CN106556783A - 一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法，包括如下步骤：(1)采用特高频相控阵和高采样率数字检测设备采集并记录变电站内局部放电信号；(2)应用宽带聚焦算法，把局部放电信号聚焦为参考频率点上的窄带信号；(3)应用窄带测向算法对窄带信号进行波达方向估计；(4)结合多次测向结果，得到方位角密度最大点，即局部放电信号的方位角。本发明中特高频相控阵体积较小，便于巡检，且拥有较高的空间分辨率。针对变电站内的局部放电信号，本发明采用聚焦算法将局部放电信号转换为窄带信号，再用测向算法得到局部放电信号的方位角，有较高的测向精度和抑制噪声干扰的能力。

Description

一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法

技术领域：

本发明涉及局部放电检测领域，尤其涉及一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法。

背景技术：

局部放电既是导致电力设备绝缘故障的主要原因，也是绝缘缺陷的重要征兆和检测手段。目前国内外开展的基于特高频技术的局部放电检测，通常都是将传感器固定安装在气体绝缘组合电器设备、变压器等具体单一设备上，对变电站设备的局部放电检测和测向主要是针对具体设备进行，而变电站中的所有电力设备均可能发生局部放电，如果在套管及断路器等次要设备上安装局部放电监测系统，成本极高且维护工作量也很大，因此国内外相关学者提出了基于特高频传感器阵列的敞开式变电站站域局部放电检测与定位系统。

现有的基于特高频传感器阵列的变电站局部放电检测与定位系统采用时间差原理，发明人发现，该方法有以下缺点：天线阵列体积过大，不利于巡检；当信噪比较低时，时延计算精度降低；时差方程为非线性方程，计算复杂。鉴于电子对抗领域中相控阵雷达在测向方面的突出优势，将相控阵应用于变电站局部放电特高频检测与测向系统，具有系统体积小、干扰抑制能力强、灵活的波束控制和较高的空间分辨能力等优点，拥有较高的应用潜力

从20世纪70年代末开始，基于相控阵原理的方位角算法取得了显著进展，其中具有里程碑意义的是R.O.Schmidt等人提出的多重信号分类算法。该算法借助阵列接收数据协方差矩阵的特征分解，把信号分为互相正交的信号子空间和噪声子空间，然后构造“针状”谱峰得到信号波达方向。该算法具有高测向精度、较低的分辨力门限和估计偏差，但只能用于处理窄带信号，不适用于宽带局部放电信号的测向。

因此，亟需一种方法对变电站内局部放电信号进行测向，并且该方法受变电站现场噪声干扰影响较小，测向精度较高。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法，包括如下步骤：

1)采用特高频相控阵和高采样率数字检测设备采集并记录变电站内局部放电信号；

2)应用宽带聚焦算法，把局部放电信号聚焦为参考频率点上的窄带信号；

3)应用窄带测向算法对窄带信号进行波达方向估计；

4)重复步骤2和3)，结合多次测向结果，得到方位角密度最大点，即局部放电信号的方位角。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中所述特高频相控阵，为超宽带特高频天线阵列，呈直线排列，阵元间距相同，其中天线数量至少为四个。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中所述高采样率数字检测设备，采样率应不低于2.5GS/s，采样时间不小于200ns。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中所述宽带聚焦算法，包括以下步骤：

201)根据步骤1)采集并记录一次局部放电信号，将第i个通道检测的数据作为阵列数据接收矩阵X(t)的第i行；

202)采用数字带通滤波器，将原始数据X(t)分散到不同频率点f_j上，并做快速傅里叶变换，得到f_j频率点下的阵列数据接收矩阵X(f_j)；

203)建立频率点f_j下的信号模型：

X(f_j)＝A_θ(f_j)S(f_j)+N(f_j),j＝0,1...J-1 (1)

式中，X(f_j)、A_θ(f_j)、S(f_j)、N(f_j)分别为f_j频率点下阵列数据接收矩阵、阵列流型矩阵、信号矩阵、噪声矩阵，J为频带分割的段数；

204)对各频率点下的阵列接收矩阵X(f_j)聚焦，得到参考频率点f₀下的阵列数据接收矩阵X(f₀)，完成局部放电信号到窄带信号的聚焦

式中，J为频带分割的段数，f_j频率点下聚焦矩阵T(f_j)按下式求出

T(f_j)＝U(f₀)U^H(f_j) (3)

其中U(f₀)和U(f_j)分别为去噪后参考频率点f₀和频率点f_j下协方差矩阵P(f₀)和P(f_j)的特征矢量矩阵，^H为矩阵转置。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中所述窄带测向算法，包括以下步骤：

301)对式(2)中参考频率点f₀下的阵列数据接收矩阵X(f₀)求协方差矩阵的最大似然估计R_xx，L为采样点数，^H为矩阵转置

302)对协方差矩阵的最大似然估计R_xx作特征分解

式中，U为特征矢量矩阵，U_S与U_N分别为信号子空间和噪声子空间，Σ为由特征值构成的对角阵，Σ_S为由大特征值构成的信号对角阵，Σ_N为由小特征值构成的噪声对角阵，^H为矩阵转置；

303)利用下式进行谱峰搜索，极大值点对应的角度就是局部放电信号的方位角θ，从而完成测向，式中a_s(θ)为信号导向矢量，U_N为噪声子空间，^H为矩阵转置：

本发明进一步的改进在于，步骤4)中所述得到局部放电信号的方位角，包括以下步骤：

401)采集并记录100组局部放电信号；

402)针对测到的每组局部放电信号，重复步骤201)～204)、301)～303)，得到100组方位角；

403)求100组方位角的平均值和标准差δ，若方位角θ在下式范围内，则予以保留，反之则舍弃

404)求被舍弃后剩余的方位角的标准差σ₀，若σ₀大于10°，则移动特高频相控阵检测位置，重复步骤401)、402)及403)；若σ₀小于10°，则取方位角密度最大点作为最终测向结果，设为从-90°到90°、步长为0.01°的角度序列中的一个元素，统计方位角落在的角度区间的次数，次数最多的区间对应的就是方位角密度最大点，即局部放电信号的方位角。

相对于现有技术，本发明的有益效果体现在：

本发明提供了一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法。目前变电站内常用的基于时间差算法的特高频天线阵列，天线间距通常大于1.5m；而特高频相控阵体积较小，阵元间距仅为0.2m，便携性较强。此外，特高频相控阵还具有干扰抑制能力强、灵活的波束控制和较高的空间分辨能力等优点，在变电站局部放电检测与测向中具有较高的应用潜力。

进一步，局部放电信号为宽带信号，使用本发明先将局部放电信号聚焦到参考频率下的窄带信号，再用窄带测向算法求局部放电源的方位角，具有较高的测向精度。若直接用测向算法处理局部放电信号，当局部放电信号的信噪比为10dB，方位角为-15°时，测向误差为14.83°，而使用本方法在该条件下测向误差仅0.4°，极大地提高了测向精度。

进一步，本发明在聚焦算法步骤中提出用数字带通滤波器对局部放电信号进行频带分割，不仅能将原始数据分散到不同频率点上，还很大程度的提高了算法的抗干扰能力和测向精度。

进一步，本发明可以应用到变电站局部放电巡检系统中，对发现电力设备早期的绝缘缺陷有较大的实用价值。

附图说明：

图1为本发明一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法的流程图。

图2为本发明采用的均匀直线特高频相控阵布置图。

图3为本发明在仿真中特高频传感器采集到的局部放电信号的时域、频域图，其中，图3(a)为仿真中局部放电信号的时域图，图3(b)为仿真中局部放电信号的频域图。

图4为本发明在仿真中局部放电信号方位角为-45°时得到的波达方向估计的波束图。

图5为本发明一种基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法的实验框图。

图6为本发明在实验中特高频传感器采集到的局部放电信号的时域、频域图，其中，图6(a)为实验中局部放电信号的时域图，图6(b)为实验中局部放电信号的频域图。

图7为本发明在实验中局部放电信号方位角为17.34°时得到的波达方向估计的波束图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行说明。

如图1所示，本发明一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法，包括如下步骤：

1)采用特高频相控阵和高采样率数字检测设备采集并记录变电站内局部放电信号；

作为一种实施例，图2为本发明建立的均匀直线特高频相控阵的模型。在多个位置设置局部放电源，相对均匀线阵中心的方位角θ范围为-90°～90°，设定局部放电源在Y轴左侧方位角θ为正，在右侧方位角θ为负。在仿真中设置局部放电源的方位角为-45°，特高频相控阵的阵元数N为4个，阵元间距为0.2m。

作为一种实施例，为了仿真局部放电信号的波形，定义双指数振荡衰减因子γ

式中A为幅值；α、β确定信号波形，其中α与半波峰时间有关，β与波前时间有关；t₀为信号的起始时刻。局部放电信号波形S(t)如下

式中，f₁是起始频率，u是频率随时间上升的斜率。S(t)为波形因子γ与线性调频函数的乘积。用线性调频函数模拟的信号，其频率随着时间的推移而线性增加。通过上式可以确定信号的初始频率f₁和结束频率f₂，进而确定信号带宽。仿真设置局部放电源的有效频带f₁～f₂为500MHz～1GHz。

作为一种实施例，为了在仿真中模拟变电站现场复杂的电磁环境，在检测到的局部放电信号中添加白噪声和手机信号噪声。白噪声用随机信号模拟，信噪比设定为6dB；手机信号噪声用窄带信号模拟，中心频率f_c为900MHz。系统采集到信号的时域、频域图如图3所示。

2)应用宽带聚焦算法，把局部放电信号聚焦为参考频率点上的窄带信号；

本步骤中所述的宽带聚焦算法，包括以下步骤：

(a)根据步骤1)采集并记录一次局部放电信号，将第i个通道检测的数据作为阵列数据接收矩阵X(t)的第i行；

(b)采用数字带通滤波器，将原始数据X(t)分散到不同频率点f_j上，并做快速傅里叶变换，得到f_j频率点下的阵列数据接收矩阵X(f_j)；

(c)建立频率点f_j下的信号模型：

X(f_j)＝A_θ(f_j)S(f_j)+N(f_j),j＝0,1...J-1 (1)

式中，X(f_j)、A_θ(f_j)、S(f_j)、N(f_j)分别为f_j频率点下阵列数据接收矩阵、阵列流型矩阵、信号矩阵、噪声矩阵，J为频带分割的段数；

(d)对各频率点下的阵列接收矩阵X(f_j)聚焦，得到参考频率点f₀下的阵列数据接收矩阵X(f₀)，完成局部放电信号到窄带信号的聚焦

式中，J为频带分割的段数，f_j频率点下聚焦矩阵T(f_j)按下式求出

T(f_j)＝U(f₀)U^H(f_j) (3)

其中U(f₀)和U(f_j)分别为去噪后参考频率点f₀和频率点f_j下协方差矩阵P(f₀)和P(f_j)的特征矢量矩阵，^H为矩阵转置。

作为一种实施例，对于步骤(b)选择有限冲激响应类窗型数字带通滤波器，该滤波器拥有线性相位、群延迟在频域内为常数、相位延迟在频域内为零等优点；数字带通滤波器的频率步长设置为10MHz，阶数设置为200阶，通带设置为500MHz～1GHz。

作为一种实施例，式(3)中求取聚焦矩阵前应先求得参考频率，可通过聚焦误差最小的准则获得：

式中，其中σ_i(P_j)表示矩阵P_j的奇异值矩阵中第i列对应的奇异值。矩阵P_j是f_j频率点下去噪后的阵列数据协方差矩阵R(f_j)

P_j＝R(f_j)-σ_j ²I (11)

其中σ_j ²是f_j频率点下R(f_j)的小特征值的平均值，I为N×N的单位矩阵。

(3)应用窄带测向算法对窄带信号进行波达方向估计；

本步骤中所述的窄带测向算法，包括以下步骤：

(a)对式(2)中参考频率点f₀下的阵列数据接收矩阵X(f₀)求协方差矩阵的最大似然估计R_xx，L为采样点数，^H为矩阵转置

(b)对协方差矩阵的最大似然估计R_xx作特征分解

式中，U为特征矢量矩阵，U_S与U_N分别为信号子空间和噪声子空间，Σ为由特征值构成的对角阵，Σ_S为由大特征值构成的信号对角阵，Σ_N为由小特征值构成的噪声对角阵，^H为矩阵转置。

(c)利用下式进行谱峰搜索，极大值点对应的角度就是局部放电信号的方位角θ，从而完成测向，式中a_s(θ)为信号导向矢量，U_N为噪声子空间，^H为矩阵转置。

作为一种实施例，利用公式(6)得到局部放电信号波达方向估计的波束图，如图4所示。可见，局部放电信号的测向结果为-44.5°，测向误差为0.5°。

(4)结合多次测向结果，得到方位角密度最大点，即局部放电信号的方位角。

本步骤中所述的得到局部放电信号的方位角，包括以下步骤：

(a)采集并记录100组局部放电信号；

(b)针对测到的每组局部放电信号，重复步骤2)和3)，得到100组方位角；

(c)求100组方位角的平均值和标准差σ，若方位角θ在下式范围内，则予以保留，反之则舍弃

(d)求被舍弃后剩余的方位角的标准差σ₀。若σ₀大于10°，则移动特高频相控阵检测位置，重复步骤a)至c)；若σ₀小于10°，则取方位角密度最大点作为最终测向结果，设为从-90°到90°、步长为0.01°的角度序列中的一个元素，统计方位角落在的角度区间的次数，次数最多的区间对应的就是方位角密度最大点，即局部放电信号的方位角。

作为一种实施例，得到方位角密度最大点为-45.34°，标准差为1.29°。进而局部放电信号的测向结果为-45.34°，测向误差为0.34°，说明本方法测向精度较高，抗干扰能力较强。

为了进一步说明本发明提出的一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法的实用性，本发明针对该方法进行了实验室验证，实验系统如图5所示。当模拟局部放电源放电时，其激发的电磁波信号会向周围空间辐射。当信号传播至特高频相控阵时会诱使四个天线产生电信号，并经过等长度同轴电缆传至四通道高速采集数字示波器。用笔记本电脑的测向软件对示波器储存的信号数据进行分析处理，即可得到局部放电信号的方位角。本发明设计的特高频天线为领结形天线，贴片高度为4cm、张角为90°。天线检测到的特高频信号的波形与频谱如图6所示，可以看出信号频率主要集中在600MHz～1.2GHz范围内，因此聚焦频带设置为该频段。当方位角为17.34°时，得到的波达方向估计波束图如图7所示，可见测向结果为15.95°，测向误差为1.39°。改变局部放电信号的方位角，在每个方位角上采集并记录100次数据，得到在0°、17.34°、37°、53.13°、62.9°等方位角上系统的测向结果。可知，当局部放电信号的方位角小于62.9°时，测向误差密度最大点的绝对值小于2°，测向误差标准差小于4.5°，测向精度较高，验证了该测向方法的可行性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅作为本发明的实施案例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、替换或变更，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用特高频相控阵和高采样率数字检测设备采集并记录变电站内局部放电信号；

2)应用宽带聚焦算法，把局部放电信号聚焦为参考频率点上的窄带信号；

3)应用窄带测向算法对窄带信号进行波达方向估计；

4)重复步骤2和3)，结合多次测向结果，得到方位角密度最大点，即局部放电信号的方位角。

2.根据权利要求1所述的一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法，其特征在于，步骤1)中所述特高频相控阵，为超宽带特高频天线阵列，呈直线排列，阵元间距相同，其中天线数量至少为四个。

3.根据权利要求1所述的一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法，其特征在于，步骤1)中所述高采样率数字检测设备，采样率应不低于2.5GS/s，采样时间不小于200ns。

4.根据权利要求1所述的一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法，其特征在于，步骤2)中所述宽带聚焦算法，包括以下步骤：

201)根据步骤1)采集并记录一次局部放电信号，将第i个通道检测的数据作为阵列数据接收矩阵X(t)的第i行；

202)采用数字带通滤波器，将原始数据X(t)分散到不同频率点f_j上，并做快速傅里叶变换，得到f_j频率点下的阵列数据接收矩阵X(f_j)；

203)建立频率点f_j下的信号模型：

X(f_j)＝A_θ(f_j)S(f_j)+N(f_j),j＝0,1...J-1 (1)

式中，X(f_j)、A_θ(f_j)、S(f_j)、N(f_j)分别为f_j频率点下阵列数据接收矩阵、阵列流型矩阵、信号矩阵、噪声矩阵，J为频带分割的段数；

204)对各频率点下的阵列接收矩阵X(f_j)聚焦，得到参考频率点f₀下的阵列数据接收矩阵X(f₀)，完成局部放电信号到窄带信号的聚焦

$X\left(f_0\right)=\frac{1}{J}\underset{j=0}{\overset{J-1}{\Σ}}T\left(f_j\right)X\left(f_j\right)---\left(2\right)$

式中，J为频带分割的段数，f_j频率点下聚焦矩阵T(f_j)按下式求出

T(f_j)＝U(f₀)U^H(f_j) (3)

其中U(f₀)和U(f_j)分别为去噪后参考频率点f₀和频率点f_j下协方差矩阵P(f₀)和P(f_j)的特征矢量矩阵，H为矩阵转置。

5.根据权利要求4所述的一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法，其特征在于，步骤3)中所述窄带测向算法，包括以下步骤：

301)对式(2)中参考频率点f₀下的阵列数据接收矩阵X(f₀)求协方差矩阵的最大似然估计R_xx，L为采样点数，H为矩阵转置

$R_{xx}=\frac{1}{L}\underset{i=1}{\overset{L}{\Σ}}X\left(f_0\right)X{\left(f_0\right)}^H---\left(4\right)$

302)对协方差矩阵的最大似然估计R_xx作特征分解

$R_{xx}={\mathrm{U\ΣU}}^H=\left(\begin{array}{cc}{U}_S& U_N\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\Σ}}_S& 0\\ 0& {\mathrm{\Σ}}_N\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{U}_S^H\\ U_N^H\end{array}\right)---\left(5\right)$

式中，U为特征矢量矩阵，U_S与U_N分别为信号子空间和噪声子空间，Σ为由特征值构成的对角阵，Σ_S为由大特征值构成的信号对角阵，Σ_N为由小特征值构成的噪声对角阵，H为矩阵转置；

303)利用下式进行谱峰搜索，极大值点对应的角度就是局部放电信号的方位角θ，从而完成测向，式中a_s(θ)为信号导向矢量，U_N为噪声子空间，H为矩阵转置：

$P=\frac{1}{a_s^H\left(\mathrm{\θ}\right)U_N{U}_N^H{a}_s\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(6\right).$

6.根据权利要求5所述的一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法，其特征在于，步骤4)中所述得到局部放电信号的方位角，包括以下步骤：

401)采集并记录100组局部放电信号；

402)针对测到的每组局部放电信号，重复步骤201)～204)、301)～303)，得到100组方位角；

403)求100组方位角的平均值和标准差δ，若方位角θ在下式范围内，则予以保留，反之则舍弃

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}-3\mathrm{\δ}\≤\mathrm{\θ}\≤\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}+3\mathrm{\δ}---\left(7\right)$

404)求被舍弃后剩余的方位角的标准差σ₀，若σ₀大于10°，则移动特高频相控阵检测位置，重复步骤401)、402)及403)；若σ₀小于10°，则取方位角密度最大点作为最终测向结果，设为从-90°到90°、步长为0.01°的角度序列中的一个元素，统计方位角落在的角度区间的次数，次数最多的区间对应的就是方位角密度最大点，即局部放电信号的方位角。