CN104614653A - 基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位和分辨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，根据各检测天线接收到的局部放电信号的时间差，建立关于局部放电点的位置方程，求解局部放电点的方向角；主控制计算机根据输入的方向角，控制各检测天线的云台旋转，直至各检测天线在同一时刻接收到局部放电信号；控制摄像机拍摄，从而获得局部放电点的图像，实现局部放电点定位。本发明还公开了一种基于天线阵列的局放检测装置的多局放点分辨方法采用正则相关技术估计局部放电源的个数；采用多重信号分类算法，利用接收数据的协方差矩阵分离出局放信号子空间和噪声子空间，利用局放信号方向向量与噪声子空间的正交性来构成空间脚谱，其谱峰位置表明了目标信号的方位。

Description

基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位和分辨方法

技术领域

本发明涉及一种基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，还涉及一种基于天线阵列的局放检测装置的多局放点分辨方法，属于电力检测技术领域。

背景技术

局部放电会产生电磁波、声、光、热等物理及化学现象，根据对这些量的分析处理可以得到局部放电源的位置。应用阵列技术对局部放电进行定位是近年来出现的一种新兴的方法，该方法定位精度较高，并且能对同时发生的多个局部放电源进行定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，解决现有技术中的局部放电点定位不准确的技术问题。

本发明所采用的技术方案是：基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，根据所述天线阵列中各检测天线接收到的局部放电信号的时间差，建立关于局部放电点的位置方程，求解局部放电点的方向角；

主控制计算机根据输入的方向角，控制各检测天线的云台旋转，直至各检测天线在同一时刻接收到局部放电信号；

主控计算机控制摄像机拍摄，从而获得局部放电点的图像，实现局部放电点定位。

具体包括如下步骤：

步骤201：信号采集：天线阵列检测接收局部放电信号产生的电磁波信号，信号采集系统对天线阵列中各检测天线进行同步信号采集；

步骤202：信号处理：数据处理系统经小波阈值法对信号进行降噪，并将处理后的信号进行有序存储；

步骤203：局部放电点定位：利用二次插值法计算出信号波形过零点的时刻，计算电磁波信号到达天线阵列中各检测天线的时间差，建立关于局部放电点的位置方程，求局部放电点到各检测天线的距离，确定局部放电点的方向角；

步骤204：输出控制：主控计算机根据输入的方向角，控制各检测天线的云台旋转，直至各检测天线在同一时刻接收到局部放电信号；

步骤205：局部放电点图像拍摄：主控计算机控制摄像机拍摄，从而获得局部放电点的图像，实现局部放电点定位。

建立的局部放电点位置方程的具体方法如下：

假设局部放电点信号从局部放电点传输到天线阵列中第i个检测天线的时间为t_i,i＝1,2,3,…,n；n等于天线阵列中检测天线的个数；

设第i个检测天线的三维坐标为(x_i,y_i,z_i)，局部放电点的三维坐标为(x_s,y_s,z_s)，第1个检测天线接收到放电信号的时间和第i个检测天线接收到放电信号的时间差为t_1i，由空间几何分析，可得局部放电点位置方程

ct₁₂＝d₁-d₂

ct₁₃＝d₁-d₃

                                        (1)

ct₁₄＝d₁-d₄

ct_1i＝d₁-d_i

式中，d_i为局部放电点到第i个检测天线的距离，c为电磁波传播速度，c＝3.0×10⁸m/s；任意3个方程联立即可确定局部放电点的位置。

信号采集系统的采样频率为10GS/s。

本发明的另一目的在于提供一种基于天线阵列的局放检测装置的多局放点分辨方法，包括如下步骤：

步骤501：采用正则相关技术估计局部放电源的个数：

假设k个独立的窄带信号源从不同方向入射到两个空间分离的阵列，每个阵列分别有p个和q个阵元，则阵列接收的数据为

X(n)＝A_XS_X+N_X           (3)

Y(m)＝A_YS_Y+N_Y           (4)

式中X(n)、Y(m)为各阵列接收信号向量；A_X、A_Y为两阵列各自的阵列流型；假设Z(n)＝[X(n),Y(n)]^T，则整个阵列的数据协方差矩阵为：

$R\left(n\right)=\frac{1}{L}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{L}Z\left(n\right)Z^H\left(n\right)=\left[\begin{array}{cc}{R}_{11}& R_{12}\\ R_{21}& R_{22}\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中L为快拍数；H表示共轭转置；定义矩阵R并对其进行奇异值分解，则有

$R=R_{11}^{-1/2}{R}_{12}{\left(R_{22}^{-1/2}\right)}^H=\mathrm{U\ΓV}---\left(6\right)$

式中U、V分别为左右奇异矩阵；Γ为奇异值组成的对角阵，Γ＝diag{δ₁,δ₂,L,δ_p}，且奇异值满足如下关系：

1≥δ₁≥δ₂≥L≥δ_p≥0         (7)

式(7)中的奇异值也称为正则相关因子，正则相关因子在特定的条件下满足Bartlett’s近似，定义如下系列

$c\left(n\right)=-[2L-(p+q+1)]{\mathrm{\Σ}}_{i=n+1}^p\ln 1-{\mathrm{\δ}}_i^2---\left(8\right)$

则系列{C(n)}(n＝1,2,l,p-1)是自由度为2(p-n)(q-n)的近似χ²分布，利用这些正则相关因子的特性就可判别局部放电源的个数；

步骤502：采用多重信号分类算法，利用接收数据的协方差矩阵分离出局放信号子空间和噪声子空间，利用局放信号方向向量与噪声子空间的正交性来构成空间角谱，其谱峰位置表明了目标信号的方位：

对于等间隔平面阵，窄带远场信号方向估计的数学模型为

式中为阵列的方向矩阵或阵列流型，其中为入射信号的方向向量，τ_ki为θ_i、的函数S(t)为入射信号向量；X(t)为接收信号向量；N(t)为阵列噪声向量；

阵列数据X(t)的协方差矩阵为

R＝E[XX^H]＝AE[SS^H]A^H+σ²I＝AR_sA^H+σ²I     (10)

式中σ²为噪声功率。对R进行特征分解：R＝EΛE^H；其中Λ＝diag(γ₁,γ₂₁,L,γ_1M)，γ₁≥γ₂≥L≥γ_M为降序排列的特征值，E的每一列E_i为对应特征值γ_i的特征向量。在目标源数已估计的情况下，可将E分为信号子空间和噪声子空间两部分，且两者相互正交，信号子空间为E_s＝[e₁,e₂,L,e_N]由前N个特征向量组成；噪声子空间E_N＝[e_N+1,e_N+2,L,e_M]由后M-N个特征向量组成。

MUSIC算法通过检验各方向矢量与整个噪声子空间的正交性将空间谱定义为

式中也称为角谱，其N个峰值对应的方位角和俯仰角就是目标的方向估计

与现有局放检测技术相比，本发明提供的基于天线阵列的局放检测装置的多局放定位和分辨方法产生的有益效果是：本发明用的传感器天线为特高频天线，具有和方向性好和抗干扰能力强的优点。本发明所采用的云台控制系统，可精确实时控制天线阵列的转动。用一套车载化可移动的检测装置对全站设备进行局部放电的检测，指出局部放电源所在方向并实时拍摄定位，实现对整个变电站全站的放电信号准确定位。通过该装置可首先粗选有缺陷的设备或设备部件，确定其有了缺陷和故障风险后再进行深入分析和定位，具有成本低、效率高的特点，本发明能对变电站内所有高压设备进行局部放电检测和定位，大大降低了设备局部放电检测的成本，有助于巡检变电站设备时及早发现缺陷，减少事故的发生和停电检修的时间，从而提高变电站运行的可靠性和智能化水平。

附图说明

图1是基于天线阵列的局放检测装置的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

基于天线阵列的局放检测装置，包括运输车、设于运输车上的可旋转云台，安装在云台上的天线阵列，天线阵列包括4个呈菱形分布的检测天线，4个检测天线围成的菱形中心位置处设有摄像机，菱形内角的锐角为60°，可旋转云台可水平360°和垂直‐40°到70°(以水平方向为0°)旋转。检测天线可选用特高频天线。如图1所示，是基于天线阵列的局放检测装置的电路原理框图。检测天线依次通过信号采集系统、数据处理系统与数据传输系统连接主控计算机；可旋转云台与云台控制系统连接，云台控制系统包括控制云台旋转的驱动电机、用于采集可旋转云台旋转角度的角度回传系统。天线阵列检测局部放电辐射出的电磁波信号，将其转换成电压信号输出至信号采集系统，信号采集系统将电压信号转换成数字信号，并输出至数据处理系统进行处理，最后经数据传输系统传输至主控计算机；主控计算机经计算输出控制数据，云台控制系统将控制数据解码后，输出控制驱动电机，控制可旋转云台旋转。

信号采集系统采用采样率为10GS/s的高速采集，数据处理系统可采用计算机，驱动电机可选用高精度步进电机，精确度可达到0.1°。

本发明提供的多局放点定位和分辨方法就是依据上述局放检测装置实施的。本发明提供的基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，具体技术方案如下：

根据天线阵列中各检测天线接收到的局部放电信号的时间差，建立关于局部放电点的位置方程，求解局部放电点的方向角；主控制计算机根据输入的方向角，控制各检测天线的云台旋转，直至各检测天线在同一时刻接收到局部放电信号，最后由主控计算机控制摄像机拍摄，从而获得局部放电点的图像，实现局部放电点定位。

具体的，基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，操作步骤如下：

步骤201：信号采集：天线阵列检测接收局部防电信号产生的电磁波信号，信号采集系统对天线阵列中各检测天线进行同步信号采集；每路检测天线的采样频率为10GS/s。

步骤202：信号处理：数据处理系统经小波阈值法对信号进行降噪，并将处理后的信号进行有序存储。

步骤203：局部放电点定位：利用二次插值法计算出信号波形过零点的时刻，计算电磁波信号到达天线阵列中各检测天线的时间差。

假设数据采集以第一路信号为触发信号，采集系统可以提供触发点、触发电平V_t。将触发电平作为阀值，寻找波形的第一个峰值，在此基础上，往后寻找第一个过零点，作为第一路信号的波前时刻。对于剩余三路信号，设置阀值为k_iV_t，其中，依据该路信号幅度与第一路信号幅度比较，取k_i不同值。依据阀值寻找波形的第一个峰值，然后以第一个过零点作为信号的波前时刻。设四路波形的幅值为V_i，则k_i的取值为：

$k_i=\frac{V_i}{V_1},i=\mathrm{1,2,3,4}$

以上述4路阈值分别触发4路采集系统采集局放特高频电磁波信号，并以首个过零点作为波形起始时刻，由于特高频电磁波波形不规则，为了精确找到过零点。采用二次插值法，拟合波形零点左右某邻域的曲线，经过多次拟合求的过零点时间，带入时延方程就可计算出局放源的空间位置。具体做法如下：

二次插值法是用一元函数f(α)在确定的初始区间内搜索极小点的一种方法。它属于曲线拟合方法的范畴。在求解一元函数f(α)的极小点时，常常利用一个低次插值多项式p(α)。p(α)来逼近原目标函数，然后求该多项式的极小点(低次多项式的极小点比较容易计算)，并以此作为目标函数f(α)的近似极小点。如果其近似的程度尚未达到所要求的精度时，可以反复使用此法，逐次拟合，直到满足给定的精度时为止。

假定目标函数在初始搜索区间(a,b)中有三点a¹、a²和a³(a<a¹<a²<a³<b)，其函数值分别为f₁、f₂和f₃(如下面公式所示)，且满足f₁<f₂，f₂<f₃，即满足函数值为两头大中间小的性质。利用这三点及相应的函数值作一条二次曲线，其函数p(α)为一个二次多项式，式中a₀、a₁、a₂为待定系数。

根据插值条件，插值函数p(α)与原函数f(α)在插值结点p₁、p₂、p₃处函数值相等，得

$\left\{\begin{array}{c}p\left({\mathrm{\&alpha;}}^{\left(1\right)}\right)=a_0+a_1{\mathrm{\&alpha;}}^{\left(1\right)}+a_2{\mathrm{\&alpha;}}^{{\left(1\right)}^2}=f_1\\ p\left({\mathrm{\&alpha;}}^{\left(2\right)}\right)=a_0+a_1{\mathrm{\&alpha;}}^{\left(2\right)}+a_2{\mathrm{\&alpha;}}^{{\left(2\right)}^2}=f_2\\ p\left({\mathrm{\&alpha;}}^{\left(3\right)}\right)=a_0+a_1{\mathrm{\&alpha;}}^{\left(3\right)}+a_2{\mathrm{\&alpha;}}^{{\left(3\right)}^2}=f_3\end{array}\right.$

经过计算可得到参数a₀,a₁,a₂的值，得到拟合的二次函数p(x)＝a₀+a₁x+a₂x²。

建立关于局部放电点的位置方程，求局部放电点到各检测天线的距离，确定局部放电点的方向角。建立的局部放电点位置方程的具体方法如下：

假设局部放电点信号从局部放电点传输到天线阵列中第i个检测天线的时间为t_i,i＝1,2,3,…,n；n等于天线阵列中检测天线的个数；

设第i个检测天线的三维坐标为(x_i,y_i,z_i)，局部放电点的三维坐标为(x_s,y_s,z_s)，第1个检测天线接收到放电信号的时间和第i个检测天线接收到放电信号的时间差为t_1i，由空间几何分析，可得局部放电点位置方程

ct₁₂＝d₁-d₂

ct₁₃＝d₁-d₃

                                      (1)

ct₁₄＝d₁-d₄

ct_1i＝d₁-d_i

式中，d_i为局部放电点到第i个检测天线的距离，c为电磁波传播速度，c＝3.0×10⁸m/s；任意3个方程联立即可确定局部放电点的位置，根据局部放电点的位置，求解云台旋转的方向角。

步骤204：输出控制：主控计算机根据输入的方向角，控制各检测天线的云台旋转，直至各检测天线在同一时刻接收到局部放电信号；

步骤205：局部放电点图像拍摄：主控计算机控制摄像机拍摄，从而获得局部放电点的图像，实现局部放电点定位。

本发明的另一目的在于提供一种基于天线阵列的局放检测装置的多局放点分辨方法，包括如下步骤：

步骤501：采用正则相关技术估计局部放电源的个数：

假设k个独立的窄带信号源从不同方向入射到两个空间分离的阵列，每个阵列分别有p个和q个阵元，则阵列接收的数据为

X(n)＝A_XS_X+N_X                (3)

Y(m)＝A_YS_Y+N_Y            (4)

式中X(n)、Y(m)为各阵列接收信号向量；A_X、A_Y为两阵列各自的阵列流型；假设Z(n)＝[X(n),Y(n)]^T，则整个阵列的数据协方差矩阵为：

$R\left(n\right)=\frac{1}{L}{\mathrm{\&Sigma;}}_{n=1}^{L}Z\left(n\right)Z^H\left(n\right)=\left[\begin{array}{cc}{R}_{11}& R_{12}\\ R_{21}& R_{22}\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中L为快拍数；H表示共轭转置；定义矩阵R并对其进行奇异值分解，则有

$R=R_{11}^{-1/2}{R}_{12}{\left(R_{22}^{-1/2}\right)}^H=\mathrm{U\&Gamma;V}---\left(6\right)$

式中U、V分别为左右奇异矩阵；Γ为奇异值组成的对角阵，

Γ＝diag{δ₁,δ₂,L,δ_p}，且奇异值满足如下关系

1≥δ₁≥δ₂≥L≥δ_p≥0            (7)

式(7)中的奇异值也称为正则相关因子，正则相关因子在特定的条件下满足Bartlett’s近似，定义如下系列

$c\left(n\right)=-[2L-(p+q+1)]{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=n+1}^p\ln 1-{\mathrm{\&delta;}}_i^2---\left(8\right)$

则系列{C(n)}(n＝1,2,l,p-1)是自由度为2(p-n)(q-n)的近似χ²分布，显然，利用这些正则相关因子的特性就可判别信号源的个数。

步骤502：采用多重信号分类算法，利用接收数据的协方差矩阵分离出局放信号子空间和噪声子空间，利用局放信号方向向量与噪声子空间的正交性来构成空间角谱，其谱峰位置表明了目标信号的方位：

对于等间隔平面阵，窄带远场信号方向估计的数学模型为

式中为阵列的方向矩阵或阵列流型，其中为入射信号的方向向量，τ_ki为θ_i、的函数；S(t)为入射信号向量；X(t)为接收信号向量；N(t)为阵列噪声向量；

阵列数据X(t)的协方差矩阵为

R＝E[XX^H]＝AE[SS^H]A^H+σ²I＝AR_sA^H+σ²I       (10)

式中σ²为噪声功率。对R进行特征分解：R＝EΛE^H；其中Λ＝diag(γ₁,γ₂₁,L,γ_1M)，γ₁≥γ₂≥L≥γ_M为降序排列的特征值，E的每一列E_i为对应特征值γ_i的特征向量。在目标源数已估计的情况下，可将E分为信号子空间和噪声子空间两部分，且两者相互正交，信号子空间为E_s＝[e₁,e₂,L,e_N]由前N个特征向量组成；噪声子空间E_N＝[e_N+1,e_N+2,L,e_M]由后M-N个特征向量组成。

MUSIC算法通过检验各方向矢量与整个噪声子空间的正交性将空间谱定义为

式中也称为角谱，其N个峰值对应的方位角和俯仰角就是目标的方向估计

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，其特征在于，根据所述天线阵列中各检测天线接收到的局部放电信号的时间差，建立关于局部放电点的位置方程，求解局部放电点的方向角；

主控制计算机根据输入的方向角，控制各检测天线的云台旋转，直至各检测天线在同一时刻接收到局部放电信号；

主控计算机控制摄像机拍摄，从而获得局部放电点的图像，实现局部放电点定位。

2.根据权利要求1所述的基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤201：信号采集：天线阵列检测接收局部放电信号产生的电磁波信号，信号采集系统对天线阵列中各检测天线进行同步信号采集；

步骤202：信号处理：数据处理系统经小波阈值法对信号进行降噪，并将处理后的信号进行有序存储；

步骤203：局部放电点定位：利用二次插值法计算出信号波形过零点的时刻，计算电磁波信号到达天线阵列中各检测天线的时间差，建立关于局部放电点的位置方程，求局部放电点到各检测天线的距离，确定局部放电点的方向角；

步骤204：输出控制：主控计算机根据输入的方向角，控制各检测天线的云台旋转，直至各检测天线在同一时刻接收到局部放电信号；

步骤205：局部放电点图像拍摄：主控计算机控制摄像机拍摄，从而获得局部放电点的图像，实现局部放电点定位。

3.根据权利要求2所述的基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，其特征在于，建立的局部放电点位置方程的具体方法如下：

假设局部放电点信号从局部放电点传输到天线阵列中第i个检测天线的时间为t_i，i＝1，2，3...，n；n等于天线阵列中检测天线的个数；

设第i个检测天线的三维坐标为(x_i，y_i，z_i)，局部放电点的三维坐标为(x_s，y_s，z_s)，第1个检测天线接收到放电信号的时间和第i个检测天线接收到放电信号的时间差为t_1i，由空间几何分析，可得局部放电点位置方程

ct₁₂＝d₁-d₂

ct₁₃＝d₁-d₃

                          (1)

ct₁₄＝d₁-d₄

ct_1i＝d₁-d_i

式中，d_i为局部放电点到第i个检测天线的距离， $d_i=\sqrt{{(x_s-x_i)}^2+{(y_s-y_i)}^2+{(z_s-z_i)}^2};$ c为电磁波传播速度，c＝3.0×10⁸m/s；任意3个方程联立即可确定局部放电点的位置。

4.根据权利要求2所述的基于天线阵列的局放检测装置的多局放点定位方法，其特征在于，信号采集系统的采样频率为10GS/s。

5.基于天线阵列的局放检测装置的多局放点分辨方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤501：采用正则相关技术估计局部放电源的个数：

假设k个独立的窄带信号源从不同方向入射到两个空间分离的阵列，每个阵列分别有p个和q个阵元，则阵列接收的数据为

X(n)＝A_XS_X+N_X    (3)

Y(m)＝A_YS_Y+N_Y    (4)

式中X(n)、Y(m)为各阵列接收信号向量；A_X、A_Y为两阵列各自的阵列流型；假设Z(n)＝[X(n)，Y(n)]^T，则整个阵列的数据协方差矩阵为：

$R\left(n\right)=\frac{1}{L}{\mathrm{\&Sigma;}}_{n=1}^{L}Z\left(n\right)Z^H\left(n\right)=\left[\begin{array}{cc}{R}_{11}& R_{12}\\ R_{21}& R_{22}\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中L为快拍数；H表示共轭转置；定义矩阵R并对其进行奇异值分解，则有

$R=R_{11}^{-1/2}{R}_{12}{\left(R_{22}^{-1/2}\right)}^H=\mathrm{U\&Gamma;V}---\left(6\right)$

式中U、V分别为左右奇异矩阵；Г为奇异值组成的对角阵，Г＝diag{δ₁，δ₂，L，δ_p}，且奇异值满足如下关系

1≥δ₁≥δ₂≥L≥δ_p≥0    (7)

式(7)中的奇异值也称为正则相关因子，正则相关因子在特定的条件下满足Bartlett’s近似，定义如下系列

$c\left(n\right)=-[2L-(p+q+1)]{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=n+1}^p\ln 1-{\mathrm{\&delta;}}_i^2---\left(8\right)$

则系列{C(n)}(n＝1，2，l，p-1)是自由度为2(p-n)(q-n)的近似χ²分布，利用这些正则相关因子的特性就可判别局部放电源的个数；

步骤502：采用多重信号分类算法，利用接收数据的协方差矩阵分离出局放信号子空间和噪声子空间，利用局放信号方向向量与噪声子空间的正交性来构成空间角谱，其谱峰位置表明了目标信号的方位：

对于等间隔平面阵，窄带远场信号方向估计的数学模型为

式中为阵列的方向矩阵或阵列流型，其中为入射信号的方向向量，τ_ki为θ_i、的函数；S(t)为入射信号向量；X(t)为接收信号向量；N(t)为阵列噪声向量；

阵列数据X(t)的协方差矩阵为

R＝E[XX^H]＝AE[SS^H]A^H+σ²I＝AR_sA^H+σ²I    (10)

式中σ²为噪声功率；对R进行特征分解：R＝EΛE^H；其中Λ＝diag(γ₁，γ₂₁，L，γ_1M)，γ₁≥γ₂≥L≥γ_M为降序排列的特征值，E的每一列E_i为对应特征值γ_i的特征向量；在目标源数已估计的情况下，可将E分为信号子空间和噪声子空间两部分，且两者相互正交，信号子空间为E_s＝[e₁，e₂，L，e_N]由前N个特征向量组成；噪声子空间E_N＝[e_N+1，e_N+2，L，e_M]由后M-N个特征向量组成；

MUSIC算法通过检验各方向矢量与整个噪声子空间的正交性将空间谱定义为

式中也称为角谱，其N个峰值对应的方位角和俯仰角就是目标的方向估计。