基于调制型注入的输配电线路绝缘态聚类分析方法及系统与流程

本发明属于电气技术领域，更具体地，涉及一种基于调制型注入的输配电线路绝缘状态聚类分析方法及系统。

背景技术：

随着智能电网的提出和电气设备自动化程度的不断提高，对电网供电的稳定性和连续性提出了更高要求。电力电缆因安全可靠、隐蔽耐用及有利于城市美化而在电网中广泛应用。电缆投入运行后，在电、热、化学等因素的作用下发生老化，在半导体层缺陷处引发水树枝从而造成的电缆击穿重大停电事故呈加速上升趋势，在此情况下，研究电缆绝缘老化检测方法显得尤为重要。

目前电力电缆绝缘的在线监测方法主要有直流成分法、直流叠加法、交流叠加法、接地电流法、局部放电法和损耗因素法等。其中，直流叠加法在实际中的应用时间较早，应用较为广泛，测量原理也相对比较简单。实际测量电路如图1所示，在接地的电压互感器的中性点处加入低压直流电源，使该直流电压与施加在被测电缆绝缘上的交流电压叠加，从而通过低通滤波电路测量通过电缆绝缘层的微弱直流电流，由此求出其绝缘电阻，来判断其绝缘劣化的状态。但直流叠加法暴露出一系列缺点：1)只对中性点非有效接地电网有效；2)特征信号直流电流一般比较微弱；3)存在较大的杂散电流，会引起测量误差；4)该过程可能会产生零序电压，造成继电保护装置误动作。

现有技术包括基于正负极性直流叠加法的交联聚乙烯电缆绝缘诊断电路，其关键是将正负极性的直流电流电压u+和u-(u+＝u-)分别叠加在被测电缆上，并分别测量流过主绝缘的直流电流i+和i-，得到绝缘电阻，从而评估电缆的绝缘劣化程度。国网上海市电力公司提出了一种接线简单的35kv电缆绝缘在线监测的测量回路，可有效降低接触电势、泄露电流和噪声的干扰，提高诊断精度。但是这些方法普遍存在以下不足：1)采用具体阈值评估绝缘状态，属于刚性判断，易受到外部因素干扰而出现误报；2)传统技术采用求均值法等，难以在数据处理层面上进一步削弱误差，从而提高状态评估的可靠性；3)采用纯直流或者固定频率的方波电流进行注入，纯直流注入极易受空间噪声影响而导致所测直流误差过大，而固定频率方波注入易受同频噪声影响导致灵敏度下降。

由此可见，现有技术主要在绝缘检测方式上寻找突破，往往淡化其数据处理方法，而采用何种绝缘检测方法和数据处理方法，在测量端与数据处理端同时削弱误差，排除外部因素的干扰，准确反映电力电缆的绝缘性能问题，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于调制型注入的输配电线路绝缘态聚类分析方法及系统，由此解决采用何种绝缘检测方法和数据处理方法，在测量端与数据处理端同时削弱误差，排除外部因素的干扰，准确反映电力电缆的绝缘性能问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于调制型注入的输配电线路绝缘态聚类分析方法，包括：

(1)根据频率调制指令向待测输配电系统注入方波电流，其中所述频率调制指令用于控制所述方波电流的频率；

(2)采用非接触式测量方式得到所述待测输配电系统中各条线路的直流电流分量值及总注入直流值；

(3)基于所述总注入直流值对各条线路的直流电流分量值进行去噪处理，以削弱与注入方波电流不同频率以及同频率不同相位的噪声信号；

(4)依据经过去噪处理后的各条线路的直流电流测量值间的数据特征，判断各条线路直流电流测量值间的相似性，将与其他线路之间的相似性不满足预设要求的线路分为故障类，将线路之间的相似性满足预设要求的线路分为正常类，以此评估各条线路的绝缘状态。

优选地，步骤(2)包括：

通过套装在所述待测输配电系统母线的每条出线上的直流测量模块得到所述待测输配电系统中各条线路的直流电流分量值；

通过套装在方波电流注入模块出口处的注入直流测量模块得到总注入直流值，其中所述方波电流注入模块用于根据频率调制指令向待测输配电系统注入方波电流。

优选地，步骤(3)包括：

(3.1)分别将各条线路的直流电流分量值与总注入直流值相乘，其中，各条线路的直流电流分量值均包括与注入方波电流同频率同相位分量的噪声成分、与注入方波电流不同频率的噪声成分以及与注入方波电流同频率不同相位的噪声成分；

(3.2)分别将各条线路对应的相乘后的值进行注入方波电流的一个周期上的积分，以削弱与注入方波电流不同频率以及同频率不同相位的噪声信号。

优选地，步骤(4)包括：

(4.1)对经过去噪处理后的各条线路的直流电流测量值随机采样得到数据集，将所述数据集中的每条线路均定为一个聚类；

(4.2)计算每两个聚类之间的类间距离，将类间距离最小的两个聚类进行合并；

(4.3)计算合并后的各聚类之间的类间距离，将类间距离最小的两个聚类进行合并，并反复执行类间距离计算及聚类合并操作，直至满足聚类终止条件，以此评估各条线路的绝缘状态。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于调制型注入的输配电线路绝缘态聚类分析系统，包括：方波电流注入模块、套装在所述方波电流注入模块出口处的注入直流测量模块、套装在待测输配电系统母线的每条出线上的直流测量模块、与所述方波电流注入模块、所述注入直流测量模块及各直流测量模块均相连的控制处理模块及与所述控制处理模块相连的数据分析模块；

所述方波电流注入模块，用于根据所述控制处理模块发送的频率调制指令向待测输配电系统注入方波电流，其中所述频率调制指令用于控制所述方波电流的频率；

所述注入直流测量模块，用于测量总注入直流值；

所述直流测量模块，用于测量所述待测输配电系统中各条线路的直流电流分量值；

所述控制处理模块，还用于基于所述总注入直流值对各条线路的直流电流分量值进行去噪处理，以削弱与注入方波电流不同频率以及同频率不同相位的噪声信号；

所述数据分析模块，用于依据经过去噪处理后的各条线路的直流电流测量值间的数据特征，判断各条线路直流电流测量值间的相似性，将与其他线路之间的相似性不满足预设要求的线路分为故障类，将线路之间的相似性满足预设要求的线路分为正常类，以此评估各条线路的绝缘状态。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明选用非接触式测量装置，无需在电缆接地线上接入滤波电路，仅套装在母线出线处上即可测得各电缆中的直流电流分量值，减弱对电缆线路的干扰，操作简便。

2、在绝缘检测方法上，本发明注入的是频率可调的正负方波电流，利用锁相技术协同注入与测量，且调制型注入方式采用多个频率进行注入，极大地削弱噪声信号的干扰，提高了测量灵敏度。

3、在数据处理方法上，本发明采用大数据聚类方法，突破了仅采集本线路的电气信息量来评估该线路的绝缘性能思路的局限性，利用多条线路直流测量模块的直流电流值的数据特征进行横纵向比较，不依赖于具体阈值，减弱外部因素对直流分量测量值的干扰，提高绝缘状态评估的科学性与可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种传统直流叠加法原理图；

图2为本发明实施例提供的一种基于调制型注入的输配电线路绝缘状态聚类分析方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种系统结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于调制型注入的输配电线路绝缘状态聚类分析方法及系统，旨在采用非接触式测量装置与大数据思路，解决基于传统直流叠加法中的接触式测量、可靠性和准确性的问题。本发明在绝缘检测方法上突破传统直流叠加法的注入方式，采用调制性注入方式，即方波电流注入模块向待测系统注入频率可调的方波电流；在数据处理方法上采用大数据聚类分析方法，根据非接触式测量装置的输出，依据多线路测量值的聚类分析，进行横纵向比较，不依赖具体阈值，将电缆线路分成故障类与正常类，以此进行电缆绝缘状态的在线评估。

图2为本发明实施例提供的一种基于调制型注入的输配电线路绝缘状态聚类分析方法的流程图，包括以下步骤：

步骤s1：方波电流注入模块采用调制性注入方式向待测系统注入方波电流；

方波电流注入模块向待测系统母线注入频率已知的方波电流，且其频率由控制处理模块决定。每隔一段时间，控制处理模块会向方波电流注入模块发送改变频率的指令，方波电流注入模块接收到指令之后立即改变其注入电流的频率。

步骤s2：直流测量模块非接触式测量各线路的直流电流分量值；

待测系统母线每条出线上均套装直流测量模块，同时，方波电流注入模块出口处也套装注入直流测量模块，各直流测量模块同时测量各线路中的直流分量，并将所测数据发送给控制处理模块。上述直流测量模块均为非接触式测量，可避免对待测系统产生干扰，提高测量准确性，且接线操作简单。

步骤s3：利用锁相技术对所接收的直流分量值进行处理；

为了进一步保证所测数据的准确性，控制处理模块利用锁相技术对所接收的直流分量值进行分析。方波信号可经过傅里叶分解得到一系列正弦信号，因此以正弦信号为例对锁相技术进行阐述。假设注入的方波电流为：

i注入＝a0sin(ω0t+α)(1)

而直流测量模块测得的直流包括与注入方波电流同频率同相位分量的噪声成分、不同频率的噪声成分以及同频率不同相位的噪声成分，分别设为：

i1＝b1sin(ω0t+α)(2)

i2＝b2sin(ω1t+θ)(3)

i3＝b3sin(ω0t+β)(4)

其中，i1为直流测量模块测量的有效成分，而i2、i3为干扰的噪声成分。

控制处理模块进行信息处理时，(i1+i2+i3)与i注入进行耦合，两者相乘。

将式(5)、式(6)、式(7)相加，再进行一个周期上的积分，得：

由式(8)可知，与注入电流不同频率的噪声分量被大大削弱，与注入电流同频率不同相位的噪声分量得到不同程度的削弱，而与注入电流同频率同相位的电流成分得到较大的保留。

同时，方波电流注入模块采用调制性注入，每隔一段时间，注入电流的频率将会发生改变；因此，式(1)中的ω0将会改变。由此，与注入电流频率不同的噪声分量被大大削弱。调制性注入方式利用多个频率电流进行注入，削弱了因单一频率电流注入导致的偶然误差，提高了测量灵敏度。

所测的直流分量需达到微安级，极易受到噪声的影响而出现零漂过大、零漂不稳等问题，因此，利用锁相技术与调制型注入方法进行信息处理可大大提高信噪比，保证测量灵敏度。

步骤s4：数据分析模块采用分层聚类算法进行横纵向比较，评估各线路的绝缘状态；

接收到控制处理模块利用锁相技术处理后的各条电缆线路的直流分量值后，采用大数据思路，兼顾各电缆各点的直流分量值与其历史测量值，进行横纵向比较，多维的分析判断，不依赖于具体阈值，减弱外部因素对直流分量测量值的干扰，从而更科学，可靠地评估各电缆线路的绝缘状态。

采用大数据算法中的聚类算法依据各电缆线路的直流测量值间的数据特征，判断各线路测量值间的相似性，将与其他线路相似性差的电缆线路分为故障类，而数据特征相似的电缆线路分为正常类。

在本发明实施例中，选用层次聚类方法中的cure算法，对于任意一个类u，u.means和u.rep分别表示类u的中心点和类u的代表点，u.nummembers表示类中数据项的个数，u.member为类中的数据项，而对于任意两个数据项p和q，dist(p,q)表示p和q的距离。

在一段时间各电力电缆线路的直流分量值中进行随机采样得到数据集，数据集中各条电缆线路数据项定为一类，采用欧几里德距离算法计算聚类间的距离：

dist(u,v)＝mindist(p,q)p∈u.rep,q∈v.rep(10)

由公式(9)与公式(10)计算出每两个聚类之间的距离，类间距离即为两个类中的代表点间距离的最小值，选择距离最小的两个聚类，并合并这两个聚类；

用代表点来代表一个聚类，因此合并完成后要计算新聚类的代表点与中心点，计算方法为：

类u与类v合并后的新类w的中心点计算公式为：

若类中的数据项数小于代表点数，则直接利用收缩因子计算出代表点，计算公式为：

w.rep＝p+a*(w.means-p)(12)

否则需要对代表点进行选择，代表点的选取方法是：第一个代表点是距离该聚类中心点最远的数据点，其后的代表点是选取距离前一个选出的代表点距离最远的数据点。

之后重新计算聚类之间的距离与合并聚类，直到满足聚类终止条件，据此即可判断出各电力电缆线路的绝缘状态。

在本发明的另一个实施例中，按照以下步骤对线路绝缘状态进行评估：

(1)开始，搭建如图3所示的线路的绝缘状态评估平台，平台包括一个方波电流注入模块1，一个控制处理模块2，一个数据分析模块3，一个注入直流测量模块4，n个直流测量模块5，n条待测电缆6以及n个负荷7；

(2)控制处理模块向方波电流注入模块发送频率指令，方波电流注入模块根据所接收的指令设定注入方波的频率；

(3)方波注入模块向待测系统母线注入已知频率的正负方波电流；

(4)n个直流测量模块同时测量对应线路的直流分量，同时，注入直流测量模块测量总注入直流大小；进一步地，各直流测量模块将所测的直流信息发送至控制处理模块；

(5)接收直流信息之后，控制处理模块利用锁相技术协同注入与测量，削弱与注入方波电流不同频率以及同频率不同相位的噪声信号，提高信噪比；进一步的，控制处理模块将处理所得的最终数据发送至数据分析模块；

(6)数据分析模块对接收到直流测量值进行随机取样，得到初始数据集，将n条线路各自定为一类，分别为类1，类2，……，类n。用距离算法公式(9)与公式(10)计算每两个聚类之间的距离，合并距离最小的两类。由公式(11)与公式(12)计算新类的中心点与代表点。判断是否满足聚类终止条件，若是则停止聚类计算，由此即可判断出各电缆的绝缘状态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。