APP下载

数学形态学在绝缘子泄漏电流在线监测中的应用

2011-06-21郭文勇独亚军魏存娣陈向华杨俊杰

电网与清洁能源 2011年11期
关键词:形态学绝缘子滤波器

郭文勇,独亚军,魏存娣,陈向华,杨俊杰

(渭南供电局,陕西渭南714200)

数学形态学在绝缘子泄漏电流在线监测中的应用

郭文勇,独亚军,魏存娣,陈向华,杨俊杰

(渭南供电局,陕西渭南714200)

污闪是由于绝缘子运行中表面沉积大量污秽,污层湿润后使绝缘子外绝缘能力急剧下降而引发的事故。据统计,20世纪90年代,我国电网相继发生了大面积污闪跳闸事故。造成了巨大的经济损失[1-3]。但是目前电力部门主要还是依靠提高外绝缘水平和定期清扫等方法来预防和降低污闪事故的发生。这些方法在起到一定积极作用的同时,也存在着工作量大、经济性差等问题,并且无法实时、全面地反映绝缘子的污秽信息。因此,研发适应电力系统需求的绝缘子在线监测系统成为当务之急[4-5]。

实际应用中的线监测产品都将绝缘子漏电流脉冲个数和电流值作为反映污秽程度的特征量[6]。根据泄漏电流值的大小将其分为安全区(<50mA)、预报区(<150mA)和危险区(>150mA)3个区段[7]。实际中虽然泄漏电流频谱较为复杂,但缘子正常运行时通常处于安全区或预报区,这2个区泄漏电流幅值的微小变化反映了绝缘子表面污秽程度的变化趋势,因此通过形态学对这2个区段的泄漏电流进行降噪处理,以提高其幅值的检测精度,有利于对污闪事故提前进行预报。

1 泄漏电流检测方法

目前国内外许多绝缘子在线监测系统都通过硬件电路来对采集到的绝缘子泄漏电流信号进行降噪处理[8-9],这些硬件滤波的方法在实用中通常滤波效果较差。文献[10]采用小波变换对绝缘子泄漏电流进行滤波处理,但是这种算法计算比较复杂。

数学形态学(Mathematical Morphology)是一种非线性分析方法(本文简称MM),其对信号的处理只有加减法和取极值运算,计算简单[11]。因而处理速度快、时延小、易于硬件实现。数学形态学已经应用在继电保护[12-13],在线检测[14-15],故障选相[16]、无功优化[17]等领域。

本文应用数学形态学对绝缘子泄漏电流按区段进行处理,针对不同区段的电流大小,选用不同形状的结构元素,较好的改善了泄漏电流的波形,提高了检测精度。

2 数学形态学基本原理

数学形态学以腐蚀和膨胀运算为基础[14]。设x为一维多值信号,B是结构元素(某个自定义集合)。H、K为x和B的定义域,H={1,…,N},K={1,…,M},有M

式中,v为正整数,“Θ”为腐蚀运算。

3 形态滤波器设计

3.1 基本的数学形态学滤波器

膨胀和腐蚀的不同级联可以构造出许多新的运算方法。如果先对信号进行腐蚀然后再对其进行膨胀运算,就构成了开运行。反之就构成了闭运算。定义如下

开运算可以抑制信号峰值噪声,闭运算用于抑制信号波谷噪声。通常采用开一闭运算和闭一开运算对信号进行滤波,最后取两者平均值的混合滤波器作为滤波输出。即

式中,f为滤波器输人信号;fend为滤波器输出信号;g为结构元素。

对应于形态开一闭滤波器,开运算滤除正脉冲噪声时却增强了负脉冲噪声,若采样较长的结构元素进行闭运算有利于消除增强了的负脉冲噪声。因此,如果选用不同大小的结构元素,令后级结构函数宽度大于前级结构函数,就可以构造一类广义开一闭和闭一开滤波器。定义如下

式中,g1哿g2、fend表示滤波器输出信号;f表示滤波器输入;g1、g2表示2种不同长度的结构元素。

3.2 新型形态滤波器的构建

形态学滤波效果与相应的结构元素形状有着必然的关系。实际中不同形状的结构元素对应于不同类型噪声的滤除。而绝缘子泄漏电流信号包含多种噪声,广义形态滤波器采用了一种结构元素,对单一的噪声有较好的效果。本文选取了不同形状的结构元素,设计了一种广义多结构元素串行复合形态滤波器,即

式中,f为原始信号;ffit和fsed分别为经过2种不同结构元素滤波之后的信号。g1(1)、g2(1)为一种形状相同,长度不同的结构元素,且g1(1)哿g2(1);g1(2)、g2(2)为另外一种形状相同,长度不同的结构元素,且g1(2)哿g2(2)。

3.3 滤波效果评价方法

为了定量评估形态学的滤波效果,采用用一致性系数对其进行评估,定义如下

其中Coef为线性一致性系数,反映未叠加噪声时的信号与滤波处理后信号的相似程度,f(n)是未叠加噪声时的输入信号,f1(n)是是经过形态学滤波后的输出信号。

4 仿真算例及分析

4.1 泄漏电流模拟信号的建立

绝缘子运行过程中的泄漏电流数据可以看作是一个时间上连续变化的离散数据序列,其总体上应符合工频正弦量的特征。考虑到信号传输、电磁干扰以及现场设备的直流偏移量等的影响,可将其视为叠加了一些白噪声,脉冲噪声以及直流偏移量的数据序列见图1-2。因此论文仿真时采用以下模拟泄漏电流信号

式中,w1(t)表示脉冲噪声;ω=314rad/s;sin wt表示待检测信号;w3(t)表示直流偏移量;w2(t)表示白噪声。

4.2 结构元素的选取

结构元素的大小和形状都可能影响滤波效果,通常采用几何形状简单的线形、正方形、圆形等结构元素。结构元素宽度和将要虑除的脉冲噪声的特性有关,实际中只要保证大于最大脉冲就能有效地去噪。广义形态滤波器后级结构元素宽度为前级结构元素的2倍左右时,滤波效果较好[19]。前级结构元素应略大于数据中的最大脉冲宽度。因此分别选用宽度为3和6,水平方向夹角为0的线形结构元素;宽度为3和6的正方形结构元素以及半径为1和2的圆型结构元素对叠加了不同噪声的泄漏电流信号进行降噪处理。

图13 种不同的结构元素对白噪声的滤除Fig.1 The filter result comparison of three kinds of structural element for white noise

图23 种不同的结构元素对脉冲噪声的滤除Fig.2 The filter result comparison of three kinds of structural element for impulse noise

可见:圆形结构元素对白噪声和脉冲噪声的滤除优于线形和正方形结构元素,此外,根据文献[13-15],对于直流偏移量可以选用长度合适的线形结构元素提取和滤除。

5 实际算例及分析

泄漏电流信号值取自图3所示绝缘子人工污秽闪络试验。其中T为移圈式调压器,TYDY-100/0.5,容量为100kV·A;B为试验变压器,YD-100/35, 容量为100kV·A;TV为电压互感器,原边/副边电压为150kV/100V;试品为4片XP-160绝缘子所加电压为20.450kV;环境温度为11.8℃;相对湿度为60°;盐密ESDD=0.05(1±0.2)mg/cm2。

图3 人工污秽试验接线图Fig.3 Sketch map of artificial contamination test

实验选取了染污绝缘子安全区500个原始泄漏电流数据点,如图4(a)所示。选用广义多结构元素复合形态滤波器,采用长度合适的圆型结构元素和与水平方向夹角为0的线型结构元素对采集到的泄漏电流信号进行降噪处理,结果如图4(b)所示。可见形态学滤波较好的消除了多种噪声地干扰,识别出了原始信号的基本形状。

图4 实际泄漏电流信号和滤波信号Fig.4 Actual leakage current signal and filtering signal

6 结语

本文采用了数学形态学算法对绝缘子漏电流进行降噪处理,提高了泄漏电流的检测精度,通过实验验证了形态学算法的实用性。随着电力系统状态检修的不断实施,精确地对高压设备的运行状态进行测量成为了必要条件。可以预见,数学形态学算法将在电力系统在线检测与状态检修中有着广阔的应用前景。

[1]杨文宇,杨俊杰,杨旭英.基于数学形态学的绝缘子在线监测[J].高电压技术,2008,34(11):2317-2321.

YANG Wen-yu,YANG Jun-jie,YANG Xu-ying.New Method for Online Monitoring of Insulators Based on Mathematical Morphology[J].High Voltage Engineeing,2008,34(11):2317-2321(in Chinese).

[2]杨俊杰.高压输电线路绝缘子在线监测关键技术研究[D].西安:西安理工大学,2009.

[3]王琨,谷永刚,彭青宁,等.山区超高压输电线路玻璃绝缘子串防覆冰闪络措施研究[J].电网与清洁能源,2008,24(8):9-12.

WANG Kun,GU Yong-gang,PENG Qing-ning,et al.Research on Preventing Icing Flashover of Ultra High Voltage Transmission Line Glass Insulator Chain in Mountains[J].Power System and Clean Energy,2008,24(8):9-12(in Chinese).

[4]夏燕莉,钟建灵,周瑜,等.深圳过电压在线监测系统研究及实测数据分析[J].西北水电,2011(1):55-58.

XIA Yan-li,ZHONG Jian-ling,ZHOU Yu,et al.Research on Shenzhen Overvoltage On-Line Monitoring System and Measured Data Analysis[J].Northwest Hydropower,2011(1):55-58(in Chinese).

[5]汤三,李娜.电力设备外绝缘监测系统研究[J].西北水电,2010(1):60-63.

TANG San,LI Na.Study of External Insulation Monitoring System of Electricity Equipment[J].Northwest Hydropower,2010(1):60-63(in Chinese).

[6]吴 ,马静,张建兴.基于网格曲线分析绝缘子附灰密度的变化趋势[J].电网与清洁能源,2010,26(5):6-9.

WU Jie,MA Jing,ZHANG Jian-xing.Analysis of Variation Trend of Insulator Non-Soluble Deposit Density Based on Grille Curve[J].Power System and Clean Energy,2008,24(8):9-12(in Chinese).

[7]孙才新,司马文霞,舒立春.大气环境与电气外绝缘[M].北京:中国电力出版社,2002:68-69.

[8]黄新波,刘家兵,程荣贵.绝缘子泄漏电流在线监测系统的设计与应用[J].电测与仪表,2007,44(5):9-14.

HUANG Xin-Bo,LIU Jia-bing,CHENG Rong-gui.Designa-tion and Application of an on-line Monitoring Insulator Leakage Current system[J].Electrical Measurement&-Instrum Entation,2007,44(5):9-14(in Chinese).

[9]田絮资,杨建,黄力宇.基于数学形态学的心电信号R波检测算法[J].现代电子技术,2010(22):114-116.

TIAN Xu-zi,YANG Jian,HUANG Li-yu.Detection Algorithm of R Wave in Electrocardiogram Signal Based on MathematicalMorphology [J].Mordern Electronics Technique,2010(22):114-116(in Chinese).

[10]赵汉表,林辉,廖胜蓝,等.小波变换在绝缘子泄漏电流检测中的应用[J].高电压技术,2005,4(31):34-36.

ZHAO Han-Biao,LIN Hui,LIAO Sheng-Lan,et al.New Method for Leakage Current Detection of Insulators Based on Wavelet Transform[J].High Voltage Enginrreing,2005,4(31):34-36(in Chinese).

[11]吴青华,张东江.形态滤波技术及其在继电保护中的应用[J].电力系统自动化,2003,27(7):45-49.

WU Qing-Hua,ZHANG Dong-Jiang.Morpholog -cal Filtering Techniquesand Applicationsin Protection Relaying[J].Automation of Electric Power Systems,2003,27(7):45-49(in Chinese).

[12]刘万超,陈平,孙佳佳,等.基于数学形态学的输电线路单端行波故障测距研究[J].电网与清洁能源,2009,25(4):25-29.

LIU Wan-chao,CHEN Ping,SUN Jia-jia,et al.Fault Locating of on Single Terminal Traveling Waves for Transmission Lines Based on Mathematical Morphology and Correlation Function[J].Power System and Clean Energy,2009,25(4):25-29(in Chinese).

[13]马静,王增平.基于小波-形态学的串补线路超高速保护新方法[J].电网技术,2006,30(11):77-81.

MA Jing,WANG Zeng-ping.A Novel Method of Ultra High Speed Protection for Series Compensated Lines Based on Wavelet Morphology[J].Power System Technology,2006,30(11):77-81(in Chinese).

[14]张宇辉,贺健伟,李天云,等.基于数学形态学和HHT的谐波和间谐波检测方法[J].电网技术,2008,32(17):46-51.

ZHANG Yu-hui,HE Jian-wei,LI Tian-yun,et al.A New Method to Detect Harmonics and Inter harmonics Based on Mathematical Morphology and Hilbert Huang Transform[J].Power System Technology,2008,32(17):46-51(in Chinese).

[15]王丽霞,何正友,赵静.基于数学形态学的电能质量扰动检测和定位[J].电网技术,2008,32(10):63-68.

WANG Li-xia,HE Zheng-you,ZHAO Jing.Detection and Location of Power Quality Disturbance Based on Mathematical Morphology[J].Power System Technology,2008,32(10):63-68(in Chinese).

[16]杨明玉,王世旭,张举.基于数学形态学梯度的快速选相方案[J].电网技术.2006,30(7):64-68.

YANG Ming-yu,WANG Shi-xu,ZHANG Ju.A High Speed Phase Selection Sseheme Based on Mathematical Morphology Gradient[J].Power System Technology,2006,30(7):64-68(in Chinese).

[17]姜振超,杨洪耕.基于数学形态学和遗传算法的配电网动态无功优化方法[J].电网技术,2007,31(23):68-73.

JIANG Zhen-chao,YANG Hong-geng.A Mathematical MorphologyandGeneticAlgorithmBasedDynamicReactive Power Optimization Method for Distribution Network[J].Power SystemTechnology,2007,31(23):68-73(in Chinese).

[18]曾纪勇,丁洪发,段献忠.基于数学形态学的谐波检测与电能质量扰动定位方法[J]中国电机工程学报,2005,21(25):57-62.

ZENG Ji-yong,DING Hong-fa,DUAN Xian-zhong.Harmonics Detection and Disturbance Location Methods Based on Mathematical Morphology[J].Proceedings of the CSEE,2005,21(25):57-62(in Chinese).

[19]郑涛,刘万顺,肖仕武,等.一种基于数学形态学提取电流波形特征的变压器保护新原理[J].中国电机工程学报.2004,24(7):18-24.

ZHENG Tao,LIU Wan-shun,XIAO Shi-Wu,et al.A New Algorithm Based on the Mathematical Morphology for Power Transformer Protection[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(7):18-24(in Chinese).

Application of Mathematical Morphology in On-Line Leakage Current Monitoring of Insulators

GUO Wen-yong,DU Ya-jun,WEI Cun-di,CHEN Xiang-hua,YANG Jun-jie
(Weinan Power Supply Bureau,Weinan 714200,Shaanxi Province,China)

The mathematicalmorphology algorithm is introduced to the leakage current monitoring in the security zone and the forecast zone of insulators for advanced the veracity of pollution degree forecast.The disadvantage of severalcommon leakage currentmonitoring methods is analyzed.The corresponding morphology structuring elements is confirmed,and a class of generalized serial complex morphologicalfilterwith multiple structuring elementsis constructed.Simulation results indicated that this filter could improve wave of leakage current signal,which is easily applied in actual project and advanced the veracity of insulators pollution degree forecast.

insulator;leakage current;mathematical morphology;online monitoring;noise

为了提高染污绝缘子污秽程度预测的准确性,分析了常用的几种泄漏电流去噪方法所存在的缺陷,引入了数学形态学算法,对绝缘子运行过程中安全区和预报区的泄漏电流进行了降噪处理,确定了相应的形态学结构元素,构造了新型广义多结构元素串行复合形态滤波器。实验表明:该滤波器较好地改善了泄漏电流信号的波形,易于在实际工程中实现,可进一步提高对绝缘子污秽程度预测的准确性。

绝缘子;泄漏电流;数学形态学;在线监测;噪声

1674-3814(2011)11-0020-05

TM835

B

2011-07-11。

郭文勇(1976—),男,工程师,从事电力系统运行管理工作;

独亚军(1975—),男,助理工程师,从事电力系统运行管理工作。

(编辑 李沈)

猜你喜欢

形态学绝缘子滤波器
从滤波器理解卷积
开关电源EMI滤波器的应用方法探讨
基于Canny振荡抑制准则的改进匹配滤波器
1000kV特高压输电线路失效绝缘子判断的仿真计算
基于TMS320C6678的SAR方位向预滤波器的并行实现
医学微观形态学在教学改革中的应用分析
1000kV耐张绝缘子串单片绝缘子的带电更换技术
500kV绝缘子串含零值绝缘子时的电晕放电分析
绝缘子的常见故障及排除方法
数学形态学滤波器在转子失衡识别中的应用