基于电磁辐射信号的有载分接开关状态监测方法

技术领域

本发明属于电气设备故障检测技术领域，特别是一种基于电磁辐射信号的有载分接开关状态监测方法。

背景技术

电力系统不仅要提供安全、平稳的电能，更要及时调节线路电压、合理分配电能。变压器作为电力系统的作用组成部分，在需求调整或负荷变化时可以及时调节输出电压，发挥重要功能。变压器中承担调压功能的部件是变压器有载分接开关(on-load tapchanger，OLTC)，它通过改变连接的变压器绕组抽头，增加或减少绕组的匝数来改变电压变比，进而实现对线路电压的调节。作为变压器内部除了起排风散热作用的风扇外唯一需要进行机械动作的部件，有载分接开关总是需要长期承担大电流开断闭合的任务，因此它是变压器故障率最高的部件之一，约占变压器总故障的23.2％，因此对其进行状态监测十分重要。

有载分接开关能实现对电压的调节依靠的是切换芯子中动静触头的分离与闭合，由于线路电感的存在，触头分离瞬间电流不能突变，会有续流电弧产生。电弧的电磁暂态过程不仅会在回路中产生高频电流，使电流发生畸变，也会向外辐射电磁信号，采集并分析电压、电流及电磁信号可用于反映有载分接开关的放电过程，进而对其电气性能做出评判。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于电磁辐射信号的有载分接开关状态监测方法，在不影响分接开关正常工作的情况下监测且监测精度高，降低运维成本，避免严重事故。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，基于电磁辐射信号的有载分接开关状态监测方法包括以下步骤，

采集正常工况下待检测的有载分接开关切换时的电磁辐射信号，

对电磁辐射信号进行滤波预处理，并利用双阈值寻峰算法提取电磁辐射信号的峰值信息得到有载分接开关的切换时序与分接开关触头间放电过程信息，放电过程信息包括切换过程中的特征量，

利用支持向量机对所述特征量进行分类，通过分类结果判断有载分接开关的工作状态。

所述的方法中，搭建有载分接开关试验平台，针对动静触头分离时产生的电弧并在电弧的产生与熄灭时产生高频电流信号与电磁辐射信号，利用传感器测量触头间电压、流过电流、流过的频率1MHz以上的高频电流信号与放电时向外辐射的电磁辐射信号。

所述的方法中，利用有载分接开关试验平台进行波形测试，配有直流或交流电源和匹配电阻的测量电路与变压器电路相连，并串入限流电阻，在测试过程中，主通断触头动作，迫使电流流经分接开关过渡支路，随着过渡电阻的接入与切出，回路中的电流会呈现规律性变化，将电流记录并与标准波形比较，判断切换过程中是否存在异常，不存在异常时，采集正常工况下待检测的有载分接开关切换时的电磁辐射信号。

所述的方法中，使用Teager能量算子滤波预处理电磁辐射信号，其中，连续信号的电磁辐射信号x(t)的Teager能量算子计算方式如下：

t为时间，w(t)为x(t)的Teager能量，x(t)、

经数据采集获得的信号均为离散信号f(n)，利用连续三个采样点获取其Teager能量算子，计算方式如下：

Y[f(n)]＝f

其中Y[f(n)]为f(n)的Teager能量算子，f(n-1)、f(n)和f(n+1)为三个连续的采样数值，n为变量。

所述的方法中，使用基于局部最大值的寻峰算法提取并比较每个数据点与其邻域的大小来确定局部峰值，同时为防止噪声峰值的误选与尖峰密集时的重复选择，使用设定双阈值的方法进行限制，依据Teager能量算子中的噪声信号幅值的a倍设为搜索峰值的幅值阈值以减少背景噪声峰值的误判，随后设定b ms为所寻的峰值间的最小时间间隔，以减少放电尖峰密集时对整体结果的影响，随后依据电磁辐射信号尖峰对电磁辐射信号进行时域上的阶段划分，得到各个电弧起始时刻t

所述的方法中，针对正常工况与不同故障形式的分接开关进行特征提取，形成特征矩阵与对应的反映分接开关状态的标签矩阵。

所述的方法中，使用SVM对矩阵数据进行分类实现利用特征量对分接开关状态的监测。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：利用天线可以在不影响分接开关正常工作的情况下获得电磁辐射信息进而判断分接开关状态；处理信号的算法简单，计算量小、处理效果好；不仅可以依据燃弧时间L

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1(a)图1(b)是有载分接开关试验平台测试的触头间的电压波形与流过的电流波形图和回路中的高频电流信号与电磁辐射信号示意图，其中，图1(a)为触头间的电压波形与流过的电流波形图，图1(b)为回路中的高频电流信号与电磁辐射信号示意图；

图2是有载分接开关试验平台测试的电流波形示意图；

图3(a)至图3(d)是有载分接开关试验平台的触头在四个时刻有序切换的动作示意图，图3(a)为动触头与K1分离动作图、图3(b)为动触头与K3接触动作图、图3(c)为动触头与K2分离动作图、图3(d)为动触头与K4接触动作图；

图4是进行分接开关故障模拟的试验回路示意图；

图5(a)图5(b)是触头正常状态下的各个传感器采集到的信号波形图，其中，图5(a)为回路中的高频电流信号示意图，图5(b)为电磁辐射信号示意图；

图6为经TEO处理与提取尖峰信息后的信号示意图；

图7为统计一次测量中1档至19档的升档过程的正常状态下各特征量的示意图；

图8(a)图8(b)为统计一次测量中1档至19档的升档过程的触头烧蚀与触头磨损故障下的各特征量的示意图，其中，图8(a)为触头磨损状态的特征量的示意图，图8(b)为触头烧蚀状态的特征量的示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图8(b)所示，在一个实施例中，基于电磁辐射信号的有载分接开关状态监测方法包括以下步骤，

采集正常工况下待检测的有载分接开关切换时的电磁辐射信号，

对电磁辐射信号进行滤波预处理，并利用双阈值寻峰算法提取电磁辐射信号的峰值信息得到有载分接开关的切换时序与分接开关触头间放电过程信息，放电过程信息包括切换过程中的特征量，

利用支持向量机对所述特征量进行分类，通过分类结果判断有载分接开关的工作状态。

所述的方法的优选实施方式中，搭建用于实现有载分接开关的动静触头的带电分离的触头分离模拟试验平台，动静触头分离时产生电弧并在电弧的产生与熄灭时产生高频电流信号与电磁辐射信号，利用传感器测量触头间电压、流过电流、流过的频率1MHz以上的高频电流信号与放电时向外辐射的电磁辐射信号。

所述的方法的优选实施方式中，触头分离模拟试验平台对分接开关进行波形测试，配有直流或交流电源和匹配电阻的测量电路与变压器电路相连，并串入限流电阻，在测试过程中，主通断触头动作，迫使电流流经分接开关过渡支路，随着过渡电阻的接入与切出，回路中的电流会呈现规律性变化，将电流记录并与标准波形比较，判断切换过程中是否存在异常，不存在异常时，采集正常工况下待检测的有载分接开关切换时的电磁辐射信号。

所述的方法中，使用Teager能量算子滤波预处理电磁辐射信号，其中，连续信号的电磁辐射信号x(t)的Teager能量算子计算方式如下：

t为时间，w(t)为x(t)的Teager能量，x(t)、

经数据采集获得的信号均为离散信号f(n)，利用连续三个采样点获取其Teager能量算子，计算方式如下：

Y[f(n)]＝f

其中Y[f(n)]为f(n)的Teager能量算子，f(n-1)、f(n)和f(n+1)为三个连续的采样数值。

所述的方法的优选实施方式中，使用基于局部最大值的寻峰算法提取并比较每个数据点与其邻域的大小来确定局部峰值，同时为防止噪声峰值的误选与尖峰密集时的重复选择，使用设定双阈值的方法进行限制，依据Teager能量算子中的噪声信号幅值的a倍设为搜索峰值的幅值阈值以减少背景噪声峰值的误判，随后设定b ms为所寻的峰值间的最小时间间隔，以减少放电尖峰密集时对整体结果的影响，随后依据电磁辐射信号尖峰对电磁辐射信号进行时域上的阶段划分，得到各个电弧起始时刻t

根据所测的分接开关的类型，可取a和b的值为：

所述的方法的优选实施方式中，针对正常工况与不同故障形式的分接开关进行特征提取，形成特征矩阵与对应的反映分接开关状态的标签矩阵。

所述的方法的优选实施方式中，使用SVM对矩阵数据进行分类实现利用特征量对分接开关状态的监测。

在一个实施例，首先搭建有载分接开关试验平台，使用电流钳、差分探头、高频电流传感器与宽频天线采集有载分接开关切换时的各特征信号，随后针对电磁信号进行滤波预处理，并利用双阈值寻峰算法提取电磁信号的峰值信息，进而得到有载分接开关的切换时序与分接开关触头间放电过程信息。并提取切换过程中的相关特征，利用支持向量机进行分类，分类结果良好。此基于电磁辐射信号的有载分接开关状态监测方法在降低运维成本，避免严重事故方面有着重要的意义。

在一个实施例，首先采集正常工况与待检测的有载分接开关切换时辐射的电磁信号，利用Teager能量算子进行预处理并提取电磁信号尖峰信息，根据其信息判断分接开关的切换时序与每次切换时的燃弧时间并提取相关特征量，最后利用支持向量机的方法对特征量进行分类，通过分类结果判断有载分接开关的工作状态，进而实现对有载分接开关状态的监测。

在一个实施例，首先在实验室搭建了触头分离模拟试验平台，可用于实现动静触头的带电分离，并利用传感器测量触头间电压、流过电流、流过高频电流(频率1MHz以上)与放电时向外辐射的电磁信号。试验中可发现动静触头分离时会产生电弧，并在电弧的产生与熄灭时产生幅值明显的高频电流信号与电磁辐射信号，如图1(a)图1(b)所示，其中图1(a)为触头间的电压波形与流过的电流波形，图1(b)中为回路中的高频电流信号与电磁辐射信号，在电弧起始与熄灭瞬间有显著的高频电流与电磁辐射峰。利用该峰值出现的时刻推测触头的分离时刻与电弧的燃烧时间，如图1(a)图1(b)中触头于0时刻分离，燃弧时间为8ms。

利用以上放电时的电磁信号尖峰信息与切换过程的关系，可用于判断真是分接开关切换过程是否存在异常，以M型分接开关为例，方法如下：

(1)首先应对分接开关进行波形测试，波形测试是电气行业内为验证变压器有载开关在运输时没有受到损伤(变压器厂)，并确保分接开关的安装和接线正确(变压器厂)，最后确认运输过程中没有发生意外损坏(现场吊装)的测试方法。该方法搭建的电路如下：配有直流或交流电源和匹配电阻的测量电路与变压器电路相连，并串入限流电阻。在测试过程中，主通断触头动作，迫使电流流经分接开关过渡支路，随着过渡电阻的接入与切出，回路中的电流会呈现规律性变化，将电流记录并与标准波形比较，可判断切换过程中是否存在异常。该方法在变压器装配完毕、运输和检修结束后做波形测试较为有效，由于测试回路中绕组电感的存在，波形图会有所畸变，难以获取准确的过渡电阻切换时刻信息，因此不带绕组进行测试，可获得电流波形如图2所示。电流在t

(2)随后进行电磁信号的采集：在分接开关附近安装尺寸合适的天线，确保能采集到放电时的电磁信号，随后对分接开关进行变档操作，此时由于分接开关档位变化，其切换开关内部的动静触头分离，改变了电流的通路，触头分离瞬间电弧产生，当两触头间距足够远时，电弧熄灭，故在一次触头分离过程中电弧起始与熄灭时各有一个电磁信号尖峰。而分接开关的一次档位变换包含了数个触头的分离与闭合，因此天线所采集到的电磁信号包含了多个尖峰。

(3)由于空间中存在复杂的电磁干扰，若要对电磁信号尖峰进行提取，则应优先对电磁信号进行预处理，本发明使用Teager能量算子(TEO)处理信号，其原理如下：

所述的方法中，使用Teager能量算子滤波预处理电磁辐射信号，其中，连续信号的电磁辐射信号x(t)的Teager能量算子计算方式如下：

t为时间，w(t)为x(t)的Teager能量，x(t)、

经数据采集获得的信号均为离散信号f(n)，利用连续三个采样点获取其Teager能量算子，计算方式如下：

Y[f(n)]＝f

其中Y[f(n)]为f(n)的Teager能量算子，f(n-1)、f(n)和f(n+1)为三个连续的采样数值。

由上式可知，信号的幅值越高、频率越大，其Teager能量越大，因此TEO运算可以强化幅值不够明显的高频信号。应用在有载分接开关的电磁辐射信号中，可放大动静触头切换时辐射的电磁信号能量，并使得空间中电磁干扰衰减。

(4)针对处理后的电磁信号，使用基于局部最大值的寻峰算法，提取并比较每个数据点与其邻域的大小来确定局部峰值，同时为防止噪声峰值的误选与尖峰密集时的重复选择，使用设定双阈值的方法进行限制：

首先依据TEO中的噪声信号幅值的a倍设为搜索峰值的幅值阈值以减少背景噪声峰值的误判，随后设定b ms为所寻的峰值间的最小时间间隔，以减少放电尖峰密集时对整体结果的影响。

(5)随后依据电磁信号尖峰对电磁信号进行时域上的阶段划分，得到各个电弧起始时刻t

以上T

(6)针对正常工况与不同故障形式的分接开关，进行以上(1)-(5)步骤的特征提取，形成特征矩阵与对应的反映分接开关状态的标签矩阵，使用SVM对矩阵数据进行分类，可实现利用特征信号对分接开关状态的监测。

在一个实施例中，除了分接开关正常状态外，进行分接开关故障模拟，使用经电弧烧蚀后的触头替换一相的静触头模拟触头烧蚀故障、利用定制的结构一致但更薄的触头替换另一相中的部分静触头模拟触头磨损故障。在特征信号采集方面，使用HFCT测量回路的高频电流，使用差分电压探头测量切换开关油室外壁接线柱与分接选择器抽头间的电压，使用电流钳测量回路电流，将宽频天线固定在距地面高度1.5m、距切换开关油室水平距离0.5m处，用以测量燃弧时释放的电磁辐射信号，如图4所示。

根据(1)-(5)步骤，可得触头正常状态下的各个传感器采集到的信号波形如图5(a)图5(b)所示。

由图可知，-1.2ms至42.7ms阶段内为切换开关动作阶段：

t

t

t

t

经TEO处理与提取尖峰信息后的信号如图6所示：

其中红色线为由电磁信号尖峰推测的切换时刻t

图7统计了一次测量中1档至19档的升档过程的各特征量，以t

切换时刻分布如下：t

同理可得触头烧蚀与触头磨损故障下的特征量统计图8(a)图8(b)。共采集了触头正常状态、触头磨损、触头烧蚀三种情况下各128组、共384组试验数据。分别对上述数据进行预处理并提取了11种特征(T

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针对384组数据，引入5折交叉验证理论，在MATLAB中将输入的数据集均分为5等份，轮流将其中一份数据作为验证集，其余4份为训练集，取5次验证准确度的均值作为对算法精确度的估计。针对支持向量机的不同核函数进行分类训练，可得到以下分类结果：

其中，线性核函数的训练耗时最长，但准确度最低，仅为85.9％，说明在高维数据空间下线性核函数并不适用；二次SVM与三次SVM均取得了较高的准确度，但前者耗时较长；在高斯核函数方面，三种情况的训练时间相近，但只有中等高斯SVM达到了较高的准确度。综上所述，利用二次SVM与中等高斯SVM均可实现对触头正常与缺陷情况下数据样本的划分，但后者在保证较高准确度的情况下训练耗时更短。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。