一种绝缘子外部绝缘状态检测方法、系统及介质

1.本发明涉及变压器状态监测与故障诊断技术，具体涉及一种绝缘子外部绝缘状态检测方法、系统及介质。


背景技术：

2.绝缘子是架空输电线路外绝缘的主要部件，随着绝缘子长期暴露在自然环境中，空气中漂浮的固体悬浮微粒等会长期积累在绝缘子表面，形成一层污秽层。当出现毛毛雨、大雾、凝露等天气时，随着空气湿度的增大绝缘子污秽层湿度增大形成导电层，绝缘子外部绝缘水平随之大幅下降，极易发生难以重合成功的污闪跳闸，造成线路长期停运现象，严重危险电网安全稳定运行。目前，主要采用泄露电流、红外成像、紫外成像等多种检测手段判断绝缘子外部绝缘状态，但主要存在以下问题：
①
泄露电流检测方法，需要将传感器安装在绝缘子上，施工工程量较大，且需要停电操作，存在安全风险，准确度难以保证。
②
红外成像、紫外成像方法价格高昂，难以实现大规模在线监测，推广应用困难。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种缘子外部绝缘状态检测方法、系统及介质，本发明具有不接触带电设备、成本低、检测过程安全性高的优点。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种绝缘子外部绝缘状态检测方法，包括：
6.1)采集被检测绝缘子的声音信号；
7.2)对声音信号进行声压级与小波包能量计算，提取反映绝缘子外部绝缘状态的声音粗特征，利用主成分分析方法对声音粗特征进行提取，得到绝缘子声音低维度精特征；
8.3)利用绝缘子声音低维度精特征来进行绝缘子外部绝缘状态识别，得到被检测绝缘子的外部绝缘状态检测结果。
9.可选地，步骤1)中采集被检测绝缘子的声音信号时，所采用的传声器位于被检测绝缘子的下方。
10.可选地，所述传声器为电容式驻极体传声器，具有50mv/pa的标称灵敏度，测量声音的频率范围覆盖20hz～60khz，20khz范围内的声压级测量误差不超过3db，传声器距离被检测绝缘子3m。
11.可选地，步骤1)中采集被检测绝缘子的声音信号时，声音信号的采样率为120khz以上，采样时间大于等于5s。
12.可选地，步骤2)中对声音信号进行声压级与小波包能量计算包括：首先对声音信号进行声压级计算，声压级为大于等于5s时间内被检测绝缘子放电声音的最大声压级；然后将声压级计算结果进行3层的小波包能量计算，最终得到反映绝缘子外部绝缘状态的声音粗特征。
13.可选地，步骤2)中利用主成分分析方法对声音粗特征进行提取时，得到的绝缘子
声音低维度精特征的维度为2维。
14.可选地，步骤3)包括：分别计算绝缘子声音低维度精特征与预设的故障特征库中各类故障的特征数据之间的相似度，若与某类故障的特征数据之间的相似度超过预设阈值，则判定该类故障为被检测绝缘子的外部绝缘状态检测结果。
15.可选地，所述计算绝缘子声音低维度精特征与预设的故障特征库中各类故障的特征数据之间的相似度是指计算绝缘子声音低维度精特征与预设的故障特征库中各类故障的特征数据之间的欧式距离，所述故障特征库中各类故障包括电晕、火花放电、电弧闪络中的部分或全部。
16.此外，本发明还提供一种绝缘子外部绝缘状态检测系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述绝缘子外部绝缘状态检测方法的步骤。
17.此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，且该计算机程序用于被计算机设备执行以实施所述绝缘子外部绝缘状态检测方法的步骤。
18.和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：
19.1、本发明通过在输电线路绝缘子下方安装声音传感器，采集绝缘子声音信号，进行声压级与小波包能量计算，构成反映绝缘子外部绝缘状态的声音粗特征，利用主成分方法对声音粗特征进行提取，形成绝缘子声音低维度精特征，分别计算绝缘子声音低维度精特征与电晕、火花放电、电弧闪络等特征数据之间的距离，根据绝缘子声音低维度精特征与电晕、火花放电、电弧闪络等各类故障特征数据之间的距离确定绝缘子外部绝缘状态，具有不接触带电设备、成本低、检测过程安全性高的优点。
20.2、本发明绝缘子外部绝缘状态检测与判断方法可方便地与物联网和信息技术相结合，能实现输电线路绝缘子外部绝缘状态的实时监测与预警，有利于提高输电线路的安全运行水平。
附图说明
21.图1为本发明实施例一方法的基本流程示意图。
22.图2为本发明实施例一绝缘子声音信号时域图。
23.图3为本发明实施例一绝缘子声音信号小波包分解图。
具体实施方式
24.实施例一：
25.如图1所示，本实施例绝缘子外部绝缘状态检测方法包括：
26.1)采集被检测绝缘子的声音信号；
27.2)对声音信号进行声压级与小波包能量计算，提取反映绝缘子外部绝缘状态的声音粗特征，利用主成分分析方法对声音粗特征进行提取，得到绝缘子声音低维度精特征；
28.3)利用绝缘子声音低维度精特征来进行绝缘子外部绝缘状态识别，得到被检测绝缘子的外部绝缘状态检测结果。
29.参见图1，本实施例需要预先在输电线路绝缘子下方安装声音传感器，步骤1)中采集被检测绝缘子的声音信号时，所采用的传声器位于被检测绝缘子的下方。
30.由于输电线路绝缘子处于户外环境，绝缘子声音容易受到外界干扰，因此要求传声器具有较高的灵敏度和稳定性，以保证声音测量精度。本实施例中，传声器为电容式驻极体传声器，具有50mv/pa的标称灵敏度，测量声音的频率范围覆盖20hz～60khz，20khz范围内的声压级测量误差不超过3db，传声器距离被检测绝缘子3m。此外，考虑到作业环境要求，传声器具有防雨、防风措施，以满足长期户外监测需求。另外，考虑检测过程的安全性，防止输电线路对传声器产生感应电或对传声器放电，传声器不能距离输电线路绝缘子太近。同时，为了保障接收声音信号的强度，传声器也不能距离输电线路太远。因此，本实施例中将传声器位置设置在距离输电线路绝缘子3m的位置。
31.绝缘子放电声音信号覆盖可听声与超声频带，且在时域上表现出脉冲性。为了尽可能采集到放电声音信号，本实施例步骤1)中采集被检测绝缘子的声音信号时，声音信号的采样率为120khz以上，采样时间大于等于5s。
32.本实施例步骤2)中对声音信号进行声压级与小波包能量计算包括：首先对声音信号进行声压级计算，声压级为大于等于5s时间内被检测绝缘子放电声音的最大声压级；然后将声压级计算结果进行3层的小波包能量计算，最终得到反映绝缘子外部绝缘状态的声音粗特征。
33.由于很难从绝缘子声音的时域波形中直接发现绝缘子的外部绝缘状态变化，因此，需要从绝缘子声音信号中提取关键特征量。本实施例中，对绝缘子声音信号进行声压级与小波包能量计算，构成反映绝缘子外部绝缘状态的声音粗特征。其中，声压级为大于等于5s时间内绝缘子放电声音的最大声压级。如图2所示，实线为实测绝缘子声音信号，虚线为分段计算a计权声压级的绝缘子声音信号，本实施例中，声音信号采样率fs为131072hz，时间长度为5s，每隔0.03125s计算一次a计权声压级，获得5s内的最大声压级为54.5db(a)。本实施例选用db4小波基函数、shannon熵对绝缘子声音信号进行3层小波包分解计算。如图3所示，s1为原始声音信号，s130对应0～fs/16频带，s131对应fs/16～fs/8频带，s132对应3fs/16～fs/4频带，s133对应fs/8～3fs/16频带，s134对应7fs/16～fs/2频带，s135对应3fs/8～7fs/16频带，s136对应fs/4～5fs/16频带，s137对应5fs/16～3fs/8频带，获得每个频带归一化的小波包能量为[99.9687，0.0074，0.0016，0.0009，0.0044，0.0012，0.0058，0.0099]。绝缘子外部绝缘状态的声音粗特征即为[54.5，99.9687，0.0074，0.0016，0.0009，0.0044，0.0012，0.0058，0.0099]。
[0034]
由于粗特征维度较高，难以做出直观判断，因此，本实施例步骤2)中利用主成分分析方法对声音粗特征进行提取时，得到的绝缘子声音低维度精特征的维度为2维。因此，处理后的绝缘子声音低维度精特征为[-19.0359，-13.3934]。
[0035]
本实施例中，步骤3)包括：分别计算绝缘子声音低维度精特征与预设的故障特征库中各类故障的特征数据之间的相似度，若与某类故障的特征数据之间的相似度超过预设阈值，则判定该类故障为被检测绝缘子的外部绝缘状态检测结果。
[0036]
本实施例中，计算绝缘子声音低维度精特征与预设的故障特征库中各类故障的特征数据之间的相似度是指计算绝缘子声音低维度精特征与预设的故障特征库中各类故障的特征数据之间的欧式距离，认为与绝缘子声音低维度精特征具有最近距离的电晕、火花放电或电弧闪络特征数据对应的状态即为绝缘子外部绝缘状态，故障特征库中各类故障包括电晕、火花放电、电弧闪络中的部分或全部。具体地，本实施例中绝缘子声音低维度精特
征为[-19.0359，-13.3934]与电晕、火花放电、电弧闪络等特征数据的欧式距离分别为0.02、0.1以及0.3。绝缘子声音低维度精特征为[-19.0359，-13.3934]与电晕特征数据的欧氏距离最近，数值为0.02，因此，判断绝缘子外部绝缘状态为电晕放电。
[0037]
此外，本实施例还提供一种绝缘子外部绝缘状态检测系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述绝缘子外部绝缘状态检测方法的步骤。
[0038]
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，且该计算机程序用于被计算机设备执行以实施前述绝缘子外部绝缘状态检测方法的步骤。
[0039]
实施例二：
[0040]
本实施例与实施例一基本原理相同，其主要区别为步骤3)的实现方式有所不同。本实施例中，步骤3)利用绝缘子声音低维度精特征来进行绝缘子外部绝缘状态识别是采用机器学习分类器，该机器学习分类器被预先通过训练建立了绝缘子声音低维度精特征、外部绝缘状态检测结果之间的映射关系，可根据绝缘子声音低维度精特征映射出外部绝缘状态检测结果(正常、电晕、火花放电或电弧闪络)。其中，机器学习分类器可根据需要采用bp神经网络、svm分类器等机器学习分类器，例如本实施例中采用了bp神经网络，该bp神经网络包括输入层、隐含层和输出层，输入层用于输入绝缘子声音低维度精特征为[-19.0359，-13.3934]，输出层用于输出分别与正常、电晕、火花放电或电弧闪络四类状态的输出概率，根据四类状态的输出概率取最大值即可得到被检测绝缘子的外部绝缘状态检测结果。
[0041]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0042]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。