呂順倫

（深圳媽灣電力有限公司，廣東 深圳 518066）

1 基于超聲波的GIS組合電器局部放電識(shí)別方法

1.1 基于超聲波的局部放電信號預(yù)處理

由于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）組合電器局部放電信號具有不穩(wěn)定、多變性等特點(diǎn)，為了便于對其進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，需要先對局部放電信號進(jìn)行預(yù)處理操作[1-4]。具體思路是利用超聲波傳感器檢測組合電器內(nèi)部的超聲波信號，再將局部超聲放電信號截取成片段的形式，在每個(gè)片段中提取對應(yīng)的特征參量，將所有的特征參量進(jìn)行組合，形成超聲信號時(shí)序數(shù)據(jù)。超聲波局部放電檢測示意如圖1所示。

圖1 超聲波局部放電檢測示意

為了減少噪聲干擾，檢測前可以在超聲波傳感器上涂抹超聲波高溫耦合劑，以提高檢測的準(zhǔn)確率。將超聲波傳感器貼在GIS組合電器的上部，當(dāng)組合電器內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，氣體分子受到電流的影響而互相碰撞產(chǎn)生超聲波脈沖，超聲波傳感器可捕捉該部分脈沖，并將其轉(zhuǎn)化為超聲波信號，以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)在顯示屏幕中[5]。

在利用超聲波傳感器捕捉到超聲信號后，即可對捕捉的信號進(jìn)行截取工作，將信號截取為一個(gè)個(gè)的片段的形式。由于截取時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)部分信號重疊的情況，為了減小截取誤差，需要對其進(jìn)行補(bǔ)幀，可采用矩形加權(quán)函數(shù)對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體公式為

式中：L為截取信號的長度；n為信號值。當(dāng)捕捉的信號長度較短，可以用Hann加權(quán)函數(shù)或Hamming加權(quán)函數(shù)進(jìn)行處理，具體公式為

通過上述加權(quán)函數(shù)即可完成對超聲信號的補(bǔ)幀處理。在選擇加權(quán)函數(shù)的過程中，除了要考慮信號的長短，還需考慮頻率的分辨率需求[6]。矩形加權(quán)函數(shù)因?yàn)榉治鰩捿^窄，所以分辨率相對較高，但存在一定程度上的信號泄露風(fēng)險(xiǎn)。而后兩種加權(quán)函數(shù)的抗干擾性較強(qiáng)，但是頻率的分辨率會(huì)受到影響，在實(shí)際計(jì)算的過程中可以根據(jù)頻率的需求進(jìn)行不同的選擇。

在對超聲信號進(jìn)行補(bǔ)幀處理后，通過時(shí)域方法對信號進(jìn)行特征參數(shù)的提取。首先對分割后的信號提取出頻譜分布特征，即

式中：Xi(k)為信號的頻譜分布特征；N為頻譜變換點(diǎn)數(shù)；e為時(shí)頻參數(shù)；xi(n)為片段數(shù)為i時(shí)的信號值。則可求得該片段下信號功率譜值，即

式中：pi(k)為片段數(shù)為i時(shí)的局部放電信號的功率譜值；b為功率系數(shù)最大值。則即可對超聲信號進(jìn)行時(shí)序組合，即

根據(jù)上述計(jì)算過程即可完成對局部放電信號的預(yù)處理，得到局部放電信號的時(shí)序組合數(shù)據(jù)。

1.2 生成分類識(shí)別模型

將上述得到的局部放電信號時(shí)序數(shù)據(jù)利用分類識(shí)別算法進(jìn)行處理，即可生成分類識(shí)別模型[7]。具體步驟如下文所述。

利用類型特征空間將時(shí)序組合數(shù)據(jù)拆分成向量的形式，將時(shí)序數(shù)據(jù)作為矩陣進(jìn)行計(jì)算，求得降維后的信號特征向量，具體公式為

式中：yT為轉(zhuǎn)化后的時(shí)序矩陣數(shù)據(jù)；ya為降維后的信號特征向量。將降維后的向量進(jìn)行組合得到向量組，則可計(jì)算出向量組與向量之間的距離，具體公式為

式中：yb為超聲信號向量組；λ為向量與向量組之間的距離。由于GIS組合電器內(nèi)部發(fā)生局部放電反應(yīng)時(shí)，分子之間的距離會(huì)與正常情況下的距離有所不同，通過利用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）函數(shù)對該距離進(jìn)行判定，即可構(gòu)建出分類識(shí)別模型，具體表達(dá)式為

通過上述計(jì)算步驟即可構(gòu)建出局部放電信號的分類識(shí)別模型，將該模型與上述提到的局部放電信號預(yù)處理步驟進(jìn)行結(jié)合，即可完成對局部放電信號的有效識(shí)別。至此，基于超聲波的GIS組合電器局部放電識(shí)別方法設(shè)計(jì)完成。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境描述

本次實(shí)驗(yàn)選用了一種常規(guī)的局部放電識(shí)別方法作為對比對象，設(shè)計(jì)了364 kV的專業(yè)局部放電實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)載體。同時(shí)為了提高實(shí)驗(yàn)過程中SF6氣體的使用率，通過使用立式絕緣子將放電空間分割成小型氣室，保證氣室內(nèi)部氣壓在0.8 MPa以內(nèi)。將局部放電信號的檢測頻段調(diào)至400～1 800 MHz，傳感器的檢測頻率調(diào)至50 kHz，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 局部放電平臺(tái)結(jié)構(gòu)

為了提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次實(shí)驗(yàn)針對GIS的局部放電特點(diǎn)共設(shè)計(jì)了4種不同的故障模型，分別是尖端放電模型、內(nèi)部放電模型、懸浮放電模型以及沿面放電模型，具體模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 絕緣故障模型結(jié)構(gòu)示意

其中，尖端放電模型的針尖曲率半徑為5 mm，針尖錐度設(shè)置為45°，將上電極與下電極之間的距離設(shè)置為13 mm。在內(nèi)部放電模型的上電極與下電極之間注入厚度為5 mm的固體樹脂，并在最上方進(jìn)行開孔處理，直徑為15 mm。懸浮放電模型的電極間距控制在10 mm，并在兩側(cè)各放置一個(gè)長度為8 mm的立柱。沿面放電模型在上電極與下電極之間之間放置一個(gè)長度為10 mm的固體樹脂圓柱。將文獻(xiàn)[3]提出的基于小波變換與方向梯度直方圖（Histogram of Oriented Gradients，HoG）算法的變壓器局部放電識(shí)別方法作為對比方法，與本文設(shè)計(jì)的基于超聲波的識(shí)別方法，共同對4種變壓器局部放電故障模型進(jìn)行識(shí)別，比較不同方法的識(shí)別準(zhǔn)確率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，針對不同的故障類型，不同的識(shí)別方法的準(zhǔn)確率也會(huì)有所不同。文獻(xiàn)[3]方法的GIS組合電器局部放電識(shí)別方法的識(shí)別準(zhǔn)確率一般保持在85%左右，會(huì)有不同程度的波動(dòng)，并且識(shí)別準(zhǔn)確率會(huì)受到樣本數(shù)據(jù)的增多而降低，這對于GIS組合電器識(shí)別檢修是非常不利的。而本文提出的基于超聲波的GIS組合電器局部放電識(shí)別方法，其識(shí)別的準(zhǔn)確率始終保持在90%以上，應(yīng)用效果較好，并且不會(huì)受到識(shí)別數(shù)量的影響，這說明提出的局部放電識(shí)別方法在準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性上優(yōu)于傳統(tǒng)的識(shí)別方法。這是由于提出的局部放電識(shí)別方法與超聲波技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，通過分類識(shí)別模型對不同的故障均能進(jìn)行有效的識(shí)別，可用于GIS組合電器的局部放電識(shí)別工作當(dāng)中。

3 結(jié) 論

本文所提出的GIS組合電器局部放電識(shí)別方法與超聲波技術(shù)進(jìn)行了有效結(jié)合，通過對超聲波傳感器提取出的局部放電信號進(jìn)行預(yù)處理，得到信號的時(shí)序數(shù)據(jù)，再建立起分類識(shí)別模型，可實(shí)現(xiàn)對局部放電信號的準(zhǔn)確識(shí)別。該識(shí)別方法通過構(gòu)建模型的方式，提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率，可應(yīng)用于GIS組合電器的局部放電識(shí)別工作當(dāng)中，能夠?qū)﹄娦盘栠M(jìn)行準(zhǔn)確捕捉與識(shí)別，對檢測與維修GIS組合電器的工作狀態(tài)提供了較大幫助，有利于提高檢測的效率與檢測準(zhǔn)確性，對工作人員做出檢測診斷提供有效支持。