CN103592584A - 一种基于电磁波检测的变电站放电源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁波检测的变电站放电源定位方法，其包括步骤：（1）对应一个放电源，在该放电源的三维空间周围的不同位置点设置至少四个电磁波传感器，所述电磁波传感器接收放电源放电产生的电磁波信号；（2）同步采集各电磁波传感器接收到的电磁波信号的最大峰值；（3）根据模型确定放电源的位置。

Description

一种基于电磁波检测的变电站放电源定位方法

技术领域

本发明涉及一种放电源的定位方法，尤其涉及一种用于变电站放电源的定位方法。

背景技术

在电力设备的运行过程中，绝缘故障是最常见的故障之一。通常电力设备在发生绝缘故障之前都会有一个逐渐发展的局部放电过程。随着局部放电的加剧，最终导致绝缘击穿而引发电力设备的绝缘故障。如果在放电过程中能够对运行设备进行监测和诊断，及时发现放电信号，并对放电源的位置进行定位，及早对导致局部放电的缺陷进行处理，就能有效地避免绝缘击穿故障的发生，并制定具有针对性的检修处理方案，以减少停电时间，提高检修效率。

近年来，电磁波法是检测局部放电的一种新方法。在电力设备发生放电的过程中会辐射出宽频带电磁波信号，电磁波法就是利用了电磁波传感器接收到的射频电磁波信号来检测放电，由于电磁波在空气中的传播速度近似光速，通过该种方法可以用来计算获得局部放电源的位置。常用的方法是安装一组超宽带传感器用以接收放电源辐射出的电磁波信号，通过对传感器阵列接收到的信号进行分析处理，得到信号时延序列，基于时延的定位方程组求解即可得到放电源的准确位置。由于得到准确的时延序列是电磁波法的基础，其具有较高的精度，因此，目前电磁波法在局部放电源检测领域已得到了不少的应用。然而，该方法要求传感器及信号采集系统之间保持精确的时间同步，并且要求信号采集系统具有较高的采样率。在实际应用中电源辐射电磁场会产生衰减，故在信噪比较低的情况下，采用现有的电磁波法会面临着信号时延计算的困难，这会给放电源的定位带来较大的误差，有时甚至无法定位放电源。

由此可见，现有的电磁波法一方面对采集设备提出了较高的要求，另一方面在信噪比较低的情况下存在着较大的定位误差，因而，工作人员有时很难准确地判断局部放电的位置所在，从而难以对产生放电的缺陷进行及时处理，最终致使电力设备发生绝缘故障。为了能够在实际的信噪比较低的情况下，获得准确的局部放电源位置，需要寻找一种考虑到放电源辐射电磁场的衰减传播特性的定位方法，以实现对于放电源位置的确定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁波检测的变电站放电源定位方法，其针对现有的电磁波法的不足，旨在提供一种在信噪比较低的情况下，定位误差较小且无需计算信号时延的放电源定位方法。

本发明所述的技术方案考虑了放电源辐射电磁场的衰减传播特性，并以此为理论基础建立三维坐标系，获得传感器接收到的电磁波信号的峰值与放电源及传感器位置之间的关系，该定位方法只需要提取电磁波接收信号的最大峰值，而不需要计算信号的时延。在信噪比较低的情况下，提取信号的最大峰值相较于计算信号时延更为简单可行，同时更能准确地定位放电源位置。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于电磁波检测的变电站放电源定位方法，其包括步骤：

（1）对应一个放电源，在该放电源的三维空间周围的不同位置点设置至少四个电磁波传感器，所述电磁波传感器接收放电源放电产生的电磁波信号；

（2）同步采集各电磁波传感器接收到的电磁波信号的最大峰值；

（3）根据下述模型确定放电源的位置：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{R_2}=\frac{U_2}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3}{R_3}=\frac{U_3}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_4}{R_4}=\frac{U_4}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\end{array}\right.$

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_i}{R_i}=\frac{\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}}{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}$

其中，x、y、z为放电源的三维坐标（x，y，z）对应的值；x_i、y_i、z_i为各电磁波传感器的三维坐标（x_i，y_i，z_i）对应的值；R_i为各电磁波传感器与放电源之间的距离，θ_i为各电磁波传感器与放电源之间连线和纵轴的锐角夹角，i=1,2,3,4。

进一步地，在本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法中，在步骤（1）和步骤（2）之间还包括信号预处理步骤：对电磁波传感器接收到的电磁波信号进行放大和峰值保持。由于在实际定位过程中放电源辐射电磁场会产生衰减，时常会出现信噪比较低的情况，为了获得能够通过上述模型获得准确的放电源位置，需要对接收到的电磁波信号进行放大和峰值保持。信号最大峰值通过放大和峰值保持的方法来实现，该方法简单有效，并且可以在信噪比较低的条件下准确采集到，故而对于信号采集系统的要求较低，从而降低了设备的投入成本。

进一步地，在本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法中，采用的所述电磁波传感器为射频电磁波传感器。

更进一步地，在本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法的步骤（2）中，采用多通道数据同步采样单元同步采集各电磁波传感器接收到的电磁波信号的最大峰值。

本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法利用了放电源辐射电磁场的衰减传播特性，其可以在信噪比较低的情况下准确地定位局部放电源位置，弥补了现有的利用电磁波法来定位局部放电源的缺陷；同时不需要计算信号时延，有效地避免了计算的困难性和复杂性；此外，相较于电磁波法，本方法对于信号采集系统的要求降低。

本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法可以广泛地用于不同电力设备的局部放电源的定位中，以减少所需停电时间，提高设备检修效率。

附图说明

图1为电流为I，长度为l的电流元P辐射电磁场的示意图。

图2为图1所示的电流元P辐射电磁场的子午面示意图。

图3为本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法在一种实施方式下的实施状态示意图。

图4为仿真放电源以及电磁波传感器在三维坐标系内的分布图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法做出进一步的解释和说明，但是该解释和说明并不对于本发明的技术方案做出不当限定。

最直接的电力设备局部放电的现象即为高电压引起电极间电荷的移动，因此，局部放电的放电源可以通过电流元传感天线辐射模型来模拟，以便更好地了解放电元辐射电磁场的分布特性。

图1示出了电流为I，长度为l的电流元P的辐射电磁场。

如图1所示，由电磁场理论知，假设某一空间（x,y,z）中的任意点A距离电流元P的距离为R，任意点A与电流元P之间连线和纵轴的锐角夹角为θ，A点的磁场强度沿方向为：

A点的电场强度有R方向和θ两个分量，分别为：

${\stackrel{\→}{E}}_R={\stackrel{\→}{a}}_R\frac{{\mathrm{\η}}_0\mathrm{Il}}{2\mathrm{\π}{R}^2}\cos \mathrm{\θ}(1+\frac{1}{\mathrm{jkR}})e^{-\mathrm{jkR}}---\left(2\right)$

${\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{\θ}}={\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{\θ}}j\frac{{\mathrm{\η}}_0\mathrm{kIl}}{4\mathrm{\πR}}\sin \mathrm{\θ}(1+\frac{1}{\mathrm{jkR}}-\frac{1}{k^2{R}^2})e^{-\mathrm{jkR}}---\left(3\right)$

其中

和

分别为球坐标系中三个方向的单位向量；k为波数，式中，ω、ε和μ分别为电流角频率，介质介电常数及磁导率，由于在空气中ε和μ都为1，故k＝ω=2π／λ；η₀是真空的本征阻抗；e^-jkR为空间点与电流元处的相位差；j表示复平面的虚数单位。

由于放电的脉冲电流的波前时间一般在ns级，不会大于0.1μs，也就是说，局部放电所产生的电磁波的工作波长最长为几十厘米，故电流元传感天线的位置基本都在电流元的远区场。由上式（1）～（3）可以知道，当空间中的任意点A与电流元P的距离R>>λ／2π时（λ为工作波长），1／R²和1／R³项可以忽略不计，故由放电源所产生的辐射电磁场磁场强度为：

电场强度只有

分量：

${\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{\θ}}={\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{\θ}}j\frac{{\mathrm{\η}}_0\mathrm{Ij}}{2\mathrm{\λR}}\sin \mathrm{\θ}{e}^{-\mathrm{jkR}}---\left(5\right)$

则电场强度大小为：

$\left|{\stackrel{\→}{E}}_{\mathrm{\θ}}\right|=\frac{{\mathrm{\η}}_0\mathrm{Il}}{2\mathrm{\λ}}\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{R}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{K}_1\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{R}---\left(6\right)$

其中，K₁为只与电流元相关的常量。由式（4）和式（5）可以知道，在电流元的远区场的点A处，电磁场的电场只有一个分量

磁场也只有一个分量

两者相互垂直，并且两者均垂直于径向（方向），同时，由式（6）可以知道，其电场强度

的大小与sinθ／R成正比。

图2为图1所示的电流元P辐射电磁场的子午面示意图。

如图1所示，在所建立的三维空间坐标系（x,y,z）中，假设放电源P的坐标为P(x,y,z)，且电流元P的方向沿z轴，在该三维空间坐标中的任意点A(x_A,y_A,z_A)处存在由局部放电源辐射到空间点A的电场强度。如图2所示，任意点A与放电源P之间的几何关系为：

$\sin {\mathrm{\θ}}_A=\frac{\left|A{A}^{\′}\right|}{R_A}=\frac{\left|A{A}^{\′}\right|}{\left|\mathrm{PA}\right|}---\left(7\right)$

其中，A'为A在z轴上的投影，故有：

$\left|A{A}^{\′}\right|=\sqrt{{(x-x_A)}^2+(y-y_A{)}^2}---\left(8\right)$

$\left|\mathrm{PA}\right|=\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}---\left(9\right)$

即：

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_A}{R_A}=\frac{\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}}{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}---\left(10\right)$

由上述式（6），可以得到由局部放电源P(x,y,z)辐射到空间点A的电场强度大小为：

$\left|{\stackrel{\→}{E}}_A\right|=K_1\·\frac{\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}}{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2+{(z-z_A)}^2}---\left(11\right)$

若将接收电磁波的电磁波传感器安放在点A处，则该电磁波传感器的输出电压为：

$U_A=K_1{K}_2\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{R}\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}K\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{R}---\left(12\right)$

其中，K₂为射频电磁波传感器感应电场强度转化为电压的灵敏度，其与具体的电磁波传感器设计有关，K＝K₁K₂为常量，式（12）为利用电磁波衰减特性计算放电源位置的基础。

假设通过设于四个不同地点的电磁波传感器的坐标位置分别为(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₄,y₄,z₄)，其分别接收输出的不同电压的峰值，各电压峰值对应于不同的电场强度大小，其分别为U₁,U₂,U₃,U₄，利用式（12）整理可得方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{R_2}=\frac{U_2}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3}{R_3}=\frac{U_3}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_4}{R_4}=\frac{U_4}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中U_i为第i个传感器的输出电压，并且可以通过式（10）可以知道其中任何一

均为：

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_i}{R_i}=\frac{\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}}{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}---\left(14\right)$

由上述分析可以知道，在三维空间内设置四个电磁波传感器，可以获得如式（13）所示的非线性方程组，其包括组成三个独立方程，其中只含有放电源位置坐标P(x,y,z)的三个未知数，也就是说，可以通过求解该方程组来获知坐标P的三个未知数，即(x,y,z)，从而定位变电站内的放电源的位置。

图3为本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法一种实施方式下的实施状态示意图。

如图3所示，利用电磁波传感器接收到的电磁波衰减特性，基于电磁波检测的变电站放电源定位方法的步骤为：

（1）对应一个放电源P1，在该放电源P1的三维空间周围的不同位置点#1，#2，#3，#4处设置四个电磁波传感器10，电磁波传感器10接收放电源放电产生的电磁波信号,在四个不同地点的电磁波传感器10位置坐标分别为(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，(x₄,y₄,z₄)；

（2）前置信号调理步骤：对电磁波传感器接收到的电磁波信号进行放大和峰值保持11；

（3）采用多通道数据同步采样单元同步采集各电磁波传感器接收到的电磁波信号的最大峰值12；

（4）根据下述模型确定放电源的位置13：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{R_2}=\frac{U_2}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3}{R_3}=\frac{U_3}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_4}{R_4}=\frac{U_4}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\end{array}\right.$

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_i}{R_i}=\frac{\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}}{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}$

其中，x、y、z为放电源P1的三维坐标（x，y，z）对应的值；x_i、y_i、z_i为各电磁波传感器的三维坐标（x_i，y_i，z_i）对应的值；R_i为各电磁波传感器与放电源之间的距离，θ_i为各电磁波传感器与放电源之间连线和纵轴的夹角，i=1,2,3,4。

图4为仿真放电源以及电磁波传感器在三维坐标系内的分布图。

为了验证本技术方案的效果，如图4所示，本案利用仿真放电源和仿真软件来验证本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法的准确性和可行性，其步骤为：

i）设置仿真局部放电源位置P₀(4,12,6)m，仿真局部放电源采用脉冲电流的幅值为1A，脉冲宽度为4ns的放电脉冲，同时模拟局部放电信号；

ii）在仿真布局放电源的仿真空间内建立三维体系坐标(x,y,z)，设置四个电磁波传感器坐标，其分别为P_A(1,1,2)m、P_B(1,9,4)m、P_C(7,1,2)m和P_D(7,9,2)m；

iii）假设放电辐射的电磁波信号可以无遮挡地、直线到达电磁波传感器处，利用仿真软件获得四个电磁波传感器接收到的电磁波信号波形结果，其信号峰值分别为0.56V、1.10V、0.58V和0.68V，代入上述非线性方程组式（13）中，求解获得仿真放电源位置P₀’为(4.0,12.2,6.4)m；

计算获得的放电源位置P₀’为(4.0,12.2,6.4)m与实际放电源位置P₀(4.0,12.0,6.0)m之间的误差在0.5m以内，该误差能够满足局部放电源初步定位的要求。

需要说明的是，基于本发明的技术方案的内容，本领域的技术人员可以设置四个以上的电磁波传感器，例如，在该放电源的三维空间周围内的五处不同位置点放置五个电磁波传感器等等。

此外，本发明所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法中的电磁波传感器还可以采用射频电磁波传感器。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于电磁波检测的变电站放电源定位方法，其特征在于，包括步骤：

（1）对应一个放电源，在该放电源的三维空间周围的不同位置点设置至少四个电磁波传感器，所述电磁波传感器接收放电源放电产生的电磁波信号；

（2）同步采集各电磁波传感器接收到的电磁波信号的最大峰值；

（3）根据下述模型确定放电源的位置：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2}{R_2}=\frac{U_2}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_3}{R_3}=\frac{U_3}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\\ \frac{\sin {\mathrm{\θ}}_4}{R_4}=\frac{U_4}{U_1}\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1}{R_1}\end{array}\right.$

$\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_i}{R_i}=\frac{\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2}}{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}$

其中，x、y、z为放电源的三维坐标（x，y，z）对应的值；x_i、y_i、z_i为各电磁波传感器的三维坐标（x_i，y_i，z_i）对应的值；R_i为各电磁波传感器与放电源之间的距离，θ_i为各电磁波传感器与放电源之间连线和纵轴的锐角夹角，i=1,2,3,4。

2.如权利要求1所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法，其特征在于，所述步骤（1）和步骤（2）之间还包括前置信号调理步骤：对电磁波传感器接收到的电磁波信号进行放大和峰值保持。

3.如权利要求1所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法，其特征在于，采用的所述电磁波传感器为射频电磁波传感器。

4.如权利要求1所述的基于电磁波检测的变电站放电源定位方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，采用多通道数据同步采样单元同步采集各电磁波传感器接收到的电磁波信号的最大峰值。

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