用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量提取方法

1.本发明涉及油纸绝缘电气设备的绝缘状态在线监测技术领域，尤其是涉及一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量提取方法。


背景技术：

2.随着我国电力系统的发展，输电线路总里程不断上升，电力变压器作为电力系统的关键设备，其安全可靠运行对电力系统的稳定具有十分重要的意义，据统计结果显示，我国每年有超过50％的电力系统故障是由电力变压器的故障引起的。变压器的故障形式多样，而绝缘故障是变压器故障的主要形式。局部放电是引起变压器绝缘故障的重要原因，同时绝缘故障的出现又会加剧局部放电现象的产生。因此，对局部放电信号进行监测，提取特征量以便进一步进行局部放电类型识别，从而判别出电压器发生局部放电的种类以及位置，可以及时反映出变压器的绝缘故障水平，避免电力事故的发生。电力变压器中的主要绝缘介质为变压器油和绝缘纸板，因此，对于变压器油纸绝缘的局部放电类型识别可以有效地体现出变压器的绝缘状态。
3.现有的针对变压器油纸绝缘类型识别的方法主要是基于局部放电相位分布模式(prpd)、脉冲序列相位分布模式(prpsa)和局部放电时间分布模式(prps)，其中基于局部放电相位分布模式(prpd)，即模式的类型识别主要是针对prpd谱图进行相关特征量的提取。比如针对其子谱图n
‑
q提取的峭度k
u
、偏斜度s
k
和不对称度a
sy
。其中峭度k
u
体现的是谱图纵坐标量的集中分布程度，峭度值越大，表示谱图纵坐标量分布越集中，值越小，表示谱图纵坐标量分布越分散。
4.针对n
‑
q谱图提取峭度值的过程中需要用到所有的纵坐标量。但是，局部放电的测量中，由于局部放电发展具有一定程度的偶然性，一些幅值较小或者出现频率较低的局部放电往往不能反应出不同局部放电类型的差别，但是其对于峭度值、偏斜度值的影响较大，将此类数据计入到特征量中，并且用于变压器油纸绝缘类型识别中，将会对识别结果产生一定的干扰。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量提取方法，该方法提取的特征量为能够有效避免因极少数偶然局放而较大程度影响特征量值的特征量，从而不影响变压器油纸绝缘局部放电类型识别准确度。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量提取方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤1、搭建变压器油纸绝缘局部放电实验室模拟回路，设置典型的变压器油纸绝缘缺陷模型；
9.步骤2、针对不同的缺陷模型进行实验，对局部放电prpd谱图信息进行采集，将采集到的数据分为训练集和测试集；
10.步骤3、从步骤2中得到的prpd谱图中分别提取出正负半周反应放电重复率和放电相位关系的谱图；
11.步骤4、从步骤3得到的谱图中提取正负半周50％、30％和10％最大放电次数对应的相位作为新特征量。
12.优选地，所述的步骤1具体为：
13.搭建变压器油纸绝缘针板、球板、板板、沿面四种绝缘缺陷下的试验回路，分别模拟变压器油纸绝缘中极不均匀电场、稍不均匀电场、均匀电场下发生的局部放电和沿面放电。
14.优选地，所述的步骤2具体为：
15.采用脉冲电流法测量局部放电，将检测阻抗串联在耦合回路，局放仪连接检测阻抗进行局部放电的数据采集，得到局部放电的prpd谱图。
16.优选地，所述的prpd谱图包含局部放电的相位、放电量、放电次数的信息。
17.优选地，所述的步骤3具体为：
18.根据变压器油纸绝缘局部放电在交流正半周和负半周有各自的放电特点，从prpd谱图中分别提取正负半周的体现放电次数和放电相位关系的谱图。
19.优选地，所述的正半周为0
‑
180
°
相位，
20.优选地，所述的负半周为181
°‑
360
°
相位。
21.优选地，所述的步骤4具体为：
22.步骤4
‑
1、正半周特征参数提取；
23.步骤4
‑
2、负半周特征参数提取。
24.优选地，所述的步骤4
‑
1、正半周特征参数提取具体为：
25.将正半周谱图中最多放电次数，即最大放电重复率对应的相位找出记为其放电次数记为n
max+
；
26.取n
50％+
＝0.5n
max+
，找出正半周放电次数大于等于n
50％+
的所有相位其中b≥a，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为正半周50％最大放电次数相位宽度即
27.取n
30％+
＝0.3n
max+
，找出正半周放电次数大于等于n
30％+
的所有相位其中d≥c，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为正半周30％最大放电次数相位宽度即
28.取n
10％+
＝0.1n
max+
，找出正半周放电次数大于等于n
10％+
的所有相位其中f≥e，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为正半周10％最大放电次数相位宽度即
29.优选地，所述的步骤4
‑
2、负半周特征参数提取具体为：
30.将负半周谱图中最多放电次数，即最大放电重复率对应的相位找出记为其放电次数记为n
max
‑
；
31.取n
50％
‑
＝0.5n
max
‑
，找出负半周放电次数大于等于n
50％
‑
的所有相位其中h≥g，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为负半周50％最大放电次数相位宽度即
32.取n
30％
‑
＝0.3n
max
‑
，找出负半周放电次数大于等于n
30％
‑
的所有相位其中j≥i，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为负半周30％最大放电次数相位宽度即
33.取n
10％
‑
＝0.1n
max
‑
，找出负半周放电次数大于等于n
10％
‑
的所有相位其中l≥k，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为负半周10％最大放电次数相位宽度即
34.为新特征量。
35.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
36.1、本发明特征量的提取过程简单，相同数据量的情况下用时较峭度、偏斜度更少。
37.2、本发明通过仿真的方法揭示了变压器油纸绝缘发生局部放电时不同放电模型下的电场分布情况，结合局部放电的理论分析，阐述了本发明所提及的一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量的理论依据，证明了其在原理上的可行性。
38.3、本发明提及的新特征量提取过程中需要确定50％、30％和10％局部放电次数，因为局部放电次数众多，故而弱化了偶然局放的信息，使得该特征量对于出现次数极少的偶然局放敏感度较低，不会因为无关类型识别的偶然局部放电而影响特征量值。
39.4、本发明用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别，无论是单独使用还是与其他峭度、不对称度、偏斜度作为输入特征量共同使用，均能取得很好的局部放电类型识别效果。
附图说明
40.图1为具体实施方式中四种变压器油纸绝缘局部放电缺陷模型，其中(a)为油纸绝缘针板、(b)为球板、(c)为板板、(d)为沿面；
41.图2为具体实施方式中变压器油纸绝缘局部放电针板和球板缺陷模型上下电极之间的电场分布仿真结果，其中(a)为针板，(b)为球板；
42.图3为具体实施方式中变压器油纸绝缘局部放电板板和沿面放电缺陷模型上下电极之间的电场分布仿真结果，其中(a)为板板，(b)为沿面；
43.图4为具体实施方式中不同缺陷模型中所提取的本发明所提及的一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量的情况；
44.图5为实施例1实验中球板缺陷模型局部放电第一组数据的谱图。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
46.提出了一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量提取方法，通过实验
室构造变压器油纸绝缘缺陷模型获取不同类型局部放电prpd谱图，根据谱图提取最大放电次数对应的相位信息，取正负半周50％、30％与10％最大放电次数对应的相位宽度作为新特征量，辅以仿真验证，阐述其理论依据。并且，通过实验室实验系统对该特征量作为变压器油纸绝缘局部放电类型识别特征量的效果进行了验证，证明了本发明所提出的特征量用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的可行性、准确性。
47.一、首先介绍本发明的分析方法。
48.本发明通过对变压器油纸绝缘局部放电的放电机理进行分析，辅以仿真验证，阐述其理论依据。对比不同变压器油纸绝缘局部放电的谱图特点，提出了一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量。并且，通过实验室实验系统对该特征量作为变压器油纸绝缘局部放电类型识别特征量的效果进行了验证，证明了本发明所提出的特征量用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的可行性、准确性。具体分析及验证步骤如下：
49.首先分析变压器油纸绝缘局部放电的机理，并进行仿真，验证针板电极、球板电极、板板电极和沿面电极下的场强分布情况。
50.变压器油纸绝缘发生局部放电的条件是达到局部放电电压，由于电极形状的不规则，导致上下电极间的电场分布并不平均，在外部施加一定的电压条件下，上下电极之间的部分区域达到了局部放电的要求，故发生局部放电；还有部分区域的电压没有达到局部放电的要求，故而没发生局部放电，这就导致了同一电极的不同部位发生次数不等的局部放电，故其总放电次数也因为缺陷模型的不同而不同。
51.为验证上述分析，进行了针板电极之间、球板电极之间、板板电极之间和沿面缺陷模型电极之间的电场分布仿真试验，得到如图2、图3所示的结果，验证了上述分析的正确性。
52.从一个工频周期的角度去分析局部放电，随着电压相位的改变，其瞬时电压峰值也在变化。在相位从0到90
°
变化的过程中，随着相位的增加，电压幅值不断变大，在电压幅值增大的过程中，由于电极尖角处的电场强度比较集中，所以电极之间尖角处首先达到了局部放电电压，出现局部放电；随着电压幅值的再上升，又陆续有其他位置发生局部放电。
53.在相位从90
°
到180
°
变化的过程中，随着相位的增加，电压幅值不断减小，在电压幅值减小的过程中，首先非尖角处的电压不再能够满足自持放电的要求，故此处的局部放电消失，随之是该模型下的总放电次数的改变。从180
°
至360
°
的过程分析同上。
54.由上述分析可知，随着电压相位的改变，电极之间不同部位的电场强度会发生不同程度的改变，随之带来放电次数的变化。
55.针板电极之间、球板电极之间、板板电极之间和沿面缺陷模型电极之间的电场分布均匀程度各不相同，故在电压幅值随着相位变化的过程中，其各电极之间的电压变化幅度不同，同一电极下的不同部位电压变化也不相同，体现出来的就是放电次数随着相位有一个明显的变化，而且不同电极下的放电次数的变化对于相位变化的响应灵敏度也不尽相同。故，放电次数与相位的对应关系，即正负半周50％、30％和10％最大放电次数对应的相位宽度可作为局部放电类型识别的一类特征量。
56.其次，对比实验室条件下的不同缺陷模型的放电谱图，提取正负半周50％、30％和10％最大放电次数对应的相位宽度，验证上述结论。
57.在实验室条件下搭建变压器油纸绝缘局部放电实验室回路，设置典型的变压器油
纸绝缘针板、球板、板板、沿面四种缺陷模型如图1，分别模拟变压器油纸绝缘中极不均匀电场、稍不均匀电场、均匀电场下发生的局部放电和沿面放电。对得到的局放信息谱图进行放电次数和放电相位信息的提取，做出各种缺陷模型下的正负半周谱图。
58.正半周特征参数提取：
59.将正半周谱图中最多放电次数，即最大放电重复率对应的相位找出记为其放电次数记为n
max+
。
60.取n
50％+
＝0.5n
max+
，找出正半周放电次数大于等于n
50％+
的所有相位取满足条件的最大相位与最小相位之差记为正半周50％最大放电次数相位宽度即
61.取n
30％+
＝0.3n
max+
，找出正半周放电次数大于等于n
30％+
的所有相位取满足条件的最大相位与最小相位之差记为正半周30％最大放电次数相位宽度即
62.取n
10％+
＝0.1n
max+
，找出正半周放电次数大于等于n
10％+
的所有相位取满足条件的最大相位与最小相位之差记为正半周10％最大放电次数相位宽度即
63.负半周特征参数提取：
64.将负半周谱图中最多放电次数，即最大放电重复率对应的相位找出记为其放电次数记为n
max
‑
。
65.取n
50％
‑
＝0.5n
max
‑
，找出负半周放电次数大于等于n
50％
‑
的所有相位取满足条件的最大相位与最小相位之差记为负半周50％最大放电次数相位宽度即
66.取n
30％
‑
＝0.3n
max
‑
，找出负半周放电次数大于等于n
30％
‑
的所有相位取满足条件的最大相位与最小相位之差记为负半周30％最大放电次数相位宽度即
67.取n
10％
‑
＝0.1n
max
‑
，找出负半周放电次数大于等于n
10％
‑
的所有相位取满足条件的最大相位与最小相位之差记为负半周10％最大放电次数相位宽度即
68.对每种缺陷模型采集15组谱图信息进行特征提取，其对每种缺陷模型采集15组谱图信息进行特征提取，其特征量与缺陷类型的对应关系如图4，可见上述特征量与缺陷类型的对应关系如图4，可见上述六个特征量在各缺陷模型之间都有很好的区分度，可以用作局部放电类型识别的一类特征量。
69.故可用做为一种用于变压器油纸绝缘类型识别新的特征量。
70.为了验证上述结论,在变压器油纸绝缘局部放电实验室实验系统中进行了实验进行验证，证明了本发明所提出的特征量用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的可行性、准确性。
71.具体实施例
72.搭建变压器油纸绝缘局部放电实验室回路，设置典型的变压器油纸绝缘针板、球板、板板、沿面四种缺陷模型如图1，分别模拟变压器油纸绝缘中极不均匀电场、稍不均匀电场、均匀电场下发生的局部放电和沿面放电。
73.针对不同的缺陷模型分别进行变压器油纸绝缘耐压试验，基于脉冲电流法测量得到各种缺陷模型局部放电的prpd谱图，对每种缺陷模型的局部放电数据进行采集，每组数据采集时长5分钟，每种缺陷模型下共采集40组局部放电的prpd谱图信息。其中35组数据用做训练集，5组数据用于测试最终分类结果。下面以球板缺陷模型的第一组数据为例进行特征量提取以及用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的具体步骤的说明：
74.进行油纸绝缘局部放电实验室回路实验，得到针板缺陷模型下的prpd谱图，本组局部放电数据共包含146294次局部放电，谱图信息中还包含放电相位、放电量幅值、放电时间信息。从中提取出正负半周体现放电重复率和放电相位关系的谱图，即放电次数与相位对应的关系谱图如图5。
75.正半周特征参数提取：
76.正半周谱图中最多放电次数，即最大放电重复率对应的相位为114
°
，记为其放电次数为5693，记为n
max+
＝5693。
77.取n
50％+
＝0.5n
max+
＝2846.5，找出正半周放电次数大于等于2846.5的所有相位102
°
，104
°
，
……
，125
°
，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为正半周50％最大放电次数相位宽度即。
78.取n
30％+
＝0.3n
max+
＝1707.9，找出正半周放电次数大于等于1707.9的所有相位95
°
，97
°
，
……
，130
°
，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为正半周30％最大放电次数相位宽度即。
79.取n
10％+
＝0.1n
max+
＝569.3，找出正半周放电次数大于等于569.3的所有相位90
°
，92
°
，
……
，135
°
，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为正半周10％最大放电次数相位宽度即
80.负半周特征参数提取：
81.负半周谱图中最多放电次数，即最大放电重复率对应的相位为294
°
找出记为其放电次数为2990，记为n
max
‑
＝2990。
82.取n
50％
‑
＝0.5n
max
‑
＝1495，找出负半周放电次数大于等于1495的所有相位292
°
，294
°
，
……
，306
°
，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为负半周50％最大放电次数相位宽度即
83.取n
30％
‑
＝0.3n
max
‑
＝897，找出负半周放电次数大于等于897的所有相位292
°
，293
°
，
……
，308
°
，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为负半周30％最大放电次数相位宽度即
84.取n
10％
‑
＝0.1n
max
‑
＝299，找出负半周放电次数大于等于299的所有相位256
°
，259
°
，
……
，313
°
，取满足条件的最大相位与最小相位之差记为负半周10％最大放电次数相位宽度即
85.利用算法实现对本组146294次局部放电进行上述特征参数提取，本发明用时0.251677秒，峭度提取用时为0.274802秒，偏斜度提取用时为0.279103秒。本发明所提出的特征量提取耗时明显较小。
86.依次对球板缺陷、针板缺陷、板板缺陷模型下的训练集和测试集共计160组数据进行本发明提出的一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量提取。20组测试集的特征量及其对应缺陷类型如下表1所示，横坐标1至6分别代表正半周50％最大放电次数相位宽度、正半周30％最大放电次数相位宽度、正半周10％最大放电次数相位宽度、负半周50％最大放电次数相位宽度、负半周30％最大放电次数相位宽度、负半周10％最大放电次数相位宽度。
87.表1
[0088][0089]
然后将上述提取的一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量输入至bp神经网络，进行变压器油纸绝缘局部放电类型的识别。设置bp神经网络输入层节点数为
6，输出层节点数为4，隐藏层节点数为10，对20组测试数据的输出结果为：识别正确19组，识别错误1组，正确识别率95％。
[0090]
对上述160组数据进行谱图的峭度提取并作为特征量输入bp神经网络进行模式识别，正确识别率为75％；对上述160组数据进行谱图的偏斜度提取并作为特征量输入bp神经网络进行模式识别，正确识别率为65％。
[0091]
实施例1中的实验结果验证了本发明提出的一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别新的特征量能够有效地体现出变压器油纸绝缘不同的放电类型的差异；将本发明提出的一种用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别新的特征量用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别具有良好的效果。
[0092]
本发明基于变压器油纸绝缘实验室条件下局部放电实验，测量出局部放电谱图中，局部放电次数随着电压相位的改变而改变的剧烈程度，能够反映出不同的局部放电类型，故可利用局部放电次数随着电压相位的改变而改变的剧烈程度作为间接表征局部放电类型的特征量。
[0093]
对局部放电次数随着电压相位的改变而改变的剧烈程度进行量化，利用正负半周谱图中50％最大放电次数所对应的相位宽度、30％最大放电次数所对应的相位宽度和10％最大放电次数所对应的相位宽度用做变压器油纸绝缘局部放电类型识别的一种特征量，局部放电的类型不同时，正负半周谱图中50％最大放电次数所对应的相位宽度、30％最大放电次数所对应的相位宽度和10％最大放电次数所对应的相位宽度有较大差异。
[0094]
本发明所提取的特征量能够有效地规避偶然局放信息对于特征量值的影响，可有效用于变压器油纸绝缘局部放电类型识别，单独作为变压器油纸绝缘局部放电类型识别的特征量或者与峭度、偏斜度等应用较广的特征量同时用于变压器油纸绝缘类型识别均能取得较好的识别结果，同时，该特征量的提取耗时明显低于峭度、偏斜度等特征量。
[0095]
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。