一種避雷器運(yùn)行狀態(tài)信號處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一種避雷器運(yùn)行狀態(tài)信號處理方法涉及電力系統(tǒng)信號處理技術(shù)，特別涉及 基于變電站避雷器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測的信號處理技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 變電站避雷器的正常工作與否，嚴(yán)重威脅到變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而影響著 整個(gè)系統(tǒng)的安全水平。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對變電站運(yùn)行裝置進(jìn)行在線監(jiān)測已經(jīng)成 為智能變電站的重要建設(shè)內(nèi)容。在此過程中，對避雷器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測信息進(jìn)行信號處理 并得出精確的結(jié)果成為必要手段。
[0003] 迄今為止，對變電站避雷器的運(yùn)行狀態(tài)的判斷主要采用預(yù)防性試驗(yàn)來獲取數(shù)據(jù)， 難以發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中的潛伏性故障，并且，預(yù)防性試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)未能進(jìn)行進(jìn)一步的信號分 析，更多異常信息不能提取，因此，預(yù)防性試驗(yàn)的方法逐漸為在線監(jiān)測所取代。目前，對避雷 器進(jìn)行在線監(jiān)測主要是監(jiān)測阻性泄漏電流，通過采集阻性基波電流的變化來判斷避雷器運(yùn) 行狀況并在早期發(fā)現(xiàn)避雷器的老化、受潮及故障趨勢?，F(xiàn)有的阻性基波電流法主要通過諧 波分析技術(shù)從總泄漏電流中分離出阻性電流的基波值，是從時(shí)域的角度根據(jù)電流的變化給 出大致的判斷結(jié)論，未能考慮因?yàn)樾盘柌杉姆峭叫詫?dǎo)致的柵欄效應(yīng)和頻譜泄露以及信 號的非平穩(wěn)性導(dǎo)致的誤差，更不能對異?；蛘吖收蠣顟B(tài)發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)定位，難于得 出準(zhǔn)確的結(jié)論。另外，由于常規(guī)工作電壓下阻性電流占總泄漏電流的比例較小，在避雷器絕 緣性能下降的情況下總泄漏電流的變化也很小，單靠諧波分析技術(shù)難免出現(xiàn)誤判。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是根據(jù)上述不足之處提供一種避雷器運(yùn)行狀態(tài)信號處理方法，在線 監(jiān)測基礎(chǔ)上對避雷器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行信號處理，根據(jù)避雷器運(yùn)行狀態(tài)信號特性和采集特性， 綜合形成了一種包括綜合數(shù)值濾波、傅里葉變化、加漢寧窗修正及希爾伯特-黃變換的信號 處理的方法，避免信號采集過程中所受到的外界干擾、信號采集的非同步性以及非平穩(wěn)性 引發(fā)的各種誤差，以實(shí)現(xiàn)變電站避雷器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析并得出有效結(jié) 論。
[0005] -種避雷器運(yùn)行狀態(tài)信號處理方法是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的， 一種避雷器運(yùn)行狀態(tài)信號處理方法是基于濾波、快速傅里葉變換、希爾伯特-黃變換與 加漢寧窗修正的信號處理算法，包括如下步驟： (1) 避雷器運(yùn)行狀態(tài)信號采集； (2) 避雷器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)值濾波； (3) 避雷器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傅里葉變換； (4) 避雷器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的漢寧窗修正； (5) 避雷器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的希爾伯特-黃變換； 所述濾波環(huán)節(jié)，結(jié)合了數(shù)據(jù)平滑算法，能有效濾除因?yàn)殡姶鸥蓴_所增加的高頻噪聲:所 述傅里葉變換環(huán)節(jié)，將避雷器運(yùn)行狀態(tài)采樣信號從時(shí)域變換到頻域;所述漢寧窗校正環(huán)節(jié)， 通過漢寧窗插值來完成漢寧窗校正，避免因?yàn)楸芾灼鞑蓸又档姆峭叫砸l(fā)的柵欄效應(yīng)和 頻譜泄露;所述希爾伯特-黃變換，是在漢寧窗校正后的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行模態(tài)分解， 完成希爾伯特譜分析，通過參數(shù)辨識，精確定位避雷器異常運(yùn)行或故障發(fā)生的時(shí)間，避免采 樣信號的非平穩(wěn)性帶來的誤差。
[0006] 所述的數(shù)值平滑算法首先采用二次多項(xiàng)式對采樣信號進(jìn)行擬合，然后根據(jù)最小二 乘法得到擬合式中各項(xiàng)系數(shù)，并推導(dǎo)出（2m+l)個(gè)采樣值的二次多項(xiàng)式滑動(dòng)平滑計(jì)算式。其 中m表示采樣個(gè)數(shù)。
[0007] 步驟(5)所述的希爾伯特-黃變換環(huán)節(jié)包括模態(tài)分解和譜分析環(huán)節(jié)； 所述模態(tài)分解包括以下步驟： 5-1)提取原始采樣信號的所有極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)； 5-2)利用三次樣條函數(shù)分別基于所有的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)擬合原始采樣信號的上 包絡(luò)和下包絡(luò)，并用上包絡(luò)和下包絡(luò)去近似地表示原始采樣信號真實(shí)的上包絡(luò)和下包絡(luò)， 然后求上包絡(luò)和下包絡(luò)的均值包絡(luò)，并近似地表示原始采樣信號真實(shí)的均值包絡(luò)曲線；最 后，用原始采樣信號減去均值包絡(luò)得到新的信號。
[0008] 步驟（1)中所述對所采集的避雷器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值濾波，其濾波結(jié)果由下 式獲得：
其中，m為對時(shí)刻i的避雷器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括電壓、電流等。m表示采樣個(gè)數(shù)，m=0，l， 2,…，N，N為自然數(shù)。
[0009] 步驟(3)中針對避雷器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傅里葉變換結(jié)果由下式獲得：
其中η=0，1，2，···，N-1，N表示自然數(shù)，j表示虛部，k表示采樣個(gè)數(shù)，k=0，l，2，···，N。
[0010] 步驟(4)中加漢寧窗修正后的幅值校正結(jié)果由下式獲得：
式中：矣和分別為校正前后諧波的復(fù)振幅。
[0011] 步驟(4)中加漢寧窗修正后的相角校正結(jié)果由下式獲得：
其中:爲(wèi)和:?分別為校正前后的相角。m表示采樣個(gè)數(shù)，m=l，2,…，N，N表示自然數(shù)。
[0012] 步驟(5)所述的避雷器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的希爾伯特-黃變換，其中步驟5-1)為EMD分 解(Empirical Mode Decomposition，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解），結(jié)果由下式獲?。?br>其中Ci表示第i個(gè)IMF(Intrinsic Mode Function，基本模式)分量，代表了信號U(t)中 不同特征時(shí)間尺度的信號分量;.％表示殘余分量，反映了原始信號U(t)的平均趨勢。t表示 時(shí)間，N為自然數(shù)，N=l，2，···。
[0013] 步驟5-2)為希爾伯特-黃譜分析及參數(shù)辨識，避雷器運(yùn)行狀態(tài)信號U(t)參數(shù)辨識 結(jié)果由下式的Hilbert譜表達(dá)式獲得：
t表示時(shí)間，η表示采樣個(gè)數(shù)，w表示故障數(shù)據(jù)發(fā)生的頻率。
[0014] Hilbert譜分析給出了異常或者故障數(shù)據(jù)發(fā)生的時(shí)間以及發(fā)生的頻率，實(shí)現(xiàn)了對 異?；蚬收蠣顟B(tài)的精準(zhǔn)定位。避雷器運(yùn)行狀態(tài)信號U(t)的Hilbert邊際譜由下式獲得：
T表示采樣周期，w表示故障數(shù)據(jù)發(fā)生的頻率。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是，將濾波、傅里葉變換、漢寧窗校正以及希爾伯特-黃結(jié)合的 信號處理方法，一方面減小了避雷器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的噪聲干擾、柵欄效應(yīng)以及因 為非同步性帶來的誤差，另一方面實(shí)現(xiàn)了避雷器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的非平穩(wěn)性處理，可以更直 觀的表達(dá)信號分量的時(shí)間、頻率、幅值三維時(shí)頻特性，并能對異常或者故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)定 位，提高了避雷器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明算法的流程圖； 圖2 HHT算法整體流程； 圖3 HHT算法的具體實(shí)現(xiàn)流程。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。在以下的描述中，已知功能和設(shè)計(jì)的 詳細(xì)描述也許會淡化本發(fā)明的主題內(nèi)容，這些描述在這里將被忽略。
[0018] 圖1是發(fā)明的算法的整體流程圖，由于外界電磁干擾等因素的影響，被測值高頻分 量部分往往會被增強(qiáng)，首先是對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，然后進(jìn)行傅里葉變化，將時(shí)域信號 變換到時(shí)域上去分析，由于采樣數(shù)據(jù)的同步性差異可能存在柵欄效應(yīng)和頻譜泄露，因此，本 發(fā)明增加了漢寧窗校正環(huán)節(jié)，經(jīng)過該步驟后得到的信號并不直觀以及采集信號的非平穩(wěn)性 影響，對于精確定位異?；蛘吖收蠣顟B(tài)發(fā)生和持續(xù)的時(shí)間尚有距離。本發(fā)明進(jìn)一步結(jié)合了 希爾伯特-黃變化，在最后一步的希爾伯特-黃變換中，將一系列經(jīng)過處理后的較為精確的 信號進(jìn)一步進(jìn)行模態(tài)分解以及譜分析，達(dá)到參數(shù)識別的目的。
[0019] 具體地，關(guān)于避雷器運(yùn)行狀態(tài)采集初始信號濾波環(huán)節(jié)，首先基于所采集的初始信 號對避雷器在線監(jiān)測信號進(jìn)行濾波處理。由于外界電磁干擾等不確定因素的影響，被測值 高頻分量部分往往會被增強(qiáng)，這些影響必然會對數(shù)據(jù)的諧波分析和計(jì)算帶來誤差，造成最 終結(jié)果與實(shí)際相去甚遠(yuǎn)。因此，濾波完成后，本發(fā)明采用二次多項(xiàng)式滑動(dòng)平滑法來削減數(shù)據(jù) 中的高頻噪聲，提取有效信息。具體過程如下： 步驟(1):濾波環(huán)節(jié) 步驟(1.1):對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合 設(shè)在tl，t2，t3，…，tn的時(shí)間點(diǎn)上，得到檢測數(shù)據(jù)序列為Ul，U2，…，Ui，…，Un ;對第；[點(diǎn)及 其前后相鄰的各m點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，用二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合可得 步驟(1.2):計(jì)算平滑值
根據(jù)最小二乘法得到上式中系數(shù)的數(shù)值，并進(jìn)而計(jì)算出u在第i點(diǎn)上的平滑值：
可以推導(dǎo)出（2m+l)個(gè)點(diǎn)的二次多項(xiàng)式進(jìn)行滑動(dòng)平滑的計(jì)算式為：
步驟(2):傅里葉變換 具體的，根據(jù)所述避雷器運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的傅里葉變換流程，具體步驟為： 步驟(2.1):獲取抽樣序列 濾波后，設(shè)頻率為fo周期為To的正弦信號為：
對其進(jìn)行時(shí)域抽樣，根據(jù)抽樣定理，抽樣頻率fs應(yīng)為：
抽樣間隔為
正弦信號的一個(gè)周期內(nèi)的抽樣點(diǎn)數(shù)為
得到的抽樣序列為

，N表示一個(gè)周期的長度，即一個(gè)周期中的數(shù)值的個(gè)數(shù)。離散傅里葉級數(shù) 中只取有限長序列就足夠。
[0020]步驟(2.2):有限長序列的離散傅里葉變化 對正弦信號截取的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)以N為周期進(jìn)行延拓，得到周期序列^/冷。此周期序列 的離散傅里葉級數(shù)對可以轉(zhuǎn)化為有限長序列的離散傅里葉變化(DFT)，由下式表示為

，以N點(diǎn)為周期的離散傅里葉級數(shù)的系數(shù)就是信號的復(fù) 頻譜，η和k均為離散變量，k為諧波序號。由歐拉公式：
得到變換表達(dá)式為
所以有最終的信號表達(dá)式為
其中:
[0021 ]步驟(2.3):提取信號的幅值和相位 由于每次采樣值已知，故石；沐)可計(jì)算出并用復(fù)數(shù)形式? +片表示，由此提取出的是原 信號的幅值和相位。即
根據(jù)求出的可以繪制信號的幅頻和相頻特性圖。在較理想情況下，電壓信號主 要由50ΗΖ正弦波構(gòu)成，諧波成分少，頻率變化不大，設(shè)電壓信號為

則有： 電壓信號的復(fù)頻譜及向量的模、初相角為
據(jù)此，假設(shè)電流信號為
則有電流信號的復(fù)頻譜及向量的模和初相角為
步驟(2.4):繪制幅頻和相頻特性 步驟(3):加漢寧窗校正環(huán)節(jié) 具體的，對于所述加漢寧窗校正流程環(huán)節(jié)詳敘如下。本發(fā)明對電壓電流進(jìn)行傅里葉變 換，由于分解過程中存在的誤差，必然影響阻性電流的最終的精確性，同步采樣時(shí)對傅里葉 變換的精確性要求很高，由于電力系統(tǒng)中不能做到完全的同步采樣，因此非同步采樣時(shí)存 在的頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，影響了改進(jìn)的組性基波電流法所得的阻性電流基波和三次諧波 的準(zhǔn)確性，這里進(jìn)一步采用加漢寧窗的方法來減輕非同步采樣給阻性電流測量造成的誤 差。漢寧窗在時(shí)域中表不為
采樣所得信號分辨率為￥，采樣值的基波頻率或者諧波頻率為f，