基于小波分析的变压器局部放电在线检测方法.pdf
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1、2023.7 下 EPEM 173电力安全Power Security基于小波分析的变压器局部放电在线检测方法南方电网数字电网集团有限公司 王建邦 陈 波摘要:为降低放电在线检测结果中噪声的干扰,引进小波分析技术,设计变压器局部放电在线检测方法。选用Haar小波,建立Haar小波连续函数,实现基于小波分析的放电信号滤波处理;引进梯度处理法与边缘处理法,根据采样数据的边缘密度,提取变压器局部放电信号特征;设计携带噪声信号的VMD分解处理,去除在线检测与采样结果中已经完成分离处理、不携带价值信息的窄带模态信号,重构其他信号,实现对变压器局部放电在线检测结果的去噪。设计对比试验,试验结果证明:设计的
2、基于小波分析的检测方法,可以在排除外界噪声干扰的条件下,精准检测到变压器局部放电信号。关键词:小波分析;特征提取;检测方法;局部放电变压器是电力系统中重要的电气设备,由于其设计结构较为特殊、制造工艺较为复杂,导致设备在运行中经常会出现局部放电安全事故。因此,变压器局部放电监测技术是保证电网安全可靠供电的重要手段1。总之,及时发现变压器在运行过程中的潜在故障,及时采取措施保证设备的安全稳定运行。是电网发展不可或缺的一部分。在深入电力行业发展的研究中发现,变压器在设计时,一般会通过特殊结构与工艺设计,防止部件出现局部放电。变压器内部一般分为套管绝缘结构和绝缘外壳两大部分,由于变压器内部没有套管和外
3、壳,变压器长期处于裸露状态,而绝缘油中通常含有杂质,当油垢堆积时,影响变压器外部介质,并与外部介质发生接触,影响绝缘油寿命及电气性能2。变压器内部局部放电故障是指变压器绕组与铁芯之间、绕组与匝间、变压器绕组与导线之间、变压器与电抗器之间发生故障及短路损伤现象时,产生的局部电流。根据电力企业社会发展中的不完全统计可知,截至目前,局部放电是造成变压器在运行中出现绝缘击穿事故的最主要原因之一,也是变压器装置绝缘劣化前最主要的特征之一。为解决由于局部放电造成的变压器运行故障,本文将在此次研究中,引进小波分析技术,设计针对变压器局部放电的全新在线检测方法,旨在通过此次设计,提高电网安全、稳定运行能力。1
4、 基于小波分析的放电信号滤波处理为实现对变压器局部放电的在线检测,在开展相关研究前,引进小波分析技术,设计变压器在运行中放电信号的滤波处理3。此次研究选用 Haar 小波,利用此小波展开对变压器的分析,更容易实现对原始信号的分解。尽管 Haar 小波的频域分辨率较差,但在局部时域范围内,其局部化效果最优,因此可降低或在一定程度上避免由于时间序列混乱造成的局部放电检测结果偏差。其中,Haar 小波的连续函数表达式如下:(1)公式(1)中:J(x)表示 Haar 小波 x 的连续函数表达式。其中 Haar 小波 x 对应的尺度函数取值可表示为下述计算公式:174 EPEM 2023.7 下电力安全
5、Power Security(2)公式(2)中:h(x)表示 Haar 小波 x 对应的尺度函数。在上述设计内容的基础上,对 h(x)进行空间维度的转换,此过程如下计算公式所示:(3)公式(3)中:h(k)表示 h(k)的空间维度转换;e 表示空间数据连续性4。完成上述设计后,利用小波对应的单位脉冲响应函数,对采样的变压器局部放电信号进行卷积处理,通过此种方式,掌握放电信号滤波处理系数5。此过程如下计算公式所示:D=ci-1-ci(4)公式(4)中:D 表示变压器局部放电信号滤波处理系数;c 表示单位脉冲响应函数;i 表示卷积处理次数。根据计算得到的滤波处理系数,对采样信号进行滤波调试处理。按
6、照上述方式,完成基于小波分析的放电信号滤波处理。2 变压器局部放电信号特征提取完成上述设计后,考虑到变压器的局部放电信号与常规采样信号存在差异,因此要实现对变压器局部放电信号的在线检测,应根据采样信号规模,提取局部放电信号特征。在此过程中,引进梯度处理法与边缘处理法,根据采样数据的边缘密度,进行信息梯度值的统计。处理前,先对采样信号的时域频谱图进行归一化与灰度值的处理,处理过程如下计算公式所示:(5)公式(5)中:G(X,Y)表示采样信号的时域频谱图;I(X,Y)表示局部图像(X,Y)的灰度像素值;H(X,Y)表示归一化处理后的时域频谱图;g 表示灰度值,通常取值为常数。在上述设计内容的基础上
7、,采用简单的一阶模板梯度算子,对采样信号的原始时域频谱图进行卷积运算(卷积运算中的梯度算子取值为-1、0、+1),此过程如下计算公式所示:(6)公式(6)中:(X,Y)表示采样信号原始时域频谱图的卷积运算;H 表示信号梯度方向。在此基础上,利用现有信息构建对应的采样数据直方图,将局部时域灰度信息进行归一化处理,将处理后的图像划分为若干个组分相同的图像块,每个图像块的大小均为 nn。同时,按照下述计算公式,对不同梯度的信息进行标准化处理,得到变压器局部放电信号的向量,计算公式如下:(7)公式(7)中:sn表示变压器局部放电信号的向量;表示正则化处理系数;表示无限趋近于0的正数。将所有的特征都统一
8、为标准值,采用建立直方图向量联结的方式,得到局部灰度图像中的放电信号特征。按照上述方式,完成变压器局部放电信号特征提取。3 变压器局部放电在线检测结果去噪在上述设计内容的基础上,设计变压器局部放电在线检测结果的去噪处理。处理过程中,预先设计一个变压器局部放电在线检测信号的分解模态数,对携带噪声的信号进行 VMD 分解,通过此种方式,实现对白噪声的自适应滤除处理。处理过程中,考虑到变压器局部放电在线检测结果中的信号,大多属于宽频信号,对此类信号进行归类处理,得到的放电信息并不局限在一个模态中。为减少或降低在此过程中对变压器局部放电信号能量的损失,需要去除在线检测与采样结果中已经完成分离处理、不携
9、带价值信息的窄带模态信号,对保留的剩余信号进行重构处理。在此基础上,通过小波去噪处理法,降低检测结果中的噪声能量,通过此种方式,全面提高在线检测结果的精度与可靠性。此过程如下计算公式所示:(8)公式(8)中:表示变压器局部放电在线检测结果去噪处理;M 表示去噪处理系数中值;表示系数长度。考虑到信号去噪处理过程中,信号的传输可能存在一定程度的衰减,为避免由于信号衰减造成的检测结果与实际结果偏差较大的问题,应根据信号的振荡幅值,进行检测结果信号的补偿。按照上述方式,实现对变压器局部放电在线检测结果去噪处理,完成在线检测方法的2023.7 下 EPEM 175电力安全Power Security设计
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