局放源定位裝置與方法與流程
2023-07-05 13:19:18 2
本發明涉及電力系統領域，具體而言，涉及一種局放源定位裝置與方法。
背景技術：
氣體封閉組合電器(Gas Insulated Switchgear，GIS)是將高壓斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器等設備都集成到金屬密閉腔體內的一種電力設備，內部充有六氟化硫(SF6)作為絕緣介質與滅弧氣體。由於GIS滅弧性能好、結構緊湊、可靠性高、檢修周期長等優點，近幾十年已經成為電力系統中最重要的設備之一，GIS狀態的優劣關係到整個電力系統的安全穩定運行。但是在製造、運輸、現場裝配、實際運行等環節中難以避免的會存在絕緣缺陷，一方面，絕緣缺陷在高電壓的作用下會產生局部放電(Partial Discharge,PD)現象，另一方面，局部放電(簡稱局放)又會使絕緣狀態進一步劣化，直至絕緣完全擊穿。所以，通過監測GIS內部的局部放電，可以用來評估GIS的絕緣狀態，預先發現內部的絕緣缺陷，避免事故的發生。局部放電源的定位是局放監測的重要目的，它對於電力設備的狀態監測有著重要意義，能夠指導合理安排檢修，節省大量人力物力。
現有技術中的局部放電源的定位方式與裝置，由於局放產生的超高頻(Ultra-high Frequency，UHF)信號的峰峰值Vpp在傳播過程中是衰減的，這是由於隨著距離的增加TE模與TEM模因為速度不同導致的疊加效應減弱，信號的峰峰值Vpp呈下降趨勢。但是這並不是唯一的原因，傳播路徑上信號經過盆式絕緣子，也會對信號造成衰減，而且信號的峰峰值Vpp與局放源的視在放電量大小也密切相關。所以僅憑信號的峰峰值Vpp或者UHF信號脈衝幅值的變化來判斷局放源的位置的精確度很低。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明實施例的目的在於提供一種局放源定位裝置與方法，以改善上述問題。
第一方面，本發明實施例提供的一種局放源定位裝置，所述局放源定位裝置包括：
信號接收單元，用於接收超高頻傳感器發送的採集到的局放源產生的電磁波信號；
時頻變換單元，用於對所述電磁波信號進行時頻變換，得到該電磁波在時頻平面上的能量密度分布譜；
特徵提取單元，用於利用邊緣特徵提取算法提取能量密度分布譜的邊緣特徵；
距離計算單元，用於依據預設定的在邊緣特徵可分辨的最小速度、可分辨最晚的邊緣點的時間坐標以及預設定的調節常數因子計算超高頻傳感器到局放源的軸向距離；
圓周角獲得單元，用於將時頻平面上的邊緣特徵、多個尖峰的幅值及每個幅值對應的位置坐標輸入預先訓練得到的支持向量機，從而獲得超高頻傳感器與局放源的相對圓周角。
第二方面，本發明實施例一種局放源定位方法，其特徵在於，所述局放源定位方法包括：
接收超高頻傳感器發送的採集到的局放源產生的電磁波信號；
對所述電磁波信號進行時頻變換，得到該電磁波在時頻平面上的能量密度分布譜；
利用邊緣特徵提取算法提取能量密度分布譜的邊緣特徵；
依據預設定的在邊緣特徵可分辨的最小速度、可分辨最晚的邊緣點的時間坐標以及預設定的調節常數因子計算超高頻傳感器到局放源的軸向距離；
將時頻平面上的邊緣特徵、多個尖峰的幅值及每個幅值對應的位置坐標輸入預先訓練得到的支持向量機，從而獲得超高頻傳感器與局放源的相對圓周角。
與現有技術相比，本發明提供的局放源定位裝置與方法，首先通過對局放源產生的電磁波信號進行時頻變換，得到該電磁波在時頻平面上的能量密度分布譜；然後利用邊緣特徵提取算法提取能量密度分布譜的邊緣特徵；再依據預設定的在邊緣特徵可分辨的最小速度、可分辨最晚的邊緣點的時間坐標以及預設定的調節常數因子計算超高頻傳感器到局放源的軸向距離，然後將時頻平面上的邊緣特徵、多個尖峰的幅值及每個幅值對應的位置坐標輸入預先訓練得到的支持向量機，從而獲得超高頻傳感器與局放源的相對圓周角，通過超高頻傳感器到局放源的軸向距離及超高頻傳感器與局放源的相對圓周角即可實現對局放源的定位，並且該方式對局放源的定位非常精確，並且工作過程簡單，節省人力成本。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1為本發明實施例提供的局放源定位裝置的功能單元示意圖；
圖2為本發明實施例提供的超高頻傳感器與局放源的軸向距離為0mm時採集到的電磁波信號被轉換為能量密度分布譜後被提取的邊緣特徵分布圖；
圖3為本發明實施例提供的超高頻傳感器與局放源的軸向距離為600mm時採集到的電磁波信號被轉換為能量密度分布譜後被提取的邊緣特徵分布圖；
圖4為本發明實施例提供的超高頻傳感器與局放源的軸向距離為1200mm時採集到的電磁波信號被轉換為能量密度分布譜後被提取的邊緣特徵分布圖；
圖5為本發明實施例提供的超高頻傳感器與局放源的軸向距離為1800mm時採集到的電磁波信號被轉換為能量密度分布譜後被提取的邊緣特徵分布圖；
圖6為位於不同圓周角度的電磁波信號的在TE41模式下的最晚的邊緣點與軸向距離的擬合結果圖。
圖7為本發明實施例提供的局放源定位方法的流程圖。
圖標：100-局放源定位裝置；201-信號接收單元；202-時頻變換單元；203-特徵提取單元；204-距離計算單元；205-圓周角獲得單元。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
請參閱圖1，本發明實施例提供的一種局放源定位裝置100，所述局放源定位裝置100包括信號接收單元201、時頻變換單元202、特徵提取單元203、距離計算單元204以及圓周角獲得單元205。
所述信號接收單元201用於接收超高頻傳感器發送的採集到的局放源產生的電磁波信號。
氣體封閉組合電器處於工作狀態時通常被施加有高壓，絕緣缺陷在高電壓的作用下會產生局部放電(Partial Discharge，PD)現象，同時發射電磁波信號，超高頻傳感器是指可以採集頻率為可以採集300MHZ～3000MHz，波長在1m～1dm的無線電磁波的傳感器。
時頻變換單元202，用於對所述電磁波信號進行時頻變換，得到該電磁波在時頻平面上的能量密度分布譜。
具體地，本實施例中，所述時頻變換單元202用於依據算式所述電磁波信號進行時頻變換，即對電磁波信號進行短時快速傅立葉變換，得到該電磁波在時頻平面上的能量密度分布譜，其中，t為時間，υ為頻率，x(u)為電磁波信號，FX(t,V；h)為能量密度分布譜，h(u-t)為短時分析窗算法。其中，短時分析窗算法包括有多種，例如，矩形窗算法、漢寧窗算法、高斯算法等等。
較佳地，本實施例中，所述短時分析窗算法優選採用高斯窗算法，高斯窗算法可以是的轉換後的能量密度分布譜的時頻解析度最高。
所述特徵提取單元203用於利用邊緣特徵提取算法提取能量密度分布譜的邊緣特徵。
提取能量密度分布譜的邊緣特徵，邊緣特徵的每個像素均為0或1，這樣的稀疏矩陣大大降低了後續處理的難度。具體地，所述特徵提取單元203用於通過高斯濾波法去除能量密度分布譜的噪聲，提取能量密度分布譜的強度梯度，依據非最大抑制技術來消除邊緣點誤檢，利用大津算法對能量密度分布譜進行處理獲得分割高閾值及分割低閾值，利用雙閾值算法及所述分割高閾值、所述分割低閾值來決定邊界，通過滯後技術來對邊界進行處理從而提取邊緣特徵。較佳地，本實施例優選採用電磁波在TE4模的邊緣特徵。
具體地，利用雙閾值算法及所述分割高閾值、所述分割低閾值來決定邊界的方式包括：如果梯度值大於高閾值，則當前的像素被標記為真正的邊緣像素。如果梯度值小於低閾值，則被直接忽略。如果梯度值在高閾值和低閾值之間，則被標記為弱邊緣像素。如果弱邊緣像素的3*3鄰域存在真正的邊緣像素，則這個弱邊緣像素將被標記為一個真正的邊緣點，否則被忽略，從而完成對邊界的標定。需要強調的是，雙閾值算法進行邊界的確定的關鍵點在於閾值的選取，對於實際的局放源檢測，電磁波信號的幅值、能量密度的峰值都是隨機的，所以雙閾值算法有必要滿足自適應性，通過利用大津算法實現最佳閾值的自動選取，大津算法將能量密度分布譜圖分成前景，背景兩個部分，當取最佳閾值時(即滿足最大類間方差)，背景與前景差別最大，可產生最好的分割效果。本實施例中，利用大津算法計算出的最佳閾值則被選取為高閾值，將高閾值的20％選取為低閾值。
通過上述的方式進行邊緣特徵的提取可以能夠儘可能多地標識出圖像中的實際邊緣，漏檢真實邊緣的概率和誤檢非邊緣的概率都非常小；檢測到的邊緣點的位置距離實際邊緣點的位置最近；並且檢測點與邊緣點一一對應。
距離計算單元204，用於依據預設定的在邊緣特徵可分辨的最小速度、可分辨最晚的邊緣點的時間坐標以及預設定的調節常數因子計算超高頻傳感器到局放源的軸向距離。
具體地，所述距離計算單元204用於依據算式S＝Vmint+b計算超高頻傳感器到局放源的軸向距離，其中，Vmin為預設定的在邊緣特徵可分辨的最小速度，t為可分辨最晚的邊緣點的時間坐標，b為預設定的調節常數因子，S為超高頻傳感器到局放源的軸向距離。
由於電磁波的速度色散效應，特定的電磁波模式的群速由算式決定，其中，fc為該電磁波模式的截止頻率，對於同一模式的電磁波，其成分的頻率f越低，速度越慢。所以電磁波傳播距離越長，不同分量的速度色散效應就越明顯，即能量密度的分布沿時間軸越來越長。通過上述可以得出，TE41模的能量密度隨著傳播距離的增加，在時間軸上分布的越來越長，其出現最晚的邊緣點是由可分辨的最慢傳播速度邊緣特徵可分辨的最小速度Vmin決定的。理論上，邊緣特徵可分辨的最小速度Vmin在同一個氣體封閉組合電器和同一個檢測與處理方法情況下應當是一致的。通過預先的試驗可得出上述的距離計算算式，具體為假設在氣體封閉組合電器腔體內底部存在一個絕緣缺陷，在距離局放源軸向距離分別為0mm，600mm，1200mm，1800mm的位置，每個軸向截面分別在與局放源的夾角0度，90度，180度的位置設置了超高頻傳感器，每個超高頻傳感器採集到的電磁波信號被轉換為能量密度分布譜，並對能量密度分布譜進行邊緣特徵提取後的邊緣特徵分布圖分別如圖2、圖3、圖4、圖5所示。
如圖6所示，根據TE模出現最晚的邊緣點的時間坐標以及檢測點和局放源的軸向距離，可擬合成一條直線即可建立距離計算算式，即S＝Vmint+b，其中，在邊緣特徵可分辨的最小速度Vmin與電磁波信號在不同模式的截止頻率、天線的頻率響應特性、盆式絕緣子個數等因素有關，在邊緣特徵可分辨的最小速度Vmin對於某型號的氣體封閉組合電器內特定的電磁波模式是確定的；調節常數因子b與所選擇的電磁波模式在最初沒有速度色散效應影響時的能量密度在時間軸上的分布有關。特定型號的氣體封閉組合電器的在邊緣特徵可分辨的最小速度Vmin和調節常數因子b出廠試驗獲得並預設定，在實際的局放檢測中，通過檢測至少2個不同位置的超高頻傳感器採集到的電磁波信號，計算出不同的距離值，並求解超高頻傳感器到局放源的軸向距離S的平均值，通常地，超高頻傳感器越多，最後計算得到的距離值就越準確。
圓周角獲得單元205，用於將時頻平面上的邊緣特徵、多個尖峰的幅值及每個幅值對應的位置坐標輸入預先訓練得到的支持向量機，從而獲得超高頻傳感器與局放源的相對圓周角。
其中，支持向量機的訓練方式可以為：在時頻平面上的邊緣特徵能夠表示不同電磁波模式隨時間的分布情況，但是能量密度分布譜作為二值圖像，得到的邊緣特徵無法表達信號的幅值，因此作為邊緣特徵的補充，還提取了能量密度的局部極大值，也就是整個時頻平面上的若干個尖峰的幅值及其位置坐標。將邊緣特徵與尖峰幅值、每個幅值對應的坐標相結合，作為支持向量機的訓練與識別樣本，並使用了交叉驗證方法，得到了SVM中最優的參數C和γ，從而訓練出支持向量機。在實際進行定位時，僅需將獲得的邊緣特徵與尖峰幅值、每個幅值對應的坐標輸入預先訓練得到的支持向量機模型內，即可支持向量機輸出的圓周角結果。
請參閱圖7，本發明實施例還提供了一種局放源定位方法，需要說明的是，本實施例所提供的局放源定位方法，其基本原理及產生的技術效果和上述實施例相同，為簡要描述，本實施例部分未提及之處，可參考上述的實施例中相應內容。所述局放源定位方法包括：
步驟S801：接收超高頻傳感器發送的採集到的局放源產生的電磁波信號。
可以理解地，步驟S801可以由信號接收單元201執行。
步驟S802：對所述電磁波信號進行時頻變換，得到該電磁波在時頻平面上的能量密度分布譜。
可以理解地，步驟S802可以由時頻變換單元202執行。
依據算式所述電磁波信號進行時頻變換，得到該電磁波在時頻平面上的能量密度分布譜，其中，t為時間，υ為頻率，x(u)為電磁波信號，FX(t,V；h)為能量密度分布譜，h(u-t)為短時分析窗算法。
優選地，本實施例中，所述短時分析窗算法為高斯窗算法。
步驟S803：利用邊緣特徵提取算法提取能量密度分布譜的邊緣特徵。
可以理解地，步驟S803可以由邊緣特徵提取單元203執行。
具體地，通過高斯濾波法去除能量密度分布譜的噪聲，提取能量密度分布譜的強度梯度，依據非最大抑制技術來消除邊緣點誤檢，利用大津算法對能量密度分布譜進行處理獲得分割高閾值及分割低閾值，利用雙閾值算法及所述分割高閾值、所述分割低閾值來決定邊界，通過滯後技術來對邊界進行處理從而提取邊緣特徵。
步驟S804：依據預設定的在邊緣特徵可分辨的最小速度、可分辨最晚的邊緣點的時間坐標以及預設定的調節常數因子計算超高頻傳感器到局放源的軸向距離。
可以理解地，步驟S804可以由距離計算單元204執行。
具體地，依據算式S＝Vmint+b計算超高頻傳感器到局放源的軸向距離，其中，Vmin為預設定的在邊緣特徵可分辨的最小速度，t為可分辨最晚的邊緣點的時間坐標，b設定的調節常數因子，S為超高頻傳感器到局放源的軸向距離。
步驟S805：將時頻平面上的邊緣特徵、多個尖峰的幅值及每個幅值對應的位置坐標輸入預先訓練得到的支持向量機，從而獲得超高頻傳感器與局放源的相對圓周角。
可以理解地，步驟S805可以由圓周角獲得單元205執行。
綜上所述，本發明實施例提供的局放源定位裝置與方法，首先通過對局放源產生的電磁波信號進行時頻變換，得到該電磁波在時頻平面上的能量密度分布譜；然後利用邊緣特徵提取算法提取能量密度分布譜的邊緣特徵；再依據預設定的在邊緣特徵可分辨的最小速度、可分辨最晚的邊緣點的時間坐標以及預設定的調節常數因子計算超高頻傳感器到局放源的軸向距離，然後將時頻平面上的邊緣特徵、多個尖峰的幅值及每個幅值對應的位置坐標輸入預先訓練得到的支持向量機，從而獲得超高頻傳感器與局放源的相對圓周角，通過超高頻傳感器到局放源的軸向距離及超高頻傳感器與局放源的相對圓周角即可實現對局放源的定位，並且該方式對局放源的定位非常精確，並且工作過程簡單，節省人力成本。
在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的裝置和方法，也可以通過其它的方式實現。以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，附圖中的流程圖和框圖顯示了根據本發明的多個實施例的裝置、方法和電腦程式產品的可能實現的體系架構、功能和操作。在這點上，流程圖或框圖中的每個方框可以代表一個模塊、程序段或代碼的一部分，所述模塊、程序段或代碼的一部分包含一個或多個用於實現規定的邏輯功能的可執行指令。也應當注意，在有些作為替換的實現方式中，方框中所標註的功能也可以以不同於附圖中所標註的順序發生。例如，兩個連續的方框實際上可以基本並行地執行，它們有時也可以按相反的順序執行，這依所涉及的功能而定。也要注意的是，框圖和/或流程圖中的每個方框、以及框圖和/或流程圖中的方框的組合，可以用執行規定的功能或動作的專用的基於硬體的系統來實現，或者可以用專用硬體與計算機指令的組合來實現。
另外，在本發明各個實施例中的各功能模塊可以集成在一起形成一個獨立的部分，也可以是各個模塊單獨存在，也可以兩個或兩個以上模塊集成形成一個獨立的部分。
所述功能如果以軟體功能模塊的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分或者該技術方案的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：U盤、移動硬碟、只讀存儲器(ROM，Read-Only Memory)、隨機存取存儲器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。
需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。