CN105093070A - 一种大型变压器多放电源超声定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运用阵列信号处理技术的空间谱估计理论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如信号源数、传播方向等，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。

Description

一种大型变压器多放电源超声定位方法

技术领域

本发明属于高压电力设备绝缘监测技术领域，涉及一种大型变压器多放电源超声定位方法。

背景技术

随着电力系统的发展、电压等级和自动化程度的提高，电力设备的绝缘问题越来越突出，为确保电力系统运行的可靠性和安全性，从传统的计划检修逐步向状态检修过渡的电力设备绝缘在线监测技术已在电力系统中得到了广泛应用。

电力变压器是电力系统中的重要设备，其运行可靠性直接影响到整个电力系统的安全和稳定。据不完全统计，在记录的事故中，由变压器故障引起的事故占到很大比例，而局部放电是引起电力变压器绝缘故障的主要原因之一，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式。准确的局部放电源定位不仅对局部放电危害程度评估有重要作用，而且可以为变压器的状态检修提供科学的指导，以便维护人员迅速排除故障，提高维修水平，同时也对改善变压器结构设计、提高制造工艺水平具有指导意义。

局部放电时会伴随产生电脉冲、超声波、电磁辐射、光、化学反应等，并引起局部发热等现象。目前，现有的变压器局部放电定位方法主要有电气定位法、超声波定位法和射频超声波联合定位法。

电气定位法是根据局部放电产生的电脉冲传播到测量端的特性来确定放电源的空间位置。电气法确定的位置为局部放电发生的电气位置，尽管目前对变压器绕组特性进行了大量研究，但是在实际中很少使用电气法，主要原因在于：首先，变压器绕组精确建模难度较大，工作繁琐，通用性差；其次，变压器绕组结构复杂和局部放电位置的不确定性，传播到绕组端部的脉冲信号规律性较小，其定位准确度不高。

超声波定位法是根据局部放电产生的超声波传播的方向和时间来确定放电源的空间位置。该方法抗电磁干扰能力强，系统稳定性好，可以在现场变压器并网运行的条件下完成局部放电的实时定位，得到了广泛应用。但是该方法也存在以下问题：第一，单个传感器的灵敏度较低，由于介质阻挡，难以有效地检测局放信号，造成定位不准；第二，利用时延估计的算法精度不高，时延估计的精度直接影响到局放电源的定位准确度；第三，多放电源的判断和定位问题，现有超声波定位方法大都基于一点放电，实际上变压器内部往往存在多点同时放电的情况，现有方法不能有效分辨出各个信号的放电位置。

射频超声波联合定位法是利用局部放电产生的超声波和射频电磁波联合检测技术监测变压器中的局部放电活动。该方法利用超声波和电磁波在变压器介质中的传播速度不一致以及到达传感器的时间不同，进而确定局部放电的位置。由于绝缘结构的复杂性，电磁波传播时会发生多次折反射及衰减，同时变压器箱壁也会对电磁波的传播带来不利影响，增加了电磁波信号检测的难度，因此，射频超声波联合定位法还需要进一步研究改善。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种大型变压器多放电源超声定位方法，用于解决变压器内部多点放电时放电源的定位问题。

本发明所述问题是通过以下技术方案实现的。

一种大型变压器多放电源超声定位方法，它采用两个位于变压器不同面的超声波传感器阵列接收局放源辐射的超声波信号，然后应用正则相关技术估计信号源数和MUSIC算法估计放电源的方位，再采用数据处理方法进行测量数据关联估计放电源的距离，最后得到局部放电的目标位置。

上述一种大型变压器多放电源超声定位方法，它包括以下步骤。

a、采用布置在变压器内壁的两个超声波传感器阵列接收局放源发出的超声波信号。

b、采用正则相关技术估计放电源的数目，其基本原理如下：

假设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，每个阵列分别有个和个阵元，则阵列接收的数据为

式中、为各阵列接收信号向量；、为两阵列各自的阵列流型；、为入射信号向量；、为两阵列各自接收的色噪声；

假设，则整个阵列的数据协方差矩阵为

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

式中、分别为左右奇异矩阵；为奇异值组成的对角阵，，且奇异值满足以下关系

上式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近似，定义如下

则系列是自由度为的近似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。

c、利用MUSIC算法进行放电源的空间谱估计即放电源的方位，其基本原理如下：

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，为、的函数；为入射信号向量；为接收信号向量；为阵列噪声向量；

阵列数据的协方差矩阵为

式中为噪声功率；

对进行特征分解：；其中，为降序排列的特征值，的每一列为对应特征值的特征向量。在目标源数已估计的情况下，可将分为信号子空间和噪声子空间两部分，且两者相互正交，信号子空间为由前个特征向量组成；噪声子空间由后()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，其个峰值对应的方位角和俯仰角就是目标的方向估计。

d、采用数据处理方法进行测量数据关联，它通过两个观测点（超声波传感器阵列）对目标进行测向，各个测向点的交点就是目标的位置，从各个观测点任取两个不相关的测量数据就可定位空间中的一点，当这两个测量数据来源于同一目标时，定位得到的点即为目标位置，否则为虚假目标。

本发明利用紧贴于变压器内壁的两个超声波传感器阵列接收局放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所接收信号的特征信息，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，从而确定局部放电的多目标定位。该方法具有抗电磁干扰能力强、系统稳定性好等优点，对变压器内多个放电点具有良好的分辨力和估计精度，可在现场变压器并网运行的条件下完成局部放电的定位。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本发明中的程序流程图。

图2为本发明中的超声波传感器阵列示意图。整个阵列在平面上，阵列由个阵元组成，、为阵元个数；为沿轴方向的单元间距；为沿轴方向的单元间距。

图3为本发明中的空间信号示意图。以（0,0）阵元为参考点，为来波方向的方位角；为来波方向的俯仰角。

图4为本发明中的正则相关系数估计信号源数流程图。

图5为本发明中的MUSIC算法估计放电源方位流程图。

具体实施方式

针对目前变压器多个放电源检测的问题，本发明旨在提供一种大型变压器多放电源超声定位方法，用于解决变压器内部多点放电时放电源的定位问题。

该发明采用两个位于变压器不同面的超声波传感器阵列接收局放源辐射的超声波信号，然后应用正则相关技术估计信号源数和MUSIC算法估计放电源的方位，再采用数据处理方法进行测量数据关联估计放电源的距离，最后得到局部放电的目标位置。

为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下。

a、采用布置在变压器内壁的两个超声波传感器阵列（见图2）接收局放源发出的超

声波信号，整个阵列在yz平面上，阵列由p×q个阵元组成；以（0,0）阵元为参考点，放电源发出的超声波信号传到传感器阵列（见图3），记录超声波信号相对于传感器阵列各阵元的相关参数。

b、变压器内部发生局部放电时，放电源（信号源）的个数常不唯一，且经常是未知数，要实现多放电源的定位，需要预先估计出信号源的个数；目前常用的信号源数估计方法有假设检验法、广义似然比法和基于信息论准则法等。但这些方法都是针对高斯白噪声背景对入射信号源进行估计，噪声中有色成分加大时这些算法的性能会很快下降，甚至失效。本发明采用正则相关技术估计信号源的数目，如图4所示。

正则相关技术

假设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，每个阵列分别有个和个阵元，则阵列接收的数据为

(1)

(2)

式中、为各阵列接收信号向量；、为两阵列各自的阵列流型；、为入射信号向量；、为两阵列各自接收的色噪声；

假设，则整个阵列的数据协方差矩阵为

(3)

式中为快拍数；表示共轭转置；

定义矩阵并对其进行奇异值分解，则有

(4)

式中、分别为左右奇异矩阵；为奇异值组成的对角阵，，且奇异值满足以下关系

(5)

式（5）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近似，定义如下

(6)

则系列是自由度为的近似分布，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。

c、利用MUSIC算法进行放电源的空间谱估计即放电源的方位，如图5所示。

MUSIC算法

对于等间隔平面阵，窄带远场信号方向估计的数学模型为

(7)

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，为、的函数；为入射信号向量；为接收信号向量；为阵列噪声向量；

阵列数据的协方差矩阵为

(8)

式中为噪声功率

对进行特征分解：；其中，为降序排列的特征值，的每一列为对应特征值的特征向量。在目标源数已估计的情况下，可将分为信号子空间和噪声子空间两部分，且两者相互正交，信号子空间为由前个特征向量组成；噪声子空间由后()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

(9)

式中也称为角谱，其个峰值对应的方位角和俯仰角就是目标的方向估计。

d、采用数据处理方法进行测量数据关联，从各个观测点任取两个不相关的测量数据就可定位空间中的一点，当这两个测量数据来源于同一目标时，定位得到的点即为目标位置，否则为虚假目标。

e、通过以上对变压器内局放发出的超声波信号进行分析、处理，即可实现变压器内

多点放电时放电源的定位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明构思的前提下，轻易想到的变化或替换，均在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种大型变压器多放电源超声定位方法，包括以下步骤：

1）在变压器内壁任意两个面各安装一组相同的超声波传感器阵列，传感器阵列采用平面阵列；

2）利用超声波传感器阵列对空间信号场进行多点并行采样；

3）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，包括信号源数、传播方向等；

4）采用正则相关技术完成放电源数的估计，MUSIC算法估计放电源的方位和数据处理方法进行数据关联完成放电源距离的计算；

5）综合上述步骤得到的数据实现局部放电的多目标定位。

2.根据权利要求1所述的一种大型变压器多放电源超声定位方法，其特征在于：所述步骤1）中采用超声波传感器平面阵列代替传统的多个超声波探头。

3.根据权利要求1所述的一种大型变压器多放电源超声定位方法，其特征在于：所述步骤1）中平面阵列可同时估计方位角和俯仰角，代替只能对方位角和俯仰角进行估计的线阵。

4.根据权利要求1所述的一种大型变压器多放电源超声定位方法，其特征在于：所述步骤2）中阵列可以同时对多个放电源发射的超声波信号进行收集并储存。

5.根据权利要求1所述的一种大型变压器多放电源超声定位方法，其特征在于：所述步骤3）中利用空间谱估计理论分析阵列传感器所接收信号的特征信息，包括多放电源数的估计和超声波信号传播方向的估计。

6.根据权利要求1所述的一种大型变压器多放电源超声定位方法，其特征在于：所述步骤4）中采用正则相关技术估计信号源数。

7.根据权利要求1所述的一种大型变压器多放电源超声定位方法，其特征在于：所述步骤4）中运用多重信号分类（MultipleSignalClassification,MUSIC）算法对放电源方位进行估计。

8.根据权利要求1所述的一种大型变压器多放电源超声定位方法，其特征在于：所述步骤4）中采用数据处理方法进行测量数据关联，实现放电源距离的计算。