；

(5)数据分析系统计算触发信号所触发的工频信号的初始相角；

(6)数据分析系统根据触发信号所触发的工频信号的初始相角计算高频局部放电脉冲信号的相角。

第一采集系统在分段采集存储局部放电信号时，分段采集的局放脉冲序列标记有每个脉冲的采样时刻，同时第一采集系统在开始采集第一传感器传输的高频局部放电脉冲信号的同时还通过硬件路由输出一触发信号，触发第二采集系统对工频信号的采集，实现工频信号采集与局部放电脉冲信号的同步采集。由于高频局部放电脉冲信号的采集和工频信号的采集是同时进行的，因此计算出同步采集的工频信号初始相位就得到了开始采集工频信号时同时采集的高频局部放电脉冲信号的相角，其过程如图2所示。触发信号触发工频信号采样之后，在工频信号采样时间内，第一采集系统路由出来的触发信号自动被第二采集系统忽略，直至工频信号采样完成后第二采集系统才可再次触发采样。而第一采集系统通过标定有效的触发信号将高频局部放电脉冲信号序列分段。然后分段计算每段序列内各个高频局部放电脉冲信号与首脉冲的时间差(即各个高频局部放电脉冲信号与触发工频信号采样的触发信号的时间差)，结合与该段序列同步的工频信号的初始相角及实测工频信号频率，依据式(b)就可计算段内高频局部放电脉冲信号的相角：

式(b)中，

为触发信号所触发的工频信号的初始相角；

为第i个高频局部放电脉冲信号的相角；f为实测工频信号频率；t_i为第i个高频局部放电脉冲信号出现的瞬时时刻；t₀为触发信号出现的瞬时时刻；Δt_i为第i个局部放电信号脉冲信号与触发信号出现瞬时时刻的时间差；其中被触发的工频信号的初始相角采用式(a)求得：

式(a)中，U(n)为第n次采样所得到的值；N＝Tf为一个工频周期内的总采样次数，f为第二采集系统采集工频信号的采样频率，T为一个工频周期的时间。

需要说明的是，本实施例中实测工频信号频率f是电力系统领域内的一个基本指标参数，可通过多种方法求得，比如过零点法。通过采样若干个周期(例如大于10个周期)的工频信号并标定其过零点，然后以相继上升沿的时长作为工频信号的周期，求其倒数便得到工频信号频率f。

通过信号发生器产生初始相位为90度的50Hz正弦信号模拟工频信号，同时信号发生器输出与正弦信号同步的TTL信号。该TTL电平信号其上升沿与下降沿上升与下降时间小于1ns，对应信号发生器所产生正弦信号的相角分别为90度与270度。该TTL电平信号连接至射频天线用于模拟局部放电辐射的超高频信号。采用本技术方案中所述的第一采集系统和第二采集系统分别以2GS/s与100KS/s的采样速率采集所模拟的高频局部放电脉冲信号和所模拟的工频信号，第一采集系统每捕捉100个高频局部放电脉冲信号便触发一次工频信号采集。在计算所采集的工频信号的实时频率基础上，使用傅立叶级数算法计算该工频信号的初始相角，并将该初始相角作为触发该工频信号采样的局部放电脉冲所在工频信号的相角，随后的99个局部放电脉冲所在工频信号的相角按照公式b计算。

图3显示了应用本发明所述的基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法所检测的上述模拟的高频局部放电脉冲信号的PRPD图谱。从图3中可以看出，高频局部放电脉冲信号的相角集中在90度与270度，该测量结果充分验证了本发明所述的基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法的有效性与准确性。

图4为本发明所述的基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法在局部放电现场检测中的应用实例。检测放电类型为悬浮电位放电，高频局部放电脉冲信号通过超高频传感器耦合，工频信号通过变电站站用电引入。所测PRPD图谱的相位分布正负周期基本对称，相位相差180度，整体有一定的偏移，这是站用电与局部放电缺陷所受电压存在相位差所致，需要校准。该应用结果显示了本发明所述的基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法的有效性。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)采用一第一传感器检测一高频局部放电脉冲信号，采用一第二传感器检测一工频信号；

(2)一第一采集系统分段采集第一传感器传输的高频局部放电脉冲信号，所述第一采集系统在开始采集第一传感器传输的高频局部放电脉冲信号的同时输出一触发信号，以触发一第二采集系统，使之同步地采集第二传感器传输的工频信号；

(3)所述第一采集系统和第二采集系统将采集的高频局部放电脉冲信号和工频信号传输至一数据分析系统；

(4)所述数据分析系统根据下列模型计算所述触发信号所触发的工频信号的初始相角

式中，U(n)为第n次采样所得到的值；N＝Tf为一个工频周期内的总采样次数，f为第二采集系统采集工频信号的采样频率，T为一个工频周期的时间；

(5)所述数据分析系统根据下列模型计算所述高频局部放电脉冲信号的相角：

式中，

为步骤(4)中算得的触发信号所触发的工频信号的初始相角；

为第i个高频局部放电脉冲信号的相角；f为实测工频信号频率；t_i为第i个高频局部放电脉冲信号出现的瞬时时刻；t₀为触发信号出现的瞬时时刻；Δt_i为第i个局部放电信号脉冲信号与触发信号出现瞬时时刻的时间差。

2.如权利要求1所述的基于傅里叶级数的局部放电脉冲相角测量方法，其特征在于，所述步骤(1)与步骤(2)之间还具有步骤(1a)：对所述高频局部放电脉冲信号和工频信号分别进行放大与滤波的调理处理；所述步骤(2)中第一采集系统采集的是经过调理处理的高频局部放电脉冲信号，第二采集系统采集的是经过调理处理的工频信号。

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