气体绝缘变电站高频宽带局部放电在线监测方法 【技术领域】
本发明属于电气技术领域，涉及气体绝缘变电站局部放电在线监测，特别涉及一种气体绝缘变电站高频宽带局部放电在线监测方法。
背景技术
气体绝缘变电站(GIS.以下简称GIS)的各种缺陷会引发各种形式的局部放电，如电晕、杂质的放电、环氧支撑绝缘子内部气隙放电等。局部放电脉冲信号在GIS中是以TEM波的形式进行传输，该电磁波信号可以由安装在GIS设备内部或外部的局部放电监测传感器检测到，进而进行GIS绝缘结构局部放电状态的在线监测。局部放电脉冲以一定的频率使检测装置产生谐振，该谐振频率在电磁波谱上跨越400kHz～3000MHz的频段范围内。
目前常见的GIS局部放电超高频检测有两种方法：内电极法和外电极法。大多数研究人员或研究单位以工作在超高频300MHz～3000MHz的传感器作为局部放电地检测装置，也有诸多研究人员在实验室使用高性能的示波器对其高频的放电特征进行了研究，但是现有的在线监测装置仍然采用较低采样性能的采集装置来处理来自超高频天线的信号，往往由于硬件性能的限制会遗漏众多放电脉冲峰，不能够真实的反映GIS放电的本征特性。
对于GIS局部放电超高频检测装置，申请人作了如下检索：如中国专利申请(申请号94113338)，提出了一种检测气体绝缘组合电器局部放电的传感方法及传感器，在GIS的盘式绝缘子外缘设置电磁波传感器接收GIS内部局部放电所产生的电磁波，实现GIS内部放电的体外传感测量，所说的电磁波传感器为一金属屏蔽盒，一面敞开，在盒内安装可接收特高频电磁波的天线。该专利提到是一种外电极法测量GIS局部放电的方法，它存在一定的缺陷，如采用的金属屏蔽盒结构容易使泄漏出的电磁波信号的发生反射，一面完全敞开不利于天线的防护，采用这种超高频带天线遗漏了GIS典型缺陷的放电特征峰等。
如中国专利申请(申请号95116826.6)所述，其局部放电测量系统采用是安装于气体绝缘装置内部的局部放电感应装置，该装置关注是UHF频段，频率范围为300MHz～3000MHz。该系统没有说明进一步的采集系统及分析方法。
如中国专利申请(申请号00101178.2)所述，气体绝缘装置中局部放电的诊断方法和局部放电诊断系统中，分析方法为采用频谱分析器分析气体绝缘装置中产生的局部放电信号频谱和基于该频谱处理得到的直方图，另外为实时放电行为随系统频率相位同步的信号强度图等。分析方法较传统，同时若相位谱图测量系统中采用通常的测量方法，采集速率不高，存储深度不高，会遗漏放电信息。
ABB公司采用PRPDA(phase resolved partial discharge analysis)进行测量结果分析。具体是进行1分钟的采集，观察局部放电的相位谱图。
毛刺引起的气体放电波形较窄，频率较高，盘式绝缘子的内部缺陷造成的放电频率也较高，而盘式绝缘子表面污秽缺陷引起的表面放电频率较低，由此引发的绝缘表面闪络事故较为常见。实验证明，盘式绝缘子表面和内部绝大多数缺陷类型所引发的局部放电特征峰大多集中在300MHz以下的频段内。因此对盘式绝缘子的局部放电在线监测需要恰当的测量频段和信号分析方法，才能准确实时的反映其表面绝缘状况，从而提高GIS设备的运行可靠性，避免由于GIS放电性故障造成重大经济损失，进而对变电站安全运行有着重大意义。
【发明内容】
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种GIS高频宽带局部放电在线监测方法，本发明采用外电极法来实现超宽频带局部放电检测，它具有测量频带宽、频率高、信息量大等优点。提出了用两种测量方式共同获取GIS局部放电信号信息，使用高性能的硬件系统来实现信号的采集，真实的反映其放电特性。提出了统计法分析和高频法分析相结合的思想，提高了分析水平。总的来说，以往的GIS测量系统大多采用超高频天线的检测装置，而匹配以较低性能的硬件，容易遗漏放电信息，分析方法也仅限于统计量的分析和时频域的分析。采用本发明的方法制作的监测系统从这些角度来说是很先进的。
实现上述发明目的的技术解决方案是，一种GIS高频宽带局部放电在线监测方法，采用外电极法来实现超宽频带局部放电检测，其特征在于，包括以下步骤：
1)首先在待监测的盘式绝缘子的外部设置一高频宽带外置局部放电检测装置，用于采集泄漏出来的局部放电电磁波信号；该局部放电检测装置为一封装盒，传感器主体为一宽频带检测天线，频带范围10MHz～3000MHz，天线一端有50欧的匹配阻抗，一侧有用于馈电的SMA高频同轴连接器；使用时该面朝向盘式绝缘子与金属壳体的缝隙处；
2)由传感器检测到的信号通过高频同轴电缆，传送到宽频带信号调理单元的信号输入SMA端子上，根据实际的线缆长度，对于250MHz的信号的传输特性的衰减均在3db以内；
3)由高频同轴电缆传送来的局部放电信号进入宽频带信号调理单元进行信号调理；调理单元用于模拟信号的多路选通、放大和衰减，调理后的信号传送给现场下位机的信号采集单元，下位机位于监测设备现场；
4)下位机的信号采集单元由计算机、示波器和数据采集卡构成；
数据采集卡插接在计算机上，其采样速率为20MS/s，模拟信号输入带宽为15MHz；
示波器的采样速率为5GS/s，模拟信号输入带宽为500MHz；示波器通过通用并行接口总线电缆连接到计算机上安装的通用并行接口总线卡上；
数据分析与诊断单元由计算机系统软件驱动数字I/O卡实现对宽频带信号调理单元的多路选通和可变增益控制功能，驱动数据采集卡实现统计法测量的数据采集，驱动GPIB卡实现对示波器的仪器控制功能，完成高频法测量的数据采集；
5)建立数据分析与诊断单元
分析与诊断单元结合统计法和高频法两种检测方法共同进行信号分析及故障诊断；
统计法采用对局部放电检测装置检测到的电磁波进行最大放电幅值、平均放电量、放电次数同放电幅值的直方图；
高频法采用示波器进行单次局部放电波形的采集，其模拟带宽500MHz，采样速率为5GS/s，采用基于短时傅立叶变换的时频分析方法；然后对气体绝缘变电站超宽频带局部放电信号进行小波包分解，得到其在各个频段内的信号，然后利用分形理论计算各频段信号的分维数，用分维数来量化地分析信号的特征峰的波形特征，得到局部放电特征峰的位置和特征峰的大小；
下位机处理得到的诊断结果通过网线传到上位机；上位机位于主控室内，用于实现故障报警、历史查询、远程监测功能。
本发明的另一特点是，计算机系统软件还可以实现联网计算机的远程监测功能。
本发明的方法可以制备一套GIS高频宽带局部放电在线监测方法，该系统硬件整体构成具有更宽的频带范围，使测量的信号更能够反映其真实的放电行为。该系统的软件实现了监测软件的大部分常用功能，将统计法和高频法两种分析方法相结合的思想，共同进行故障诊断。统计法分析是对采集到的一个工频周期的模拟信号，计算其平均放电幅值，最大放电幅值，放电次数同放电幅值的直方图，高频法分析是对高频放电信号的时域指纹图和频域指纹图、时频分析、分形维数分析等，从而更加科学有效地进行分析。
【附图说明】
图1是本发明方法构成框图。
图2是本发明宽频带调理单元的功能框图。
图3是本发明分析诊断单元的时频分析图。
图4是本发明分析诊断单元的时域指纹图。
图5是本发明分析诊断单元的频域指纹图。
图6是本发明分析诊断单元分形分析方法中的局部放电信号分维数的倒数和频率的关系图。
图7是本发明的一个具体实施例示意图。
【具体实施方式】
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
依照本发明的方法构建的GIS高频宽带局部放电在线监测方法主要由以下部分组成，结合图1进行阐述：
1)外置局部放电检测装置
高频宽带外置局部放电检测装置，主体为一宽频带检测天线，频带范围10MHz～3000MHz，天线一端有50欧的匹配阻抗，一侧有用于馈电的SMA高频同轴连接器。该天线安放于由环氧板制作的封装盒内，封装盒的一面开有长为400mm，宽为10mm的缝隙，使用时该面朝向盘式绝缘子与金属壳体的缝隙处。该装置不改变气体绝缘装置结构，不影响其正常工作运行。
2)高频宽带局部放电信号调理单元
高频宽带局部放电信号调理单元，模拟信号的输入带宽达到500MHz，其中多路选通模块，实现了16个监测点的局部放电信号的检测，放大模块实现了对小信号的可调增益放大测量，衰减模块实现了对大信号的测量。
3)采集单元
该发明方法结合统计法测量和高频法测量两种检测方法构建采集单元的测量方案。采集单元的硬件构成如下，统计法测量中采用了美国NI公司的PCI-5102数据采集卡2，提高采样速率至20MS/s，扩大了局部放电信号的输入带宽至15MHz；高频宽带法测量采用了泰克公司的TDS3052示波器1，其模拟带宽500MHz，采样速率为5GS/s。
4)控制及通讯单元
控制及通讯单元包括有GPIB卡3、GPIB通讯电缆和数字IO卡4。其中下位机软件通过IEEE488.2协议，借助于GPIB总线，实现了对示波器的控制。下位机监测软件通过对数字IO卡的操作实现了对局放调理单元多路选通和放大衰减等控制功能。
5)分析和诊断单元
统计法测量采用数字采集卡进行了一个工频周期20ms时间段的测量，对局部放电检测装置检测到的电磁波进行了最大放电幅值，平均放电量，放电次数的测量。
图2为本发明宽频带调理单元的功能框图。该单元对高频同轴电缆传送来的局部放电信号进行信号调理，实现了模拟信号的多路选通，放大和衰减等功能，调理后的信号传送给信号采集单元。
图3为本发明采用的短时傅立叶变换时频分析方法图。为了进行局部放电信号分析和状态诊断，需要得到信号在时域和频域的特性。传统的傅立叶变化，只能得到信号在频域的全局变量，但这是远远不够用的，本发明希望得到的是信号频谱能量的变化情况。为此，需要使用时间和频率的联合函数来表示信号，这种表示称为信号的时频分析。对于超宽频带局部放电信号进行时频分析，可以得到如图3所示的分布，这种分布可以在时间和频率上同时表示信号的能量或者强度，得到这种分布后，我们可以对各种信号进行分析处理，提取信号中所包含的特征信息。图3横坐标为时间，单位为s；纵坐标为频率，单位为Hz，图3中，颜色越亮的地方表明该处能量越大。
图4为本发明采用的时域指纹图。在时域指纹图中，计算了信号的第一波正半周和负半周的参数，涉及的参数有波峰值、波头时间、上升沿时间、下降沿时间、视在放电持续时间、放电脉冲宽度、翘度和偏斜度。由这些参数，我们可以得到信号的时域特性。
图5为本发明采用的频域指纹图。在频域指纹图中，计算了信号的功率谱和、频率方差、分段频率、频率重心、莱斯频率五个参数，通过这些参数，可以得到信号的频域特性。
本发明用这两个图来定量分析超宽频带局部放电信号的特征。
图6是本发明分析诊断单元分形分析方法中的局部放电信号分维数的倒数和频率的关系图。在超宽频带局部放电检测中，我们发现不同的放电类型，其放电波形会有明显的变化，其特征峰的位置和大小也有明显区别。分形分析方法能够量化分析不同放电类型的局部放电信号的特征，对于监测设备运行状态有着重要的作用。
小波变换是一种窗口大小固定但其形状可以改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。它在时间、频率域都具有表征信号局部特征的能力，并且具有对信号的自适应性。分形几何是近些年发展较快的一门学科，它主要应用于线性信号和系统的，在信号处理和信号压缩方面具有较强的功能。分形理论突破了传统整数维的时空观，提出维数不必是整数，可以是分数维数。分数维数又叫分形维数，是衡量分形特征的研究对象的定量指标。对于GIS模拟线段的局部放电信号的分析，我们得到这种信号在一定的区间内是分形体。
通常采用傅立叶变换进行频谱分析，再以频域谱图对其特征峰进行定性估计，并且用傅立叶变化分析的是信号整个频域内的特征，无法得到各频段的局部特征。因此，本发明采用基于小波提取的超宽频带局部放电信号分形分析方法。本发明首先对GIS超宽频带局部放电信号进行小波包分解，得到其在各个频段内的信号，然后利用分形理论计算各频段信号的分维数，用分维数来量化地分析信号的特征峰的波形特征，从而实现了对超宽频带放电信号各频段波形特性的量化分析。并且运用这种方法，实现了对超宽频带放电信号各频段波形特性的量化分析。通过计算和分析各频段的分维数的变化，可以得到局部放电特征峰的位置和特征峰的大小。
申请人按照上述技术方案制成的GIS设备局部放电在线监测系统(如图7所示)，已在甘肃省天水电力公司玉泉变电站挂网运行。