一種輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測方法及其系統與流程
本發明涉及電力設備技術領域，具體涉及一種輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測方法及其系統。
背景技術：
高壓輸電線路中絕緣子擔負著電氣絕緣和機械支撐的雙重作用，要保證輸電線路在過電壓情下能正常運行，絕緣子的工作狀態將對電力系統的安全可靠運行起著極為重要的作用。相關數據表明，高壓輸電線路絕緣子污閃事故的危害程度和造成的經濟損失，己經遠遠超過了操作過電壓和雷電沖擊過電壓對電力系統的影響。為了防止污閃事故的發生，需要對絕緣子的染污狀況做出及時準確的判斷，以便在危險來臨之前，采取必要的措施。電力部門通常采用增加絕緣子串中絕緣子的數目、采用耐污絕緣子、在絕緣子表面涂憎水涂料、采用有機合成絕緣子、對絕緣子進行定期清洗等幾種防污閃措施。這些方法在絕緣子的實際運行中都起著積極的作用，但是不能實時、動態、全面的反映絕緣子的染污狀態，無法做到提前預防污閃事故的發生。因此，研制適應于電力系統需求的絕緣子在線監測系統，全天候的監測高壓電網絕緣子的運行狀況，以便提前采取措施避免電網運行故障的發生，提高電網運行的安全性和可靠性，促進絕緣子從目前的計劃檢修向狀態檢修過渡具有重要的意義。
絕緣子的污閃現象源自多樣的要素，例如熱力學、化學及受電造成的影響。在絕緣子的表層，熱動力如果要達到平衡通常伴有局部性的弧絡。具體判斷絕緣子遭到污穢污染的程度時，可選擇的指標包含了表層電導率、閃絡場強因素、電纜泄漏的電流、等值附鹽密度。在這些要素中，終端泄漏的具體電流大小關系到當時氣候、爬電比距、污穢的程度等。電纜在運行時，電網可提供實時性的監測信息，據此能夠測出運行時的絕緣子狀態。現有的絕緣子泄漏電流監測系統，一般是通過電流傳感器獲得絕緣子上的泄漏電流，然后，通過gprs\gsm\cdma等通信技術傳輸到監控中心；目前的泄漏電流監測系統存在噪聲大、精度不高，而且通信費用高等諸多問題，因此，需要進一步完善，優化絕緣子泄漏電流監測系統的性能。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測方法及其系統，用以解決現有絕緣子泄漏電流監測系統數據通信成本高，而且泄漏電流監測結果準確率低的技術問題。
為實現上述目的，本發明方法以通過電流傳感器實時獲得絕緣子上的泄漏電流信號，然后通過無線通信網絡來實現泄漏電流信號與監控中心的數據通信，然后通過傅立葉變換和時間尺度分解來對泄漏電流信號進行去噪處理，提出了一種輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測方法。具體地，該方法包括如下步驟：
實時獲得輸電線路上每一絕緣子的泄漏電流信號，通過無線通信網絡將所述泄漏電流信號傳送到遠程監控中心；
所述遠程監控中心接收并存儲所述泄漏電流信號，并通過傅立葉變換分離所述泄漏電流信號的非周期分量和周期分量，去除所述周期分量中的固有頻率干擾，并通過時間尺度分解去除非周期分量的噪聲，然后將去噪后的所述非周期分量和所述周期分量重構所述泄漏電流信號；
當所述泄漏電流信號大于預設泄漏電流閾值時，所述遠程監控中心發出報警提示。
進一步的，所述輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測方法還包括：實時獲取輸電線路上每一絕緣子表面的溫度、濕度數據，以及所述絕緣子附近的大氣顆粒物(apm)指數，并將通過無線通信網絡傳送到所述遠程監控中心。
進一步，所述遠程監控中心根據所述泄漏電流信號、所述溫度、所述濕度、所述大氣顆粒物指數生成對應的泄漏電流信號曲線、溫度曲線、濕度曲線和大氣顆粒物指數曲線，獲得所述泄漏電流信號與所述溫度、所述濕度、所述大氣顆粒物的關系特性。
進一步的，所述無線通信網絡由多個設置在絕緣子上的傳感器節點通過zigbee無線通信協議與中間節點組成，通過所述中間節點將每一相輸電線路上的所述泄漏電流信號傳送到變電站監控終端，所述變電站監控終端通過光纖網絡傳輸到所述遠程監控中心。
絕緣子泄漏電流包含可作為特征的周期分量和非周期分量，去噪時應予以保留。快速傅里葉變換(fft)能夠提取泄漏電流的周期分量，進而實現周期分量和非周期分量的分離。固有時間尺度分解(itd)可以自適應地將任意復雜信號分解為若干具有實際物理意義的固有旋轉分量prc(properrotationcomponent)和一個單調趨勢項(余量)。
進一步的,通過傅立葉變換分離所述泄漏電流信號的非周期分量和周期分量的過程如下：
將所述泄漏電流信號表述為：
x(n)＝s(n)+e(n)+g(n)+h(n)；
其中，n＝1，2，…，n；n為離散信號的長度，s為泄漏電流信號中的離散周期分量；e為固有周期頻率噪聲；g為離散白噪聲；h為放電引起的局部突變值；
通過設置一分離閾值tc′分離g(n)和h(n)；所述tc′通過以下公式計算獲得：
tc′＝c×thr×σ′；
σ′＝median|x(n)|/0.6745；
其中，median是表述取中間值；σ′是白噪聲的方差；c是控制周期分量個數的調節因子；thr是白噪聲的固定閾值函數，
將所述泄漏電流信號的周期分量中，基波周期與電壓周期一致的所述周期分量保留，并去除所述周期分量的固有周期頻率噪聲，將保留的所述周期分量變換到時域，得到保留的所述周期分量的時域表示。
其中，記num(tc′)為取閾值tc′時從幅度譜中分離出的周期分量中不為0的幅值的個數，當num(tc′)＝100時，能夠較好的獲得泄漏電流信號x(n)的非周期分量和周期分量。
其中，e(n)是干燥情況下的絕緣子泄漏電流中明顯的非基波分量。在干燥情況下采集的絕緣子泄漏電流信號主要含有基波分量，在潮濕杯境下污穢絕緣子會出現諧波分量，因此，可取干燥情況下的絕緣子泄漏電流中明顯的非基波分量作為固有頻率干擾，并依此對潮濕環境下采集泄漏電流做截斷處理，以消除干擾。
將所述非周期分量通過傅立葉變換，獲得所述非周期分量的時域表示。
進一步的，通過時間尺度分解去除非周期分量的噪聲的過程為：
將所述非周期分量通過傅立葉變換，獲得所述非周期分量的時域表示；利用所述泄漏電流信號中已有的相似波形段對所述非周期分量的兩端進行延拓；
絕緣子從受潮到發生閃絡要經歷一定的過程，泄漏電流在波形上表現為階段性因此，可以認為泄漏電流在局部波形上具有相似性。
具體地，在延拓過程中，采用歐氏距離表征波形段的相似程度，以左延拓為例，公式如下：
其中，i和l為等長的不同波形段，l為信號最左端一段數據，i為信號中的一段數據；length(l)表示波形段l的長度。選擇所有dt中的最小值對應的i，并記其為l的最相似波形段。取該i左側的length(i)長的波形段對原始信號的左端進行延拓。由于itd根據極值進行分解，且泄漏電流至少包含基波信號，為了保證延拓出來的數據至少包含一個極值點，延拓取length(l)＝length(i)＝基波周期長度/2。
對延拓后的所述泄漏電流的非周期分量進行時間尺度分解獲得若干個固有旋轉分量prci和一個單調趨勢項(余量)；
通過對含噪聲的prci設置去噪閾值ti，并對各個prci通過軟閾值或者硬閾值進行量化；
所述ti通過以下公式計算獲得：
ti＝thri×σi；
其中，固定閾值函數
所述軟閾值和所述硬閾值的量化去除噪聲公式分別如下：
其中，prci,j是prci中的第j個值；
對量化后的各個prci和余量進行重構，得到去噪后的所述泄漏電流的非周期分量。重構是指將各個prci和余量，這些非周期分量進一步分解的信號分量再次合成為一個泄漏電流的非周期分量；重構是信號分解的逆向處理。
基于同一方面構想，本發明的另一方面，提供了一種輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測系統，包括傳感器節點、中間節點以及遠程監控中心，所述傳感器節點設置在每一輸電線路的每一絕緣子上，實時獲得所述絕緣子上的泄漏電流信號；每一相的輸電線路上的所述傳感器節點通過zigbee無線通信協議與所述中間節點通信，通過所述中間節點將每一相輸電線路上的所述泄漏電流信號傳送到變電站監控終端，所述變電站監控終端通過光纖網絡傳輸到所述遠程監控中心；
所述遠程監控中心用于接收并存儲所述泄漏電流信號，并通過傅立葉變換分離所述泄漏電流信號的非周期分量和周期分量，去除所述周期分量中的固有頻率干擾，并通過時間尺度分解去除非周期分量的噪聲，然后將去噪后的所述非周期分量和所述周期分量重構所述泄漏電流信號；當所述泄漏電流信號大于預設泄漏電流閾值時，所述遠程監控中心發出報警提示。
進一步的，所述傳感器節點上還包括溫度傳感器、濕度傳感器，用于獲取輸電線路上每一絕緣子表面的溫度、濕度數據；同時通過一大氣顆粒物監測儀獲得所述絕緣子附近的大氣顆粒物(apm)指數；所述遠程監控中心通過所述溫度、所述濕度、所述大氣顆粒物指數生成對應的泄漏電流信號曲線、溫度曲線、濕度曲線和大氣顆粒物指數曲線，獲得所述泄漏電流信號與所述溫度、所述濕度、所述大氣顆粒物的關系特性。
進一步的，所述傳感器節點上的電流感應傳感器包括環形線圈，與所述環形線圈的繞組連接的i-v轉換電路，所述i-v轉換電路由一運放器組成。
進一步的，所述溫度傳感器、濕度傳感器分別是saw濕度傳感器標簽和saw溫度傳感器標簽，所述saw濕度傳感器標簽和所述saw溫度傳感器標簽貼設在所述絕緣子上，通過一閱讀器獲得所述絕緣子的溫度和濕度數據，所述閱讀器與所述傳感器節點的溫濕度測量電路連接。
本發明方法具有如下優點：
本發明的輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測方法及其系統，通過電流傳感器實時獲得絕緣子上的泄漏電流信號，然后通過無線通信網絡來實現泄漏電流信號與監控中心的數據通信，然后通過傅立葉變換和時間尺度分解來對泄漏電流信號進行去噪處理，能夠獲得較為準確的泄漏電流信號，基于泄漏電流信號，能夠對絕緣子的運行狀態進行實時監測，并且預測絕緣子發生污閃等事故情況。
附圖說明
圖1本發明實施例的一種輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測方法流程框圖。
圖2本發明實施例的一種輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測系統結構連接圖。
圖3本發明實施例的傳感器節點系統結構框圖。
圖4本發明實施例的電流感應傳感器電路結構示意圖。
圖5本發明實施例的電流感應傳感器等效電路原理圖。
圖6本發明實施的溫濕度傳感器系統結構原理圖。
具體實施方式
以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
實施例1
如圖1所示，本發明提供了一種輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測方法。具體地，該方法包括如下步驟：
s101、實時獲得輸電線路上每一絕緣子的泄漏電流信號，通過無線通信網絡將所述泄漏電流信號傳送到遠程監控中心；
s102、所述遠程監控中心接收并存儲所述泄漏電流信號，并通過傅立葉變換分離所述泄漏電流信號的非周期分量和周期分量，去除所述周期分量中的固有頻率干擾，并通過時間尺度分解去除非周期分量的噪聲，然后將去噪后的所述非周期分量和所述周期分量重構所述泄漏電流信號；
s103、當所述泄漏電流信號大于預設泄漏電流閾值時，所述遠程監控中心發出報警提示。
其中，所述輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測方法還包括：實時獲取輸電線路上每一絕緣子表面的溫度、濕度數據，以及所述絕緣子附近的大氣顆粒物(apm)指數，并將通過無線通信網絡傳送到所述遠程監控中心。
其中，所述遠程監控中心根據所述泄漏電流信號、溫度、濕度、大氣顆粒物指數生成對應的泄漏電流信號曲線、溫度曲線、濕度曲線和大氣顆粒物指數曲線，獲得所述泄漏電流信號與所述溫度、所述濕度、所述大氣顆粒物的關系特性。
其中，所述無線通信網絡由多個設置在絕緣子上的傳感器節點通過zigbee無線通信協議與中間節點組成，通過所述中間節點將每一相輸電線路上的所述泄漏電流信號傳送到變電站監控終端，所述變電站監控終端通過光纖網絡傳輸到所述遠程監控中心。
絕緣子泄漏電流包含可作為特征的周期分量和非周期分量，去噪時應予以保留。快速傅里葉變換(fft)能夠提取泄漏電流的周期分量，進而實現周期分量和非周期分量的分離。固有時間尺度分解(itd)可以自適應地將任意復雜信號分解為若干具有實際物理意義的固有旋轉分量prc(properrotationcomponent)和一個單調趨勢項(余量)。
其中，通過傅立葉變換分離所述泄漏電流信號的非周期分量和周期分量的過程如下：
將所述泄漏電流信號表述為：
x(n)＝s(n)+e(n)+g(n)+h(n)；
其中，n＝1，2，…，n；n為離散信號的長度，s為泄漏電流信號中的離散周期分量；e為固有周期頻率噪聲；g為離散白噪聲；h為放電引起的局部突變值；
通過設置一分離閾值tc′分離g(n)和h(n)；所述tc′通過以下公式計算獲得：
tc′＝c×thr×σ′；
σ′＝median|x(n)|/0.6745；
其中，median是表述取中間值；σ′是白噪聲的方差；c是控制周期分量個數的調節因子；thr是白噪聲的固定閾值函數，
將所述泄漏電流信號的周期分量中，基波周期與電壓周期一致的所述周期分量保留，并去除所述周期分量的固有周期頻率噪聲，將保留的所述周期分量變換到時域，得到保留的所述周期分量的時域表示。
其中，記num(tc′)為取閾值tc′時從幅度譜中分離出的周期分量中不為0的幅值的個數，當num(tc′)＝100時，能夠較好的獲得泄漏電流信號x(n)的非周期分量和周期分量。
其中，e(n)是干燥情況下的絕緣子泄漏電流中明顯的非基波分量。在干燥情況下采集的絕緣子泄漏電流信號主要含有基波分量，在潮濕杯境下污穢絕緣子會出現諧波分量，因此，可取干燥情況下的絕緣子泄漏電流中明顯的非基波分量作為固有頻率干擾，并依此對潮濕環境下采集泄漏電流做截斷處理，以消除干擾。
將所述非周期分量通過傅立葉變換，獲得所述非周期分量的時域表示。
其中，通過時間尺度分解去除非周期分量的噪聲的過程為：
將所述非周期分量通過傅立葉變換，獲得所述非周期分量的時域表示；利用所述泄漏電流信號中已有的相似波形段對所述非周期分量的兩端進行延拓；
絕緣子從受潮到發生閃絡要經歷一定的過程，泄漏電流在波形上表現為階段性因此，可以認為泄漏電流在局部波形上具有相似性。
具體地，在延拓過程中，采用歐氏距離表征波形段的相似程度，以左延拓為例，公式如下：
其中，i和l為等長的不同波形段，l為信號最左端一段數據，i為信號中的一段數據；length(l)表示波形段l的長度。選擇所有dt中的最小值對應的i，并記其為l的最相似波形段。取該i左側的length(i)長的波形段對原始信號的左端進行延拓。由于itd根據極值進行分解，且泄漏電流至少包含基波信號，為了保證延拓出來的數據至少包含一個極值點，延拓取length(l)＝length(i)＝基波周期長度/2。
對延拓后的所述泄漏電流的非周期分量進行時間尺度分解獲得若干個固有旋轉分量prci和一個單調趨勢項(余量)；
通過對含噪聲的prci設置去噪閾值ti，并對各個prci通過軟閾值或者硬閾值進行量化；
所述ti通過以下公式計算獲得：
ti＝thri×σi；
其中，固定閾值函數
所述軟閾值和所述硬閾值的量化去除噪聲公式分別如下：
其中，prci,j是prci中的第j個值；
對量化后的各個prci和余量進行重構，得到去噪后的所述泄漏電流的非周期分量。
實施例2
基于同一發明構思，本發明的另一方面，如圖2所示，提供了一種輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測系統，包括傳感器節點、中間節點以及遠程監控中心，所述傳感器節點設置在每一輸電線路的每一絕緣子上，實時獲得所述絕緣子上的泄漏電流信號；每一相的輸電線路上的所述傳感器節點通過zigbee無線通信協議與所述中間節點通信，通過所述中間節點將每一相輸電線路上的泄漏電流信號傳送到變電站監控終端，所述變電站監控終端通過光纖網絡傳輸到所述遠程監控中心；
所述遠程監控中心用于接收并存儲所述泄漏電流信號，并通過傅立葉變換分離所述泄漏電流信號的非周期分量和周期分量，去除所述周期分量中的固有頻率干擾，并通過時間尺度分解去除非周期分量的噪聲，然后將去噪后的所述非周期分量和所述周期分量重構所述泄漏電流信號；當所述泄漏電流信號大于預設泄漏電流閾值時，所述遠程監控中心發出報警提示。
如圖3所示，所述傳感器節點上還包括溫度傳感器、濕度傳感器，用于獲取輸電線路上每一絕緣子表面的溫度、濕度數據；同時通過一大氣顆粒物監測儀獲得所述絕緣子附近的大氣顆粒物(apm)指數；所述遠程監控中心通過所述溫度、濕度、大氣顆粒物指數生成對應的泄漏電流信號曲線、溫度曲線、濕度曲線和大氣顆粒物指數曲線，獲得所述泄漏電流信號與所述溫度、所述濕度、所述大氣顆粒物的關系特性。
如圖4、5所示，所述傳感器節點上的電流感應傳感器包括環形線圈，與所述環形線圈的繞組連接的i-v轉換電路，所述i-v轉換電路由一運放器組成。
現有的電流感應傳感器是羅氏線圈，不足之處是測量的數據受到強磁場的影響，容易產生誤差，可以的頻率范圍比較窄，不容易實現低頻帶的測量，而且電流傳感器的精度等性能受制造材料的影響比較大。本發明的電流感應傳感器增加了對前端電微弱流的響應范圍，加快了反應的速度。本發明的電流感應傳感器的頻率特性為：
其中，rf為運放反饋電阻；rin為運放輸入電阻(理想情況下為0)，由上述公式得到本發明的電流感應傳感器的上下限截止頻率分別為；
上限截止頻率：
上限截止頻率：
其中，運放構成i-v電路，通過調節rf可方便地調節輸出電壓vo的大小，同時不影響傳感器幅頻特性。由于運放構成的i-v電路(電流-電壓轉換電路)輸入阻抗rin極小，由式上述公式可見傳感器的低頻得到很大延伸，同時極小的rin與穿芯線圈的等效雜散電容cs相并聯，使得cs的旁路作用大大降低，于是傳感器的高頻也得到很大的延伸。穿芯線圈的自感ls，有在頻率很低時才與運放輸入阻抗相比擬，這就使得傳感器不要求過多的匝數就可以保證較小的低頻下限，從而可知線圈匝數取100匝左右既可保證較高的靈敏度，又可保證較寬的通頻帶，同時使得傳感器外屏蔽非常容易。極小的rin還使得磁芯磁性性能下降，對傳感器的影響大大降低，這就降低了對磁芯的要求，使得傳感器的造價大大降低，同時傳感器在戶外長期使用的性能隨時間的變化也大大降低。
如圖6所示，所述溫度傳感器、濕度傳感器分別是saw濕度傳感器標簽和saw溫度傳感器標簽，所述saw濕度傳感器標簽和所述saw溫度傳感器標簽貼設在所述絕緣子上，通過一閱讀器獲得所述絕緣子的溫度和濕度數據，所述閱讀器與所述傳感器節點的溫濕度測量電路連接。
雖然，上文中已經用一般性說明及具體實施例對本發明作了詳盡的描述，但在本發明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬于本發明要求保護的范圍。
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