专利名称：：局部放电声电联合检测定位系统及其定位方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种电力设备
技术领域：
的方法，具体是一种用于现场验收模式下的组合式气体绝缘开关局部放电声电联合检测定位系统及其定位方法。
背景技术：
：检测局部放电是监测大型电力设备的绝缘状态的重要手段。近年来众多学者在这方面做了深入的研究。根据CIGRE23.10工作组的国际调查报告，1985年以前投入的GIS的562次故障中绝缘故障占60%，1985年以后投入的GIS的247次故障中绝缘故障占51%，绝缘击穿的后果比较严重，因而受到国内外的关注。据2002年我国电力系统高压开关事故分析报告所统计，5起GIS的事故均为绝缘事故。2005年上海超高压GIS运行故障统计分析显示绝缘故障占65.1。由以上的统计数据可以看出，在GIS的事故中，绝缘事故占了很大的比重，因此要想对GIS进行有效的检测，必须深入研究其绝缘性能以及对绝缘故障进行及时的监测和诊断，才能真正实现状态维修，从而确保电力系统的安全可靠运行。目前GIS绝缘检测与诊断最有效的方法就是局部放电检测。局部放电既是GIS绝缘劣化的征兆和表现形式，又是绝缘进一步劣化的原因。由于绝缘击穿的后果经常比较严重，因而受到国内外的关注。显然，对GIS进行局部放电检测能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷，以便采取措施，避免其进一步发展，提高GIS的可靠性。它还可以弥补耐压试验的不足，通过局部放电检测能发现GIS制造和安装的"清洁度"，能发现绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷、差错，并能确定故障位置，从而进行有效的处理，确保设备的安全运行。因此，开展GIS局部放电检测研究具有十分重要的现实意义。GIS的局部放电检测方法大致可以分为两大类型电测法和非电测法，其具体主要可分为以下五种方法1、耦合电容法又称为脉冲电流法，它利用贴在GIS外壳上的电容电极耦合探测由于局部放电而在导体芯上引起的电压变化。该方法结构简单，便于实现。但是在现场测试时，无法识别与多种噪声混杂在一起的局部放电信号，因此这种方法的使用推广受到了很大限制；2、超高频法英国Strathclyde大学提出的超高频(UltraHighFrequency,UHF)法目前已经成功应用到GIS生产和运行中，它是一种利用超高频率信号进行局部放电监测的方法。在UHF法中传感器并非起电容耦合的作用，而是接收UHF信号的天线，所以UHF法的原理与脉冲电流法是不同的。它最主要的优点是高灵敏度，并能够通过放电源到不同传感器的时间差对放电源进行精确定位。它对传感器的采集精度和带宽要求很高，因此造价较高；3、超声波监测法由于GIS内部产生局部放电信号的时候，会产生冲击的振动及声音，因此可以用腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电信号。超声波法是目前使用的除UHF方法之外最成熟的局部放电监测方法。4、化学监测法通过分析GIS中局部放电所引起的气体生成物的含量来确定局部放电的严重程度，但是GIS中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量；断路器正常开断时产生的电弧产生的气体生成物，也会产生影响；脉冲放电产生的分解物会被大量的SF6气体所稀释，因此就局部放电监测而言，化学方法的灵敏度很差；另外，该方法不能作为长期监测的方法来使用；5、光学监测法光电倍增器可以监测到甚至一个光子的发射，但是由于射线被SF6气体和玻璃强烈地吸收，因此有"死角"出现，该方法对于已知放电源位置的监测比较有效，但不具备对故障的定位能力。并且由于GIS内壁光滑而引起的反射所带来的影响，造成灵敏度不高。表l-lGIS中局部放电监测方法的性能一览表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>综上所述，总结上述方法的特点，表1-1所示为其优缺点及各种性能的比较和说明。通过对上面五种方法的比较，我们可以得出以下结论在对GIS中产生的局部放电信号的检测方法中，超高频(UHF)法和超声波法是比较实用可行的方法。
发明内容本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种局部放电声电联合检测定位系统及其定位方法，即利用300MHz3GHz的超高频和超声两种检测方法，检测被测试设备内部是否存在着制造或安装过程中可能存在的各种绝缘缺陷，从而导致设备在高压运行下发生局部放电。而局部放电可以加速绝缘老化，影响设备使用寿命，降低电力系统供电的稳定性和可靠性，因此必须提早发现设备内部可能存在的绝缘缺陷隐患。本发明可以通过后台软件诊断控制采集前端对GIS设备进行实时在线局部放电检测，并通过软件的信号处理单元、模式识别单元、智能诊断单元以及故障定位单元对检测到的数据进行分析处理，在设备验收阶段提早发现设备内部可能存在的绝缘缺陷，排除安全隐患，提高验收精度，保证电力系统供电安全可靠的运行。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及局部放电声电联合检测定位系统，包括若干个传感放大模块、前端检测模块和工业控制模块，其中若干个传感放大模块设置于被测试的GIS外壳腔体上并与前端检测模块相连接输出放大信号，前端检测模块对输入的若干路放大信号进行同步信号采集，并输出至工业控制模块，工业控制模块输出控制指令至前端检测模块。所述的传感放大模块包括超高频传感器、超声传感器、超高频放大器和超声放大器，其中超高频传感器设置于被测试GIS上，超声传感器固定于GIS腔体外壳上，超高频传感器和超声传感器分别与超高频放大器和超声放大器相连接以输出超高频传感信号和超声传感信号，超高频放大器对接收到的超高频传感信号进行脉冲展宽和对数放大并输出至前端检测模块，超声放大器对接收到的超声传感信号进行100倍或1000倍放大并输出至前端检测模块。所述的前端检测模块包括信号分配接口单元、主板指令控制单元、AD采集单元以及DSP信号处理单元，其中信号分配接口单元与前级经放大器放大后的超高频信号以及超声信号相连接，进行信号分配并传感器识别后输出至AD采集单元，主板控制单元与DSP信号处理单元以及AD采集单元相连接，接收DSP信号处理单元发出的控制指令，经CPLD逻辑运算后输出至AD采集单元，控制AD采集单元进行数据采集，AD采集单元与主板控制单元相连接，接收主板控制单元发出的指令，并把采集后的信息发送至信号处理单元，DSP信号处理单元与主板控制单元以及后台工控机相连接，接收工控机发送的指令和AD发送的数据，进行相关信号处理和特征提取后，将数据发送至后台工控机。所述的控制模块包括局部放电信号处理单元、干扰抑制单元、特征提取单元、智能诊断单元和历史数据库管理单元，其中信号处理单元对采集的局部放电数据进行FIR滤波以及阈值提取后发送至干扰抑制单元，干扰抑制单元采用特征对比方法与干扰通道采集的现场背景信号进行对比并进行时域开窗运算，剔除现场可能存在的脉冲等干扰后发送至特征提取单元，特征提取单元根据局部放电信号发生的时域特征信息提取处特征谱图和放电指纹图谱并输出至智能诊断单元，智能诊断单元对特征图谱和放电指纹图谱进行分析评估，包括引起局部放电的缺陷类型和缺陷严重程度并保存至历史数据库，历史数据库管理单元对历史数据进行离线管理和查询，通过设置监测参数监测局部放电分布趋势。本发明涉及上述局部放电声电联合检测定位系统的定位方法，包括以下步骤第一步、信号读取由超高频传感器和超声传感器分别检测被测试设备所产生的超高频信号r(t)和超声信号a(t)。第二步、信号判别将超高频信号r(t)与放置于检测现场的外置超高频干扰传感器信号进行对比。第三步、模式识别前端检测模块将超高频信号r(t)和超声信号a(t)进行FIR信号滤波、小波滤波和特征提取处理，生成的信号特征值经以太网/光纤传输至后台工控机进行信号处理和模式识别，通过采集若干个工频周期的数据，根据偏斜度&、突出度&计算特征图谱，再根据特征图谱计算出最大放电量、平均放电量以及放电能量的相位分布，得到疑似放电位置。第四步、放电源定位根据不同传感器之间的时间差，在疑似放电位置依次进行初步定位和精确定位，以确定局部放电位置。本发明集中了超高频检测法和超声检测法二者的优点，可以及时发现GIS安装过程中可能存在的绝缘配合等缺陷，提高了验收精度，保证了电力系统的供电安全可靠。图1为本发明结构示意图。图2为对110kV的GIS现场检测所加电压的示意图。图3为实施例高压导体针尖缺陷放电的图谱。图4为实施例外壳金属颗粒缺陷放电的图谱。具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括若干个传感放大模块、前端检测模块和工业控制模块，其中若干个传感放大模块设置于被测试的GIS外壳腔体上并与前端检测模块相连接输出放大信号，前端检测模块对输入的若干路放大信号进行同步信号采集并输出至工业控制模块，工业控制模块输出控制指令至前端检测模块。所述的传感放大模块包括超高频传感器、超声传感器、超高频放大器和超声放大器，其中超高频传感器设置于被测试GIS上，超声传感器固定于GIS腔体外壳上，超高频传感器和超声传感器分别与超高频放大器和超声放大器相连接以输出超高频传感信号和超声传感信号，超高频放大器对接收到的超高频传感信号进行脉冲展宽和对数放大并输出至前端检测模块，超声放大器对接收到的超声传感信号进行100倍或1000倍放大并输出至前端检测模块。所述的超高频传感器检测带宽为300MHz3GHz;所述的超声传感器检测带宽为20KHz300KHz。所述的前端检测模块包括信号分配接口单元、主板指令控制单元、AD采集单元以及DSP信号处理单元，其中信号分配接口单元与前级经放大器放大后的超高频信号以及超声信号相连接，进行信号分配并传感器识别后输出至AD采集单元，主板控制单元与DSP信号处理单元以及AD采集单元相连接，接收DSP信号处理单元发出的控制指令，经CPLD逻辑运算后输出至AD采集单元，控制AD采集单元进行数据采集，AD采集单元与主板控制单元相连接，接收主板控制单元发出的指令，并把采集后的信息发送至信号处理单元，DSP信号处理单元与主板控制单元以及后台工控机相连接，接收工控机发送的指令和AD发送的数据，进行相关信号处理和特征提取后，将数据发送至后台工控机。所述的控制指令包括采样启停指令、检测模式选择、采样率控制指令、采样时间间隔控制指令、计算指纹参数、干扰通道对比指令、信号处理指令、特征提取指令。所述的控制模块包括局部放电信号处理单元、干扰抑制单元、特征提取单元、智能诊断单元和历史数据库管理单元，其中信号处理单元对采集的局部放电数据进行FIR滤波以及阈值提取后发送至干扰抑制单元，干扰抑制单元采用特征对比方法与干扰通道采集的现场背景信号进行对比并进行时域开窗运算，剔除现场可能存在的脉冲等干扰后发送至特征提取单元，特征提取单元根据局部放电信号发生的时域特征信息提取处特征谱图和放电指纹图谱并输出至智能诊断单元，智能诊断单元对特征图谱和放电指纹图谱进行分析评估，包括引起局部放电的缺陷类型和缺陷严重程度并保存至历史数据库，历史数据库管理单元对历史数据进行离线管理和查询，通过设置监测参数监测局部放电分布趋势。所述的监测参数包括最大放电量、平均放电量、小-q-n、偏斜度和突出度。所述的控制模块采用Client/Server结构，通过以太网/光纤网络相连接，提高了系统的抗干扰能力，在对GIS设备进行局部放电检测时得到的结论置信度更高，支持远程监控，可以在电力系统的集控变电站内通过远程监控本系统的运行情况，提高工作效率。本实施例通过以下定位方法实现定位第一步、信号读取由超高频传感器和超声传感器分别检测被测试设备所产生的超高频信号r(t)和超声信号a(t)。第二步、信号判别将超高频信号r(t)与放置于检测现场的外置超高频干扰传感器信号进行对比当在时间差小于毫秒级别时检测到有超高频信号r(t)和超声信号a(t)发生，并且超高频r(t)幅值大于外置超高频干扰通道的信号幅值，则判断检测到的超高频信号r(t)和超声信号a(t)属于内部绝缘缺陷；当在时间差小于纳秒级别时检测到有超高频信号r(t)和外置超高频干扰通道信号发生，而没有检测到超声信号a(t);或者检测到有超声信号，但与超高频信号r(t)在时域上没有相关性，则判断检测到的超高频信号r(t)和超声信号a(t)分别属于外部设备所激发的干扰超高频信号和设备振动产生的超声信号。第三步、模式识别前端检测模块将超高频信号r(t)和超声信号a(t)进行FIR信号滤波、小波滤波和特征提取处理，生成的信号特征值经以太网/光纤传输至后台工控机进行信号处理和模式识别，通过采集若干个工频周期的数据，根据偏斜度&、突出度&计算特征图谱，再根据特征图谱计算出最大放电量、平均放电量以及放电能量的相位分布，得到疑似放电位置。所述的偏斜度Sk、突出度Ku的计算公式如下51=L、！-^-js:=6、'-^-—3."C74一其中Xi为离散值；Pi为&的概率；U为数据的平均值，O为数据的标准偏差。第四步、放电源定位根据不同传感器之间的时间差，在疑似放电位置依次进行初步定位和精确定位，以确定局部放电位置。所述的初步定位是指在疑似放电位置布置至少两个超高频传感器，其中一个为固定位置超高频传感器，另一个为移动位置超高频传感器，对两个超高频传感器的传感信号比较判断，检测两个超高频传感器的信号幅值的时间差变化趋势方向，将移动位置超高频传感器向时间差变化趋势降低的方向移动，直至时间差为零，此时移动位置超高频传感器所在位置与固定位置超高频传感器所在位置的中间即为初步放电源位置，多次重复初步定位直至确定精确度达到米级；所述的精确定位是指在精确度达到米级的初步放电源位置处设置至少两个超声传感器，其中一个为固定位置超声传感器，另一个为移动位置超声传感器，对两个超声传感器的传感信号比较判断，检测两个超声传感器的信号幅值的时间差变化趋势方向，将移动位置超声传感器向时间差变化趋势降低的方向移动，直至时间差为零，此时移动位置超声传感器所在位置与固定位置超声传感器所在位置的中间即为局部放电位置，多次重复精确定位直至确定精确度达到厘米级，完成对局部放电位置的定位。如图2所示，本实例在现场110kVGIS耐压验收测试所加电压波形图。首先把试验电压升至73kV，进行5分钟的老练；然后电压升至126kV，保持3分钟；再把升至184kV，保持1分钟进行耐压试验；然后电压降至126kV，保持5分钟；最后电压降至0。在上述整个耐压验收过程中，本发明所介绍的局放检测系统在试验现场所加测试电压时同步在线自动进行局放检测，在测试完成后判断缺陷类型，给出诊断结果。整个测试过程无需人工操作，保证了人身安全，提高验收了效率。如图3和图4所示，本实施例在某变电站耐压测试过程中发现的缺陷类型。其中图3所示为高压导体上针尖放电模型；图4为腔体底部金属颗粒放电模型。权利要求一种局部放电声电联合检测定位系统，包括若干个传感放大模块、前端检测模块和工业控制模块，其特征在于若干个传感放大模块设置于被测试的GIS外壳腔体上并与前端检测模块相连接输出放大信号，前端检测模块对输入的若干路放大信号进行同步信号采集并输出至工业控制模块，工业控制模块输出控制指令至前端检测模块。2.根据权利要求1所述的局部放电声电联合检测定位系统，其特征是，所述的传感放大模块包括超高频传感器、超声传感器、超高频放大器和超声放大器，其中超高频传感器设置于被测试GIS上，超声传感器固定于GIS腔体外壳上，超高频传感器和超声传感器分别与超高频放大器和超声放大器相连接以输出超高频传感信号和超声传感信号，超高频放大器对接收到的超高频传感信号进行脉冲展宽和对数放大并输出至前端检测模块，超声放大器对接收到的超声传感信号进行100倍或1000倍放大并输出至前端检测模块。3.根据权利要求1所述的局部放电声电联合检测定位系统，其特征是，所述的前端检测模块包括信号分配接口单元、主板指令控制单元、AD采集单元以及DSP信号处理单元，其中信号分配接口单元与前级经放大器放大后的超高频信号以及超声信号相连接，进行信号分配并传感器识别后输出至AD采集单元，主板控制单元与DSP信号处理单元以及AD采集单元相连接，接收DSP信号处理单元发出的控制指令，经CPLD逻辑运算后输出至AD采集单元，控制AD采集单元进行数据采集，AD采集单元与主板控制单元相连接，接收主板控制单元发出的指令，并把采集后的信息发送至信号处理单元，DSP信号处理单元与主板控制单元以及后台工控机相连接，接收工控机发送的指令和AD发送的数据，进行相关信号处理和特征提取后，将数据发送至后台工控机。4.根据权利要求1所述的局部放电声电联合检测定位系统，其特征是，所述的控制模块包括局部放电信号处理单元、干扰抑制单元、特征提取单元、智能诊断单元和历史数据库管理单元，其中信号处理单元对采集的局部放电数据进行FIR滤波以及阈值提取后发送至干扰抑制单元，干扰抑制单元采用特征对比方法与干扰通道采集的现场背景信号进行对比并进行时域开窗运算，剔除现场可能存在的脉冲等干扰后发送至特征提取单元，特征提取单元根据局部放电信号发生的时域特征信息提取处特征谱图和放电指纹图谱并输出至智能诊断单元，智能诊断单元对特征图谱和放电指纹图谱进行分析评估，包括引起局部放电的缺陷类型和缺陷严重程度并保存至历史数据库，历史数据库管理单元对历史数据进行离线管理和查询，通过设置监测参数监测局部放电分布趋势。5.—种根据权利要求1所述的局部放电声电联合检测定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、信号读取由超高频传感器和超声传感器分别检测被测试设备所产生的超高频信号r(t)和超声信号a(t);第二步、信号判别将超高频信号r(t)与放置于检测现场的外置超高频干扰传感器信号进行对比；第三步、模式识别前端检测模块将超高频信号r(t)和超声信号a(t)进行FIR信号滤波、小波滤波和特征提取处理，生成的信号特征值经以太网/光纤传输至后台工控机进行信号处理和模式识别，通过采集若干个工频周期的数据，根据偏斜度Sk、突出度Ku计算特征图谱，再根据特征图谱计算出最大放电量、平均放电量以及放电能量的相位分布，得到疑似放电位置；第四步、放电源定位根据不同传感器之间的时间差，在疑似放电位置依次进行初步定位和精确定位，以确定局部放电位置。6.根据权利要求5所述的局部放电声电联合检测定位系统的定位方法，其特征是，第二步中所述的是指对比当在时间差小于毫秒级别时检测到有超高频信号r(t)和超声信号a(t)发生，并且超高频r(t)幅值大于外置超高频干扰通道的信号幅值，则判断检测到的超高频信号r(t)和超声信号a(t)属于内部绝缘缺陷；当在时间差小于纳秒级别时检测到有超高频信号r(t)和外置超高频干扰通道信号发生，而没有检测到超声信号a(t);或者检测到有超声信号，但与超高频信号r(t)在时域上没有相关性，则判断检测到的超高频信号r(t)和超声信号a(t)分别属于外部设备所激发的干扰超高频信号和设备振动产生的超声信号。7.根据权利要求5所述的局部放电声电联合检测定位系统的定位方法，其特征是，第三步中所述的偏斜度Sk、突出度Ku的计算公式如下\=-^-;、=-j-—-;；其中Xi为离散值；Pi为Xi的概率；u为数据的平均值，o为数据的标准偏差。8.根据权利要求5所述的局部放电声电联合检测定位系统的定位方法，其特征是，所述的初步定位是指在疑似放电位置布置至少两个超高频传感器，其中一个为固定位置超高频传感器，另一个为移动位置超高频传感器，对两个超高频传感器的传感信号比较判断，检测两个超高频传感器的信号幅值的时间差变化趋势方向，将移动位置超高频传感器向时间差变化趋势降低的方向移动，直至时间差为零，此时移动位置超高频传感器所在位置与固定位置超高频传感器所在位置的中间即为初步放电源位置，多次重复初步定位直至确定精确度达到米级。9.根据权利要求5所述的局部放电声电联合检测定位系统的定位方法，其特征是，所述的精确定位是指在精确度达到米级的初步放电源位置处设置至少两个超声传感器，其中一个为固定位置超声传感器，另一个为移动位置超声传感器，对两个超声传感器的传感信号比较判断，检测两个超声传感器的信号幅值的时间差变化趋势方向，将移动位置超声传感器向时间差变化趋势降低的方向移动，直至时间差为零，此时移动位置超声传感器所在位置与固定位置超声传感器所在位置的中间即为局部放电位置，多次重复精确定位直至确定精确度达到厘米级，完成对局部放电位置的定位。全文摘要一种电力系统
技术领域：
的局部放电声电联合检测定位系统及其定位方法，包括若干个传感放大模块、前端检测模块和工业控制模块，其中若干个传感放大模块设置于被测试的GIS外壳腔体上并与前端检测模块相连接输出放大信号，前端检测模块对输入的若干路放大信号进行同步信号采集并输出至工业控制模块，工业控制模块输出控制指令至前端检测模块。本发明集中了超高频检测法和超声检测法二者的优点，可以及时发现GIS安装过程中可能存在的绝缘配合等缺陷，提高了验收精度，保证了电力系统的供电安全可靠。文档编号G01R31/12GK101702002SQ20091031097公开日2010年5月5日申请日期2009年12月7日优先权日2009年12月7日发明者刘君华,吴剑敏,吴晓春,姚明,姚林朋,徐敏骅,江秀臣,王辉,谢伟,郑文栋,郭灿新,钱勇,黄成军申请人:上海市电力公司;上海交通大学