CN109752633B - 一种对变电站局部放电信号进行定位的方法及系统 - Google Patents

一种对变电站局部放电信号进行定位的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对变电站局部放电信号进行定位的方法，其包括步骤：(1)基于采样的局部放电信号建立局部放电信号能量谱；(2)建立局部放电信号能量谱的局部放电似然函数；(3)求取局部放电似然函数的最大值，基于该最大值获得局部放电信号到达方向的方向角。此外，本发明还公开一种对变电站局部放电信号进行定位的系统，其包括：传感器，其采集变电站的局部放电信号；处理模块，其基于采集到的局部放电信号建立局部放电信号能量谱，建立局部放电信号能量谱的局部放电似然函数，然后求取局部放电似然函数的最大值，并基于该最大值获得局部放电信号到达方向的方向角。该方法局部放电源方向角估计的准确性有极高的提升。

Description

一种对变电站局部放电信号进行定位的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种定位方法及系统，尤其涉及一种对变电站定位的方法及系统。
背景技术
局部放电(Partial Discharge，简称PD)是电力设备绝缘性能劣化的表现形式，又是绝缘性能进一步劣化的原因，因此对局部放电的定位有很大意义。基于超高频电磁波的局部放电定位法具有抗干扰性强、检测灵敏度高等优点，非常适合应用于局部放电定位。现有的特高频局部放电检测方法中，基于到达方向(direction of arrival,简称DOA)方法能够准确提取信号源方向角信息，受到了广泛研究。其中最常用的方法是多信号分类(multiple signal classification，简称MUSIC)方法，它可以通过将PD信号投影到信号子空间和噪声子空间来获得DOA的高精度估计。然而，该过程会受到噪声的极大影响，并且在低的信噪比(signal to noise ratio，简称SNR)条件下检测精度较低。在变电站现场环境中，受复杂电磁环境及噪声影响，局部放电信号的信噪比相对较低(一般SNR<5dB)导致DOA方法的检测精度遭受很大的性能损失。
基于此，期望获得一种定位方法，其可以利用统计方法来分析局部放电信号的分布特性，将传统的波形处理问题转移到统计分析的新视角。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种对变电站局部放电信号进行定位的方法，该方法可以在低信噪比环境(例如变电站现场环境下)对局部放电信号进行准确定位，尤其是对局部放电源方向角估计的准确性有极高的提升。此外，该方法显示出极好的抗噪声能力，可以实现信号信噪比在[-5dB，5dB]范围内，平均DOA估计误差从现有的15°减小到2°。这使得该方法对局部放电检测在变电站环境中的实际应用具有重要意义。
基于上述目的，本发明提出了一种对变电站局部放电信号进行定位的方法，其包括步骤：
(1)基于采样的局部放电信号建立局部放电信号能量谱；
(2)建立局部放电信号能量谱的局部放电似然函数；
(3)求取局部放电似然函数的最大值，基于该最大值获得局部放电信号到达方向的方向角。
进一步地，在本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法中，局部放电信号能量谱Em基于下述模型获得：
Figure BDA0001959882120000021
其中，m表示采集局部放电信号的传感器，T表示接收局部放电信号的采样点，Ym(k)是局部放电信号ym(t)的离散傅里叶变换，k＝0,1,2,…,T-1。
进一步地，在本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法中，局部放电似然函数被构造为：
Figure BDA0001959882120000022
其中，θ表示局部放电信号的方向角，σ2表示方差，T表示接收局部放电信号的采样点，S＝[S1,…,SM]为信号幅值的矩阵，
Figure BDA0001959882120000023
s(k)表示k时间点采集信号的幅值，Sm表示第m个信号的幅值均值，M表示采集局部放电信号的传感器的个数，gm(θ)＝[am(θ)]2，am(θ)表示传感器m接收的局部放电信号的导向矢量。
进一步地，在本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法中，在步骤(3)中，求取局部放电似然函数的最大值，该最大值对应的方向角即为局部放电信号到达方向的方向角θ0：
Figure BDA0001959882120000024
在上述的技术方案中，由传感器采集获得的局部放电信号y(t)，其信号模型构建如下所述：
y(t)＝a(θ)s(t)+v(t) (1)
上式中t表示采样点，a(θ)表示信号导向矢量，s(t)表示信号源矢量，即信号的幅值，v(t)可以用v(t)～CN(0,σ2)表示，其表示为期望为0，方差为σ2的正态分布信号噪声。
a(θ)可以由下式表示：
Figure BDA0001959882120000031
式中λ表示信号波长，θ为局部放电信号入射角，即方向角，M为传感器数量，d为传感器间隔，e表示自然底数，j表示虚数单位，[]T表示矩阵转置。
根据概率论基础，若某随机变量服从数学期望为
Figure BDA0001959882120000032
方差为
Figure BDA0001959882120000033
的正态分布，则其概率密度函数可表示为：
Figure BDA0001959882120000034
对上式取自然对数ln(·)，则有：
Figure BDA0001959882120000035
在建立局部放电信号能量谱时，假设接收信号的采样点(也称快拍数)为T。根据Parseval定理，对于某个传感器m接收到的信号的功率谱(即局部放电信号能量谱Em)可以表示为：
Figure BDA0001959882120000036
其中，m表示采集局部放电信号的传感器，T表示接收局部放电信号的采样点，Ym(k)是局部放电信号ym(t)的离散傅里叶变换，k＝0,1,2,…,T-1。
并且局部放电信号能量谱Em可以表示成复数域形式:
Figure BDA0001959882120000037
在式(6)中，Rm(k)和Im(k)分别是Ym(k)的实部与虚部。
由于式(1)所示的信号模型中y(t)为期望为s(t)，方差为σ2的正态分布，而信号能量谱Em是正态分布变量的平方和，因此遵循非中心卡方分布，且自由度为2T，方差为σ2/2。
记[am(θ)]2为gm(θ)，记
Figure BDA0001959882120000041
为Sm，则Em服从均值为
Figure BDA0001959882120000042
方差为
Figure BDA0001959882120000043
的卡方分布，且有：
Figure BDA0001959882120000044
Figure BDA0001959882120000045
对于卡方分布，值得注意的是，当自由度T很大时，卡方分布的概率分布无限接近正态分布，在局部放电领域，由于T往往大于1000，因此，信号能量谱可以近似为正态分布。因此，将式(7)-(8)代入式(4)，最终可得出能量谱似然函数为：
Figure BDA0001959882120000046
对式(9)求极值，也就是说，对似然函数求最大值，将最大值对应的作为局部放电DOA估计的结果，则局部放电方向角θ为：
Figure BDA0001959882120000047
进一步地，在本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法中，传感器为特高频传感器。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种对变电站局部放电信号进行定位的系统，通过该系统可以在低信噪比环境(例如变电站现场环境下)对局部放电信号进行准确定位，尤其是对局部放电源方向角估计的准确性有极高的提升。
基于上述目的，本发明还提出了一种对变电站局部放电信号进行定位的系统，其包括：
传感器，其采集变电站的局部放电信号；
处理模块，其基于采集到的局部放电信号建立局部放电信号能量谱，建立局部放电信号能量谱的局部放电似然函数，然后求取局部放电似然函数的最大值，并基于该最大值获得局部放电信号到达方向的方向角。
进一步地，在本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的系统中，传感器为特高频传感器。
进一步地，在本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的系统中，局部放电信号能量谱Em基于下述模型获得：
Figure BDA0001959882120000051
其中，m表示采集局部放电信号的传感器，T表示接收局部放电信号的采样点，Ym(k)是局部放电信号ym(t)的离散傅里叶变换，k＝0,1,2,……，T-1。
进一步地，在本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的系统中，局部放电似然函数被构造为：
Figure BDA0001959882120000052
其中，θ表示局部放电信号的方向角，σ2表示方差，T表示接收局部放电信号的采样点，S＝[S1,…,SM]为信号幅值的矩阵，
Figure BDA0001959882120000053
s(k)表示k时间点采集信号的幅值，Sm表示第m个信号的幅值均值。M表示采集局部放电信号的传感器的个数，gm(θ)＝[am(θ)]2，am(θ)表示传感器m接收的局部放电信号的导向矢量。
进一步地，在本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的系统，与所述最大值对应的方向角为局部放电信号到达方向的方向角θ0：
Figure BDA0001959882120000054
与现有技术相比，本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法及其系统具有以下优点以及有益效果：
本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法克服了现有技术中的不足，尤其是现有技术抗干扰性差、定位准确率低的不足，使得本发明所述的方法可以在低信噪比环境(例如变电站现场环境下)对局部放电信号进行准确定位，尤其是对局部放电源方向角估计的准确性有极高的提升。
此外，本发明所述的系统也具有上述的优点以及有益效果。
附图说明
图1为本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法在一种实施方式下的流程示意图。
图2示意性地显示了采用本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法与其他方法在不同信噪比情况下定向成功率。
图3示意性地显示了采用本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法与其他方法在不同信噪比情况下定向误差关系。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法及系统做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
图1为本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法在一种实施方式下的流程示意图。
如图1所示，在本实施方式中，对变电站局部放电信号进行定位的方法包括步骤：
(1)基于采样的局部放电信号建立局部放电信号能量谱；
(2)建立局部放电信号能量谱的局部放电似然函数；
(3)求取局部放电似然函数的最大值，基于该最大值获得局部放电信号到达方向的方向角。
在步骤(1)中，可以采用局部放电双指数模型对信号进行模拟，设信号为ys(t)：
Figure BDA0001959882120000061
式中，t表示采样点，A表示局部放电信号幅值；τ为衰减常数；fc为局部放电信号中心频率。式中t0表示时间初值，可用于调整局部放电源与传感器间的距离；θ0表示相位初值，用于调整局部放电与传感器间的方向角。在本实施方式中，局部放电信号中心频率可以设置为800MHz。传感器设置为4个特高频传感器，以1024的采样快拍数(即信号长度)对信号进行采样。
据此，所设置的局部放电信号能量普可以通过下述模型获得：
Figure BDA0001959882120000071
其中，m表示采集局部放电信号的传感器，T表示接收局部放电信号的采样点，Ym(k)是局部放电信号ym(t)的离散傅里叶变换，k＝0,1,2,…,T-1。
在步骤(2)中，局部放电似然函数被构造为：
Figure BDA0001959882120000072
其中，θ表示局部放电信号的方向角，σ2表示方差，T表示接收局部放电信号的采样点，S＝[S1,…,SM]为信号幅值的矩阵，
Figure BDA0001959882120000073
s(k)表示k时间点采集信号的幅值，Sm表示第m个信号的幅值均值，M表示采集局部放电信号的传感器的个数，gm(θ)＝[am(θ)]2，am(θ)表示传感器m接收的局部放电信号的导向矢量。
在步骤(3)中，求取局部放电似然函数的最大值，该最大值对应的方向角即为局部放电信号到达方向的方向角θ0：
Figure BDA0001959882120000074
由此，最终对局部放电信号进行定位。
需要说明的是，在采集变电站的局部放电信号可以通过传感器进行采集，而处理模块可以集基于采集到的局部放电信号建立局部放电信号能量谱，建立局部放电信号能量谱的局部放电似然函数，然后求取局部放电似然函数的最大值，并基于该最大值获得局部放电信号到达方向的方向角。
为了更好地说明本案所述的方法的定位准确率，进行了下述测试：
测试时，采用MUSIC方法以及最大似然法作为对比例与本案的方法进行对比例，取不同的SNR值进行100次蒙特卡罗模拟，将平均值作为结果，定向成功的判断条件为|θe-θ0|≤3°，其中θe表示测量方向角，θ0表示实际方向角。最终结果参见图2和图3。
图2示意性地显示了采用本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法与其他方法在不同信噪比情况下定向成功率。
如图2所示，曲线I表示采用本案所述的方法所获得的曲线，曲线II表示采用最大似然法所获得的曲线，曲线III表示采用MUSIC方法所获得的曲线。由图2可知，变电站环境中接收的特高频局部放电信号的信噪比(SNR)主要在[-5dB，5dB]的区间，这个区间为变电站的典型信噪比范围。由图2可以观察到，随着SNR增加，DOA定向成功率增加。这是因为更高的SNR意味着信号的噪声更低，而在SNR处于[-5dB，5dB]的区间内，本案的性能明显优于MUSIC方法和最大似然法，也就是说本案准确性更好、抗噪声能力更强。
图3示意性地显示了采用本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法与其他方法在不同信噪比情况下定向误差关系。
如图3所示，曲线IV表示采用本案所述的方法所获得的曲线，曲线V表示采用最大似然法所获得的曲线，曲线VI表示采用MUSIC方法所获得的曲线。由图3可以看出，估计误差随着SNR的增加而降低。很明显的是，采用本案的方法所获得的估计误差小于在SNR为[-5dB，5dB]区间内的其他两种方法所获得的估计差值，本案的平均DOA估计误差可以从其他方法所得到的15°减小到2°。
此外，进一步参考图3可以看出，由快速下降部分来看，最大似然法和MUSIC方法的快速下降部分是SNR在[0dB，5dB]的地方。而相对的，本案所述的方法的快速下降部分为[-10dB，-5dB]，也就是说本案所述的方法更适用于低信噪比情况，例如变电站现场环境中。
综上所述可以看出，本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法及其系统具有如下优点和有益效果：
本发明所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法克服了现有技术中的不足，尤其是现有技术抗干扰性差、定位准确率低的不足，使得本发明所述的方法可以在低信噪比环境(例如变电站现场环境下)对局部放电信号进行准确定位，尤其是对局部放电源方向角估计的准确性有极高的提升。
此外，本发明所述的系统也具有上述的优点以及有益效果。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种对变电站局部放电信号进行定位的方法，其特征在于，包括步骤：
(1)基于采样的局部放电信号建立局部放电信号能量谱，所述局部放电信号能量谱Em基于下述模型获得：
Figure FDA0002722130400000011
其中，m表示采集局部放电信号的传感器，T表示接收局部放电信号的采样点，Ym(k)是局部放电信号ym(t)的离散傅里叶变换，k＝0,1,2,…,T-1；
(2)建立局部放电信号能量谱的局部放电似然函数，其中所述局部放电似然函数被构造为：
Figure FDA0002722130400000012
其中，θ表示局部放电信号的方向角，σ2表示方差，T表示接收局部放电信号的采样点，S＝[S1,…,SM]为信号幅值的矩阵，
Figure FDA0002722130400000013
s(k)表示k时间点采集信号的幅值，Sm表示第m个信号的幅值均值，M表示采集局部放电信号的传感器的个数，gm(θ)＝[am(θ)]2，am(θ)表示传感器m接收的局部放电信号的导向矢量；
(3)求取局部放电似然函数的最大值，基于该最大值获得局部放电信号到达方向的方向角。
2.如权利要求1所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法，其特征在于，在步骤(3)中，求取局部放电似然函数的最大值，该最大值对应的方向角即为局部放电信号到达方向的方向角θ0：
Figure FDA0002722130400000014
3.如权利要求1所述的对变电站局部放电信号进行定位的方法，其特征在于，所述传感器为特高频传感器。
4.一种对变电站局部放电信号进行定位的系统，其特征在于，包括：
传感器，其采集变电站的局部放电信号；
处理模块，其基于采集到的局部放电信号建立局部放电信号能量谱，建立局部放电信号能量谱的局部放电似然函数，然后求取局部放电似然函数的最大值，并基于该最大值获得局部放电信号到达方向的方向角；
其中所述局部放电信号能量谱Em基于下述模型获得：
Figure FDA0002722130400000021
其中，m表示采集局部放电信号的传感器，T表示接收局部放电信号的采样点，Ym(k)是局部放电信号ym(t)的离散傅里叶变换，k＝0,1,2,……，T-1；
所述局部放电似然函数被构造为：
Figure FDA0002722130400000022
其中，θ表示局部放电信号的方向角，σ2表示方差，T表示接收局部放电信号的采样点，S＝[S1,…,SM]为信号幅值的矩阵，
Figure FDA0002722130400000023
s(k)表示k时间点采集信号的幅值，Sm表示第m个信号的幅值均值，M表示采集局部放电信号的传感器的个数，gm(θ)＝[am(θ)]2，am(θ)表示传感器m接收的局部放电信号的导向矢量。
5.如权利要求4所述的对变电站局部放电信号进行定位的系统，其特征在于，所述传感器为特高频传感器。
6.如权利要求4或5所述的对变电站局部放电信号进行定位的系统，其特征在于，与所述最大值对应的方向角为局部放电信号到达方向的方向角θ0：
Figure FDA0002722130400000024
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