一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法及其系统技术方案

公开了一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法及其系统，包括在GIS腔体的每个气室的手孔盖板内侧平行于母线的位置设有内置式UHF传感器，各个UHF传感器发出的UHF信号经由放大滤波后通过模数转换后输入FPGA芯片，接收来自FPGA芯片的UHF信号的信号特征提取与识别装置通过时频分析得到时域特征以及通过小波分析得到小波系数；时域特征和小波系数组合的特征向量归一化处理后，采用支持向量机装置对特征向量进行训练，通过比较分类正确率获得最佳的惩罚因子(C)和gamma函数参数(g)；构建支持向量机模型(SVM)，所述支持向量机模型(SVM)对提取的UHF信号进行识别以判断绝缘缺陷的种类和位置。

GIS internal insulation defect classification and positioning method and system thereof

A GIS internal insulation defect classification and positioning method and system is disclosed that includes a built-in UHF sensor is provided with a position parallel to the generatrix of the hand hole cover on the inner side of each chamber of the GIS chamber, UHF signals from each UHF sensor by amplifying and filtering through the ADC input after the FPGA chip, time-frequency analysis to obtain time-domain characteristics through the wavelet analysis and wavelet coefficients can be obtained by extraction and recognition of signal characteristic device receives the UHF signal from the FPGA chip; time domain features and wavelet coefficients combined feature vector normalization, using support vector machine for training on the feature vector, by comparing the classification accuracy obtained the optimal penalty factor (C) and gamma function parameters (g); to construct the model of support vector machine (SVM), the model of support vector machine (SVM) to determine the vast recognition of UHF signal extraction Types and locations of margin defects.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电气
，涉及电力设备的带电检测技术，特别是涉及一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法及其GIS内部绝缘缺陷分类与定位系统。
技术介绍
GIS(气体绝缘金属封闭组合电器)是电力系统非常关键的设备，如果在运行的过程中发生了故障又得不到及时的处理，将有可能给电网的运行带来严重的危害。在GIS的加工制造与运行过程中，内部很难避免会产生绝缘缺陷。绝缘缺陷在高电压的作用下，会产生电场畸变，产生局部放电现象。一方面，局放现象是绝缘缺陷的表征与体现，另一方面，局放会导致GIS的绝缘特性进一步劣化，最严重的后果就是导致设备绝缘击穿，影响整个电力系统的安全稳定运行。所以对GIS内部的局部放电进行检测十分必要。由于GIS是封闭式设备，不仅需要检测到局放，更进一步地，还需要对产生局放的绝缘缺陷进行类型识别与定位，方便工作人员安排检修。针对GIS局放检测，缺陷分类与定位，学者们已经进行了一些研究。已公开的专利技术专利《GIS特高频局部放电信号识别方法及系统》对局放信号进行预处理，得到三维谱图，并将三维谱图投影后提取放电特征参数。已公开的专利技术专利《基于GK模糊聚类的GIS局部放电类型识别方法》提取GIS局部放电灰度图像的分形特征，通过GK模糊聚类算法隔离干扰信号，采用支持向量机分类算法识别GIS局放类型。已公开的专利技术专利《一种GIS绝缘缺陷局部放电图谱模式识别方法》根据局放图谱的相位、幅值特征建立数学模型，用大量放电数据进行训练，并通过神经网络算法识别局放类型。以上专利中所涉及的局放识别方法及系统，都是基于相位分辨的局部放电(PRPD)图谱进行的，即将每一个带有相位标识的局部放电脉冲及其放电量按照工频相位显示出来，放电脉冲没有时间信息，属于一段时间内的局放脉冲的叠加，具有统计意义。但是局部放电电流上升沿极陡，一般在ns级，所以激发的超高频信号频率范围达到数GHz，持续时间约数十ns。对UHF信号直接识别有较大的难度，并且对硬件设备要求较高。但是，诸多文献中已经证实，UHF信号的原始波形无论在时域还是频域都有着丰富的信息，其特征能够反映绝缘缺陷的类型、位置。目前市场上的局放检测设备普遍进行检波、低频采样、获取统计特性的方法，与之有显著区别的是，本专利技术公开了一种基于高速采样的GIS绝缘缺陷检测系统，并通过时频分析与小波分析方法提取UHF原始波形的时频域特征，建立支持向量机算法模型，通过大量放电信息的训练，从而实现实际检测工作中对绝缘缺陷种类和位置的分类识别。
技术实现思路
为了增强电力系统运行可靠性，减少由于绝缘缺陷导致的GIS设备故障，本专利技术提供了一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法及其GIS内部绝缘缺陷分类与定位系统。本专利技术的目的包括：(1)检测GIS内部是否存在绝缘缺陷；(2)采集绝缘缺陷产生的局部放电UHF信号，并提取其时频域特征；(3)识别绝缘缺陷的类型；(4)实现绝缘缺陷的定位。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现：本专利技术的一方面，一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法包括如下步骤：第一步骤中，在GIS腔体的每个气室的手孔盖板内侧平行于母线的位置设有内置式UHF传感器，多个内置式UHF传感器构成天线阵列以接收GIS腔体内各个所述位置的绝缘缺陷产生的信号。第二步骤中，各个UHF传感器发出的UHF信号经由放大滤波后通过模数转换后输入FPGA芯片，所述FPGA芯片通过缓存的方式保存幅值大于预定阈值的UHF信号。第三步骤中，接收来自所述FPGA芯片的UHF信号的信号特征提取与识别装置通过时频分析得到时域特征以及通过小波分析得到小波系数。第四步骤中，时域特征和小波系数组合的特征向量归一化处理后，采用支持向量机装置对特征向量进行训练，采用RBF核函数，对损失函数的惩罚因子和gamma函数参数进行CV交叉验证，通过比较分类正确率获得最佳的惩罚因子和gamma函数参数。第五步骤中，利用最佳的惩罚因子和gamma函数参数构建支持向量机模型，所述支持向量机模型对提取的UHF信号进行识别以判断绝缘缺陷的种类和位置。优选地，第一步骤中，内置式UHF传感器采用平面等角螺旋天线，其检测的信号频率范围是300MHz-2GHz。优选地，在第二步骤中，所述UHF信号采用三级放大，其中，第一级采用低噪声放大器放大，放大的所述UHF信号通过7阶带通滤波器滤波，所述FPGA芯片采用DDR-SDRAM的方式进行UHF信号的数据短暂存储，当存储数据量满时，新采集的数据自动覆盖最早的数据，实现循环保存。优选地，第三步骤中，信号特征提取与识别装置通过短时傅里叶变换得到能量密度分布作为时域特征以及通过伸缩和平移运算对信号进行多尺度的细化分析得到小波系数。优选地，第四步骤中，利用网格参数法和粒子群优化算法寻优得到最优的SVM损失函数的惩罚因子和gamma函数参数。优选地，第五步骤中，所述支持向量机模型确定超平面使得各个特征向量到所述超平面的距离最大以确保分类准确。根据本专利技术的另一方面，一种实施所述的GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法的GIS内部绝缘缺陷分类与定位系统包括用于采集GIS腔体的绝缘缺陷信号的多个内置式UHF传感器、用于采集多个内置式UHF传感器发出的UHF信号的UHF信号采样装置、用于处理所述UHF信号的信号特征提取与识别装置和用于判断绝缘缺陷的种类和位置的支持向量机装置，带有平面等角螺旋天线的所述内置式UHF传感器经由阻抗变换器连接所述UHF信号采样装置，所述UHF信号采样装置包括放大模块、滤波器、AD转换器、FPGA芯片和无线传输模块，无线连接所述UHF信号采样装置的信号特征提取与识别装置包括用于分析所述UHF信号的时域特征的时域分析模块和用于分析所述UHF信号小波系数的小波分析模块，所述支持向量机装置包括用于归一化处理的归一模块、用于优化的CV交叉验证模块和构建支持向量机模型的支持向量机计算模块。优选地，所述时域分析模块为短时傅里叶变换计算模块，所述小波分析模块包括多尺度计算单元。优选地，信号特征提取与识别装置和/或所述支持向量机装置包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。优选地，信号特征提取与识别装置和/或所述支持向量机装置包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：(1)在GIS腔体的不同气室内设置内置式UHF传感器，多个传感器构成一个天线阵列，对于GIS内各个位置的绝缘缺陷产生的信号都保证较好的接收效果。(2)使用FPGA芯片对UHF传感器接收到的信号进行模数转换，转换前需要进行放大与滤波。(3)采集到的UHF原始波形对数据传输速率要求较高，采用了“先缓存、再发送”的方式，采样装置先将数据存储在SDRAM中，再将多次的UHF波形通过无线传输技术发送至信号特征提取与识别装置进行处理。(4)信号特征提取与识别装置与采样装置采取“一对多”的连接模式。由于采用无线传输，上位机的设置位置受物理条件的限制较小，一台上位机可以同时接收多个下位机上传的信号。(5)信号特征提取与识别装置接收检测装置采集的UHF原始波形，并通过时频分析与小波分析相结合的算法，提取信号的时频域特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法，其包括如下步骤：第一步骤(S1)中，在GIS腔体的每个气室的手孔盖板内侧平行于母线的位置设有内置式UHF传感器(1)，多个内置式UHF传感器(1)构成天线阵列以接收GIS腔体内各个所述位置的绝缘缺陷产生的信号；第二步骤(S2)中，各个UHF传感器(1)发出的UHF信号经由放大滤波后通过模数转换后输入FPGA芯片(8)，所述FPGA芯片(8)通过缓存的方式保存幅值大于预定阈值的UHF信号；第三步骤(S3)中，接收来自所述FPGA芯片(8)的UHF信号的信号特征提取与识别装置(3)通过时频分析得到时域特征以及通过小波分析得到小波系数；第四步骤(S4)中，时域特征和小波系数组合的特征向量归一化处理后，采用支持向量机装置(4)对特征向量进行训练，采用RBF核函数，对损失函数的惩罚因子(C)和gamma函数参数(g)进行CV交叉验证，通过比较分类正确率获得最佳的惩罚因子(C)和gamma函数参数(g)；第五步骤(S5)中，利用最佳的惩罚因子(C)和gamma函数参数(g)构建支持向量机模型(SVM)，所述支持向量机模型(SVM)对提取的UHF信号进行识别以判断绝缘缺陷的种类和位置。...

【技术特征摘要】
1.一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法，其包括如下步骤：第一步骤(S1)中，在GIS腔体的每个气室的手孔盖板内侧平行于母线的位置设有内置式UHF传感器(1)，多个内置式UHF传感器(1)构成天线阵列以接收GIS腔体内各个所述位置的绝缘缺陷产生的信号；第二步骤(S2)中，各个UHF传感器(1)发出的UHF信号经由放大滤波后通过模数转换后输入FPGA芯片(8)，所述FPGA芯片(8)通过缓存的方式保存幅值大于预定阈值的UHF信号；第三步骤(S3)中，接收来自所述FPGA芯片(8)的UHF信号的信号特征提取与识别装置(3)通过时频分析得到时域特征以及通过小波分析得到小波系数；第四步骤(S4)中，时域特征和小波系数组合的特征向量归一化处理后，采用支持向量机装置(4)对特征向量进行训练，采用RBF核函数，对损失函数的惩罚因子(C)和gamma函数参数(g)进行CV交叉验证，通过比较分类正确率获得最佳的惩罚因子(C)和gamma函数参数(g)；第五步骤(S5)中，利用最佳的惩罚因子(C)和gamma函数参数(g)构建支持向量机模型(SVM)，所述支持向量机模型(SVM)对提取的UHF信号进行识别以判断绝缘缺陷的种类和位置。2.根据权利要求1所述的一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法，其特征在于，优选的，第一步骤(S1)中，内置式UHF传感器(1)采用平面等角螺旋天线，其检测的信号频率范围是300MHz-2GHz。3.根据权利要求1所述的一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法，其特征在于：在第二步骤(S2)中，所述UHF信号采用三级放大，其中，第一级采用低噪声放大器放大，放大的所述UHF信号通过7阶带通滤波器滤波，所述FPGA芯片(8)采用DDR-SDRAM的方式进行UHF信号的数据短暂存储，当存储数据量满时，新采集的数据自动覆盖最早的数据，实现循环保存。4.根据权利要求1所述的一种GIS内部绝缘缺陷分类与定位方法，其特征在于：第三步骤(S3)中，信号特征提取与识别装置(3)通过短时傅里叶变换得到能量密度分布作为时域特征以及通过伸缩和平移运算对信号进行多尺度的细化分析得到小波系数。5.根据权利要求1所述的一种GIS内部绝缘缺陷分类与定...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小华，李锡，谢鼎力，荣命哲，刘定新，杨爱军，吴翊，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61