本发明涉及一种信号处理方法，尤其涉及一种局部放电信号的仿真方法。
背景技术：
1、电力变压器承担了电压等级变换和能量分配的重要任务，是电力系统的关键设备。绕组油纸绝缘中的气隙缺陷是变压器常见的绝缘缺陷之一。在变压器制造和运行过程中，由于绕组多层绝缘纸的浸渍不完全或者负载变化引起的绝缘纸板连接处油的热胀冷缩等，均会造成绕组绝缘气隙缺陷。绝缘气隙的存在会改变绝缘材料内部的电场分布，使得气隙内部承受更高的电场强度，因而间隙气体最先发生局部放电(partial discharge,pd)。随着多次局部放电的累积，带电粒子不断轰击绝缘纸表面并引起绝缘纸性能劣化，最终导致绝缘介质的击穿。
2、绝缘气隙放电与内部气体分子的碰撞、迁移、扩散以及带电粒子在绝缘纸表面的积聚行为息息相关，因此明确内部放电微观物理过程、以及微观物理过程与宏观局部放电信号之间的关联关系，可以为变压器绝缘缺陷的检测与严重程度评估提供重要的理论指导。
3、然而，目前基于实验的研究方法，无法获得气隙缺陷内部放电微观过程，从而也无法建立微观过程与宏观检测信号之间的联系。
技术实现思路
1、本发明的目的之一在于提供一种变压器绝缘缺陷局部放电的全过程精确仿真方法，其通过构建绝缘气隙放电数值仿真模型和变压器电磁波传播模型，实现对缺陷内部放电微观物理过程、激发电磁波信号及信号传播过程的精确模拟，从而建立起放电微观物理过程与宏观检测信号之间的映射关系，为实体变压器的绝缘缺陷检测与严重程度评估提供理论依据和指导。
2、根据上述发明目的，本发明提出了一种变压器绝缘缺陷局部放电的全过程精确仿真方法，其包括步骤：
3、构建变压器绕组的绝缘气隙放电数值仿真模型，所述绝缘气隙放电数值仿真模型包括：阴极电极、阳极电极、设于阴极电极和阳极电极之间的第一绝缘层和第二绝缘层，以及设于第一绝缘层和第二绝缘层之间的气隙层；
4、基于等离子放电模型对所述绝缘气隙放电数值仿真模块进行局部放电仿真，获得气隙放电过程中的电场强度、带电粒子的浓度分布；
5、基于气隙放电过程中的电场强度、带电粒子的浓度分布，计算获得气隙放电过程中的电流脉冲；
6、构建变压器的电磁波传播仿真模型，其包括设于变压器内部绕组上的局部放电源，根据所述电流脉冲设置局部放电源，以进行电磁波传播仿真，获取天线处检测到的电磁波信号。
7、由此可见，本发明所述的仿真方法通过建立高保真的等离子体放电模型和变压器电磁波传播模型，建立起了放电微观物理过程与宏观电磁波信号之间的准确映射关系。
8、进一步地，在本发明所述的仿真方法中，构建变压器绕组绝缘气隙放电数值仿真模型具体包括：
9、采用二维轴对称模块构建变压器绕组绝缘气隙放电数值仿真模型。
10、进一步地，在本发明所述的仿真方法中，所述气隙层与第一绝缘层之间具有第三边界，所述气隙层与第二绝缘层之间具有第四边界，所述带电粒子中的正离子的电荷浓度在第三边界和第四边界上的边界条件为：
11、
12、其中，下角标“p”为正离子相关参量的标识；гp为正离子的通量，单位为1/(m2s)；n为边界法向矢量；m为气体分子质量，单位为kg；t为气体温度，单位为k；k表示玻尔兹曼常数，其数值为1.38*10-23j/k；π为圆周率；ap为常数，取值为0或者1；若正离子迁移速度指向边界，则为1；否则为0；np为正离子电荷浓度；μp为正离子迁移率；e为电场强度。
13、进一步地，在本发明所述的仿真方法中，所述气隙层与第一绝缘层之间具有第三边界，所述气隙层与第二绝缘层之间具有第四边界，所述带电粒子中的负离子的电荷浓度在第三边界和第四边界上的边界条件为：
14、
15、其中，下角标“n”为负离子相关参量的标识；гn为负离子的通量，单位为1/(m2s)；n为边界法向矢量；m为气体分子质量，单位为kg；t为气体温度，单位为k；k表示玻尔兹曼常数，其数值为1.38*10-23j/k；π为圆周率；an为常数，取值为1或者0；若负离子迁移速度指向边界，则为1；否则为0；nn为负离子电荷浓度；μn为负离子迁移率；e为电场强度。
16、进一步地，在本发明所述的仿真方法中，所述气隙层与第一绝缘层之间具有第三边界，所述气隙层与第二绝缘层之间具有第四边界，所述带电粒子中的电子的电荷浓度在第三边界和第四边界上的边界条件为：
17、
18、其中，下角标“e”为电子相关参量的标识；гe为电子的通量，单位为1/(m2s)；n为边界法向矢量；ra为表面反射系数，本发明中ra＝0；ae为常数，若电子迁移速度指向边界，则取值为1；否则为0；be也是常数，控制绝缘纸表面的二次电子发射，当正离子迁移速度指向边界时，取值为1；否则为0；te为电子温度，单位为k；me为电子质量，单位为kg；γp为二次电子发射系数；k表示玻尔兹曼常数，其数值为1.38*10-23j/k；π为圆周率；ne为电子电荷浓度；μe为电子迁移率；e为电场强度。
19、进一步地，在本发明所述的仿真方法中，所述阴极电极、阳极电极、第一绝缘层、第二绝缘层以及气隙层具有共同的第五边界；所述带电粒子中的正离子、负离子和电子的电荷浓度在第五边界上的边界条件为：
20、
21、
22、其中，гp为正离子的通量，гn为负离子的通量，гe为电子的通量；n为边界法向矢量；e为电场强度；np为正离子电荷浓度；μp为正离子迁移率；nn为负离子电荷浓度；μn为负离子迁移率；ne为电子电荷浓度；μe为电子迁移率。
23、进一步地，在本发明所述的仿真方法中，基于等离子放电模型对所述绝缘气隙放电数值仿真模块进行局部放电仿真，获得气隙放电过程中的电场强度、带电粒子的浓度分布具体包括：
24、采用非均匀化网格来划分区域，并利用有限元法求解下述方程，以得到气隙放电过程中的电场强度和带电粒子浓度分布：
25、
26、其中，t为时间变量；单位为s；下角标e、n、p分别代表电子、负离子和正离子，n为电荷浓度，单位为1/m3；α表示电离系数，η表示附着系数，单位均为1/m；μ为带电粒子迁移率，单位为m2/(vs)；e为电场强度，单位为v/m；μe表示带电粒子迁移速度，单位为m/s；d为扩散系数，单位为m2/s；βnp和βep分别为正负离子、电子和正离子的复合系数，单位均为m3/s；sph为光电离电子的产生率，单位为1/(m3s)；ε0为真空介电常数，单位为f/m；εr,1为气隙内气体的相对介电常数，其为无量纲；e0表示电子的电荷量，单位为c；u为电动势，单位为v，其与电场强度e之间的关系为e＝-▽u。
27、进一步地，在本发明所述的仿真方法中，基于气隙放电过程中的电场强度、带电粒子的浓度分布，计算获得气隙放电过程中的电流脉冲具体包括：基于下述公式计算电流脉冲ic：
28、
29、其中，e0表示电子的电荷量；u1为气隙层上下壁之间的电压，ua为正负电极之间的电压，单位均为v；d1为气隙层的厚度，d2为第一绝缘层或第二绝缘层的厚度(假定第一绝缘层和第二绝缘层厚度相同)，单位均为m；εr,1和εr,2分别表示气隙层、第一绝缘层和第二绝缘层的相对介电常数；v表示整个气隙层的空间区域，单位为m3。
30、进一步地，在本发明所述的仿真方法中，所述电磁波传播仿真模型的模型边界设置为完全匹配层。
31、进一步地，在本发明所述的仿真方法中，采用时域有限差分方法计算获取所述天线处检测到的电磁波信号。
32、本发明所述的仿真方法通过构建绝缘气隙放电数值仿真模型和变压器电磁波传播模型，实现对缺陷内部放电微观物理过程、激发电磁波信号及信号传播过程的精确模拟，从而建立起放电微观物理过程与宏观检测信号之间的映射关系，能够为实体变压器的绝缘缺陷检测与严重程度评估提供理论依据和指导。
33、此外，本发明所述的仿真方法还可以控制绝缘缺陷的尺寸、位置、以及内部气体温度、压强，实现不同运行条件和位置下的绝缘缺陷放电仿真，为变压器实体提供充足的多样化故障样本。
34、本发明所述的仿真方法还可以推广应用至其他的变电设备，大大提升变电站运维的数字化和智能化水平。
1.一种变压器绝缘缺陷局部放电的全过程精确仿真方法，其特征在于，包括步骤：
2.如权利要求1所述的全过程精确仿真方法，其特征在于，构建变压器绕组绝缘气隙放电数值仿真模型具体包括：
3.如权利要求1所述的全过程精确仿真方法，其特征在于，所述气隙层与第一绝缘层之间具有第三边界，所述气隙层与第二绝缘层之间具有第四边界，所述带电粒子中的正离子的电荷浓度在第三边界和第四边界上的边界条件为：
4.如权利要求1所述的全过程精确仿真方法，其特征在于，所述气隙层与第一绝缘层之间具有第三边界，所述气隙层与第二绝缘层之间具有第四边界，所述带电粒子中的负离子的电荷浓度在第三边界和第四边界上的边界条件为：
5.如权利要求1所述的全过程精确仿真方法，其特征在于，所述气隙层与第一绝缘层之间具有第三边界，所述气隙层与第二绝缘层之间具有第四边界，所述带电粒子中的电子的电荷浓度在第三边界和第四边界上的边界条件为：
6.如权利要求1所述的全过程精确仿真方法，其特征在于，所述阴极电极、阳极电极、第一绝缘层、第二绝缘层以及气隙层具有共同的第五边界；所述带电粒子中的正离子、负离子和电子的电荷浓度在第五边界上的边界条件为：
7.如权利要求1所述的全过程精确仿真方法，其特征在于，基于等离子放电模型对所述绝缘气隙放电数值仿真模块进行局部放电仿真，获得气隙放电过程中的电场强度、带电粒子的浓度分布具体包括：
8.如权利要求1所述的全过程精确仿真方法，其特征在于，基于气隙放电过程中的电场强度、带电粒子的浓度分布，计算获得气隙放电过程中的电流脉冲具体包括：基于下述公式计算电流脉冲ic：
9.如权利要求1所述的全过程精确仿真方法，其特征在于，所述电磁波传播仿真模型的模型边界设置为完全匹配层。
10.如权利要求1所述的全过程精确仿真方法，其特征在于，采用时域有限差分方法计算获取所述天线处检测到的电磁波信号。
