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。     

用于变压器中局部放电定位的十字形超声阵列传感器研究

局部放电是电力变压器绝缘劣化的主要原因,研究局部放电定位对提高电网的安全运行很有帮助。该文研制了一种用于电力变压器局部放电定位的复合传感器,并针对该传感器进行了定位仿真和实验。复合传感器由共形的13阵元十字形超声波传感器阵列和2×2阵元的超高频传感器阵列组成。应用高阶累积量处理技术对十字形超声阵列进行虚拟扩展,扩展后阵列具有61个阵元的阵列性能,提高了超声阵列的孔径和方向性锐度,这极大减少了后续硬件电路和成本。利用扩展超声阵列配合超高频阵列来仿真局部放电定位,结果表明扩展阵列具有很好的定位效果。在噪声背景下与多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)方法作了比较,结果表明高阶累积量处理技术能更好地抑制各种高斯色噪声的干扰。基于该十字形超声波阵列传感器进行了局部放电定位实验,结果表明扩展后的十字形超声阵列能精确地定位局部放电,定位的相对误差小于5%。对较少数目阵元的阵列实施虚拟扩展技术,为阵列技术在电力设备上的实用化提供了可能性。     

基于超声阵列传感器与遗传MUSIC的局放源波达方向估计

基于超声阵列传感器的局放源波达方向估计是局部放电准确定位的基础。传统MUSIC测向算法的精度和搜索成功率较低,据此提出一种基于超声阵列传感器与遗传MUSIC算法的局放源波达方向估计新方法。遗传MUSIC算法利用空间谱估计公式构造适应度函数,基于遗传迭代搜索的思想对方位角进行谱峰搜索,以获得全局最优解。通过建立信号模型、阵列模型开展了大量仿真实验,并采用寻优精度、搜索成功率和搜索时间等三个指标为依据,对经典MUSIC和遗传MUSIC的测向结果进行对比。结果表明,基于遗传MUSIC算法提高了搜索成功率,绝对精度相较传统MUSIC算法误差减小0.3°,可以获得更高精度的局放源波达方向角。     

基于复合阵列传感器的应用射线追迹反推变压器中局部放电源

研制了将25阵元十字型超声阵列和2×2阵元特高频阵列共同构成复合阵列传感器。研究了适用于复合阵列传感器的定位算法。将特高频阵列虚拟扩展为13阵元,超声阵列虚拟扩展为193阵元。利用扩展的特高频阵列由双边相关变换算法来预估局部放电源的方位,根据预估结果再对扩展的超声阵列使用旋转信号子空间算法进行精确定向。为了提高单一阵列在局部放电定位中定向成功率和精度,以特高频信号为例,利用基于几何光学与一致性几何绕射理论的射线追迹法研究了对局部放电辐射电磁波轨迹的反演。在变压器模型中的局部放电定位试验表明,基于复合阵列传感器的定位算法对局部放电产生的宽带信号有良好的适应性,以及对局部放电辐射电磁波的追迹反演使定位精确度与成功率均远大于单一阵列的结果,发挥了特高频阵列灵敏度高而超声阵列定向精确度高的优点。     

基于超高频和超声阵列信号的变压器局放定位方法研究

变压器局部放电的检测与准确定位对于及时发现变压器内部的潜伏性绝缘缺陷、预防事故的发生具有重要意义。分析了现有的局放定位方法,指出超声法具有广泛的应用前景。针对超声法检测灵敏度不高等问题,介绍了一种基于超高频和超声阵列信号的变压器局放定位方法。该方法以超高频信号的接收时刻为基准进行测距,并基于快速子空间算法(FDOA)对超声阵列信号进行波达方向估计,得到局放源的方位信息,进而对其定位。在试验室中搭建了一套完整的试验平台,使用该方法对变压器局部放电进行定位试验,结果表明误差均在10 cm以内。验证了所提方法的有效性与实用性。     

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。     

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。     

基于阵列时延库的变压器局放超声阵列定位研究

针对电力变压器局部放电超声阵列检测法存在定位精度的问题,建立了一种阵列时延库,该时延库建立的基本思想是以阵列传感器中心阵元为原点,将变压器模型在三维空间以1 cm间距等分成若干网格,在每一个网格交点处假设放电源并求出放电源点到阵列传感器各阵元的时延组建成库,通过基于遗传算法的空间搜索,匹配阵列时延库中与真实阵列时延相似度最高的放电源点作为局放源位置,大量实验研究表明该方法的误差在4 cm之内,定位效果理想,证明了该方法的可行性。     

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...     

Partial discharge location in power transformers using wideband RF detection

This paper presents a method for partial discharge (PD) source location in power transformers based on detecting electromagnetic (EM) radiation emitted from PD. The key problem of PD location by EM waves is the difficulty in getting the accurate time arrivals of the signals from the source to multiple sensors. Several measures are taken to improve the time arrival resolution. Firstly, a measuring frequency band (1 GHz-5 GHz) within RF band is proposed to accurately pick up the fast rise time of the signals. Secondly, an antenna array with diamond-shaped configuration is designed to improve the correlation coefficient of the waveforms from multiple sensors. Thirdly, two antenna arrays are proposed to eliminate the influences of the EM wave scattering caused by the iron core. Fourthly, an algorithm is proposed to increase the signal to noise ratio and to measure the time arrivals automatically through cross-correlation and averaging operation. Lastly, a hyperboloid-genetic algorithm is developed to search the PD source. Experiments on a single-phase transformer model were conducted in the laboratory. The tested results proved the validity of the proposed method and showed that the location error in 16 cm, mostly is about several cm     

快速独立分量分析算法在局放超声阵列信号去噪中的应用

根据阵列信号去噪需要最大限度保留"相位差"信息的要求,提出采用快速独立分量分析(fast independent component analysis,FastICA)对含噪局放超声阵列信号进行去噪处理。首先通过分离矩阵U实现混合信号中源信号与噪声信号的逐次分离;然后采用波形相似性原则对分离后的信号进行盲抽取,获得去噪后局放超声信号;在此基础之上,对局放超声阵列信号模型进行了重构。同时,提出以阵列流型平均相角差、波形变化趋势、波形相似性以及去噪前后的信噪比等参数对局放超声阵列信号的去噪效果进行综合评价。最后,将FastICA用于实验室实测局放超声阵列信号的去噪。结果表明,FastICA能够很好的抑制局放超声阵列信号中的白噪声,在保证高信噪比的情况下,可最大限度地保留阵列信号的"相位差"信息,确保良好的测向效果。     

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ICA的变压器局部放电超声信号直达波分离研究

针对变压器局部放电超声波检测法存在的定位精度问题,分析了其主要原因在于时延选取的误差,而时延选取误差的主要原因是由于变压器局放超声信号传播规律极其复杂,通过超声传感器接收到的信号是直达波和非直达波以及各种噪声的混合叠加,只有正确分离提取出直达波的时延,才能提高定位精度。为此,本文提出了一种基于独立分量分析(ICA)的变压器局放超声信号直达波分离方法,通过单独分析直达波信号、非直达波信号以及噪声信号各自的主分量特征,运用ICA从混合信号中分离提取出直达波信号并选取时延。仿真和实验结果证明了该方法的可行性。     

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。     

应用复小波变换对电力变压器局部放电超高频信号去噪研究

以电力变压器超高频局部放电在线检测系统为例,提出了一种基于复小波变换技术的分离局部放电超高频信号和噪声的方法;研究了三步骤去噪算法,对其最优复小波的选择、复小波分解阶数的确定及其阈值算法的选取作了重点研究。针对不同的噪声给出了不同的阈值算法——惩罚阈值法和SURE法的阈值选取能方便地捕捉噪声范围内存在信号分解的微小的细节信息,而普通阈值法和渐进SURE法的阈值选取能有效地去除噪声;最后,给出了在线去除局部放电超高频信号噪声的步骤和方法。结果表明:利用复小波变换技术,抑制电力变压器超高频在线监测的局部放电信号中的噪声是一种极为有效的优化方法。