CN108037410B - 一种基于可控响应功率的局部放电超声波定位方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高压电气设备局部放电在线监测技术领域，尤其涉及一种基于可控响应功率的局部放电超声波定位方法与装置。为克服当前局部放电超声波定位方法及装置结构复杂、抗干扰能力弱等缺点，本发明利用F‑P光纤超声传感器阵列检测局部放电产生的超声波，将声信号转化为光信号并通过光纤传播，在超声波的作用下，F‑P光纤超声传感器阵列将返回的干涉光经过光电放大器传输到信号处理单元进行信号采集与处理，最终得到高压电气设备局部放电点的坐标。本发明不受运行现场的强电磁干扰，具有较强的抗噪性和鲁棒性，且只需要很短的信号序列就可以给出较为精确的定位，有效避开了混叠波的影响，适用于高压电气设备局部放电的定位。

Description

一种基于可控响应功率的局部放电超声波定位方法与装置
技术领域
本发明属于高压电气设备局部放电在线监测技术领域，尤其涉及一种基于可控响应功率的局部放电超声波定位方法与装置。
背景技术
局部放电是造成电力设备绝缘劣化、破坏的主要原因，强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降，因此，对大型电力设备的局部放电进行在线监测具有十分重要意义。常用的检测法主要有甚高频(VHF)脉冲电流检测法和超高频(UHF)电磁波检测法，然而这两种检测方法检测的是电信号，容易受到电磁信号的干扰；超声波检测法是通过超声波传感器检测设备内部局部放电产生的超声波信号，其不受到电磁噪声的干扰，不影响设备运行，能够实现在线监测。
目前，已有多种局部放电超声波定位方法及装置被提出，例如基于时延估计的定位算法，该算法的主要优点是原理简单、计算量小，但是该类定位算法采用大孔径或分布式传感器阵列，超声波沿不同的路径到达各个传感器，由于电气设备内部结构复杂，有的路径可能被阻挡，从而导致定位失败，在较强的噪声的环境下，定位效果不佳。基于电-声检测的局部放电定位方法可同时检测电信号和声信号，利用超声信号与超高频信号时延，计算出局部放电点与超声波传感器间的距离，再根据声信号估计波达方向，进而计算放电源的空间几何位置，但这种方法需要同时使用电磁波传感器和超声波传感器，硬件结构复杂，成本较高，而且波达方向估计受超声波信号的带宽影响，且在有多径信号混叠时不能辨别波达方向。采用F-P光纤超声传感器检测局部放电是一种新方法。F-P光纤超声传感器是基于法布里-珀罗光学干涉原理来检测局部放电产生的超声波，相比于压电陶瓷传感器，具有抗干扰能力强，不受电磁波的影响等显著的优点。虽然F-P光纤超声传感器已在实际电气设备中得到应用，但目前还没有实现局部放电定位。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于可控响应功率的局部放电超声波定位方法与装置，本发明不受信号带宽影响，具有较强的抗噪性和鲁棒性，适用于高压电气设备局部放电的定位。
一种基于可控响应功率的局部放电超声波定位方法，包括以下步骤：
步骤一：对信号发生装置产生的信号预处理，并传输到F-P光纤超声传感器阵列进行信号采集；
步骤二：对传感器接收的采样信号进行时域插值，根据插值后的采样信号建立广义互相关函数模型；
步骤三：计算局放源s处的可控响应功率；
步骤四：根据步骤三的计算结果求取可控响应功率的最大值，并定位局放源位置。
所述步骤二中，根据插值后的采样信号建立广义互相关函数模型的方法为:
假设F-P光纤超声传感器阵列的第m个传感器检测到的信号为Xm(t)，第n个传感器检测到的信号为Xn(t)，将检测到的信号分别进行傅里叶变换，得到经傅里叶变换的第m个传感器检测信号Xm(w)和第n个传感器检测信号Xn(w)，则定义第m个和第n个传感器接收信号的广义互相关函数R(τmn(s))为：
Figure GDA0001549210920000021
其中，
τmn(s)＝(||rs-rm||-||rs-rn||)/v (2)
式中：ψmn(w)为加权函数，τmn(s)为超声波从局放源s传播到第m个和第n个传感器的时间差，Xm(w)为经过傅里叶变换的第m个传感器检测信号，Xn(w)为经过傅里叶变换的第n个传感器检测信号，“*”表示取复数共轭；rs、rm和rn分别为局放源s、第m个传感器的直角坐标和第n个传感器的直角坐标，v表示超声波在介质中的传播速度。
所述局放源s处的可控响应功率的计算公式为：
Figure GDA0001549210920000031
式中：P(s)为局放源s处的可控响应功率，R(τmn(s))为第m个和第n个传感器接收信号的广义互相关函数，M为传感器总数。
所述步骤四中，定位局放源位置的方法为：
根据公式(4)求得的P(s)最大值所对应的位置即估计的局放源位置，其中：
Figure GDA0001549210920000032
式中，
Figure GDA0001549210920000033
表示局放源位置估计，P(s)为局放源s处的可控响应功率。
所述步骤四采用随机区域压缩算法估计局放源位置，通过不断选取可控响应功率值的空间点来压缩局放点存在空间的体积，最终估计出局放源位置。
所述装置由F-P光纤超声传感器阵列、光源输入单元和信号处理单元组成；
所述光源输入单元将产生的输入光依次通过滤波器、耦合器和单模光纤传输到所述F-P光纤超声传感器阵列的F-P腔，在超声波的作用下，F-P光纤超声传感器阵列将返回的干涉光经过光电放大器传输到信号处理单元进行信号采集与处理，最终得到高压电气设备局部放电点的坐标。
所述F-P光纤超声传感器阵列的阵元数量为4个，阵元间距设置为2.2厘米。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的基于SRP的局部放电超声波定位方法，该方法不受信号带宽影响，具有较强的抗噪性和鲁棒性，且只需要很短的信号序列就可以给出较为精确的定位，有效避开了混叠波的影响，适用于电气设备局部放电的定位。
2、本发明提出的基于SRP的局部放电超声波定位装置，结构简单，可实现高压电气设备局部放电定位，其中，F-P光纤超声传感器阵列用于检测局部放电产生的超声波，该F-P光纤超声传感器阵列仅使用4个阵元，体积小、结构简单、成本较低并且安装方便，可将声信号转化为光信号通过光纤传播，不受运行现场的强电磁干扰；同时该传感器阵列能够放置在电气设备内部的油、气介质中使用，可有效避免设备外壳对超声波的阻挡作用，灵敏度高，检测信号信噪比高。
附图说明
附图1为局部放电超声波定位方法流程图；
附图2为局部放电超声波定位装置结构示意图；
附图3为采集的局部放电超声波信号波形图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明针对目前的大型电气设备局部放电超声波检测方法的不足，提出了一种基于可控响应功率(Steered Response Power，SRP)的局部放电超声波定位方法，如图1所示的局部放电超声波定位方法流程图，所述方法包括以下步骤：
步骤一：将信号发生装置产生的信号进行预处理，并传输到F-P光纤超声传感器阵列进行信号采集；
步骤二：对传感器接收的采样信号进行时域插值，并根据插值后的采样信号建立广义互相关函数模型，建模方法如下所述：
假设F-P光纤超声传感器阵列的第m个传感器检测到的信号为Xm(t)，第n个传感器检测到的信号为Xn(t)，将检测到的信号分别进行傅里叶变换，得到经傅里叶变换的第m个传感器检测信号Xm(w)和第n个传感器检测信号Xn(w)，则定义第m个和第n个传感器接收信号的广义互相关函数R(τmn(s))为：
Figure GDA0001549210920000051
其中，
τmn(s)＝(||rs-rm||-||rs-rn||)/v
式中：ψmn(w)为加权函数，τmn(s)为超声波从局放源s传播到第m个和第n个传感器的时间差，Xm(w)为经过傅里叶变换的第m个传感器检测信号，Xn(w)为经过傅里叶变换的第n个传感器检测信号，“*”表示取复数共轭；rs、rm和rn分别为局放源s、第m个传感器的直角坐标和第n个传感器的直角坐标，v表示超声波在介质中的传播速度；
步骤三：计算局放源s处的可控响应功率P(s)，计算公式为：
Figure GDA0001549210920000052
式中：R(τmn(s))为第m个和第n个传感器接收信号的广义互相关函数，M为传感器总数；
步骤四：根据步骤三计算得到的可控响应功率P(s)求取可控响应功率的最大值，最大值所对应的位置即为估计的局放源位置，即：
Figure GDA0001549210920000053
式中，
Figure GDA0001549210920000054
表示局放源位置估计，P(s)为局放源s处的可控响应功率。
在利用SRP算法定位局放源位置时，需要在声源可能存在的空间进行搜索，通常采用的方法是对空间划分网格，计算每个网格点的时间向量τmn(s)，然后代入SRP计算公式计算每个网格点的可控功率响应值P(s)，P(s)最大值所在的网格点就是局部放电点的位置。然而采用这种方法不仅计算量大，定位精度还受限于网格划分精度。为了简化计算并提高定位精度，本发明采用随机区域压缩算法(Stochastic Region Contraction，SRC)来估计局放源位置，即通过不断选取可控响应功率值较大的空间点来压缩局放点可能存在空间的体积，最终估计出局放点的位置。采用SRC方法的计算量比网格划分方法的计算量小两个数量级，几乎没有定位精度的损失。
此外，为定位三维空间内的目标，F-P光纤超声传感器阵列的阵元数目至少为4个。在阵元数目一定的情况下，为了提高定位精度，需要增大传感器间距或者提高采样率，但增大传感器间距可能造成各通道信号波形不相似，并且受硬件成本限制难以提高信号采集装置的采样率。
假设F-P光纤超声传感器阵列中的阵元间距是d，超声波在介质中的传播速度是c，则信号到达两个相邻阵元的时间延迟τ与信号入射方向θ之间的关系为：
τ＝dsin(θ)/c
Figure GDA0001549210920000061
在采样率一定的情况下，θ越接近90°，△τ越大，角度分辨率越低。例如，当θ＝60°，d＝2.2cm，c＝1500m/s，取采样率fs＝10/△τ，分辨率△θ＝0.1°，由上式计算得到：fs≈15MMz。由于采集装置的采样率不高，本实施例采用插值法以提高算法的定位精度。
通过实验研究发现，当阵元间距为2.2厘米时，能够采集到相似度高的直达波信号，因此本发明将F-P光纤超声传感器阵列的阵元间距设置为2.2厘米。并采用插值的方法提高算法的定位精度，即对传感器接收的采样信号进行时域插值，通过该方法可提高采样率，进而提高算法的定位精度。
为了实现基于可控响应功率的局部放电超声波定位，本发明还设计了与之对应的基于可控响应功率的局部放电超声波定位装置，该装置结构简单，克服了变压器、GIS等高压电气设备局部放电检测时设备结构复杂的缺点，适合于高压电气设备的局部放电在线监测。如图2所示的局部放电超声波定位装置结构示意图，所述装置由F-P光纤超声传感器阵列、光源输入单元和信号处理单元组成，其中，将F-P光纤超声传感器阵列作为局部放电超声波信号检测装置。为提高采样率，本发明将F-P光纤超声传感器阵列的阵元数量设置为4个，阵元间距设置为2.2厘米。所述光源输入单元将产生的输入光依次通过滤波器、耦合器和单模光纤传输到所述F-P光纤超声传感器阵列的F-P腔，在超声波的作用下，F-P光纤超声传感器阵列将返回的干涉光经过光电放大器传输到信号处理单元进行信号采集，然后调用编好的处理程序进行处理，最终得到图3所示的高压电气设备局部放电点的电超声波信号波形图。
此实施例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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于可控响应功率的局部放电超声波定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对信号发生装置产生的信号预处理，并传输到F-P光纤超声传感器阵列进行信号采集；
步骤二：对传感器接收的采样信号进行时域插值，根据插值后的采样信号建立广义互相关函数模型；
步骤三：计算局放源s处的可控响应功率；
步骤四：根据步骤三的计算结果求取可控响应功率的最大值，并定位局放源位置；
所述局放源s处的可控响应功率的计算公式为：
Figure FDA0002615270990000011
式中：P(s)为局放源s处的可控响应功率，R(τmn(s))为第m个和第n个传感器接收信号的广义互相关函数，M为传感器总数；
所述步骤四中，定位局放源位置的方法为：
根据公式(4)求得的P(s)最大值所对应的位置即估计的局放源位置，其中：
Figure FDA0002615270990000012
式中，
Figure FDA0002615270990000013
表示局放源位置估计，P(s)为局放源s处的可控响应功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于可控响应功率的局部放电超声波定位方法，其特征在于，所述步骤二中，根据插值后的采样信号建立广义互相关函数模型的方法为:
假设F-P光纤超声传感器阵列的第m个传感器检测到的信号为Xm(t)，第n个传感器检测到的信号为Xn(t)，将检测到的信号分别进行傅里叶变换，得到经傅里叶变换的第m个传感器检测信号Xm(w)和第n个传感器检测信号Xn(w)，则定义第m个和第n个传感器接收信号的广义互相关函数R(τmn(s))为：
Figure FDA0002615270990000021
其中，
τmn(s)＝(||rs-rm||-||rs-rn||)/v (2)
式中：ψmn(w)为加权函数，τmn(s)为超声波从局放源s传播到第m个和第n个传感器的时间差，Xm(w)为经过傅里叶变换的第m个传感器检测信号，Xn(w)为经过傅里叶变换的第n个传感器检测信号，“*”表示取复数共轭；rs、rm和rn分别为局放源s、第m个传感器的直角坐标和第n个传感器的直角坐标，v表示超声波在介质中的传播速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于可控响应功率的局部放电超声波定位方法，其特征在于，所述步骤四采用随机区域压缩算法估计局放源位置，通过不断选取可控响应功率值的空间点来压缩局放点存在空间的体积，最终估计出局放源位置。
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