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Friis传输方程的局部放电定量计算方法研究

特高频法监测电缆及GIS局部放电时需要对放电量进行精确地标定,以判断局部放电严重程度。文中提出一种利用Friis传输方程对局部放电定量计算的方法,该方法将局部放电源作为发射天线模型化处理,并引入Friis传输方程,将计算等效为天线传输过程,应用HFSS仿真得到的四阶Hilbert分形天线作为接收天线模型。通过局部放电试验与计算分析验证,确定了局部放电量与接收特高频信号的能量呈二次曲线的关系。     

基于Friis传输方程的局部放电定量计算方法研究北大核心

特高频法监测电缆及GIS局部放电时需要对放电量进行精确地标定,以判断局部放电严重程度。文中提出一种利用Friis传输方程对局部放电定量计算的方法,该方法将局部放电源作为发射天线模型化处理,并引入Friis传输方程,将计算等效为天线传输过程,应用HFSS仿真得到的四阶Hilbert分形天线作为接收天线模型。通过局部放电试验与计算分析验证,确定了局部放电量与接收特高频信号的能量呈二次曲线的关系。     

变电站多局部放电源分离的选择双谱算法

抑制现场噪声干扰、有效提取信号特征是局部放电信号检测和分析的关键。给出了利用Fisher可分离度选择具有最强类可分离度的双谱作为信号的特征参数,并利用特征参数训练径向基神经网络来判断信号的类型的算法。通过混有高斯白噪声的电磁波仿真软件得到的模拟不同局部放电源辐射的电磁波信号,利用该算法进行信号分离,验证了该算法的有效性。最后在变电站现场未知局部放电源的情况下,对采集到的局部放电辐射电磁波信号利用该算法进行处理得到信号类型数,并训练用于信号分离的径向基神经网络。基于现场实测信号分离结果,并结合基于时延序列的局部放电源定位结果验证了该算法在变电站现场干扰情况下分离多局部放电源的有效性。     

基于Friis的GIS局放信号与放电量定量计算研究

迄今为止由于国内外学者对于特高频法监测GIS局部放电的放电信号与放电量的关联关系没有达成一致,导致特高频法监测GIS局部放电视在放电量的标定缺乏统一标准,进而难以判断GIS局部放电的严重程度,严重制约了特高频监测GIS局部放电的发展。鉴于此,文中提出一种利用Friis传输方程对GIS局部放电定量计算的方法,该方法将局部放电源作为发射天线模型化处理,并引入Friis传输方程,将计算等效为天线传输过程,应用HFSS仿真得到的四阶Moore分形天线作为接收天线模型,并结合天线收发相关理论,得出GIS局部放电的视在放电量与特高频信号能量与信号电压峰值之间存在关联关系。通过GIS局部放电试验拟合验证,实测结果表明局部放电视在放电量与天线接收特高频信号的能量呈二次曲线关系和信号峰值电压呈一次函数关系。     

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。     

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。     

采用特高频检测技术的局部放电源定位方法

局部放电的发生伴随着电磁波的发射,电磁波在特高频段(300MHz~3GHz)的抗干扰能力很强,因此通过接受该频段的电磁波进行局部放电的检测与定位很有研究前景。近年来特高频法(ultra high frequency method,简称UHF)在局部放电的检测与定位工作中得到广泛推广。为改进确定时延的方法,准确定位放电源,采用了特高频法和信号传播时延来实现对局部放电源的定位。该法采用信号初始峰值法、相关法和能量最小值法求取信号传播时延,通过比较讨论3种方法的优劣,确定了一套求取时延的方案。最后用空间搜索法实现对缺陷中局部放电的定位。     

多局部放电源的电/电磁波和声信号时序分析

局部放电既产生瞬态的电/电磁波信号,也辐射声波,为了解决设备内多局部放电源的存在给诊断所带来的困难,通过对局部放电辐射的电脉冲、电磁波和声波检测信号的分析,忽略脉冲信号的幅度特性和持续时间,仅考虑脉冲接收的起始时间点,构成对应的布尔量时间序列,以分别代表局部放电的电/电磁波和声波的布尔量时间序列,为两个坐标轴建立直角双时间坐标系。理论分析认为,任何一个局部放电源的电/电磁波和声波的布尔量时间序列在该坐标系下构成一条45°直线,不同局部放电源因时延的不同形成的直线位置不同。实验研究工频下不同位置的3个局部放电模型的放电时序关系及由它们的电/电磁波和声波布尔量时间序列建立的直角坐标系的结果表明,该法有可能识别多局部放电源,重构各局部放电源的放电时序关系,藉此研究各放电源的相间局部放电谱图及其放电模式变迁,并获得用于局部放电定位的关键参数超声波传输时延。该法物理意义明确、应用简单。     

基于超高频和超声波相控接收原理的油中局部放电定位法仿真研究

提出一种基于超高频和超声波相控接收阵的局部放电定位法。该方法以分别检测局部放电产生的超高频和超声波信号的相控接收阵构成平面传感器,以超高频相控接收阵检测到的局部放电超高频电磁波信号作为时间基准,由此得出接收到的超声波信号的时延,进而计算出放电点与传感器间的距离;再根据相控阵扫描的方位角和仰角,与算出的距离一起就可得出局部放电源的几何位置。多个空间位置不同的局部放电,其产生的最大信号所处的对应于空间角度的波束阵列的位置不同,相对于同一采样起始点的时间基准不同,而且时间间隔也不同,因此还可实现多局放源的定位。对这一设想进行仿真研究,结果表明该方法能对油中局部放电进行较精确的定位,并可较好地解决多局放点定位问题。     

基于阵列信号处理的变压器内局部放电源多目标定位方法

提出了一种运用阵列信号处理技术实现变压器内多个放电源同时定位的新方法,该方法在变压器内壁安装两个超声波传感器阵列,通过传感器阵列接收目标空间辐射的超声波信号,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(信号源数、传播方向),并完成放电源数的估计、放电源方向的估计和放电源距离的计算,进而实现局部放电的多目标定位。仿真结果表明,该方法具有良好的分辨力和估计精度,能有效估计出变压器内多个放电点的空间位置。     

自动定向式变电站局部放电监测定位方法研究

局部放电监测对发现绝缘缺陷与减少设备绝缘击穿故障均有重要意义,但是目前基于固定天线阵列装置的局部放电信号监测定位方法还不能实现空间上多维度、大范围的高准确度监测。为此设计了一种包含机械结构与天线阵列的自动定向装置,并提出适用的局部放电监测定位方法。所述局部放电监测定位系统首先根据信号特征通过N-Q-Φ等图谱判别局部放电信号,再从空间几何关系角度确定输送给机械结构的控制信号,从而控制定向装置不断调整天线阵列指向,并在闭环调节下使信号时间差最终控制在预设阈值以内。此时阵列中央的激光头所指即为局部放电源位置,完成了局部放电源的监测定位。之后建立局部放电监测定位实验系统,并对上述方法进行测试。结果表明,实验系统能有效发现局部放电信号,并能准确快速地定位局部放电源位置,这对实现局部放电大范围监测与定位有重要意义。     

变电站全站局部放电检测中多源信号分离方法

针对已有的变电站全站局部放电检测方法仅能得到放电源的大致方向,无法区分局部放电类型和来源的问题,基于各种局部放电源所产生的超高频信号在时域与频率的不同特征,对连续采集存储的局部放电电磁波脉冲波形进行TRPD （ time resolved peak display ）时频分析和模糊聚类,分离出不同局部放电源或干扰所产生的放电信号,以实现放电源的准确定位,为后期局放类型的图谱特征识别奠定基础。现场测试证明了该方法的可行性。     

基于空间电磁波检测的车载式变电站电气设备局部放电定位系统

变电站内的电气设备发生局部放电时会辐射出电磁波信号,针对敞开式变电站全站电气设备局部放电的检测和定位,研究了基于空间电磁波信号的车载式变电站电气设备局部放电定位系统,对系统的组成及定位原理进行了阐述,对时延信号的求取方法进行了研究,通过实验室试验对该系统的定位效果进行了验证,结果表明,该系统能够准确地对变电站设备发生的局部放电进行检测和定位。     

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。     

GIS局部放电特高频信号时延的分数阶希尔伯特估计算法

时延估计是GIS特高频局部放电检测基于时差定位的基础,是决定故障定位精度的关键。文中阐述了分数阶希尔伯特变换用于时延估计的理论基础,提出了基于分数阶希尔伯特变换的GIS特高频局部放电时延估计方法,并给出了时延估计算法的数值实现步骤。针对某220 kV GIS设备特高频局部放电巡检过程中在开关气室发现的异常局部放电信号,现场利用高速示波器采集开关气室两侧盆式绝缘子浇筑孔处泄露的特高频电磁波信号。根据文中提出的时延估计算法计算两路特高频电磁波信号时延,准确计算出放电源的空间位置,距盆式绝缘子浇筑孔1.25 m,该间隔开关气室解体后测量放电源距浇筑孔1.3 m。利用分数阶希尔伯特算法的局部放电放电源定位误差明显低于双谱时延估计算法和插值相关法时延估计算法,从而表明了该算法具有较好的有效性和实用性。     

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Friis传输方程的放电量计算模型

应用特高频方法监测变压器局部放电时需要对放电量进行精确地的标定,通过设计计算模型,建立UHF信号能量与放电量的关系,以通过直观的指标来判断局部放电量,评估设备运行状况.通过将局部放电源作为发射天线模型化处理,并引入Friis传输方程,将计算等效为天线传输过程.并以应用HFSS仿真得到的4阶Hilbert分形天线相关参数为模型,通过理论推导和计算,确定局放量与接收特高频信号的能量呈二次曲线的关系.通过由搭建的放电模型收集的测量试验数据统计结果显示,UHF信号能量与放电量存在二次曲线关系,与理论模型相符.     

基于平面相交法的敞开式变电站多源局部放电定位方法

目前基于特高频(UHF)天线阵列的敞开式变电站局部放电(以下简称局放)检测与定位方法获得应用,但定位距离误差偏大,且未提供有效的多放电源时的定位方法。为此提出了基于平面相交法的敞开式变电站多源局放定位方法:采用插值互相关法计算天线信号之间的时差,对互相关函数进行插值以提高采集系统采样率较低时的时差精度;引入平面相交法求解时差方程,并统计获得多次局放信号定位结果中概率密度最高的位置,将其作为最终的定位结果。当存在多个放电源时,使用K均值算法对天线阵列的时差向量进行聚类,实现多源UHF信号的分离。之后,建立了变电站局放检测与定位实验系统,对前述算法的定位精度进行了测试。结果表明,对尺寸为4 m×2 m的菱形天线阵,当局放源与距离4 m的天线对的法线夹角45°且距天线阵列中心距离10 m时,定位误差均1 m,多数情况下20 cm;在存在多个放电源时,该方法的定位精度与单个放电源时接近。