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。     

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。     

用于油中局部放电定位且可重复布置的超声阵列与超高频复合传感器设计

局部放电(PD)是电力变压器绝缘劣化的主要原因,对局部放电进行定位有助于加强电力系统的安全运行。为此,研制了一种用于变压器中局部放电定位的、可重复布置的复合传感器,并对它进行了实验研究。该传感器由13阵元的L形超声阵列与超高频电磁传感器共形地组成,应用高阶累积量处理技术对L形阵列进行扩展后可使之具有97个虚拟阵元的性能,提高了超声阵列的孔径和方向锐度。在局部放电实验平台上进行了定位实验,结果表明该复合传感器能很好地识别及定位单个或多个局部放电源,定位的平均相对误差分别为2.1%和5.1%。对较少阵元数的阵列实施虚拟扩展利于形成微型化复合传感器,为阵列技术在电力设备监测中的实用化奠定了基础。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于穿心特高频传感的开关柜局部放电检测有效性试验

由于开关柜密封性好,以往常用的暂态地电压和超声波局部放电检测技术的有效性和灵敏度受到很大影响。本文提出一种新的局部放电检测技术,通过在带电显示装置信号线上加装特高频电流互感器(ultra-high frequency current transformer,UHFCT),耦合开关柜电气回路中的暂态电流信号,实现开关柜局部放电检测。在实验室搭建了基于开关柜带电显示装置的试验平台,设置了典型局部放电缺陷,采用UHFCT、高频电流互感器(high frequency current transformer,HFCT)、脉冲电流检测阻抗、特高频传感器(ultra-high frequency sensor,UHFS)等多种手段同时进行局部放电检测。对比发现,UHFCT检测效果优于HFCT和UHFS,其有效性和灵敏度得到充分验证。在开关柜中进行试点应用,UHFCT监测到典型局部放电信号。     

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...     

基于圆环形超声阵列传感器的局放定位系统开发与实验研究

局部放电超声阵列定位方法是一种将超声阵列传感器与阵列信号处理技术相结合的局放定位新方法。文章开发了一套基于圆环形超声阵列传感器的局放定位系统,首先设计研制了超声阵列传感器阵元与阵列传感器装配体,组合后可得到九元和十六元的圆环形超声阵列传感器,并据此搭建了一套局放定位实验系统;然后结合现有局放超声阵列定位方法,开展了大量的局放定位实验研究。结果表明,局放定位系统可以有效实现对局放源的空间定位,满足工程需要。     

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。     

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。     

基于超声波法的变压器局部放电监测系统设计

应用超声波法对主变压器局部放电进行监测,根据变压器绝缘结构,确定传感器布置方式,对数据进行频谱分析,并对放电源进行定位。