一种基于矩形时频滤波器的交直流耐压局放试验系统

技术领域

本发明涉及一种交直流耐压局放试验系统，尤其是涉及一种基于矩形时频滤波器的交直流耐压局放试验系统。

背景技术

经过多年的实践，针对基于传统脉冲电流法局部放电(partial discharges，PD)试验检测时可能出现的干扰源，广大科研及工程技术人员提出了如表1所示的抗干措施(主要见标准DL/T 417-2006《电力设备局部放电现场测量导则》)。一般情况下，电力设备的交流和直流耐压PD试验，利用标准GB/T 7354-2018《高电压试验技术局部放电测量》推荐的常规脉冲电流PD检测方法(宽带或窄带法，检测频带均在1MHz以内)和表1所示的抗干措施，在出厂试验即实验室条件下均能顺利开展。以换流变压器交流和直流耐压PD试验为例，试验回路如图1所示。

表1

但对于现场交接以及故障性诊断试验，依旧存在复杂电磁背景下、难以剔除干扰脉冲信号的工况。标准推荐的抗干扰技术实施难度大，现有PD检测系统经常无法辨别脉冲信号是来自于干扰源还是加压后的PD源。这使得交流和直流耐压PD试验往往需要检测人员的经验进行判断，严重影响了试验进程，还存在误判的可能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于矩形时频滤波器的交直流耐压局放试验系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于矩形时频滤波器的交直流耐压局放试验系统，包括局部放电超宽频带检测系统、交流耐压试验模块、直流耐压试验模块、二维时频窗动态显示模块、矩形时频滤波器算法模块和耐压局放数据动态显示和存储模块；

所述的局部放电超宽频带检测系统分别与交流耐压试验模块、直流耐压试验模块和二维时频窗动态显示模块连接，所述的二维时频窗动态显示模块分别与矩形时频滤波器算法模块和耐压局放数据动态显示和存储模块连接，所述的矩形时频滤波器算法模块和耐压局放数据动态显示和存储模块连接。

优选地，所述的局部放电超宽频带检测系统包括依次连接的宽频带检测阻抗、信号调理单元、数据采集终端、装有控制和显示软件的工业控制用PC机；

所述的局部放电超宽频带检测系统在交流耐压试验模块下，所述数据采集终端记录相应的脉冲群，该脉冲群为脉冲波形-相位时间序列。

优选地，所述的局部放电超宽频带检测系统包括依次连接的宽频带检测阻抗、信号调理单元、高速示波器、装有控制和显示软件的笔记本电脑；

所述的局部放电超宽频带检测系统在直流耐压试验模块下，所述高速示波器记录相应的脉冲群，该脉冲群为脉冲波形-时间序列。

优选地，所述的数据采集终端或高速示波器记录装置的采样率需在100MS/s及以上，模拟带宽50MHz及以上，记录存储的脉冲波形-时间序列定义如下：

Pulse

式中：ii为第ii个脉冲；N为脉冲电流波形p

优选地，所述的交流耐压试验模块采用交流耐压试验系统，具体为换流变压器在网侧施压的长时感应耐压PD试验回路，包括发电机组G、补偿电抗器L、电压测量装置V、中间变压器T和试品。

优选地，所述的直流耐压试验模块采用直流耐压试验系统，具体为换流变压器直流外施耐压PD试验回路，包括直流发生器ZF、保护电阻、电压测量装置V和试品。

优选地，所述的二维时频窗动态显示模块的具体处理过程如下：

Step101，时域脉冲数据预处理，具体预处理过程为：

对超宽频带检测获取的脉冲群做如下预处理：

式中：a

Step102:脉冲群波形离散快速短时傅里叶变换，

对脉冲群的所有波形p

式中：w(i-m)长度为m的窗函数；

依据式(2)和(3)，p

M

Step103:脉冲群的二维时频窗动态显示，

由式(2)和(4)，得脉冲波形-时间序列即脉冲群对应的二维时频窗(T,F)

优选地，所述的矩形时频滤波器算法模块的具体处理过程如下：

Step201.根据脉冲群的二维时频窗(T,F)

Step202.在二维时频窗软件显示控件上利用鼠标在位置P

Step203.获取当前矩形时频滤波器Filter(i)中所有(T,F)

Step204.基于耐压局放数据动态显示和存储模块显示

Step205.动态显示二维时频窗中参数分布和时频滤波器Filter(i)关联

优选地，在电压施加之前已出现脉冲分布的为噪声源，可设置一个矩形时频滤波器Filter(1)观察其特性；

同样，在电压施加之后出现的脉冲分布为PD源，可再次设置一个矩形时频滤波器Filter(2)。

优选地，所述耐压局放数据动态显示和存储模块对脉冲群的所有波形进行实时存储，并显示对应的参数包括脉冲时域和频域波形、峰值-相位序列、脉冲个数、脉冲最大值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明在二维时频窗上手动设置矩形时频滤波器即所谓时域和频域联合的时频开窗法，动态显示矩形时频滤波器关联的当前耐压工况下PD参数，从而可实现耐压工况下的在时域和频域下联合的实时抗干扰和脉冲源分离技术。比现有系统或方法单独使用频域滤波器和时域开窗法具有更好的抗干扰效果。

2、本发明具有简单和实用，对耐压前后工况下的脉冲波形-相位(时间)序列全部存储，除了可实时判断当前试品绝缘耐受是否符合PD试验要求，还可在试验结束后开展回放分析，即实现了①干扰脉冲源剔除、②多PD源分离和③耐压试验PD数据追溯(数据文件为脉冲波形-相位(时间)序列)，且根据③积累的数据，可实现同一设备在出厂、现场交接验收和故障诊断性试验数据间的比对，为电力设备的资产全寿命技术分析支撑评价提供依据。

附图说明

图1为换流变压器在网侧施压的长时感应耐压PD试验的电路图；

图2为换流变压器在直流外施耐压PD试验的电路图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明脉冲群二维时频窗动态显示的示意图；

图5为本发明矩形时频滤波器算法的流程图；

图6(a)至图6(d)为本发明在软件中的应用示例图；其中图6(a)为随意在二维时频窗上布置了2个时频滤波器，时频滤波器1和时频滤波器2中均无脉冲群；图6(b)为二维时频窗上布置了2个时频滤波器，时频滤波器1动态关联相位无序的背景噪声源、时频滤波器2中无脉冲群；图6(c)为二维时频窗上布置了2个时频滤波器，时频滤波器1动态关联相位无序的背景噪声源、时频滤波器2动态关联相位有序即集中于90°和270°的PD源；图6(d)为二维时频窗上布置了2个时频滤波器，时频滤波器1动态关联相位有序即集中于90°和270°的PD源、时频滤波器2动态关联相位有序即集中于30°和210°的PD源；

其中G为发电机组；L为补偿电抗器；T为中间变压器；V为电压测量装置；a、b为阀侧绕组线端；C1、C2为阀侧高压套管电容；A、N为网侧绕组线端；S为调压绕组高压端；C3、C4为网侧高压套管电容；Z为检测阻抗；PDE为局部放电测试仪；ZF为直流发生器；R1、R2为保护电阻。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于矩形时频滤波器的交直流耐压局放试验系统。即利用PD超宽频带检测系统，根据交流和直流耐压PD试验要求，设置由离散短时傅里叶变换构成的二维时频窗(T,F)动态关联显示当前耐压工况下的PD参数，包括脉冲时域和频域波形、峰值-相位(时间)序列(即脉冲群)、脉冲个数、脉冲最大值等；试验人员在二维时频窗上手动设置矩形时频滤波器即所谓时域和频域联合的时频开窗法，动态显示矩形时频滤波器关联的当前耐压工况下PD参数，从而实现耐压工况下的实时抗干扰和脉冲源分离技术。该系统及方法具有简单和实用，对耐压前后工况下的脉冲波形-相位(时间)序列全部存储，除了可实时判断当前试品绝缘耐受是否符合PD试验要求，还可在试验结束后开展回放分析，即实现了①干扰脉冲源剔除、②多PD源分离和③耐压试验PD数据追溯(数据文件为脉冲波形-相位(时间)序列)，且根据③积累的数据，可实现同一设备在出厂、现场交接验收和故障诊断性试验数据间的比对，为电力设备的资产全寿命技术分析支撑评价提供依据。

如图3所示，一种基于矩形时频滤波器的交直流耐压局放试验系统1，包括局部放电超宽频带检测系统10、交流耐压试验模块11、直流耐压试验模块12、二维时频窗动态显示模块13、矩形时频滤波器算法模块14和耐压局放数据动态显示和存储模块15；

所述的局部放电超宽频带检测系统10分别与交流耐压试验模块11、直流耐压试验模块12和二维时频窗动态显示模块13连接，所述的二维时频窗动态显示模块13分别与矩形时频滤波器算法模块14和耐压局放数据动态显示和存储模块15连接，所述的矩形时频滤波器算法模块14和耐压局放数据动态显示和存储模块15连接。

所述的局部放电超宽频带检测系统10基于脉冲波形触发技术记录单个时域波形和对应触发时刻的脉冲波形-(相位)时间序列即脉冲群。一般情况下，交流耐压下的脉冲群为脉冲波形-相位时间序列；直流耐压下的脉冲群为脉冲波形-时间序列。所述的局部放电超宽频带检测系统10包括依次连接的宽频带检测阻抗、信号调理单元、数据采集终端、装有控制和显示软件的工业控制用PC机；所述的局部放电超宽频带检测系统10在交流耐压试验模块11下，所述数据采集终端记录相应的脉冲群，该脉冲群为脉冲波形-相位时间序列。

或者所述的局部放电超宽频带检测系统10包括依次连接的宽频带检测阻抗、信号调理单元、高速示波器、装有控制和显示软件的笔记本电脑；所述的局部放电超宽频带检测系统10在直流耐压试验模块12下，所述高速示波器记录相应的脉冲群，该脉冲群为脉冲波形-时间序列。

所述的数据采集终端或高速示波器记录装置的采样率需在100MS/s及以上，模拟带宽50MHz及以上，记录存储的脉冲波形-时间序列定义如下：

Pulse

式中：ii为第ii个脉冲；N为脉冲电流波形p

如图1所示，所述的交流耐压试验模块采用交流耐压试验系统，具体为换流变压器在网侧施压的长时感应耐压PD试验回路，包括发电机组G、补偿电抗器L、电压测量装置V、中间变压器T和试品。

如图2所示，所述的直流耐压试验模块采用直流耐压试验系统，具体为换流变压器直流外施耐压PD试验回路，包括直流发生器ZF、保护电阻、电压测量装置V和试品。

优选地，所述的二维时频窗动态显示模块的具体处理过程如下：

Step101，时域脉冲数据预处理，该步骤使得局部放电超宽频带检测系统中采集装置获取的脉冲群电流波形(原始信号)形成具有统一标准且易处理的脉冲-时间序列。即为了便于后续脉冲群的快速变换，对超宽频带检测获取的脉冲群做如下预处理：

式中：a

Step102:脉冲群波形离散快速短时傅里叶变换，

对脉冲群的所有波形p

式中：w(i)和m——长度为m的窗函数(例如Hamming)；

依据式(2)和(3)，p

M

Step103:脉冲群的二维时频窗动态显示，如图4所示；

由式(2)和(4)，得脉冲波形-时间序列即脉冲群对应的二维时频窗(T,F)

图4中，

所述的矩形时频滤波器算法模块的具体处理过程如下：

Step201.根据脉冲群的二维时频窗(T,F)

Step202.在二维时频窗软件显示控件上利用鼠标在位置P

Step203.获取当前矩形时频滤波器Filter(i)中所有(T,F)

Step204.基于耐压局放数据动态显示和存储模块显示

Step205.动态显示二维时频窗中参数分布和时频滤波器Filter(i)关联

一般情况下，在电压施加之前已出现脉冲分布的为噪声源，可以设置一个矩形时频滤波器Filter(1)观察其特性，基于15耐压局放数据动态显示和存储模块，显示包括脉冲时域和频域波形、峰值-相位(时间)序列、脉冲个数、脉冲最大值等参数；同样，在电压施加之后出现的脉冲分布为PD源，可再次设置一个矩形时频滤波器Filter(2)，基于耐压局放数据动态显示和存储模块，同样显示包括脉冲时域和频域波形、峰值-相位(时间)序列、脉冲个数、脉冲最大值等PD参数。

耐压局放数据动态显示和存储模块，对脉冲群的所有波形进行实时存储，并显示对应的参数包括脉冲时域和频域波形、峰值-相位(时间)序列、脉冲个数、脉冲最大值等。

局部放电超宽频带检测系统模块对交流耐压试验模块或直流耐压试验模块下包含背景噪声源和试品产生PD源的脉冲波形-相位(时间)序列即脉冲群进行采集；二维时频窗动态显示模块对脉冲群进行离散短时傅里叶变换(DSTFT)构成二维时频窗，为试验人员在二维时频窗上手动设置矩形时频滤波器(矩形时频滤波器软件模块)即所谓的时频联合开窗法提供(T,F)参数分布；耐压局放数据动态显示模块根据交流和直流耐压PD试验要求，动态关联显示当前耐压工况下二维时频窗和时频滤波器对应脉冲群的相关参数，包括脉冲时域和频域波形、峰值-相位(时间)序列、脉冲个数、脉冲最大值等，从而实现耐压工况下的实时抗干扰和脉冲源分离技术。

对图6所示为利用50MHz模拟带宽、250MS/s超宽频带检测获取的交流耐压PD试验应用示例。图6(a)所示为随意在二维时频窗上布置了2个时频滤波器，时频滤波器1和时频滤波器2中均无脉冲群；图6(b)所示为二维时频窗上布置了2个时频滤波器，时频滤波器1动态关联相位无序的背景噪声源、时频滤波器2中无脉冲群；图6(c)所示为二维时频窗上布置了2个时频滤波器，时频滤波器1动态关联相位无序的背景噪声源、时频滤波器2动态关联相位有序即集中于90°和270°的PD源；图6(d)所示为二维时频窗上布置了2个时频滤波器，时频滤波器1动态关联相位有序即集中于90°和270°的PD源、时频滤波器2动态关联相位有序即集中于30°和210°的PD源。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。