变电站缺陷设备快速检测装置及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种变电站缺陷电力设备快速检测装置及检测方法，该装置由多个电波传感器、超高速数据采样单元和数据处理单元构成，方法是所述电波传感器接收待测变电站电力设备绝缘缺陷放电所产生的电波信号，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元同步采集，送所述数据处理单元对四路信号进行数据处理，在显示屏上显示放电源的位置和预警信息。本发明能对变电站内缺陷设备进行放电源检测和平面定位，大大降低了变电站设备放电检测的成本，有助于巡检变电站设备时提前发现缺陷，减少停电事故的发生，从而提高变电站的智能化水平。具有对待测变电站全站放电的检测和定位快、成本低，效率高的特点。
【专利说明】变电站缺陷设备快速检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统高电压与绝缘技术，特别是涉及一种变电站缺陷电力设备快 速检测装置及其检测方法。
【背景技术】
[0002] 绝缘故障是电力设备在运行中最主要的可能故障之一，电力设备发生绝缘故障 前，一般都会有一个逐渐发展的放电过程，最终导致绝缘击穿。如果在这个过程能够对运行 设备进行放电监测和诊断，及时发现放电信号，提前对缺陷进行处理，就能有效避免绝缘击 穿故障的发生。对放电位置的定位也有助于制定更有针对性的检修处理方案，减少停电时 间，提1?检修效率。
[0003] 缺陷放电可通过超声波、电气参数常量和特高频电磁波等多种方法检测，这些方 法都可用来定位。特高频电磁波法是放电检测的一种新方法，该方法通过特高频全向传感 器接收电力设备内发生放电时辐射的电磁波中的特高频段信号来检测放电。特高频电磁波 检测的优点为：检测频段较高，可以有效地避开常规放电测量中的电晕、开关操作等多种电 气干扰；检测频带宽，所以其检测灵敏度很高，且电磁波在空气中的传播速度近似光速，可 以用来计算放电源在变电站中的平面位置，从而确定可能存在缺陷的设备。
[0004] 国内外现有的对电力设备的绝缘缺陷进行监测及定位的方法基本都是针对单个 变电站设备（GIS、变压器、容性设备等）的放电进行检测，并依据采集到的声信号和电信号 进行定位。这种监测方法存在以下缺陷：
[0005] 1)变电站中的任何高压电力设备均可能会产生放电故障，要想对全站的一次电气 设备实施监测，就需要在每一个设备上都安装放电监测装置，这需要耗费大量的时间、财力 进行设备采购和安装；
[0006] 2)测试时需携带多套不同类型仪器，操作不便；
[0007] 3)众多监测装置的维护和管理需耗费大量的时间和人力。
[0008] 因此，目前这种监测形式难以适应今后智能变电站远程管理及少人值守的要求。
【发明内容】
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变电站缺陷电力设备快速检测装置。
[0010] 本发明提供的变电站缺陷电力设备快速检测装置，由特高频全向传感器接收放大 模块、超高速数据采样单元及数据处理单元和分析单元组成，所述特高频全向传感器接收 放大模块为四个全向宽带天线及其前置宽带放大器的集成体，所述特高频全向传感器接收 待测变电站电力设备缺陷放电所产生的电磁波，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后 由所述超高速数据采集单元同步采集；
[0011] 所述数据处理单元对四路信号进行数据处理单元，重点是计算四路信号的时延， 从而计算出放电源在变电站的平面位置。
[0012] 优选地，所述前置宽带放大器的带宽为1GHz，增益为40dB。
[0013] 优选地，所述超高速数据采样单元为>3Gsps的数据采集卡。
[0014] 优选地，所述数据处理单元为工业控制计算机。
[0015] 本发明同时提供了一种利用上述技术方案中任一所述的变电站缺陷电力设备快 速检测装置进行放电源检测的方法，包括步骤一多路电波信号同步采集、步骤二采用双谱 估计算法确定两路电波信号的时延以及步骤三利用时延计算放电源点的平面位置；
[0016] 步骤一多路电波信号同步采集
[0017] 将所述变电站缺陷电力设备快速检测装置在待测的变电站某一位置放置后，所述 检测装置启动后，所述多通道特高频全向传感器接收变电站缺陷电力设备因放电产生的 电磁波信号，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元进行同 步采集，送所述数据处理单元对多路信号进行数据处理单元；
[0018] 步骤二采用双谱估计算法确定两路电波信号的时延
[0019] 通过信号的数字采集系统同时采集到的两路信号分别为离散序列Ixl (n)}和 1x2 (n) }，结合高阶累积量理论，利用参数双谱时延估计算法的计算机数值实现方法，计算 子步骤如下
[0020] 子步骤1 :同常规计算方法，将观测到的信号数据样本分为K段，每段包含M个观 测样本，分别记作,(KM1)，…，<(M-〗），其中k= l，2，...，k，i = 1，2,相邻两段数据之 间可以有重合；
[0021] 子步骤2 :计算每段信号的自三阶累积量和互三阶累积量：
【权利要求】
1. 一种变电站缺陷电力设备快速检测装置，其特征在于，由特高频全向传感器接收放 大模块、超高速数据采样单元及数据处理单元和分析单元组成，所述特高频全向传感器接 收放大模块为四个全向宽带天线及其前置宽带放大器的集成体，所述特高频全向传感器接 收待测变电站电力设备缺陷放电所产生的电磁波，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理 后由所述超高速数据采集单元同步采集； 所述数据处理单元对四路信号进行数据处理单元，重点是计算四路信号的时延，从而 计算出放电源在变电站的平面位置。
2. 根据权利要求1所述变电站缺陷电力设备快速检测装置，其特征在于：所述前置宽 带放大器的带宽为1GHz，增益为40dB。
3. 根据权利要求1所述变电站缺陷电力设备快速检测装置，其特征在于：所述超高速 数据采样单元为>3Gsps的数据采集卡。
4. 根据权利要求1所述变电站缺陷电力设备快速检测装置，其特征在于：所述数据处 理单元为工业控制计算机。
5. -种利用权利要求1至4中任一所述变电站缺陷电力设备快速检测装置进行放电源 检测的方法，其特征在于包括步骤一多路电波信号同步采集、步骤二采用双谱估计算法确 定两路电波信号的时延以及步骤三利用时延计算放电源点的平面位置； 步骤一多路电波信号同步采集 将所述变电站缺陷电力设备快速检测装置在待测的变电站某一位置放置后，所述检 测装置启动后，所述多通道特高频全向传感器接收变电站缺陷电力设备因放电产生的电磁 波信号，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元进行同步采 集，送所述数据处理单元对多路信号进行数据处理单元； 步骤二采用双谱估计算法确定两路电波信号的时延 通过信号的数字采集系统同时采集到的两路信号分别为离散序列Ixl (n)}和 1x2 (n) }，结合高阶累积量理论，利用参数双谱时延估计算法的计算机数值实现方法，计算 子步骤如下 子步骤1 :同常规计算方法，将观测到的信号数据样本分为K段，每段包含M个观测样 本，分别记其中k= 1，2,…，k，i = 1，2,相邻两段数据之间可 以有重合； 子步骤2 :计算每段信号的自三阶累积量和互三阶累积量：
其中，Sl和S2分别取值为： 51. max (0, - T，- P ) 52. min (M-l，M-I- T，M-I- P ) 子步骤3 :计算各段信号自三阶累积量和互三阶累积量的平均值，作为整段信号的三 阶累积量估计：
其中…為.…氺Ir ^将使A取最大值的索引值d，作为两路信号时延的估计^ 步骤三利用时延计算放电源点的平面位置 传感器阵列采用平面矩形排列方式，假设四个传感器在平面坐标系内的位置坐标分别 为（X1, yi)、（x2, y2)、（x3, y3)和（x4, y4)，放电源位置为（X，y)，放电源与四个传感器间的距离 分别为屯、d2、d3和d4,即
根据平面解析几何知识，放电源到每两个传感器之间的距离差（Cli-Cip可唯一确定一 个单支双曲线，因此，以天线阵列中心为平面直角坐标原点，通过时间差可以确定放电点所 在象限，利用相同方向的单支双曲线方程联立可得到如下非线性方程组：
式中aij = (di-dj)/2-双曲线的半长轴长； hI --双曲线的半短轴长的平方； Cij--双曲线焦距，可根据天线阵列的尺寸得到； 假设四路放电信号的波形起始时刻分别为dtp dt2、dt3和dt4，放电信号传播至不同天 线的时间差AT12、AT43、AT14、'!^可表示为
将（10)所求得的结果代入（7)与⑶并求解即可得到放电源的坐标（x，y)，在此基础 上即可得到放电源的方位角（参照极坐标规则，以水平向右方向为0° )和放电源距离检测 系统的径向距离； 定位算法示意图3如图所示； 算法中针对不同象限与不同位置时间差A T12、A T43、A T14、AT23的特点，将平面分为若 干区域进行相应的特殊处理： 1) 0。与 180。 当放电源位于检测系统水平正右方或水平正左方时，其A T14、A T23几乎为0,此时放电 源的横坐标可直接确定，通过△ T12或△ T43的正负即可确定放电源所在方位角，随后可直接 通过（7)式来确定其径向距离，由于在波形起始点的寻找中可能存在一定的误差，因此为 A 1\4和A 1~23保留一定的阈度，在小于这一阈度的范围内，可认为其约等于0,并按照上述方 法处理； 2) 90。与 270。 当放电源位于检测系统正前方或正后方时，其AT12或AT43几乎为0,此时放电源的纵 坐标可以直接确定，与（1)类似，通过八1\4或AT23的正负即可确定放电源所在的方位角， 随后通过（8)式来确定其径向距离； 3) 第I象限 当AT12X)且AT23〈0时，放电源的位置处于第I象限内，其角度范围为（0°，90° )， 在第I象限内，存在b12 = 0以及b23 = 0的区域，为此，当时间差满足 v ? AT12I ^ L12或 |v-AT23I^ L23 (11) 时，可直接确定放电源的一个坐标值与天线的坐标一致，进而代入式（7)或式（8)确定 另一个坐标完成定位，如果时间差不满足（11)所表示的关系，则直接求解非线性方程组来 求取定位结果； 4) 第II象限 当AT12〈0且AT23〈0时，放电源的位置处于第II象限内，其角度范围为 (90°，180° )，与第I象限类似，在第II象限内存在b12 = O以及b14 = O的区域，为此，当 时间差满足 V ? AT12I ^ L12 或 |v ? AT14I ?L14(12) 时，可直接确定放电源的一个坐标值，进而确定其另一个坐标，如果时间差不满足（12) 所表示的关系，则直接求解非线性方程组来求取定位结果； 5) 第III象限 当AT12〈0且AT23X)时，放电源的位置处于第III象限内，其角度范围为 (180°，270° )。在第III象限内当时间差满足 V A T431 ^ L43 或 |v ? AT14I ?L14(13) 时，会导致b43 = 0或b14 = 0,此时直接确定放电源的一个坐标值,进而代入方程确定 其位置，如果时间差不满足（13)所述关系，则直接求解方程组； 6) 第IV象限 当AT12X)且AT23X)时，放电源的位置处于第IV象限内，其角度范围为 (270°，360° )，在第III象限内当时间差满足 V A T431 ^ L43 或 Iv ? AT23|? L23(M) 时，会导致b43 = 0或b23 = 0,此时直接确定放电源的一个坐标值,进而代入方程确定 其位置，如果时间差不满足（14)所述关系，则直接求解方程组； 在求解（7)与（8)两个非线性方程组时，采用牛顿迭代法进行求解，如将（7)方程组写 成向量方程#(X) = 〇的形式，其中X= (x，y)T，有
f(X)，F(XJiX^Xk) (17) 其中/7K1)为/?的Jacobi矩阵在Xk处的值。若X取值为方程组（4-23)的根X%即 &!〇 = 0,把使得式（17)右端为0的向量X作为新的近似值，记为Xk+1，即有：
式（18)即为牛顿求解非线性方程组的迭代公式。
【文档编号】G01R31/12GK104360240SQ201410386480
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】殷军, 郭浩, 刘玄 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司