配电网密闭式关柜局部放电特高频信号时延估计算法

潘建乔， 吴迪, 陈超， 栾伊斌， 王亮亮， 宋毅

(1.国网浙江平湖供电公司，浙江 平湖 314200；2.保定华创电气有限公司，河北 保定 071000)

0 引 言

密闭式关柜为电力网络中的枢纽设备，若密闭式关柜发生故障，则直接影响到电力系统的正常运行[1]。密闭式关柜中包含非常多的绝缘状态信息，若发生局部放电现象则代表绝缘劣化，同时也是绝缘进一步劣化的原因[2-3]。因此，对配电网密闭式关柜局部放电特高频信号时延估计，能够减少密闭式关柜绝缘事故的发生，由此减少密闭式关柜故障带来的影响。

本文方法首先采集密闭式关柜局部放电特高频信号，对采集到的信号进行处理，然后提出基于高阶累积量的时延信号估计算法，计算每段信号中的累积量，对定位误差和信号的时延序列误差计算。试验证明，此次设计的配电网密闭式关柜局部放电特高频信号时延估计算法比传统算法估计误差小，满足了高频信号时延估计需求。

1 特高频信号采集及处理

密闭式关柜局部放电特高频信号检测过程中，在两个不同接收点上能够接收到不同的信号，使用高速信号采集系统对天线接收到的信号进行采集[4-6]，表达式如式(1)所示。

(1)

式中:s(t)为采集到的信号；T为特高频信号采集时的初始时间；n、n2分别为附加的高斯噪声。

特高频信号在第j个采样点时刻的能量累计值的计算公式为：

(2)

当密闭式关柜局部放电发生时，局部电源辐射出相应的脉冲，变电站内设置的四根天线对应脉冲能量。当背景噪声较小时，背景噪声小于脉冲幅值。同时，一段时间后会积累能量[7-9]，局部放电起始点会在信号积累一段时间后出现拐点，如图1所示。

由于采集后的特高频信号中存在噪声和高频信号，可导致波头时刻发生误判断情况。因此，依据卡尔曼滤波对采集到的信号做平滑处理[10-12]，计算公式为：

(3)

在此基础上，对特高频信号进行滤波处理，计算公式为：

(4)

根据上述过程，完成配电网密闭式关柜局部放电特高频信号的采集与处理，为密闭式关柜局部放电特高频信号时延估计提供基础数据。

2 局部放电特高频信号时延估计

对密闭式关柜局部放电特高频信号时延估计。依据高阶累积量估计信号时延，步骤如下所示。

步骤一：将观测到的数据进行分类，分成k段，每段样本中都包含不同的数据样本。分别记作x1(k),x2(k),…,xn(k+1)，其中k=1,2,…，N，允许相邻数据重合。

步骤二：计算高频信号积累量。计算公式为：

s(d)=|n+ς|/g″

(5)

式中:s(d)为信号值参数；n+ς为整段信号的三阶累积量；g″为三阶累积量的平均值。

步骤三：将得到的信号进行傅里叶变换。计算公式为：

(6)

步骤四：假设信号数据采集以采集到的初始信号为触发信号，依据触发电平设置阈值，寻找超过阈值的波形的第一个峰值，在此基础上，往后寻找第一个过零点，将该路信号幅度与初始信号值比较。计算公式为：

(7)

式中:ku为信号幅度比较参数；Vi/y为信号的旋转矩阵;G为第一路信号的时刻参数。

步骤五：假设时延序列误差一定时，信号的定位误差与天线布阵方式的关系，如式(8)所示。

(8)

步骤六：利用过零检测方法，对信号进行过零检测，得到信号过零点的位置，即为所要估计的是差值。由于在信号采样率较低时，时延估计精度较差，因此对特高频信号进行差值运算，再进行时延估计，以提高时延估计精度。假定采样间隔t为：

(9)

式中:st为符号发生变化时的采样点;n/i为超过阈值的第一个峰值;f为波前时刻过零点的大概位置。

进行最优变换阶次搜索，依据位置信息最优遍历变换信号累积量，计算最优的时差估计值。利用均方误差衡量时延估计算法的精度，均方误差定义为：

(10)

由此完成配电网密闭式关柜局部放电特高频信号时延估计。

ΔT=[m-(N-1)]dt

(11)

式中:ΔT为信号时延；N为离散信号的点数；dt为任意两点之间的时间差。根据上述过程对信号时延估计，能够提高估计的精度。

3 试验对比

为验证配电网密闭式关柜局部放电特高频信号时延估计算法在现场环境下的应用效果，对某配电网特高频局部放电巡检过程中出现的异常局部信号定位。试验数据来源于艾瑞数据库(网址为：http://www.iresearch.cn)。为了保证试验的严谨性，将传统高频信号时延估计算法与此次设计的算法结果进行比较，对比两种方法的估计误差。

3.1 试验指标研究

(1) 信噪比(SNR)是衡量原始UHF信号受噪声干扰的程度，单位为分贝(dB)，其表达式为：

(12)

式中:Ps和Pn分别为噪声信号和放电源信号的能量。SNR<0表示源信号比噪声弱；SNR>0则表示源信号比噪声强。

(2)接收用时：

(13)

式中:(x,y,z)为局部放电源；(xi,yi,zi)为传感器；c为特高频信号传输速度。

3.2 试验结果分析

采用本文设计的配电网密闭式关柜局部放电特高频信号时延估计算法与传统算法相比较，进行时延计算，结果如图2所示。

图2 时延估计结果

由图2可以看出，基于EMD算法、基于EMD优化双谱算法和开关柜局部放电UHF信号时延估计方法的时延估计值达到稳定的迭代次数分别为1 022、1 000、1 500，所提方法时延估计值达到稳定的迭代次数为500。由此可以看出，噪声较大时，双谱法能够对时延估计，但是误差较大。

在模拟的6个信号时延估计过程中，会受到噪声的干扰，噪声主要包括白噪声和窄干扰。在有噪声的情况下，对比传统方法与此次设计的信号时延估计算法的信号时延估计误差。

试验表明，此次设计的局部放电特高频信号时延估计算法能够有效估算局部放电源的空间位置，提高了信号时延估计精度，对信号噪声具有较好的免疫力，能够满足局部放电特高频信号时延估计的要求。

4 结束语

为解决传统局部放电特高频信号时延估计算法时延估计误差大的问题，设计了一种配电网密闭式关柜局部放电特高频信号时延估计算法。试验表明，此次设计的方法能够减少估计误差。特高频采样频率情况下的适用性是此次设计的高频信号时延估计算法后续的重点研究内容，可提高局部放电特高频时延估计精度，为其他配电网高频信号时延估计提供一定的借鉴意义。