基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的电缆局部放电探测方法与流程

1.本发明涉及一种局部放电探测方法，尤其涉及一种基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的电缆局部放电探测方法。


背景技术：

2.电力电缆的局部放电是指在电场作用下绝缘材料中产生放电，但这种放电并没有贯穿整个绝缘材料，而是仅在局部区域放电。任何可能导致绝缘系统电场分布不均的因素，都可能成为局部放电的诱因。诸如绝缘结构设计存在缺陷；绝缘材料中混入杂质致纯度不足；制造工艺中出现问题产生了气泡、裂隙等等因素。这些诱因均在绝缘材料中造成了一些气隙，当这些气隙中的电场强度高到一定程度时就会产生局部放电。若不及时采取措施，长时间的局部放电会逐渐发展成树枝状放电，导致沿面闪络，造成绝缘劣化并使得绝缘劣化持续扩大，进而使得绝缘材料使用寿命和绝缘性能降低，甚至可能击穿绝缘材料，造成大规模的电力事故。
3.现有技术中，局部放电的采集和优化方法包括以下几种：(1)fft(fast fourier transform)阀值滤波法：主要用来去除周期性窄带干扰。该方法首先对信号进行fft变换，得到信号的频谱分布，而后在信号的频谱上设一门限值，把所有大于门限的值置零，可非常方便地去除窄带干扰。这主要利用了周期窄带干扰信号的频带有限，在频域中表现为尖脉冲，幅值也比较大，而局放信号属宽带信号，较均匀地分布于整个频带空间，幅值也比较小。此方法的缺点是门限的选取非常因难，尤其在现场条件下，干扰信号随时间不断变换，门限就更难确定，但由于该技术实现简单，目前仍被广泛采用：(2)模式识别法：该方法的本质仍是利用信号的相位特性进行区别。模式识别方法的难度在于需要积累大量的先验知识并能找出干扰信号和局放信号间的特定差异，而实际在线监测中，在强烈的干扰信号中找出这些差异比较困难：(3)信号相关法：该方法主要用来去除周期性脉冲干扰。其基本原理是利用局放信号同周期性脉冲干扰信号在发生位置、波形及幅值等方面具有不同的相关度，来去除周期脉冲干扰：(4)二阶点阵滤波法：该方法的优点是干扰抑制比高，波形畸变少，应用效果比较好。但是该方法在实际运用中，fft阀值滤波法一样存在干扰频率难以确定、计算时间过长等缺点；(5)自适应滤波法：该方法对周期性干扰的抑制有较好的效果。但是该方法的收敛性较差，尤其在信号中同时出现多种干扰频率时，若周期窄带干扰的频率范围较宽，就非常容易发散，滤波效果很不稳定；(6)卡尔曼滤波法：该方法主要是用来去除周期窄带干扰，其主要的缺点是滤波后的局放信号能量损失较大，波形严重畸变，算法中涉及矩阵运算，计算时间也比较长，因此该方法很少被应用。
4.因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术手段。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的
电缆局部放电探测方法，能够在电缆的多个采集点同步进行局部放电信号的采集，从而保证采集信号的一致性，而且能够有效地进行滤波、去噪，从而确保最终得到的局部放电信号不会失真，利于后续的分析处理。
6.本发明提供的一种基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的电缆局部放电探测方法，包括多个同步采集点，所述同步采集点包括局部放电传感器、信号调理单元、信号采样单元、同步触发单元和信息处理单元；
7.所述局部放电传感器用于采集电缆局部放电信号并输出至信号调理单元，所述信号调理单元对局部放电信号进行去噪和放大处理后输入至信号采样单元，所述信号采样单元接收同步触发单元输出的采样触发信号并对信号调理单元输出的局部放电信号进行同步采样后将采样信号输出至信息处理单元，所述信息处理单元对采样信号进行优化处理后通过通信模块上传至上位机；
8.所述信息处理单元对采样信息进行优化处理包括：
9.对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪；
10.然后对去噪后的信号采用改进最小二乘法进行信号优化处理得到最终的局部放电信号。
11.进一步，对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪具体包括：
12.信息处理单元将采样信号表示为如下形式：
13.s(i)＝s
pd
(i)+n(i)(1)，其中，s(i)为包含噪声的局部放电采样信号，s
pd
(i)表示没有噪声的局部放电采样信号，n(i)为噪声信号；
14.根据公式(1)构建hankel矩阵s：
[0015][0016]
其中m为行数，m＝(α*n+1)，n为列数，n＝(n+1-m)，α为设置的调整优化参数，且0《α≤1，n为样本编号；
[0017]
将hankel矩阵进行三对角化：
[0018]
当m≥n时，计算s的三对角矩阵∑：
[0019]
s＝uh∑v；
ꢀꢀ
(3)
[0020]
u为m*m的正交矩阵，v为n*n的矩阵，uh表示u的共轭对称矩阵；
[0021]
us＝∑v
ꢀꢀ
(4)；
[0022]
比较(4)和(5)中的第j项可得：
[0023]
∑vj＝αjuj+β
j-1uj-1uj-1
(6)；
[0024]
对(6)和(7)进行递归运算：
[0025]rj
＝αjuj＝∑v
j-j
x
j-1uj-1
ꢀꢀ
(8)
[0026][0027]
由于u和v正交，则：
[0028]
αj＝||ri|2ꢀꢀ
(10)
[0029]
βj＝|pi||2ꢀꢀ
(11)
[0030]
由此完成对矩阵s的三角花，使数据中含有噪声部分的对角化后的特征值间的偏差变小，更接近特征值。
[0031]
进一步，对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪还包括：
[0032]
对三角花后的矩阵s进行变换：
[0033]
设n阶矩阵l和r:
[0034]
h-ai＝d
l
lhꢀꢀ
(5)
[0035]
h-2i＝rdrrhꢀꢀ
(6)
[0036]
合并公式(7)和(8)：
[0037][0038]
对变换后的公式(14)采用奇异谱分析法进行重构得到重构的局部放电信号。
[0039]
进一步，重构的局部放电信号采用改进最小二乘法优化处理包括：
[0040]
构建优化模型：
[0041][0042]
i(
△
ui)为所求的目标拟合函数,设φ为i(δui)的函数空间
[0043]
i(
△
ui)∈φ＝span{φ1,φ2,
…
,φn}
ꢀꢀ
(16)；
[0044][0045]
其中，βj∈r,n《m；
[0046]
将公式(17)代入公式(15)得到：
[0047][0048]
其中公式(18)为最小而成多项式；
[0049]
根据kaczmarz随机算法原理，利用正交投影法建立迭代公式求解公式(18)，则获得公式如下
[0050][0051]
设s(t)为采集到的局部放电电流信号，则：
[0052][0053]
其中n＝1,2，
……
，n表示tn时刻的电流为把求得拟合函数改写成对应的数据形式：
[0054][0055]
那么最终得到优化的局部放电信号为s
new
(tn)＝s(tn)-i(tn)(20)。
[0056]
本发明的有益效果：通过本发明，能够在电缆的多个采集点同步进行局部放电信号的采集，从而保证采集信号的一致性，而且能够有效地进行滤波、去噪，从而确保最终得到的局部放电信号不会失真，利于后续的分析处理。
附图说明
[0057]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0058]
图1为本发明的示意图。
具体实施方式
[0059]
以下进一步对本发明做出详细说明：
[0060]
本发明提供的一种基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的电缆局部放电探测方法，包括多个同步采集点，所述同步采集点包括局部放电传感器、信号调理单元、信号采样单元、同步触发单元和信息处理单元；
[0061]
所述局部放电传感器用于采集电缆局部放电信号并输出至信号调理单元，所述信号调理单元对局部放电信号进行去噪和放大处理后输入至信号采样单元，所述信号采样单元接收同步触发单元输出的采样触发信号并对信号调理单元输出的局部放电信号进行同步采样后将采样信号输出至信息处理单元，所述信息处理单元对采样信号进行优化处理后通过通信模块上传至上位机；其中，局部放电传感器采用现有的传感器，信号调理电路采用现有的滤波、放大电路，虽然信号调理电路进行了滤波，但是仍然存在干扰成分，需要进一步处理，信号采样单元采用现有的数字采样电路，将局部放电的模拟信号转换为数字信号，同步触发单元采用现有的北斗或者gps授时电路，信息处理单元采用现有的单片机，通信模块采用现有的4g或者5g电路；
[0062]
所述信息处理单元对采样信息进行优化处理包括：
[0063]
对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪；
[0064]
然后对去噪后的信号采用改进最小二乘法进行信号优化处理得到最终的局部放电信号；通过上述，能够在电缆的多个采集点同步进行局部放电信号的采集，从而保证采集信号的一致性，而且能够有效地进行滤波、去噪，从而确保最终得到的局部放电信号不会失真，利于后续的分析处理。
[0065]
本实施例中，对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪具体包括：
[0066]
信息处理单元将采样信号表示为如下形式：
[0067]
s(i)＝s
pd
(i)+n(i)(1)，其中，s(i)为包含噪声的局部放电采样信号，s
pd
(i)表示没有噪声的局部放电采样信号，n(i)为噪声信号；
[0068]
根据公式(1)构建hankel矩阵s：
[0069][0070]
其中m为行数，m＝(α*n+1)，n为列数，n＝(n+1-m)，α为设置的调整优化参数，且0《α≤1，n为样本编号；
[0071]
将hankel矩阵进行三对角化：
[0072]
当m≥n时，计算s的三对角矩阵∑：
[0073]
s＝uh∑v；
ꢀꢀ
(3)
[0074]
u为m*m的正交矩阵，v为n*n的矩阵，uh表示u的共轭对称矩阵；
[0075]
us＝∑v
ꢀꢀ
(4)；
[0076]
比较(4)和(5)中的第j项可得：
[0077]
∑vj＝αjuj+β
j-1uj-1uj-1
ꢀꢀ
(6)；
[0078]
对(6)和(7)进行递归运算：
[0079]rj
＝αjuj＝∑v
j-j
x
j-1uj-1
ꢀꢀ
(8)
[0080][0081]
由于u和v正交，则：
[0082]
αj＝||ri|2ꢀꢀ
(10)
[0083]
βj＝|pi||2ꢀꢀ
(11)
[0084]
由此完成对矩阵s的三角花，使数据中含有噪声部分的对角化后的特征值间的偏差变小，更接近特征值。
[0085]
本实施例中，对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪还包括：
[0086]
对三角花后的矩阵s进行变换：
[0087]
设n阶矩阵l和r:
[0088]
h-ai＝d
l
lhꢀꢀ
(9)
[0089]
h-2i＝rdrrhꢀꢀ
(10)
[0090]
合并公式(11)和(12)：
[0091][0092]
对变换后的公式(14)采用奇异谱分析法进行重构得到重构的局部放电信号。
[0093]
本实施例中，重构的局部放电信号采用改进最小二乘法优化处理包括：
[0094]
构建优化模型：
[0095][0096]
i(
△
ui)为所求的目标拟合函数,设φ为i(δui)的函数空间
[0097]
i(
△
ui)∈φ＝span{φ1,φ2,
…
,φn}
ꢀꢀ
(16)；
[0098][0099]
其中，βj∈r,n《m；
[0100]
将公式(17)代入公式(15)得到：
[0101][0102]
其中公式(18)为最小而成多项式；
[0103]
根据kaczmarz随机算法原理，利用正交投影法建立迭代公式求解公式(18)，则获得公式如下
[0104][0105]
设s(t)为采集到的局部放电电流信号，则：
[0106][0107]
其中n＝1,2，
……
，n表示tn时刻的电流为把求得拟合函数改写成对应的数据形式：
[0108][0109]
那么最终得到优化的局部放电信号为s
new
(tn)＝s(tn)-i(tn)
ꢀꢀ
(20)。
[0110]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的电缆局部放电探测方法，其特征在于：包括多个同步采集点，所述同步采集点包括局部放电传感器、信号调理单元、信号采样单元、同步触发单元和信息处理单元；所述局部放电传感器用于采集电缆局部放电信号并输出至信号调理单元，所述信号调理单元对局部放电信号进行去噪和放大处理后输入至信号采样单元，所述信号采样单元接收同步触发单元输出的采样触发信号并对信号调理单元输出的局部放电信号进行同步采样后将采样信号输出至信息处理单元，所述信息处理单元对采样信号进行优化处理后通过通信模块上传至上位机；所述信息处理单元对采样信息进行优化处理包括：对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪；然后对去噪后的信号采用改进最小二乘法进行信号优化处理得到最终的局部放电信号。2.根据权利要求1所述基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的电缆局部放电探测方法，其特征在于：对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪具体包括：信息处理单元将采样信号表示为如下形式：s(i)＝s
pd
(i)+n(i) (1)，其中，s(i)为包含噪声的局部放电采样信号，s
pd
(i)表示没有噪声的局部放电采样信号，n(i)为噪声信号；根据公式(1)构建hankel矩阵s：其中m为行数，m＝(α*n+1)，n为列数，n＝(n+1-m)，α为设置的调整优化参数，且0<α≤1，n为样本编号；将hankel矩阵进行三对角化：当m≥n时，计算s的三对角矩阵∑：s＝u
h
∑v； (3)u为m*m的正交矩阵，v为n*n的矩阵，u
h
表示u的共轭对称矩阵；us＝∑v (4)；比较(4)和(5)中的第j项可得：∑v
j
＝α
j
u
j
+β
j-1
u
j-1
u
j-1 (6)；对(6)和(7)进行递归运算：r
j
＝α
j
u
j
＝∑v
j-j
x
j-1
u
j-1 (8)由于u和v正交，则：
α
j
＝||r
i
|
2 (10)β
j
＝|p
i
||
2 (11)由此完成对矩阵s的三角花，使数据中含有噪声部分的对角化后的特征值间的偏差变小，更接近特征值。3.根据权利要求2所述基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的电缆局部放电探测方法，其特征在于：对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪还包括：对三角花后的矩阵s进行变换：设n阶矩阵l和r:h-ai＝d
l
l
h (1)h-2i＝rd
r
r
h (2)合并公式(3)和(4)：对变换后的公式(14)采用奇异谱分析法进行重构得到重构的局部放电信号。4.根据权利要求3所述基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的电缆局部放电探测方法，其特征在于：重构的局部放电信号采用改进最小二乘法优化处理包括：构建优化模型：i(
△
u
i
)为所求的目标拟合函数,设φ为i(δu
i
)的函数空间i(
△
u
i
)∈φ＝span{φ1,φ2,
…
,φ
n
}
ꢀꢀꢀ
(16)；其中，β
j
∈r,n<m；将公式(17)代入公式(15)得到：其中公式(18)为最小而成多项式；根据kaczmarz随机算法原理，利用正交投影法建立迭代公式求解公式(18)，则获得公式如下设s(t)为采集到的局部放电电流信号，则：其中n＝1,2，
……
，n表示t
n
时刻的电流为把求得拟合函数改写成对应的数据形式：
那么最终得到优化的局部放电信号为s
new
(t
n
)＝s(t
n
)-i(t
n
)
ꢀꢀ
(20)。

技术总结
本发明提供的一种基于同步触发采集和快速奇异值分解去噪的电缆局部放电探测方法，所述局部放电传感器用于采集电缆局部放电信号并输出至信号调理单元，所述信号调理单元对局部放电信号进行去噪和放大处理后输入至信号采样单元，所述信号采样单元接收同步触发单元输出的采样触发信号并对信号调理单元输出的局部放电信号进行同步采样后将采样信号输出至信息处理单元，所述信息处理单元对采样信号进行优化处理后通过通信模块上传至上位机；所述信息处理单元对采样信息进行优化处理包括：对局部放电采样信号采用奇异值分解法进行去噪；然后对去噪后的信号采用改进最小二乘法进行信号优化处理得到最终的局部放电信号。行信号优化处理得到最终的局部放电信号。行信号优化处理得到最终的局部放电信号。


技术研发人员：陈歆 杨廷志 赵迎新 蒯雷 李冶 杜金其 杨志航 刘林 王伟 佘沁
受保护的技术使用者：国网重庆市电力公司綦江供电分公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/5