绝缘管型母线局部放电声学在线监测方法及装置与流程

本发明涉及绝缘管型母线的局部放电监测领域，具体是一种绝缘管型母线局部放电声学在线监测方法及装置。

背景技术：

根据现行绝缘管型母线竣工试验标准，绝缘管型母线线路经过交接试验后，应能监测出由于运输和现场敷设引起的较大的缺陷，但是仍存在一些经过试验后，在投运不久便击穿的案例。主要原因是交接试验不能有效检测出绝缘管型母线线路的绝缘缺陷，或者说是潜在的绝缘缺陷，而且线路在运行一段时间后，这些缺陷逐渐扩大，隐性缺陷逐渐显性化，最终导致了绝缘管型母线线路的击穿。而局部放电的监测是及时发现故障隐患和预测运行寿命及保障绝缘管型母线线路安全可靠运行的重要手段，是最有效的手段之一。

目前对绝缘管型母线的局部放电测量主要是超声波法和超高频法，超高频法检测的频段比较高，信号衰减也比较大，故对检测点的选取有较高的要求且造价较高；超声波法结构比较复杂且对检测人员的经验等要求较高。绝缘管型母线外表的绝缘层对高频波、声波的吸收能力较强，这样就导致了原始信号里高频波大幅衰减，这一原因限制了超声法和超高频法的推广。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是一种电缆局部放电的在线监测方法及装置，解决现有绝缘管型母线线路所处的环境中外界强电磁场干扰源很多，局部放电信号量微弱，幅值很小，极易被背景噪声淹没，而且经处理后的采集到的信号的原始波形畸变，容易导致误判的问题。

本发明的技术方案为：

一种绝缘管型母线局部放电声学在线监测装置，包括声学耦合传感器、第一信号调理电路、模数转换和信号处理电路、后台终端；

所述声学耦合传感器安装在绝缘管型母线线路上每个绝缘套筒和绝缘管型母线终端的外表面；

所述第一信号调理电路与所述声学耦合传感器通信连接，用于对声学耦合传感器耦合到的原始信号进行去噪、放大调理，得到含噪的局部放电声发射信号送入模数转换和信号处理电路；

所述模数转换和信号处理电路用于对含噪的局部放电声发射信号进行集合经验模态分解以及小波自适应阈值降噪处理，获得降噪后的局部放电信号；

所述后台终端与所述模数转换和信号处理电路通信连接，用于将经模数转换和信号处理电路处理后得到的局部放电信号的信号数据构造特征向量，与绝缘管型母线初次运行时采集到的基础数据作对比分析，从而作出相应的状态评价。

进一步的，所述信号数据构造特征向量包括相位、脉冲数量和能量熵。

进一步的，还包括泄漏电流传感器、第二信号调理电路，泄漏电流传感器通过第二信号调理电路与模数转换和信号处理电路连接，模数转换和信号处理电路中包括信号采集处理模块，信号采集处理模块的采样触发信号为工频过零信号，泄漏电流传感器获取工频信号的相位，经第二信号调理电路处理后获得工频过零信号。

进一步的，所述模数转换和信号处理电路为模数转换和信号处理电路。

进一步的，模数转换和信号处理电路与第一通信模块连接，后台终端与第二通信模块连接，第一通信模块与第二通信模块进行通信连接。

进一步的，所述模数转换和信号处理电路用于对含噪的局部放电声发射信号进行集合经验模态分解以及小波自适应阈值降噪处理，获得降噪后的局部放电信号，其具体步骤如下：

步骤一、对含噪的局部放电声发射信号进行集合经验模态分解；

步骤二、提取各个本征模函数imf，并计算原始信号能量以及各个imf的能量，同时计算各个imf与原信号的相关系数，综合考虑能量占比和相关系数大小进行imf分量的筛选重构，得到重构信号；

步骤三、对重构信号进行小波自适应阈值降噪处理，获得降噪后的局部放电信号。

进一步的，所述步骤一具体为：

1)确定运算次数m和加入的白噪声的幅度n，定义m为emd的分解次数，m为运算次数，n为加入的白噪声的幅度，m满足1≤m≤m，将不同幅值的白噪声信号nm(t)加入到待分解信号x(t)中，得到新的待分解信号xm(t)，即

xm(t)＝x(t)+nm(t)(1)

2)对加入白噪声后的信号xm(t)进行emd分解，得出若干个本征模函数(imf)分量，用cmi表示，即第m个加入白噪声信号后通过emd分解后得到的第i个imf分量；

3)m依次取1到m，迭代进行步骤1)和2)，可以得到分解出的m组imf分量序列，即{cmi}；

4)对分解出的m组imf分量求平均值，消除白噪声同时得到待测信号经过eemd分解后的各阶imf，定义作为eemd分解得到的待测信号的第i个imf分量，即

所述步骤二中imf的能量e与相关系数计算公式如下，即

e＝∑x²(n)(3)

一种绝缘管型母线局部放电声学在线监测方法，包括如下步骤：

第一信号调理电路对声学耦合传感器耦合到的原始信号进行去噪、放大调理，得到含噪的局部放电声发射信号送入模数转换和信号处理电路；

模数转换和信号处理电路对含噪的局部放电声发射信号进行集合经验模态分解以及小波自适应阈值降噪处理，获得降噪后的局部放电信号；

后台终端将局部放电信号的信号数据构造特征向量，与绝缘管型母线初次运行时采集到的基础数据作对比分析，从而作出相应的状态评价。

进一步的，所述模数转换和信号处理电路对含噪的局部放电声发射信号进行集合经验模态分解以及小波自适应阈值降噪处理，获得降噪后的局部放电信号体步骤如下：

步骤一、对含噪的局部放电声发射信号进行集合经验模态分解；

步骤二、提取各个本征模函数imf，并计算原始信号能量以及各个imf的能量，同时计算各个imf与原信号的相关系数，综合考虑能量占比和相关系数大小进行imf分量的筛选重构，得到重构信号；

步骤三、对重构信号进行小波自适应阈值降噪处理，获得降噪后的局部放电信号。

进一步的，所述步骤一具体为：

1)确定运算次数m和加入的白噪声的幅度n，定义m为emd的分解次数，m为运算次数，n为加入的白噪声的幅度，m满足1≤m≤m，将不同幅值的白噪声信号nm(t)加入到待分解信号x(t)中，得到新的待分解信号xm(t)，即

xm(t)＝x(t)+nm(t)(1)

2)对加入白噪声后的信号xm(t)进行emd分解，得出若干个本征模函数imf分量，用cmi表示，即第m个加入白噪声信号后通过emd分解后得到的第i个imf分量；

3)m依次取1到m，迭代进行步骤1)和2)，可以得到分解出的m组imf分量序列，即{cmi}；

4)对分解出的m组imf分量求平均值，消除白噪声同时得到待测信号经过eemd分解后的各阶imf，定义作为eemd分解得到的待测信号的第i个imf分量，即

所述步骤二中imf的能量e与相关系数计算公式如下，即

e＝∑x²(n)(3)

本发明通过声学耦合传感器从被测绝缘管型母线上耦合得到原始耦合信号；对原始耦合信号进行去噪、放大等调理手段得到被测绝缘管型母线上的处理后的耦合信号；通过软件算法对该处理后的耦合信号进行盲源分离，排除现场工作噪声及其他噪声对信号的干扰，准确获取绝缘管型母线上的局部放电信号。本发明能有效及时的将绝缘管型母线的局部放电缺陷检测出来，为绝缘管型母线的绝缘品质的检验判断提供了更为有效的灵敏的方法。

附图说明

图1是本发明绝缘管型母线局部放电声学在线监测装置的结构示意图。

图中：1—声学耦合传感器，2—第一信号调理电路，3—泄漏电流传感器，4—第二信号调理电路，5—模数转换和信号处理电路，6—第一通信模块，7—第二通信模块，8—后台终端。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，其为本发明绝缘管型母线局部放电声学在线监测装置的结构示意图，所述装置包括声学耦合传感器1、第一信号调理电路2、泄漏电流传感器3、第二信号调理电路4、模数转换和信号处理电路5、第一通信模块6、第二通信模块7、后台终端8。所述模数转换和信号处理电路5可采用arm处理器。

在绝缘管型母线线路上每个绝缘套筒和绝缘管型母线终端的外表面安装声学耦合传感器1，且声学耦合传感器1与绝缘管型母线外壁紧密接触。第一信号调理电路2与声学耦合传感器1连接，用于对声学耦合传感器1耦合到的原始信号进行去噪、放大等调理手段得到含噪的局部放电声发射信号送入后模数转换和信号处理电路5进行处理，声学耦合传感器1耦合信号的信号频率为600-8000hz。实际采集的绝缘管型母线局部放电声发射信号信噪比非常低，本发明采用eemd(集合经验模态分解)与小波自适应阈值方法结合，能够有效改良其降噪效果，提高特征提取的准确性。

模数转换和信号处理电路5中包括信号采集处理模块，信号采集处理模块的采样触发信号为工频过零信号，泄漏电流传感器3获取工频信号的相位，经第二信号调理电路4处理后获得工频过零信号，每次采样触发后连续数据采集的时间为60ms。模数转换和信号处理电路5对所采集到的信号进行信号去噪、盲源分离，得到绝缘管型母线的局部放电信号的相位、脉冲数量等特征。

模数转换和信号处理电路5用于对含噪的局部放电声发射信号进行集合经验模态分解以及小波自适应阈值降噪处理，获得降噪后的局部放电信号。具体步骤如下：

步骤一、对含噪的局部放电声发射信号进行集合经验模态分解(eemd)

1)确定运算次数m和加入的白噪声的幅度n，定义m为emd的分解次数，m为运算次数，n为加入的白噪声的幅度，m满足1≤m≤m，将不同幅值的白噪声信号nm(t)加入到待分解信号x(t)中，得到新的待分解信号xm(t)，即

xm(t)＝x(t)+nm(t)(1)

一般运算次数越大，最后平均后白噪声的消除效果越好，但是运算次数越大，运算时间越长。被分析信号主要为高频信号时，所加白噪声幅值可略小一些，被分析信号主要为低频信号时，所加白噪声幅值可略大一些。本发明实施例取运算次数m＝100，加入的辅助运算的白噪声幅度为n＝0.1。

2)对加入白噪声后的信号xm(t)进行emd分解，得出若干个本征模函数(imf)分量，用cmi表示，即第m个加入白噪声信号后通过emd分解后得到的第i个imf分量；

3)m依次取1到m，迭代进行步骤1)和2)，可以得到分解出的m组imf分量序列，即{cmi}；

4)对分解出的m组imf分量求平均值，消除白噪声同时得到待测信号经过eemd分解后的各阶imf，定义作为eemd分解得到的待测信号的第i个imf分量，即

步骤二、提取各个本征模函数(imf)，并计算原始信号能量以及各个imf的能量，同时计算各个imf与原信号的相关系数，综合考虑能量占比和相关系数大小进行imf分量的筛选重构，得到重构信号。

imf的能量e与相关系数计算公式如下，即

e＝∑x²(n)(3)

其中e为能量，p为相关系数；

综合考虑能量e与相关系数这两个因素进行imf分量的筛选重构，具体准则为：①计算各个imf分量的能量占原信号能量的比重，记录占比小于最大占比1/10的量②计算各个imf分量与原信号的相关系数，记录相关系数小于最大系数1/10的。综合考虑①②指标筛选，将剩余imf分量进行重构，得到重构信号。

步骤三、对重构信号进行小波自适应阈值降噪处理，获得降噪后的局部放电信号。在利用小波自适应阈值降噪处理中，采用的是自适应stein无偏风险估计方法，其原理是，自适应的小波阈值采用梯度下降法，下一个阈值等于当前阈值与均方误差函数的梯度值之差，即

式中，和分别表示当前阈值和下一阈值，μ为迭代步长，为均方误差函数ξ的梯度值，可表示为

式中，而即为阈值函数。

首先确定选用的小波基并设定分解层数，本实施例选用sym8小波并设定分解层数为6，并选取sigmoid函数作为阈值函数自适应迭代获取最优阈值，阈值函数的表达式为

式中，β＝2，将式(7)代入gi并进行求导，再代入式(5)与(6)即可基于梯度下降迭代求取阈值，其一阶导数为

而相应的二阶导数为

将步骤三中所提阈值函数代入即可对重构信号进行小波自适应阈值降噪处理，获取经降噪处理的信号。最终经过eemd和小波处理获得的降噪信号，排除现场工作噪声及其他噪声对信号的干扰，准确获取绝缘管型母线上的故障声发射信号，得到绝缘绝缘管型母线局部放电声发射信号的时频特性。

模数转换和信号处理电路5与后台终端8进行通信连接，具体的，模数转换和信号处理电路5与第一通信模块6连接，后台终端8与第二通信模块7连接，第一通信模块6与第二通信模块7进行通信连接，从而实现模数转换和信号处理电路5与后台终端8的通信连接。所述第一通信模块6与第二通信模块7可采用4g通信模块。所述第一通信模块6与后台终端8之间通过串口通信端口连接，第二通信模块7与模数转换和信号处理电路5通过串口通信端口连接。

后台终端8将经处理后得到的局部放电信号的相位、脉冲数量和能量熵等信号数据构造特征向量，与绝缘管型母线初次运行时采集到的基础数据作对比分析，从而作出相应的状态评价，如果绝缘管型母线的局部放电信号的相位、脉冲数量等特征量持续的增加或显著的增加，则可判定有局部放电缺陷；当出现异常时，系统发出警报信息。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。