變電站缺陷設備快速檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種變電站缺陷電力設備快速檢測裝置及檢測方法，該裝置由多個電波傳感器、超高速數據采樣單元和數據處理單元構成，方法是所述電波傳感器接收待測變電站電力設備絕緣缺陷放電所產生的電波信號，經所述前置寬帶放大器放大和濾波處理后由所述超高速數據采集單元同步采集，送所述數據處理單元對四路信號進行數據處理，在顯示屏上顯示放電源的位置和預警信息。本發明能對變電站內缺陷設備進行放電源檢測和平面定位，大大降低了變電站設備放電檢測的成本，有助于巡檢變電站設備時提前發現缺陷，減少停電事故的發生，從而提高變電站的智能化水平。具有對待測變電站全站放電的檢測和定位快、成本低，效率高的特點。
【專利說明】變電站缺陷設備快速檢測裝置及檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力系統高電壓與絕緣技術，特別是涉及一種變電站缺陷電力設備快 速檢測裝置及其檢測方法。
【背景技術】
[0002] 絕緣故障是電力設備在運行中最主要的可能故障之一，電力設備發生絕緣故障 前，一般都會有一個逐漸發展的放電過程，最終導致絕緣擊穿。如果在這個過程能夠對運行 設備進行放電監測和診斷，及時發現放電信號，提前對缺陷進行處理，就能有效避免絕緣擊 穿故障的發生。對放電位置的定位也有助于制定更有針對性的檢修處理方案，減少停電時 間，提1?檢修效率。
[0003] 缺陷放電可通過超聲波、電氣參數常量和特高頻電磁波等多種方法檢測，這些方 法都可用來定位。特高頻電磁波法是放電檢測的一種新方法，該方法通過特高頻全向傳感 器接收電力設備內發生放電時輻射的電磁波中的特高頻段信號來檢測放電。特高頻電磁波 檢測的優點為：檢測頻段較高，可以有效地避開常規放電測量中的電暈、開關操作等多種電 氣干擾；檢測頻帶寬，所以其檢測靈敏度很高，且電磁波在空氣中的傳播速度近似光速，可 以用來計算放電源在變電站中的平面位置，從而確定可能存在缺陷的設備。
[0004] 國內外現有的對電力設備的絕緣缺陷進行監測及定位的方法基本都是針對單個 變電站設備（GIS、變壓器、容性設備等）的放電進行檢測，并依據采集到的聲信號和電信號 進行定位。這種監測方法存在以下缺陷：
[0005] 1)變電站中的任何高壓電力設備均可能會產生放電故障，要想對全站的一次電氣 設備實施監測，就需要在每一個設備上都安裝放電監測裝置，這需要耗費大量的時間、財力 進行設備采購和安裝；
[0006] 2)測試時需攜帶多套不同類型儀器，操作不便；
[0007] 3)眾多監測裝置的維護和管理需耗費大量的時間和人力。
[0008] 因此，目前這種監測形式難以適應今后智能變電站遠程管理及少人值守的要求。
【發明內容】
[0009] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種變電站缺陷電力設備快速檢測裝置。
[0010] 本發明提供的變電站缺陷電力設備快速檢測裝置，由特高頻全向傳感器接收放大 模塊、超高速數據采樣單元及數據處理單元和分析單元組成，所述特高頻全向傳感器接收 放大模塊為四個全向寬帶天線及其前置寬帶放大器的集成體，所述特高頻全向傳感器接收 待測變電站電力設備缺陷放電所產生的電磁波，經所述前置寬帶放大器放大和濾波處理后 由所述超高速數據采集單元同步采集；
[0011] 所述數據處理單元對四路信號進行數據處理單元，重點是計算四路信號的時延， 從而計算出放電源在變電站的平面位置。
[0012] 優選地，所述前置寬帶放大器的帶寬為1GHz，增益為40dB。
[0013] 優選地，所述超高速數據采樣單元為>3Gsps的數據采集卡。
[0014] 優選地，所述數據處理單元為工業控制計算機。
[0015] 本發明同時提供了一種利用上述技術方案中任一所述的變電站缺陷電力設備快 速檢測裝置進行放電源檢測的方法，包括步驟一多路電波信號同步采集、步驟二采用雙譜 估計算法確定兩路電波信號的時延以及步驟三利用時延計算放電源點的平面位置；
[0016] 步驟一多路電波信號同步采集
[0017] 將所述變電站缺陷電力設備快速檢測裝置在待測的變電站某一位置放置后，所述 檢測裝置啟動后，所述多通道特高頻全向傳感器接收變電站缺陷電力設備因放電產生的 電磁波信號，經所述前置寬帶放大器放大和濾波處理后由所述超高速數據采集單元進行同 步采集，送所述數據處理單元對多路信號進行數據處理單元；
[0018] 步驟二采用雙譜估計算法確定兩路電波信號的時延
[0019] 通過信號的數字采集系統同時采集到的兩路信號分別為離散序列Ixl (n)}和 1x2 (n) }，結合高階累積量理論，利用參數雙譜時延估計算法的計算機數值實現方法，計算 子步驟如下
[0020] 子步驟1 :同常規計算方法，將觀測到的信號數據樣本分為K段，每段包含M個觀 測樣本，分別記作,(KM1)，…，<(M-〗），其中k= l，2，...，k，i = 1，2,相鄰兩段數據之 間可以有重合；
[0021] 子步驟2 :計算每段信號的自三階累積量和互三階累積量：
【權利要求】
1. 一種變電站缺陷電力設備快速檢測裝置，其特征在于，由特高頻全向傳感器接收放 大模塊、超高速數據采樣單元及數據處理單元和分析單元組成，所述特高頻全向傳感器接 收放大模塊為四個全向寬帶天線及其前置寬帶放大器的集成體，所述特高頻全向傳感器接 收待測變電站電力設備缺陷放電所產生的電磁波，經所述前置寬帶放大器放大和濾波處理 后由所述超高速數據采集單元同步采集； 所述數據處理單元對四路信號進行數據處理單元，重點是計算四路信號的時延，從而 計算出放電源在變電站的平面位置。
2. 根據權利要求1所述變電站缺陷電力設備快速檢測裝置，其特征在于：所述前置寬 帶放大器的帶寬為1GHz，增益為40dB。
3. 根據權利要求1所述變電站缺陷電力設備快速檢測裝置，其特征在于：所述超高速 數據采樣單元為>3Gsps的數據采集卡。
4. 根據權利要求1所述變電站缺陷電力設備快速檢測裝置，其特征在于：所述數據處 理單元為工業控制計算機。
5. -種利用權利要求1至4中任一所述變電站缺陷電力設備快速檢測裝置進行放電源 檢測的方法，其特征在于包括步驟一多路電波信號同步采集、步驟二采用雙譜估計算法確 定兩路電波信號的時延以及步驟三利用時延計算放電源點的平面位置； 步驟一多路電波信號同步采集 將所述變電站缺陷電力設備快速檢測裝置在待測的變電站某一位置放置后，所述檢 測裝置啟動后，所述多通道特高頻全向傳感器接收變電站缺陷電力設備因放電產生的電磁 波信號，經所述前置寬帶放大器放大和濾波處理后由所述超高速數據采集單元進行同步采 集，送所述數據處理單元對多路信號進行數據處理單元； 步驟二采用雙譜估計算法確定兩路電波信號的時延 通過信號的數字采集系統同時采集到的兩路信號分別為離散序列Ixl (n)}和 1x2 (n) }，結合高階累積量理論，利用參數雙譜時延估計算法的計算機數值實現方法，計算 子步驟如下 子步驟1 :同常規計算方法，將觀測到的信號數據樣本分為K段，每段包含M個觀測樣 本，分別記其中k= 1，2,…，k，i = 1，2,相鄰兩段數據之間可 以有重合； 子步驟2 :計算每段信號的自三階累積量和互三階累積量：
其中，Sl和S2分別取值為： 51. max (0, - T，- P ) 52. min (M-l，M-I- T，M-I- P ) 子步驟3 :計算各段信號自三階累積量和互三階累積量的平均值，作為整段信號的三 階累積量估計：
其中…為.…氺Ir ^將使A取最大值的索引值d，作為兩路信號時延的估計^ 步驟三利用時延計算放電源點的平面位置 傳感器陣列采用平面矩形排列方式，假設四個傳感器在平面坐標系內的位置坐標分別 為（X1, yi)、（x2, y2)、（x3, y3)和（x4, y4)，放電源位置為（X，y)，放電源與四個傳感器間的距離 分別為屯、d2、d3和d4,即
根據平面解析幾何知識，放電源到每兩個傳感器之間的距離差（Cli-Cip可唯一確定一 個單支雙曲線，因此，以天線陣列中心為平面直角坐標原點，通過時間差可以確定放電點所 在象限，利用相同方向的單支雙曲線方程聯立可得到如下非線性方程組：
式中aij = (di-dj)/2-雙曲線的半長軸長； hI --雙曲線的半短軸長的平方； Cij--雙曲線焦距，可根據天線陣列的尺寸得到； 假設四路放電信號的波形起始時刻分別為dtp dt2、dt3和dt4，放電信號傳播至不同天 線的時間差AT12、AT43、AT14、'!^可表示為
將（10)所求得的結果代入（7)與⑶并求解即可得到放電源的坐標（x，y)，在此基礎 上即可得到放電源的方位角（參照極坐標規則，以水平向右方向為0° )和放電源距離檢測 系統的徑向距離； 定位算法示意圖3如圖所示； 算法中針對不同象限與不同位置時間差A T12、A T43、A T14、AT23的特點，將平面分為若 干區域進行相應的特殊處理： 1) 0。與 180。 當放電源位于檢測系統水平正右方或水平正左方時，其A T14、A T23幾乎為0,此時放電 源的橫坐標可直接確定，通過△ T12或△ T43的正負即可確定放電源所在方位角，隨后可直接 通過（7)式來確定其徑向距離，由于在波形起始點的尋找中可能存在一定的誤差，因此為 A 1\4和A 1~23保留一定的閾度，在小于這一閾度的范圍內，可認為其約等于0,并按照上述方 法處理； 2) 90。與 270。 當放電源位于檢測系統正前方或正后方時，其AT12或AT43幾乎為0,此時放電源的縱 坐標可以直接確定，與（1)類似，通過八1\4或AT23的正負即可確定放電源所在的方位角， 隨后通過（8)式來確定其徑向距離； 3) 第I象限 當AT12X)且AT23〈0時，放電源的位置處于第I象限內，其角度范圍為（0°，90° )， 在第I象限內，存在b12 = 0以及b23 = 0的區域，為此，當時間差滿足 v ? AT12I ^ L12或 |v-AT23I^ L23 (11) 時，可直接確定放電源的一個坐標值與天線的坐標一致，進而代入式（7)或式（8)確定 另一個坐標完成定位，如果時間差不滿足（11)所表示的關系，則直接求解非線性方程組來 求取定位結果； 4) 第II象限 當AT12〈0且AT23〈0時，放電源的位置處于第II象限內，其角度范圍為 (90°，180° )，與第I象限類似，在第II象限內存在b12 = O以及b14 = O的區域，為此，當 時間差滿足 V ? AT12I ^ L12 或 |v ? AT14I ?L14(12) 時，可直接確定放電源的一個坐標值，進而確定其另一個坐標，如果時間差不滿足（12) 所表示的關系，則直接求解非線性方程組來求取定位結果； 5) 第III象限 當AT12〈0且AT23X)時，放電源的位置處于第III象限內，其角度范圍為 (180°，270° )。在第III象限內當時間差滿足 V A T431 ^ L43 或 |v ? AT14I ?L14(13) 時，會導致b43 = 0或b14 = 0,此時直接確定放電源的一個坐標值,進而代入方程確定 其位置，如果時間差不滿足（13)所述關系，則直接求解方程組； 6) 第IV象限 當AT12X)且AT23X)時，放電源的位置處于第IV象限內，其角度范圍為 (270°，360° )，在第III象限內當時間差滿足 V A T431 ^ L43 或 Iv ? AT23|? L23(M) 時，會導致b43 = 0或b23 = 0,此時直接確定放電源的一個坐標值,進而代入方程確定 其位置，如果時間差不滿足（14)所述關系，則直接求解方程組； 在求解（7)與（8)兩個非線性方程組時，采用牛頓迭代法進行求解，如將（7)方程組寫 成向量方程#(X) = 〇的形式，其中X= (x，y)T，有
f(X)，F(XJiX^Xk) (17) 其中/7K1)為/?的Jacobi矩陣在Xk處的值。若X取值為方程組（4-23)的根X%即 &!〇 = 0,把使得式（17)右端為0的向量X作為新的近似值，記為Xk+1，即有：
式（18)即為牛頓求解非線性方程組的迭代公式。
【文檔編號】G01R31/12GK104360240SQ201410386480
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年8月7日 優先權日:2014年8月7日
【發明者】殷軍, 郭浩, 劉玄 申請人:國家電網公司, 國網天津市電力公司
專業數控銑床產品供應商
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