专利名称：电力绝缘设备性能测量及电流传感器固有相移测量方法
技术领域：
本发明涉及信号处理技术领域，特别是一种电力绝缘设备性能测量及电流传感器固有相移测量方法。
背景技术：
电力设备绝缘监测技术是保证电力系统安全运行的关键技术。它是结合传感器技术、计算机技术、电子技术、信号处理以及网络技术，在电力系统运行状态下，对其中的电气设备的绝缘状况进行实时监测，其基本要求是:监测过程不改变系统的运行方式，并保证测
量精度等。容性电力设备的介质损耗(tan δ )是表征设备绝缘性能的一个重要参数，主要通过比较流经设备的漏电流与加在设备两端的高压信号的相位差S来获得。其中，漏电流的获取主要通过设备接地点处的电流传感器测量获得，要求电流传感器具有较高的测量准确度。然而，目前应用于各种电力设备绝缘在线监测的电流传感器，都是用高导磁材料作为磁芯绕制而成。在实验室环境下进行测试，这类电流传感器对电流信号角差的监测能够达到较高的精度，同时其稳定性也能满足测量的要求。但实际在线运行后，由于现场的强电磁干扰、环境温度及湿度的大幅度变化、强冲击电流等对磁性材料的作用，使得电流传感器磁芯的性能降低。另一方面，电流传感器中的电子电路同样会受电磁干扰、工作温度及湿度、器件老化等影响，使得输出信号的幅度变比，特别是角差特性发生较大变化。因此，要对电流传感器的角差炉进行实时监测，以保证绝缘在线监测系统在实际运行中能够获得高精度、稳定可靠的测量结果。一种在线监测电流传感器角差系统，是人为在传感器的输入端加入已知频率和相位的单频正弦测试电流，在输出端得到的是正常工作时的输出电流与测试电流的混合。采用独立分量分析(ICA)方法将测试信号和电流传感器的原始输出电流分离，通过比较测试信号输入与输出前后相位变化来确定电流传感器的相位。这样就可以通过计算机软件的方法，在电流传感器监测电力设备正常工作的电流的同时获得它的相位，从而实现在线测量。现阶段最可靠的ICA方式为FastICA算法，该算法的特点是，逐次分离出每一个源分量，而分离顺序依赖于分离矩阵的初值，通常这个初值是随机给定的。FastICA算法在本应用中最主要的问题就是，分离顺序是不可控的，而分离效果却又严重依赖于分离顺序:若其中一个标准信号先于噪声信号被分离出来，则分离结果可能包含比较大的误差；相反，若噪声信号第一个被分离出来，则误差较小。这是因为ICA要求各源分量统计独立；而本模型中的两个附加的标准信号并非统计独立，而仅仅只是满足“正交”这样一个弱分离条件，所以分离这两个标准信号的过程会给噪声分量的分离带来很大的误差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种半盲源分离算法，来替代FastICA算法在正弦信号相位测量中的应用，以改进电力绝缘设备tan δ的测量精度。该算法能有效解决FastICA分离顺序不可控的问题，从而改进测量的精度和速度，并保留原算法抗干扰能力强的优点。本发明公开了一种利用电流传感器测量绝缘设备性能的方法，其包括:步骤1、在测量绝缘设备漏电流的电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号；步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯混合的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向；步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移；步骤4、利用所述电流传感器的固有相移，在测量绝缘设备两端的电压信号和电流传感器的输出信号之间的相位差的过程中校正该相位差，进而得到绝缘设备的性能。本发明还公开了一种测量电流传感器固有相移的方法，其包括:步骤1、在电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号；步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯混合的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向；步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移。可见，由于漏电流 就是通过电流传感器来测量的，但是电流传感器包含一个固有的相位偏移(角差)P，这造成了对S的测量误差。因此，本发明提出的上述方法就是在电流传感器正常工作的状态下把这个固有误差测出来，即“在线测量”。然后在每次测量相位差δ时,使用所述相位偏移P进行校正。
图1是本发明中电力绝缘设备在线测量系统的示意图；图2是本发明中基于半盲源分离的正弦信号相位测量方法的流程图；图3是本发明中基于半盲源分离的正弦信号相位测量方法的一次测量的实验样本，其中2(a)为原始正弦信号，2(b)为噪声信号，2 (C)为待测信号；图4是本发明中基于半盲源分离的正弦信号相位测量方法的运行结果，其中3(a)为分尚出来的噪声分量，3 (b)为恢复出来的正弦分量；图5是本发明中基于半盲源分离的正弦信号相位测量方法多次运行得到误差分布，其中4(a)中的待测信号的信噪比为6dB，4(b)中的待测信号的信噪比为10dB。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明公开了一种电力绝缘设备在线测量系统及其方法。图1示出了本发明公开的电力绝缘设备在线测量系统。该系统包括:PT信号隔离开关:其用于测量绝缘设备两端的电压U ；
电流电压传感器:其用于测量流经绝缘设备的漏电流ID，在线校正该设备是本发明的核心内容；
过零比较器:其用于测量U和Id之间的相位差δ ；电子开关:其用于控制测量；图2示出了本发明公开的电力绝缘设备在线测量方法。如图2所示，该方法包括如下步骤:步骤1:在测量绝缘设备漏电流的电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，其频率ω。的优选值为37.5Hz，则电流传感器的输入为测试信号与工频工作信号的线性混合，所述工频工作信号即为流经绝缘设备两端的信号。电流传感器的传递函数在频域内可以表示为一个常数即幅值增益为a，相移(或角差)为P，因而电流
传感器的输出信号即为待测信号，其如下表示:
权利要求
1.一种在线测量电流传感器固有相移的方法，其包括: 步骤1、在测量绝缘设备漏电流的电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号； 步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯噪声混合而成的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向； 步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移； 步骤4、利用所述电流传感器的固有相移，在测量绝缘设备两端的电压信号和电流传感器的输出信号之间的相位差的过程中校正该相位差，进而得到绝缘设备的性能。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2具体包括: 步骤21、将待测信号扩展为一个三维观测信号矩阵；其中第一维为待测信号x(t)，第二维和第三维分别为标准正弦信号Sin(COet)和标准余弦信号cos (coj)； 步骤22、利用独立分量分析方法将三维观测信号矩阵分别投影到三个正交的源信号的方向上； 步骤23、将前两个投影方向分别钳制在标准正弦信号和标准余弦信号的方向之上，获得其投影方向分别为W1 =
和& = [O O 1]，然后在正交化约束的条件下利用最大化负熵的方法求解得到近似第三投影方向； 步骤24:将所述近似第三投影方向作为初始值，在没有约束的情况下重新最大化负熵，计算得到最终的第三投影方向，该第三投影方向即为噪声分量的投影方向。
3.如权利要求2所 述的方法，其特征在于，步骤22中在有约束的条件下利用最大化负熵的方法求解得到近似第三投影方向，具体如下表示:
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移具体为: 构造复数z = -(w32+iw33)/w31,其中w3i表示第三投影方向W3的第i个分量，i = 1,2,3，然后提取z的相位，即得到电流传感器的固有相移。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤22中利用独立分量分析方法将三维观测信号矩阵分别投影到三个正交的源信号的方向上具体为: 待测信号可以分解为一个正弦信号分量和噪声分量之和，其中噪声分量为工频工作信号和高斯噪声的混合，而所述正弦信号分量又分解为两个正交的正弦信号的线性混合，从而三维观测信号是噪声分量、两个正交的正弦信号这三个正交源信号的线性混合。利用独立分量分析盲分离所述三维观测信号，最终将所述三维观测信号投影到这三个正交的源信号方向上，所述盲分离结果表不如下:
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，取Ψ= 0，以将所述两个正交的正弦信号钳制为标准正弦信号和标准余弦信号。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中使用δ←δ+φ来校正δ，再计算绝缘设备的介质损耗tan δ，进而得到绝缘设备的绝缘性能，其中δ为所述相位差，φ为所述电流传感器的角差。
8.一种测量电流传感器固有相移的方法，其包括: 步骤1、在电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号； 步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯混合的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向； 步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电流传感器用于测量电力绝缘设备的漏电流，所述电流传感器的固有相移用于校正电力绝缘设备漏电流相位的测量值，提高电力绝缘设备的tan δ的测量精度。
全文摘要
本发明公开了一种利用电流传感器测量绝缘设备性能的方法，其包括步骤1、在测量绝缘设备漏电流的电流传感器的输入端，额外加入一个标准正弦信号作为测试信号，所述测试信号和工作信号的混合信号经过电流传感器后得到待测信号；步骤2、从所述待测信号进行盲源分离得到工作工频信号和高斯噪声混合而成的噪声分量，求解得到所述噪声分量的投影方向；步骤3、根据所述噪声分量的投影方向求解得到电流传感器的固有相移；步骤4、利用所述电流传感器的固有相移，在测量绝缘设备两端的电压信号和电流传感器的输出信号之间的相位差的过程中校正该相位差，进而得到绝缘设备的性能。
文档编号G01R25/00GK103245839SQ20131018110
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月16日 优先权日2013年5月16日
发明者张放, 鲁华祥, 龚国良, 陈刚, 金敏, 边昳 申请人:中国科学院半导体研究所