基于特高频天线阵列的局部放电信号定位方法及影响因素分析

基于移动式特高频(UHF)天线阵列的敞开式变电站局部放电巡检与定位系统获得应用,但天线间距一般较小,使放电源距离定位准确度较低。文中提出了基于时差法的放电源波达方向估计方法,利用两对相交天线UHF信号入射角与方位角、俯仰角的几何关系,推导得到方位角与俯仰角的计算公式;为了分析时差误差对方位角及俯仰角估计误差的影响,建立了基于蒙特卡罗法的波达方向估计误差仿真模型,进而对放电源位置、阵列尺寸及天线阵列布置对方位角与俯仰角估计准确度的影响进行分析;实验测试了方位角与俯仰角的估计准确度,最后将其应用于现场220 kV变电站的局放检测。分析结果表明,随放电源俯仰角增大,方位角估计准确度降低,俯仰角估计准确度升高;阵列尺寸大于1 m×1 m时,可以获得较高的估计准确度;矩形阵列是波达方向估计的最优阵列型式。实验结果表明,对于尺寸为4 m×2 m的矩形与菱形天线阵,方位角估计误差均4°,对于尺寸为0.7 m×0.7 m方阵,俯仰角大于20°时其估计误差10°。     

基于小样本UHF信号的变压器局部放电平面定位技术研究

基于缝隙泄漏电磁波检测的国内大型电力变压器进行局部放电（PD）检测时,UHF天线传感器阵列处于同一个平面内,PD源定位结果 z坐标波动误差较大,针对该问题,本文提出了基于小样本UHF信号的变压器PD平面定位技术,构建了小样本PD源定位模型,利用实验获得的变压器PD平面布局UHF信号对模型的有效性进行验证,结果表明,本文提出的小样本变压器PD平面定位技术可将PD源定位结果的三维定位误差降低30%以上,多次PD源定位结果的集聚特性提升60%以上,可有效提升平面布局UHF天线阵的局部放电源定位精度。     

基于超高频电磁波的变电站局部放电空间定位

局部放电的测量和诊断已成为评估高压电力设备运行状态的重要方法之一。但目前的局部放电监测主要以单个设备监测为主,测试仪器程序多,成本高,维护工程大。可利用4个天线组成天线阵列接收超高频(UHF)电磁波,并定义三维坐标系对变电站范围内的放电源进行全站的局放定位。重点研究了基于能量积累法计算信号起始时刻和基于信号时延序列实现放电源准确定位算法的原理,并给出了求解基于时差的以局放源位置为未知数的非线性方程组的Newton算法和网络搜索法。实验室测试和现场测试验证了基于射频天线阵列实现变电站范围内局部放电定位的有效性,提出的定位算法可以自适应求解基于时差序列的非线性方程组,既保证了求解的速度,又能解决方程的收敛问题,满足变电站全站局部放电定位准确度的要求。     

基于线性预测分析时差估计的特高频局部放电定位方法

基于特高频(UHF)信号的局部放电(PD)定位方法由于其对信号时差的计算误差较大,因此还未能在变电站中进行广泛的应用。文中提出了一种基于线性预测分析的时差估计方法,该算法首先对实际采集的特高频信号做预测分析,然后对预测误差应用幂定律以突显局放发生时刻,最后利用广义相关法进行时差估计。该方法能够以较高的精度计算信号时差,从而提高了局放定位的精度。实验结果表明,利用文中方法进行局放定位,定位距离误差可控制在1 m以下,方向角定位误差可控制在8°以下,证明了该方法的可行性。     

基于可移动特高频天线阵列的变电站站域放电源检测与定位研究

基于特高频天线阵列的局部放电检测方法已被应用于敞开式变电站(air-insulated substations,AIS)站域的局部放电巡检,但目前装置存在定位精度低等缺点。该文针对变电站局部放电去噪方法、传感器阵列优化布置、定位算法及检测系统开发等方面开展了深入研究。针对电晕噪声、手机通讯信号及非脉冲噪声,提出了合理选取检测频带、硬件陷波器及能量陡度阈值等去噪方法;通过克拉美罗下界分析及定位均方根误差仿真对天线阵列布置进行了优化,选取为4×1m的菱形天线阵;采用基于最大似然估计的概率定位法求解时差定位方程组,综合多次局部放电信号定位结果,可降低时差估计误差的影响,提高了定位准确度。开发了变电站局部放电检测与定位系统,包括超宽带全向双锥天线、信号调理电路及信号高速采集分析单元,用于110kV AIS站域局部放电检测,测试结果验证了系统的有效性及定位准确性。     

基于GIS中电磁波传播路径特性的局放源定位方法

气体绝缘开关设备（GIS）中发生局部放电（以下简称局放）时,为查找绝缘缺陷,需对局放源进行准确定位。超高频（UHF）时差定位法由于原理简单、实现方便、定位精度高等优点获得了广泛应用,但当局放信号的初始脉冲较小而难以确定信号的起始脉冲时间时,UHF时差法将难以有效运用从而导致较大误差。为提高时差定位法的准确性,对局放电磁波在GIS中的传播路径特性进行研究,分析结果表明,局部放电产生的电磁波在GIS中的传播路径与局放源的位置、检测点的位置密切相关,据此提出了基于传播路径的脉冲时差定位法。实验结果表明,当局放源位于GIS外壳附近、电磁波信号初始脉冲很小、难以辨识时,用该方法可以准确定位。     

可视局放UHF空间定位系统及时延估计实现

文中介绍的可视局放UHF空间定位系统利用4个位于不同高度云台上的UHF天线阵列,检测局放中的UHF信号,基于时延估计和空间几何解算实现放电信号准确定位,并通过摄像对局放点进行可视化。首先分析了局部放电UHF电磁波的辐射及其定位原理,阐述了可视局放UHF空间定位系统组成,重点研究了结合阀值法和过零点插值的时延估计方法。最后通过测试验证系统的有效性。     

采用超高频法监测变电站设备局放水平及其早期预警

变电站内电气设备存在绝缘缺陷可能在运行时尤其当运行状态或运行环境改变的情况下发生局部放电（PD）从而辐射出超高频（UHF）电磁波到变电站空间中。为研究用UHF法监测变电站电气设备PD,用一套固定天线阵列及其配套设备实现监测整个变电站PD及早期预警的目的,在变电站中心位置安装全向天线传感器组成的固定阵列来接收变电站空间中电气设备因PD辐射出的UHF信号,根据检测到的信号判定PD的发生并找到存在PD的电气设备;以宽频带、高增益、水平面（H面）全向性的盘锥天线为UHF传感器构建了监测系统,在变电站试验中系统检测到了放电信号,成功定位了位于隔离开关处的放电源。现场实测结果表明这是一种具有实用价值的变电站全站PD监测及早期预警方法。     

基于超高频法的局部放电定位初步研究

为了快速准确地对局部放电源定位,从而迅速排除故障、保障电力系统的正常运行,笔者描述了基于到达时间差定位的原理,并分析了影响定位精度的因素,即时差测量、局放源相对于各个接收天线的位置以及传播速度v等的影响。介绍了以信号初始峰、累积能量曲线的拐点、基本相关性以及三次样条插值和相关性相结合的方法为基准读取时间差的4种方法,通过比较分析得出利用三次样条插值和相关性相结合的方法为基准读取的时间差最接近理论时差。最后利用模拟退火法计算出了放电源的位置,实现了对单一局放源的定位。     

基于特高频无线智能传感阵列的敞开式变电站放电定位方法

为了实现对电力设备绝缘劣化的全面监测和敞开式变电站的故障预警,提出了一种基于接收信号强度和高斯过程分类的变电站空间局部放电源定位方法。相较于现有的特高频时差法,提出的方法只需要特高频信号幅值强度的测量值,而不是对特高频信号进行高速同步采样,极大地降低了装置成本及改善了使用便捷性。同时,为了减轻特高频信号传输建模受到多路径效应和阴影效应的影响,提出了采用高斯过程分类算法用来学习不同传输路径下特高频信号特征,以生成决策区域来识别正确的接收信号强度数值,从而提高定位精度。现场试验结果表明,提出的空间局部放电源定位方法的平均误差为2.51 m,满足识别变电站内可能存在绝缘劣化的电力设备以达到故障预警的目的。     

基于电磁波阵列信号处理和波达方向分析的变电站局部放电定位

局部放电(partial discharge,PD)检测是绝缘检测与诊断最有效的方法之一。基于L型天线阵列信号处理,及旋转不变技术(estimating signal parameter via rotational invariance techniques,ESPRIT)求取信号波达方向(direction of arrival,DOA)的思想,提出了一种变电站局部放电定位方法,可以实现局部放电源的平面定位。该算法不需要计算信号的时延序列,故可以降低对采集系统采样率的要求,且其通过求解2个波达方向上的直线交点,即求解二元一次方程组,得到局部放电源的平面坐标,避免了求解非线性方程组。给出了算法的理论基础和实现步骤,并分别对电磁波仿真软件得到局部放电信号,及变电站现场实测的局部放电辐射电磁波信号进行分析处理。结果表明,利用该算法得到局部放电源位置的平面定位误差<30cm,满足变电站全站局部放电源的定位精度要求,验证了算法的准确性和可行性。     

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BP神经网络的特高频局部放电定位误差校正

为了提高UHF法变电站站域局放定位的精度,提出了一种基于BP神经网络的定位误差校正方法,采用K-Means机器学习算法对测量值进行去抖动,通过对有限个标定点(径向距离r,方位角θ)误差值的训练,构造了0r≤66 m、0θ≤360°的误差补偿曲面,然后对实测值进行修正。考虑工程应用因素,提出了基于样条插值获取样本的方法,减少了工作量,具有工程可操作性。实验结果表明,在r∈(0,40 m)范围时,径向距离测量误差呈递减趋势,r40 m范围时,径向距离测量误差呈递增趋势,方向角测量误差分布具有相似的规律,经过误差补偿后,误差分布趋于平稳且误差值大大减小,证明了该方法的可行性与有效性。     

大型变压器局部放电多目标定位实验

为了解决大型变压器内部局部放电源难以准确定位的问题,进行了以变压器内部同时存在多个放电源的定位为对象,通过传感器阵列接收放电源辐射的超声波信号,应用阵列信号处理技术中的空间谱估计理论,分析阵列传感器所接收信号的特征信息,实现局部放电的多目标定位的研究。研制了4阵元均匀等间隔线阵,建立了局部放电定位实验系统,针对单放电源和二个放电源的不同情况,对放电源空间位置进行了定位模拟实验。实验结果表明,该法具有良好的定位准确度,能有效地估计出变压器内多个放电点的空间位置,可实现电力变压器内部多局部放电源的定位,为变压器内多局放源的定位建立了实验研究基础。     

基于辐射电磁波检测的电力变压器局部放电定位研究

在局部放电特高频检测技术基础上，提出一种基于天线阵列技术和时间差算法的电力变压器局放定位新方法。研究了电磁波法的定位精度与检测频率的关系，提出1~5GHz的局放定位检测频带；对铁心、线圈模型对电磁波传播的影响进行了试验探讨；提出基于4阵元天线阵列检测的方式；设计了基于多样本互相关－移位－叠加－互相关的时延测量算法；最后开发了融合遗传算法的时间差法定位技术，试验验证了该技术的定位效果。结果表明，提出的检测频带、传感器阵列技术及时延算法有效地解决了铁心对定位的不利影响，实现了时延的自动测量并将时延测量精度提高到数十皮秒；通过把遗传算法与时间差算法有机结合成功实现了对单一局放源的定位，实验中定位精度可达数厘米。     

基于特高频传感阵列的局部放电定位误差分析及优化布置

局部放电的测量和诊断已成为评估高压电力设备运行状态的重要方法之一。但目前的局部放电监测主要以单个设备监测为主,测试仪器程序多,成本高,维护工程大。文中介绍了利用4个以上传感器组成传感阵列接收特高频电磁波对变电站设备局部放电源定位的方法,分析讨论了基于时差法的定位算法,分析其主要误差来源,理论推导了定位结果误差与传感器阵列布置及信号到达时延序列误差的关系,最后给出了特高频传感器阵列布置的优化方法。     

基于高阶累积量的局部放电超高频信号时延估计算法

时延估计是基于时间差的变电站局部放电空间定位算法的基础,也是决定定位准确度的关键。为此,以Tugnait的高阶统计量理论为基础,提出了基于4阶累积量的局部放电超高频(UHF)信号时延估计算法,并给出了具体的时延计算方法。该算法以高阶累积量代替信号本身来进行相关分析,估算得出信号时延,具有对相关特性未知的Gaussian噪声不敏感的优点。仿真实验利用双指数振荡衰减函数,并加入Gaussian噪声和定频干扰,模拟变电站现场局部放电超高频信号,利用该时延估计算法可以准确得到信号时延。最终利用该算法计算变电站实测多路超高频信号的时延,并将该时延序列应用于基于天线阵列的变电站局部放电定位,估算出局部放电源的空间位置,且定位误差<0.3m,验证了该算法的有效性和实用性。     

基于正则化的变电站局部放电定位方法

基于特高频传感器阵列的变电站局部放电检测与定位方法得到应用,但获取多传感器到达时间差不可避免地存在误差,导致非线性定位方程组的解误差较大。提出基于正则化的变电站局部放电定位方法,为避免直接求解非线性定位方程组导致定位误差大、计算复杂等问题,通过消除二阶项,将非线性定位方程组转换为线性定位方程组。针对由传感器安装位置可能引起线性定位方程组存在病态问题,通过中心化法和平衡法对方程组处理,降低了方程组病态程度,用L曲线法计算正则化参数,最后使用Tikhonov正则化方法求解线性定位方程组,确定局部放电源坐标。仿真与模拟实验表明,到达时间差误差为3%～5%时,定位误差为1.58m;到达时间差误差为7%～10%时,定位误差为3.07m。在一定时间差误差下,正则化方法能够提高局部放电定位精度,实现变电站局部放电的精确定位。     

用于变电站放电源空间定位的特高频传感器研究

基于宽带单极天线理论,设计了一种可用于变电站局部放电空间定位的特高频传感器。该传感器采用椭圆单极贴片的结构,具有全向、宽频带、高灵敏度、驻波比低及群时延稳定等特点,能有效满足变电站放电源全向检测的要求,多个传感器可组成特高频传感器阵列,对放电源进行空间定位。实验室搭建的局放实验平台对该传感器的空间检测及定位性能进行了验证,并成功将由该传感器组建的传感器阵列用于了变电站现场放电在线监测。实验室实验及现场应用结果表明,该传感器能够满足变电站放电源空间定位的要求。     

1种提高变压器UHF局部放电信号时延精度的统计方法

通过测量变压器局放信号到达UHF传感器阵列各个阵元的时间延迟来进行PD定位在理论上是可以实现的。电磁波在空气中的传播速率是30 cm/ns,所以解决UHF信号被UHF传感器阵列检测到的时间延迟问题是实现PD精确定位的1个关键。本文提出了1种数学方法:互相关—移位—平均算法,这种算法可以通过增加信噪比和降低随机PD带来的分散性来提高UHF信号时延估计的精度。通过对试验数据的验证,显示这种方法在一些情况下可以将时延精度提高到数十个ps,同时将PD定位精度提高到几个厘变。