CN108761279B - 一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法及系统，包括：利用极坐标系，将搜索空间划分为半径为r，角度为θ，数量为n_r的一个个扇形的网格；计算特征值数组(A₁,A₂,…A_n)；查找特征值数组中最小值A_m，最小值A_m所在的网格即局放点所在的网格。判断最小值A_m所在的网格的大小是否符合精度要求，若判断结果为是则作为最终解，若判断结果为否则将最小值A_m所在的网格作为下一个待搜索的空间返回再次进行网格划分。本发明提供一种利用特高频时延信号在角度上准确定位局部放电源的方法；算法计算量小，时间性能优越，相较既有算法而言有较大提升；简单易行，对外部设备环境依赖低，检测准确度高。

Description

一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法及系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体地，涉及一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法及系统。

背景技术

局部放电是引起电力设备绝缘故障的重要原因，局部放电检测作为绝缘监测的重要内容，能够在发生绝缘介质击穿前及时排查到设备绝缘介质中存在的缺陷与劣化。高效的局放定位，有利于制定的检修方案，提高检修效率，减少停电检修时间与防止破坏性故障发生，对维护电力系统的稳定性有重要意义。

局部放电发生时，会伴随出现相应的声、光、热、电现象。基于这些特征量，人们发展出许多相应的检测局部放电的方法。如脉冲电流法、声测法、光测法以及化学检测法等非电量检测有着不易受电磁干扰影响、无需考虑电容等长处。但非电量检测存在灵敏度低，难以进行详细诊断，因此常作为辅助手段。

传统的局部放电检测方法的频率较低，随着技术发展，近年来推出了一个较为新颖的特高频检测方法。运动的电场与磁场会相互转化。电磁波由二者相互转化，并对外传播而产生。变电站中电设备一般在绝缘介质内部发生局部放电时，其放电范围较小，击穿时间很短，局部放电脉冲的上升沿十分陡，由此便会产生快速变化的电场，进而激发频率很高的电磁波，并可被设备外部特高频传感器所接收。故可利用传感器监测电气设备发生局放所产生的UHF信号，通过分析，获取局放定位信息，实现设备绝缘故障的诊断。

通过建立特高频传感器天线阵列，现有的分布式传感器特高频定位算法利用局部放电源产生的特高频信号到达四个特高频传感器的时间差建立空间坐标方程，通过求解出局放源的坐标，实现定位局放源。其中牛顿迭代法在存在误差时，迭代解的误差很大，甚至可以达到数千米的等级，且与牛顿迭代法本身性质有关，难以通过优化参数改变。网格搜索方法存在计算量大，方向角存在误差等缺点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法及系统。

根据本发明提供的一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法，包括：

网格划分步骤：利用极坐标系，将搜索空间划分为半径为r，角度为θ，数量为n_r的一个个扇形的网格，并分别标记为1,2,3…n，网格中心点记为P_k(r_k,θ_k),k＝1,2,3…n；

特征值数组计算步骤：特征值数组(A₁,A₂,…A_n)的计算公式包括：

其中，c是光速，τ_i是假设局部放电源位于(r,θ),其放电信号到达第i个传感器与到达第一个传感器的时间差，i是传感器序号，r_i是第i个传感器的极坐标距离值，f_i(R,θ)是局放源到第i个传感器与到第一个传感器的理论距离差与依照时延计算的距离差的误差值，A_k值为到三个传感器误差值的集合指标作为特征值反应定位误差大小情况；

定位步骤：查找特征值数组中最小值A_m，最小值A_m所在的网格即局放点所在的网格。

较佳的，还包括：

判断循环步骤：判断最小值A_m所在的网格的大小是否符合精度要求，若判断结果为是则作为最终解，若判断结果为否则将最小值A_m所在的网格作为下一个待搜索的空间返回网格划分步骤。

较佳的，在循环时新的r值为原半径除以缩小倍数，新的θ值为原角度除以角度缩小倍数。

较佳的，所述四个传感器成矩形放置。

根据本发明提供的一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索系统，包括：

网格划分模块：利用极坐标系，将搜索空间划分为半径为r，角度为θ，数量为n_r的一个个扇形的网格，并分别标记为1,2,3…n，网格中心点记为P_k(r_k,θ_k),k＝1,2,3…n；

特征值数组计算模块：特征值数组(A₁,A₂,…A_n)的计算公式包括：

其中，c是光速，τ_i是假设局部放电源位于(r,θ),其放电信号到达第i个传感器与到达第一个传感器的时间差，i是传感器序号，r_i是第i个传感器的极坐标距离值，f_i(R,θ)是局放源到第i个传感器与到第一个传感器的理论距离差与依照时延计算的距离差的误差值，A_k值为到三个传感器误差值的集合指标作为特征值反应定位误差大小情况；

定位模块：查找特征值数组中最小值A_m，最小值A_m所在的网格即局放点所在的网格。

较佳的，还包括：

判断循环模块：判断最小值A_m所在的网格的大小是否符合精度要求，若判断结果为是则作为最终解，若判断结果为否则将最小值A_m所在的网格作为下一个待搜索的空间返回再次进行网格划分。

较佳的，在循环时新的r值为原半径除以缩小倍数，新的θ值为原角度除以角度缩小倍数。

较佳的，所述四个传感器成矩形放置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、提供一种利用特高频时延信号在角度上准确定位局部放电源的方法；

2、算法计算量小，时间性能优越，相较既有算法而言有较大提升；

3、简单易行，对外部设备环境依赖低，检测准确度高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例的传感器放置示意图；

图3为本发明的模型示意图；

图4为本发明实施例的现场定位模型；

图5为本发明实施例的现场定位结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法，包括：

网格划分步骤，利用极坐标系，将搜索空间划分为半径为r，角度为θ，数量为n_r的一个个扇形网格，并分别标记为1,2,3…n，网格中心点记为P_k(r_k,θ_k),k＝1,2,3…n；r与θ初始值为外加设定，在循环时新的r值为原搜索半径除以缩小倍数，新的θ值为原有搜索网格角度除以角度缩小倍数。

特征值数组(A₁,A₂,…A_n)计算步骤：如下式(1)(2)所列，其中c是光速，τ_i是传感器2，3，4与传感器1的局部放电信号到达时间差，r_i是第i个传感器的极坐标距离值(即到原点的距离)，f_i(R,θ)是局放源到第i个传感器与到第一个传感器的理论距离差与依照时延计算的距离差的误差值，A_k值为到三个传感器误差值的集合指标作为特征值反应定位误差大小情况。

定位步骤，通过查找特征值数组中最小值A_m,其所在的网格即局放点所在的网格点，并将此网格作为下一个待搜索的空间。

判断循环步骤，判断网格大小是否符合精度要求，若是则将此网格中心点作为最终解返回，否则循环搜索，进入下一步新的网格划分。

误差分析证明：

如附图2所示，将四个传感器呈矩形放置，1，2，3，4为同一水平面内呈矩形放置的四个传感器位置，1，2之间的距离为2r₁，2，3之间的距离为2r₂。并以矩形中心为原点建立如图坐标系。局放源坐标为(x,y,z)，假设从局放源发出信号到1，2，3，4号传感器接收到信号所用的时间为t₁,t₂,t₃,t₄，2，3，4号传感器接收到信号的时间点相对于1号传感器滞后的时间为t₂₁,t₃₁,t₄₁。则可建立方程组如下：

求解方程组(1)可分别得到

在一定的时延误差内，t₂₁/t₄₁变化小，同理加上包含距离信息的t₁，(t₂₁+2t₁)/(t₄₁+2t₁)接近1。至于距离r,时延变化可能导致t₂₁+t₄₁-t₃₁减小，放大误差。因此时延误差对距离定位影响较大，而方向角对时延误差不敏感。

在上述一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法的基础上，本发明还提供一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索系统，包括：

网格划分模块：利用极坐标系，将搜索空间划分为半径为r，角度为θ，数量为n_r的一个个扇形的网格，并分别标记为1,2,3…n，网格中心点记为P_k(r_k,θ_k),k＝1,2,3…n；

特征值数组计算模块：特征值数组(A₁,A₂,…A_n)的计算公式包括：

其中，c是光速，τ_i是假设局部放电源位于(r,θ),其放电信号到达第i个传感器与到达第一个传感器的时间差，i是传感器序号，r_i是第i个传感器的极坐标距离值，f_i(R,θ)是局放源到第i个传感器与到第一个传感器的理论距离差与依照时延计算的距离差的误差值，A_k值为到三个传感器误差值的集合指标作为特征值反应定位误差大小情况；

定位模块：查找特征值数组中最小值A_m，最小值A_m所在的网格即局放点所在的网格。

判断循环模块：判断最小值A_m所在的网格的大小是否符合精度要求，若判断结果为是则作为最终解，若判断结果为否则将最小值A_m所在的网格作为下一个待搜索的空间返回再次进行网格划分。

实施例1：局部放电源的定位仿真

首先设置如下参数：

(1)如图3，有四个特高频传感器分别放置于

以及

(2)一个局部放电源可能任意出现在1000个半径为60米的圆形范围内，圆心与特高频传感器中心重合；

(3)算法中所使用的时延是在真实时延的基础上外加一个服从σ～U(-ε₀,ε₀)分布的随机误差，其中ε₀＝1ns。

在直角坐标系下，为了达到搜索精度为1米的收敛条件，如果对一个网格的搜索作为一次计算，随着搜索条件设置，计算量在675到1800之间可以将超过90％的局放源定位到2度的误差范围内。而在极坐标下，通过设置初始搜索半径为60米，搜索半径缩小倍数为2，初始分割角度为40度，搜索角度缩小倍数为5，可以在计算量为69的情况下精准定位。

实施例2：局部放电源的现场定位

在中国南方电网某220Kv变电站中利用此算法定位局放源。如图4所示，天线阵列布置于中控室屋顶，坐标分布为S₁(-7.8,3.75,1.2)，S_2(7.8,3.75,1.2),S₃(7.8,-3.75,-3.15)以及S_4(7.8,-3.75,-3.15)阵列中心点为o(0,0,0)，绝缘子上面的沿面放电作为局部放电源。十六组时延信号组成的数据集合被获取用于算法计算。极坐标系下收敛角度为2度，直角坐标系下收敛边长为2米。设置极坐标系下初始搜索半径为30米，初始搜索角度为40度，半径缩小倍数为2，角度缩小倍数为5，直角坐标系下初始搜索边长为6米，边长缩小倍数为5。结果如图5所示，在悬殊的计算量下，大部分的角度定位精度都能高至2度以内。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法，其特征在于，包括：

网格划分步骤：利用极坐标系，将搜索空间划分为半径为r，角度为θ，数量为n_r的一个个扇形的网格，并分别标记为1,2,3…n，网格中心点记为P_k(r_k,θ_k),k＝1,2,3…n；

特征值数组计算步骤：特征值数组(A₁,A₂,…A_n)的计算公式包括：

其中，c是光速，τ_i是假设局部放电源位于(r,θ),其放电信号到达第i个传感器与到达第一个传感器的时间差，i是传感器序号，r_i是第i个传感器的极坐标距离值，f_i(R,θ)是局放源到第i个传感器与到第一个传感器的理论距离差与依照时延计算的距离差的误差值，A_k值为到三个传感器误差值的集合指标作为特征值反应定位误差大小情况；

定位步骤：查找特征值数组中最小值A_m，最小值A_m所在的网格即局放点所在的网格。

2.根据权利要求1所述的用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法，其特征在于，还包括：

判断循环步骤：判断最小值A_m所在的网格的大小是否符合精度要求，若判断结果为是则作为最终解，若判断结果为否，则将最小值A_m所在的网格作为下一个待搜索的空间，并自定义按照一定比例扩大搜索网格或不扩大以原有网格作为下一个搜索空间，返回网格划分步骤。

3.根据权利要求2所述的用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法，其特征在于，在循环时新的r值为原半径除以缩小倍数，新的θ值为原角度除以角度缩小倍数。

4.根据权利要求1所述的用于局部放电源定位的极坐标网格搜索方法，其特征在于，传感器的数量为4个，呈矩形放置。

5.一种用于局部放电源定位的极坐标网格搜索系统，其特征在于，包括：

网格划分模块：利用极坐标系，将搜索空间划分为半径为r，角度为θ，数量为n_r的一个个扇形的网格，并分别标记为1,2,3…n，网格中心点记为P_k(r_k,θ_k),k＝1,2,3…n；

特征值数组计算模块：特征值数组(A₁,A₂,…A_n)的计算公式包括：

其中，c是光速，τ_i是假设局部放电源位于(r,θ),其放电信号到达第i个传感器与到达第一个传感器的时间差，i是传感器序号，r_i是第i个传感器的极坐标距离值，f_i(R,θ)是局放源到第i个传感器与到第一个传感器的理论距离差与依照时延计算的距离差的误差值，A_k值为到三个传感器误差值的集合指标作为特征值反应定位误差大小情况；

定位模块：查找特征值数组中最小值A_m，最小值A_m所在的网格即局放点所在的网格。

6.根据权利要求5所述的用于局部放电源定位的极坐标网格搜索系统，其特征在于，还包括：

判断循环模块：判断最小值A_m所在的网格的大小是否符合精度要求，若判断结果为是则作为最终解，若判断结果为否则将最小值A_m所在的网格作为下一个待搜索的空间返回再次进行网格划分。

7.根据权利要求6所述的用于局部放电源定位的极坐标网格搜索系统，其特征在于，在循环时新的r值为原半径除以缩小倍数，新的θ值为原角度除以角度缩小倍数。

8.根据权利要求5所述的用于局部放电源定位的极坐标网格搜索系统，其特征在于，传感器的数量为4个，呈矩形放置。