CN107765152A - 采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法，包括以下步骤：1)用k个传感器同时采集局部放电电磁波信号，k为大于等于2的整数；2)计算同时采集的多个局部放电电磁波信号的相关系数，并计算到达时间差；3)建立基于到达时间差的方程组，利用牛顿‑拉夫逊法迭代求解，得到局部放电源的空间坐标。本发明的一种采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法，有效直观地解决了局部放电电磁波到达时间差的计算问题，并采用牛顿拉夫逊法对到达时间差方程组进行迭代求解，求得局部放电空间位置的近似解，避免由于时间差计算错误导致方程组无解的情况发生。
Description
技术领域
本发明涉及采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法，属于电力设备局部放电检测技术领域。
背景技术
电力设备的绝缘材料是保证电力设备正常运行的重要组件，但是由于绝缘材料在强电场作用下老化或绝缘材料加工缺陷，在电力设备运行中绝缘材料内部会出现局部放电，局部放电的发展会加速绝缘材料的老化，从而导致电力设备寿命缩短，所以必须尽早发现局部放电的发生位置，有助于降低电力设备事故发生率，保证电力设备正常运行。
局部放电脉冲电流信号为ns级脉冲信号，其激发的超高频电磁波信号同样为宽频带信号，带宽从几十MHz到上GHz，通过计算多个同时采集的局部放电电磁波信号的到达时间差可以进行局部放电定位。目前基于空间电磁波信号的局部放电定位，可以通过肉眼判断计算到达时间差，也可以通过一些算法，如累积能量法确定电磁波信号的到达时间差，目前该技术在GIS局部放电定位中应用较多，也较为成熟。如果用肉眼判断时间差虽然直观，但是波头到达位置依赖于检测人员的经验，而一些算法如累积能量法又不直观，且计算复杂；将到达时间差带入到达时间差方程组计算局部放电空间位置时，往往由于到达时间差的判断或计算有误，会导致方程无解。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，针对上述问题，本发明提出了一种采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法，直观、较快速的到达时间差计算方法，同时采用牛顿拉夫逊法迭代求解到达时间差方程组，能够计算得到局部放电空间位置的近似解，避免由于到达时间差计算误差导致方程组无解的情况。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法，包括以下步骤：
1)用k个传感器同时采集局部放电电磁波信号，k为大于等于2的整数；
2)计算同时采集的多个局部放电电磁波信号的相关系数，并计算到达时间差；
3)建立基于到达时间差的方程组，利用牛顿-拉夫逊法迭代求解，得到局部放电源的空间坐标。
作为优选，步骤2)中具体实现方法如下：
201)读取参考传感器与其他任意一个传感器同一时刻的测量波形wave和wavei，波形数据长度均为N，i＝2,3,4,…,k；
202)计算两个波形的互相关系数R1i，得到一个长度为2×N-1的序列，序列中第n个值的计算公式如下：
203)计算wave的互相关系数R，得到互相关系数中幅值最大值对应的下标NR；
204)计算互相关系数R1i中幅值最大点的下标值Pmax与NR的差Δdis，即
Δdis1i＝Pmax-NR (2)
205)计算wave和wavei的到达时间差，具体公式如下：
ΔT1i＝Δdis/f (3)
式中f为设备的采样率，
206)重复上述步骤201)～204)，得到所有的到达时间差ΔT1i，i＝2,3,4,…,k。
作为优选，步骤3)中具体实现方法如下：
301)建立到达时间差方程组F，见下式
式中(x,y,z)为局部放电源的空间坐标，(x1,y1,z1)是参考传感器的空间坐标，(xi,yi,zi)为传感器的空间坐标，i＝2,3,…,k，ΔT1i为参考传感器相对于其他传感器的到达时间差；
302)初始化参数，具体参数包括：k个天线的位置坐标(xi，yi，zi)，i＝1,2,…，k,迭代最大次数Num，收敛判据eps；
303)给定放电源的初始坐标位置S0(x0，y0，z0)；
304)将初始坐标位置S0(x0，y0，z0)，k个天线的位置坐标(xi，yi，zi)和到达时间差ΔT1i带入方程组F，计算方程组F和雅克比矩阵df；
305)求解S1＝S0-F/df；
306)如果(S1-S0)>eps，则令S0＝S1，重复步骤304)～306)；
307)如果(S1-S0)<eps，则S1对应的空间坐标即为局部放电源的近似空间位置坐标。
根据实验室测量结果，到达时间差的计算误差最小可以达到0.18ns；在此基础上利用迭代计算得到电弧放电故障的位置，对比近似解与实际空间位置，定位平均误差为20cm。有效直观地解决了局部放电电磁波到达时间差的计算问题，并采用牛顿拉夫逊法对到达时间差方程组进行迭代求解，求得局部放电空间位置的近似解，避免由于时间差计算错误导致方程组无解的情况发生。
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1.通过计算互相关系数，可以得到两个波形在时域上任意时刻的相关性，从而根据相似度幅值最大值计算时间差；
2.采用牛顿拉夫逊法对到达时间差方程组进行迭代求解，能够得到满足条件的近似解。
有益效果：本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1、对比原有肉眼观测或累计能量法，能够更为有效准确地获得到达时间差，且可以通过图1直观的看到两个波形在时域上时间差；
2、采用牛顿拉夫逊法对到达时间差方程组进行迭代求解，可以避免由于达到时间差计算错误导致方程组无解的情况，而时间差计算错误往往是不可避免的。
综上所述，本发明有效直观地解决了局部放电电磁波到达时间差的计算问题，并采用牛顿拉夫逊法对到达时间差方程组进行迭代求解，求得局部放电空间位置的近似解，避免由于时间差计算错误导致方程组无解的情况发生。
附图说明
图1为本发明方法到达时间差的算法流程图；
图2为本发明方法两个波形互相关系数示意图；
图3为本发明方法牛顿拉夫逊法求解到达时间差的算法流程图。
具体实施方式
本发明的采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法，具体流程如下：
1)采集局部放电电磁波信号，使用的示波器其带宽为100MHz～3GHz，其采样率为5GS/s，使用的k个传感器采集局部放电电磁波信号，这k个传感器为微带天线传感器，其带宽为100MHz～6000MHz，k个传感器等间距的布置；
2)计算同时采集的多个局部放电电磁波信号的相关系数，并计算到达时间差；
201)读取参考传感器与其他任意一个传感器同一时刻的测量波形wave和wavei，波形数据长度均为N，i＝2,3,4,…,k；
202)计算两个波形的互相关系数R1i，得到一个长度为2×N-1的序列，[m]为数组的下标，为数组的下标，序列中第n个值的计算公式如下：
203)计算wave的互相关系数R，得到互相关系数中幅值最大值对应的下标NR；
204)计算互相关系数R1i中幅值最大点的下标值Pmax与NR的差Δdis，即
Δdis1i＝Pmax-N (2)
205)计算wave和wavei的到达时间差，具体公式如下：
ΔT1i＝Δdis/f (3)
式中f为设备的采样率；
206)重复上述步骤201)～205)，得到所有的到达时间差ΔT1i，i＝2,3,4,…,k。
3)建立基于到达时间差的方程组，利用牛顿-拉夫逊法迭代求解，得到局部放电源的空间坐标。
301)建立到达时间差方程组F，见下式
式中(x,y,z)为局部放电源的空间坐标，(x1,y1,z1)是参考传感器的空间坐标，(xi,yi,zi)为传感器的空间坐标，i＝2,3,…,k，ΔT1i为参考传感器相对于其他传感器的到达时间差。
302)初始化参数，具体参数包括：k个天线的位置坐标(xi，yi，zi),i＝1,2,…，k,迭代最大次数Num，收敛判据eps；到达时间差ΔT1i
303)给定放电源的初始坐标位置S0(x0，y0，z0)；
304)将初始坐标位置S0(x0，y0，z0)，k个天线的位置坐标(xi，yi，zi)和到达时间差ΔT1i带入方程组F，计算方程组F和雅克比矩阵df；
305)求解S1＝S0-F/df；
306)如果(S1-S0)>eps，则令S0＝S1，重复步骤304)～306)；
307)如果(S1-S0)<eps，则S1对应的空间坐标即为局部放电源的近似空间位置坐标。
Claims (3)
1.一种采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)用k个传感器同时采集局部放电电磁波信号，k为大于等于2的整数；
2)计算同时采集的多个局部放电电磁波信号的相关系数，并计算到达时间差；
3)建立基于到达时间差的方程组，利用牛顿-拉夫逊法迭代求解，得到局部放电源的空间坐标。
2.根据权利要求1所述的采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法，其特征在于，步骤2)中具体实现方法如下：
201)读取参考传感器与其他任意一个传感器同一时刻的测量波形wave和wavei，波形数据长度均为N，i＝2,3,4,…,k；
202)计算两个波形的互相关系数R1i，得到一个长度为2×N-1的序列，序列中第n个值的计算公式如下：
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203)计算wave的互相关系数R，得到互相关系数中幅值最大值对应的下标NR；
204)计算互相关系数R1i中幅值最大点的下标值Pmax与N的差Δdis，即
Δdis1i＝Pmax-NR (2)
205)计算wave和wavei的到达时间差，具体公式如下：
ΔT1i＝Δdis/f (3)
式中f为设备的采样率；
206)重复上述步骤201)～205)，得到所有的到达时间差ΔT1i，i＝2,3,4,…,k。
3.根据权利要求1所述的采用相关系数和牛顿拉夫逊法进行局部放电定位的方法，其特征在于，步骤3)中具体实现方法如下：
301)建立到达时间差方程组F，见下式
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式中(x,y,z)为局部放电源的空间坐标，(x1,y1,z1)是参考传感器的空间坐标，(xi,yi,zi)为传感器的空间坐标，i＝2,3,…,k，ΔT1i为参考传感器相对于其他传感器的到达时间差，v是电磁波信号在介质中的传播速度，t表示从局部放电源到达参考传感器的时间；
302)初始化参数，具体参数包括：k个天线的位置坐标(xi，yi，zi)，i＝1,2,…，k,迭代最大次数Num，收敛判据eps；
303)给定放电源的初始坐标位置S0(x0，y0，z0)；
304)将初始坐标位置S0(x0，y0，z0)，k个天线的位置坐标(xi，yi，zi)和到达时间差ΔT1i带入方程组F，计算方程组F和雅克比矩阵df；
305)求解S1＝S0-F/df；
306)如果(S1-S0)>eps，则令S0＝S1，重复步骤304)～306)；
307)如果(S1-S0)<eps，则S1对应的空间坐标即为局部放电源的近似空间位置坐标。
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2017
- 2017-10-23 CN CN201710990375.0A patent/CN107765152A/zh active Pending
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 210000 No. 311-1 Shandong Road, Xuanwu District, Nanjing City, Jiangsu Province Applicant after: Jiangsu Lianneng Electric Power Research Institute Co. Ltd. Address before: 210005 Zhongshan East Road, Xuanwu District, Nanjing, Jiangsu Province, No. 311-1 Applicant before: Nanjing Lianneng Electric Power Test Research Institute Co. Ltd. |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180306 |