基于RD-MUSIC算法的局放超声阵列检测方法仿真研究

超声阵列检测是一种可靠性较高的局部放电定位方法,而目前对局放超声阵列信号的波达方向研究尚不成熟。基于此,文中提出了一种基于多重信号分类降维(RD-MUSIC)算法的局放超声阵列信号波达方向(DOA)估计方法。首先,将局放超声阵列信号波达方向(方位角和俯仰角)的谱峰空间采用二维并行搜索方式;其次,基于RD-MUSIC算法将局放源分解为方位角和俯仰角的一维顺序搜索方式,将阵列输出信号的协方差矩阵进行处理,进而提高了该一维DOA估计方法对局放源的分辨性能;最后,将RD-MUSIC算法与多重信号分类(MUSIC)算法作仿真对比,结果表明,RD-MUSIC算法测向性能好,运算速度快,其测向误差小于MUSIC算法,进一步提高了定位的准确度。     

相位匹配原理在油中局放超声阵列信号测向中的应用

电气设备油中局放超声阵列定位是目前的研究热点,而高精度的局放超声阵列信号测向结果(波达方向估计)是准确定位的基础。首先简要介绍了相位匹配原理,并分析了基于该原理的局放超声阵列信号波达方向估计方法;然后针对不同阵列孔径和不同信噪比,仿真研究了该方法的波达方向估计精度,结果表明,在小阵列孔径(4×4排列)、低信噪比环境中,该方法的估计误差很小,明显优于相同环境下的多重信号分类(MUSIC)算法;最后搭建了实验平台,在信噪比约为20dB的环境中进行研究,多次实验的估计误差为3°左右,验证了该方法的正确性。     

方形平面阵列的阵元数对局放测向精度影响的仿真研究

变压器局部放电超声阵列检测方法是新近发展起来的一种具有高信噪比、高可靠性的检测方法,但对于传感器的阵元个数对局放检测精度的影响尚待深入研究。笔者以方形平面阵列传感器为例,在测向方位角为锐角和钝角两种情况下,基于一种改进的MUSIC(multiple signal classification)算法对15种超声阵列传感器(2×2-16×16排列)进行仿真,研究不同阵元个数下测向精度的变化规律。结果显示,随着阵元个数的增多,测向精度也随之提高,并得到了不同阵元个数的测向精度的具体测向误差范围,对现场不同环境中变压器局放超声阵列传感器的选择具有一定的指导意义。     

采用改进型圆形超声阵列传感器的油中局放定位

局放超声阵列定位方法是阵列传感器技术与阵列信号处理技术发展的最新成果之一。为此,采用改进型圆形超声阵列传感器对局放源进行测向定位。首先研制了改进型圆形超声阵列传感器,并搭建了油中局放定位实验平台;接着采用相位模式激励算法、MUSIC算法以及多平台交叉定位相结合的方法对圆形阵列信号进行测向定位,最后运用快速独立分量分析(fast independent component analysis,FastICA)算法对超声阵列信号进行去噪后再进行测向定位。结果表明:采用改进型圆形阵列传感器的定位准确度优于传统圆形阵列和方阵;比较去噪前后的定位效果发现去噪后的定位误差为3.8cm,优于去噪前的11.3cm。多次实验验证了该方法的有效性。     

基于多平台测向及全局搜索的局部放电超声阵列定位方法

局部放电定位检测是电气设备绝缘机理研究与质量监控的关键项目,是状态维修的重要基础,局放超声阵列定位方法可有效提高定位成功率及定位精度。传统方法中"测向交叉"原理会出现"异面不相交"和"误差累计"情况,降低了定位精度,据此,论文提出了一种基于多平台测向及全局搜索的阵列定位新方法。该方法首先以空间中到各条测向线距离和的最小值对应的点为局放源,再根据多次测向方位角、俯仰角结果及传感器位置,推导局放源坐标方程。然后采用云优化算法进行全局搜索,实现局放源的空间定位,有效地提高了局放超声阵列定位精度。最后搭建了局放超声阵列定位实验系统,开展了大量实验研究,实验结果验证了方法的正确性与优越性。     

基于EFPI传感器的立体形阵列传感器对局放测向的仿真分析

局部放电超声阵列定位技术是将传感器阵列与阵列信号处理方法相结合。本文采用非本征法布里帕罗干涉（Extrinsic Fabry-Perot Interferometric,EFPI）的光纤超声传感器,其灵敏度高,不受电磁干扰的影响;并充分发挥EFPI传感器可放置于油中的优势,改进阵列结构。设计了4阵元EFPI超声传感器正四面体结构阵列,将其置于油箱内部检测局放超声信号,然后利用多信号分类算法(Multiple Signal classification,MUSIC)算法对局放源进行测向;并与平面2×2阵列进行对比;最后,针对阵元位置误差进行校正。结果表明：该阵列传感器能够在油中检测到信噪比较高的局部放电信号;且较传统平面阵,具有更高的测向准确度;尤其在阵列盲区方面,立体型阵列传感器可有效地实现空间多角度的信源测向。并利用TCT算法对阵元位置误差进行校正,提高了测向精度,满足了实际工程需要。     

一种直线型超声阵列信号测向方法及其应用

提出一种直线型超声阵列信号测向方法.首先,利用FastICA算法对超声阵列信号进行去噪;然后,采用双边相关变换(two-sided correlation transformation,TCT)算法对其进行聚焦处理,实现宽带信号方位信息的累积;接着采用FastDOA对聚焦后的窄带信号进行波达方向估计.在此基础之上,研究该测向方法在电气设备局放检测中的应用,先在不同信噪比下仿真直线型局放超声阵列信号的测向精度,结果显示误差约为2°;通过多次实验,表明该方法的实际测向误差约为3.5°,证明了该方法的正确性.     

基于暂态对地电压和超声阵列信号的变压器局放定位方法

变压器局部放电的快速、准确定位对于及时排除故障隐患,保障电力系统的安全稳定运行具有重要作用,论文介绍了一种基于暂态对地电压和超声阵列信号的变压器局放定位方法。该方法首先以接收到暂态对地电压(TEV)信号的时刻为基准进行测距,并基于改进FastDOA算法对超声阵列信号进行测向,再根据测距和测向结果实现定位。改进FastDOA算法在传统FastDOA的基础上构造不同孔径的虚拟阵列,并对各虚拟阵列得到的估计谱值加权平均以减小伪峰的影响,可有效提高测向精度。在此基础之上,利用Matlab对基于改进FastDOA的测向算法以及超声阵列传感器结构参数的优化设计进行了仿真分析。最后研制了相应的传感器并搭建了变压器局部放电超声阵列定位实验平台,开展实验研究,结果验证了所提方法的有效性。     

基于降维技术的CRPDUAS稀疏结构优化设计

局部放电超声阵列检测方法是将阵列传感器与阵列信号处理技术应用于局部放电超声检测中的一种新方法,具有信噪比高、检测可靠性高等优点。相比较满阵,稀疏阵列传感器检测系统结构简单,成本低廉,能够满足工程需要。现有的稀疏结构优化设计算法相对复杂,会影响检测的成功率和准确度。因此,文中提出一种基于降维技术的圆环形局放超声阵列传感器(circular ring partial discharge ultrasonic array sensors,CRPDUAS)的稀疏结构优化设计方法。首先将平面二维圆环形阵的搜索降维处理成对应的一维线阵的搜索,并采用遗传算法执行直线阵搜索,然后再还原为圆环形阵列结构计算其阵列性能,最终获得多个约束条件下圆环形局放超声阵列传感器的优化稀疏结构。最后对优化稀疏结构进行Music测向仿真研究,结果表明文中方法正确有效。     

利用超声相控阵的油中局部放电定位实验分析

局部放电定位检测是电气设备绝缘机理研究与质量监控的关键项目,是状态维修的重要基础。局部放电的超声阵列定位方法从理论上实现了对传统超声定位方法的有效改进,但在实验研究中往往会遇到由于阵列传感器多阵元耦合性能不一致、多次测向结果不一致以及双平台测向交叉定位原理不合理等导致定位成功率低及定位精度下降的实际问题。为此,提出了3种实用方法与技术对其进行改进和完善:一是采用铅笔芯测试技术进行超声相控阵多阵元的耦合性能测试,提高定位成功率;二是对同一位置采取多次测向、加权平均的方法提高同一位置测向精度;三是采用多平台测向、全局搜索定位的方法提高局放源的定位精度。最后,搭建了一套基于超声相控阵的油中局部放电定位实验系统,开展实验研究。实验结果表明,定位误差10 cm,验证了上述3种方法可以有效提高局放超声阵列定位的成功率及定位精度。     

基于改进FastDOA算法的变压器局部放电超声阵列信号测向

实验室大量试验结果表明,使用超声阵列传感器对变压器进行局部放电检测时,核心是选择合适的波达方向(DOA)估计算法。提出一种改进的FastDOA算法进行变压器局部放电超声阵列信号的测向,该算法在传统FastDOA的基础上增加一个扩展系数来构造不同阵列孔径的虚拟阵列,然后利用真实谱峰的大小、位置不变,伪峰大小、位置随扩展系数改变的原理,对各虚拟阵列得到的估计谱值进行加权平均以减小伪峰的影响,有效提高测向精度。利用MATLAB对其进行仿真,结果显示该算法的测向误差在2°以内,与传统算法最大误差超过10°相比,具有更好的稳定性。在实验室搭建局部放电测向平台,10组试验数据表明该算法的误差均在3°以内。     

基于共形稀疏阵列传感器的局放超声检测方法研究

超声阵列检测由于其高检测灵敏度和强抗干扰能力,广泛应用于电气设备的局放检测。目前常用的平面型阵列传感器遇到不规则的电气设备外表面时不能完全与之契合而出现检测死区,因此有必要研究共形阵列传感器。同时,在实际检测当中,由于阵元失效会显著降低检测成功率。据此,文中提出了一种基于共形稀疏阵列传感器的局部放电超声检测方法,首先研制了一种共形阵列传感器,并模拟了几种稀疏结构;其次运用稀疏测向算法对几种稀疏结构下的共形阵列传感器进行测向仿真研究;最后,以稀疏率2/9的共形阵列传感器为例,进行了局部放电超声阵列检测的实验研究。结果表明:共形稀疏阵列传感器适用于电气设备的局放检测。     

基于特高频相控阵原理的变电站站域局部放电测向方法

目前基于特高频(ultra-high frequency,UHF)传感器阵列的敞开式变电站站域局部放电检测与定位方法获得应用,但相关系统存在传感器阵列体积大、不便于现场应用的缺点。鉴于电子对抗领域中相控阵雷达在测向方面的突出优势,该文尝试研究了相控阵原理应用于站域局部放电测向的可行性与测向精度。变电站内设备可近似看成二维分布,采用均匀线阵即可实现方位角估计。阐述了均匀线阵的数学模型及采用多重信号分类算法(multiple signal classification,MUSIC)进行窄带信号测向的原理;因局部放电信号为宽带信号,MUSIC算法测向精度降低,因此首先使用数字带通滤波器将阵列接收数据分散到不同频率点上,再用双边相关变换(two-sided correlation transformation,TCT)算法对UHF信号进行聚焦,使局部放电的宽带信号变换到某个较窄的频带内,从而提高MUSIC算法的测向精度。在理论基础之上,先在不同信噪比下仿真该方法的测向精度,测向误差约为0.8°,进而通过多次实验,表明该方法的实际测向误差约为2°,验证了该方法的准确性及应用于敞开式变电站站域局部放电测向的有效性。     

考虑阵列误差的变压器双局放源测向与定位实验研究

超声阵列检测是变压器局部放电众多检测方法中一种较为有效的方法,其基本原理是阵列传感器和阵列信号处理技术相结合的一门新的检测方法。在实际工程应用中由于阵列传感器之间的互耦误差和阵元幅相误差的存在,往往会导致空间谱估计性能降低,引起定位不成功或准确率下降,针对双局放源检测时,定位准确率明显下降。据此,文中考虑了阵列误差对双局放源超声阵列检测的影响,提出了一种阵列误差自校正算法,并依据此算法对传统的MUSIC(多重信号分类)算法进行改进,将改进后的算法应用于双局放源超声阵列检测实验中。结果表明,考虑阵列误差后的MUSIC算法对双局放源的测向误差小于8°,满足工程实际需要。     

基于EFPI光纤超声传感器的油中局部放电定位

非本征法布里帕罗干涉(extrinsic fabry-perot interferometric,EFPI)的光纤超声传感器灵敏度高,不受电磁干扰的影响,文中将其应用于油中局部放电定位。首先设计了2×2的EFPI超声传感器阵列,可放置在油中检测局放超声波信号;然后根据可控响应功率(steered response power,SRP)声源定位理论对局放源进行定位;最后应用SRP和多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)算法处理实验信号并进行对比。结果表明文中设计的EFPI传感器阵列能够在油中检测到信噪比较高的局部放电信号;SRP算法测向误差小于MUSIC算法,能够根据单次测量实现定位,但定位精度有待进一步提高。文中提出的方法对于EFPI光纤超声传感器在电气设备局部放电定位方面的实际应用具有参考意义。     

Chaotic Monkey算法在局放源超声阵列定位中的应用

由于传统的局部放电超声阵列定位方法依靠两条测向线的“测向交叉”原理进行局放源的定位,未考虑实际应用时的测向误差影响,会降低定位精度,而利用多平台测向与传统遗传算法相结合的方法进行局放源位置的搜索时,会由于遗传算法易陷入局部最优而导致实用性不强。因此提出一种基于Chaotic Monkey算法的局部放电超声阵列定位方法,简要介绍了其定位原理,通过仿真分析了该方法的定位结果,并与传统遗传算法的搜索结果进行比较,验证了该方法的有效性。     

基于信号子空间转换与快速子空间测向算法的局部放电超声阵列信号测向方法

提出一种基于信号子空间转换法（signal subspace transform,SST）与快速子空间测向算法（fast subspace estimation of DOA ,FDOA）的局放超声阵列信号高精度测向新方法。首先利用SST算法对局放超声阵列信号进行聚焦处理,使得原始信号的宽频空域信息被最大限度地保留,从...     

基于定向准确度的局部放电超声阵列传感器声学性能定量评价

声学性能良好的超声阵列传感器是确保局部放电检测成功率和定位精度的基础,目前国内外尚未开展局部放电超声阵列传感器声学性能的定量评价研究。该文提出一种基于定向准确度参数的局部放电超声阵列传感器声学性能定量评价方法。分析平面方形阵和均匀圆环阵的指向性函数及其分布,推导得到阵列传感器的定向准确度与指向性函数的关系,并采用定向准确度作为评价指标,对两种阵列结构的声学性能进行量化评价。应用FastDOA算法,仿真研究不同阵元个数时,两种阵列结构的窄带局部放电超声信号测向精度与定向准确度之间的变化规律,结果表明,同一阵列形式,局部放电超声阵列传感器定向准确度参数值越小,测向精度越高,表明声学性能越好;相同阵元个数下,均匀圆环阵的定向准确度值较方阵要小,表明圆阵声学性能更优。最后,采用自行设计研制的3×3方阵与9元均匀圆环阵在实验室采集同一宽带局部放电超声信号,并应用同一聚焦、测向算法进行局部放电超声信号的测向研究,实验结果验证了该文方法的正确性。     

基于特征空间的油中局部放电定位研究

变压器油中局部放电现象的产生会造成变压器的绝缘劣化,为设备运行带来潜在危险。为了对局部放电源进行及时准确的定位以确保电力系统的稳定运行,首先将基于特征空间的测向方法应用到变压器局部放电源的检测当中,结合阵列信号处理技术对局放源进行测向。然后根据测向获得的方向角信息,利用多阵列测向交叉定位原理,获取局放源的在变压器中的空间位置。最后采用MATLAB进行仿真研究。仿真结果表明,基于特征空间及多阵列测向交叉定位进行局放源定位的误差在3.4cm左右,精度较高,满足实际工程要求。因此,基于特征空间的油中局部放电定位方法是可行的。     

基于测向线公垂线中点的局部放电相控超声几何定位算法研究

局部放电的定位检测是电气设备质量监控与状态检修的关键项目,良好的阵列定位原理及算法是保证定位精度的前提条件。传统局放超声阵列定位算法将所得的两条测向线投影交点的法线与两条测向线的交点视为放电源,这种近似处理方法原理简单、计算方便。但是,由于超声信号在变压器中的折反射和各类测向误差的影响,两条测向线是不可能交汇于局放源这一点,因此实际两条测向线为异面直线,近似处理为相交,会导致由于测向不准带来的定位精度下降,而且会出现多个不唯一解的情况,无法满足工程实际需要。因此笔者提出了一种基于测向线公垂线中点的局部放电相控超声几何定位算法,该方法将两条测向线公垂线的中点作为局放源位置,使得局放定位结果唯一、稳定,同时也提高了定位精度。实验结果验证了文中方法的正确性和优越性。