CN110049424B - 一种基于检测gil故障声的麦克风阵列无线校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于检测GIL故障声的麦克风阵列无线校准方法，通过设计基于物联网技术的麦克风无线校准网络系统，由无线通讯模块、授时模块、信号输出模块、数据采集模块组成。采用多通道点声源空间声场合成算法模拟一个空间位置的点声源，根据麦克风传声器阵列中每一个麦克风传声器的空间坐标计算出麦克风传声器所处空间位置的动态声信号以及信号到达相邻麦克风传声器的时延；通过无线通讯模块发出指令启动授时模块和信号输出模块，连接在麦克风传声器上的耦合腔标准声源将多通道电压信号输入阵列系统；接着通过数据采集模块采集数据进行声源定位计算，比对模拟点声源的位置与麦克风传声器阵列声源定位的位置，实现对阵列定位准确性的校准。

Description

一种基于检测GIL故障声的麦克风阵列无线校准方法

技术领域

本发明涉及一种基于检测GIL故障声的麦克风阵列无线校准方法。

背景技术

众所周知，到2020年，我国的发电总装机容量将超过16亿千瓦。由于我国目前能源资源的地理分布、能源传输需求和变化趋势，输电能力强、输电损耗低的GIL特高压交流线路在我国的发展前景较好。GIL由于其传输容量大、损耗小、安全性高，不易受环境因素影响等特点，比传统的架空线路或电力电缆，更适合于大容量、长距离的电能传输。

在特高压输电过程中，GIL线路内部不可避免的会产生短时强烈的电弧放电故障。电弧放电不仅加重了电力系统短路故障的危害，电弧表面的高温还容易烧坏绝缘材料，对设备造成一定程度的损坏。研究结果表明：GIL在冲击电压试验下发生击穿时会向外辐射可听声波，该声波的时域波形具有明显的高幅值脉冲，能够明显的区别于背景噪声并且为GIL击穿点的定位提供可用信息。目前，可沿管廊长度方向排布多个声学传感器，采集信号并通过空间定位算法计算得击穿点位置，从声学方面实现对GIL击穿点的有效定位。麦克风阵列作为故障点定位的关键部件，为确保其性能指标及测量的准确度，需要对其进行校准。由于GIL管廊中布置的传感器个数较多，且管廊长度通常为数公里，分别去校准每个传感器的灵敏度和相位并不现实，目前缺少对管廊中麦克风阵列进行校准的方法。例如，申请号为CN201811054787的专利，一种用于GIL击穿定位的可听声测量装置及方法，没有对麦克风阵列进行校准，无法满足实际应用需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于检测GIL故障声的麦克风阵列无线校准方法，用于对管廊麦克风阵列进行无线校准。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于检测GIL故障声的麦克风阵列无线校准方法，包括以下步骤：

(1)设计基于物联网技术的麦克风无线校准网络系统，使所述麦克风无线校准网络系统包括无线通讯模块、授时模块、信号输出模块、数据采集模块，所述麦克风无线校准网络系统用于实现管廊内信息的实时交互与共享；

(2)基于球面波声场传播模型的点声源模拟算法模拟一空间位置的点声源；

a)计算麦克风传声器所在空间位置的动态声信号；

将长度为L的麦克风阵列放置在坐标系的中心，并将每一个麦克风传声器位置坐标定义为r_m，将声源平面划分成N*N的网格点，运用波束成形算法依次扫描每个网格点，获得坐标r_s处的声源强度；通过点声源模拟系统获得当声源网格点处有设定的频率、幅值、相位点声源时M个麦克风传声器处对应的声音信号；

单极子点声源位于声源平面上

位置时，P₀为其声源信号，在没有反射的自由声场中的格林函数为：

则各麦克风传声器接收的声压信号为：

b)计算信号到达相邻麦克风传声器的时延；

在平面直角坐标系中，设A1麦克风传声器的坐标为(x₁，y₁)，A2麦克风传声器的坐标为(x₂，y₂)，模拟声源点S的坐标为(x，y)；令声速为v，声波信号到达第k个麦克风传声器的时间为t_k，则有如下方程成立：

(v(t₁))²＝(rcosθ-x₁)²+(rsinθ-y₁)²

(3)

(v(t₂))²＝(rcosθ-x₂)²+(rsinθ-y₂)²

(4)

设Δ_1，2为声波信号到达两个麦克风传声器的时间差，则有：

通过上式计算出空间中存在有单极子点声源时，管廊声场中每个麦克风传声器所在空间位置的动态声信号以及相邻麦克风传声器的时间差；

通过所述无线通讯模块发出指令，启动所述授时模块，根据计算的时延控制连接在麦克风传声器上的耦合腔标准声源输出，同时启动所述信号输出模块，将计算得到的声压信号分别输出给声阵列的各个麦克风传声器，使其接收到的声压信号与声场模拟中应该接收到的声压信号相同，完成点声源的模拟；

(3)通过所述数据采集模块采集数据，对被校准管廊声阵列进行声源定位计算；最终将空间模拟点声源的位置与被校准声阵列定位的位置进行比对，从而对麦克风阵列做出整体的校准。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种基于检测GIL故障声的麦克风阵列无线校准方法，用于对管廊麦克风阵列进行无线校准，不仅确保阵列性能指标及测量的准确度，使其更好地应用于实践中；而且该麦克风无线校准网络系统具有数据传输灵活、低成本和功耗较低等优点，可以提高校准效率，并实现麦克风阵列校准的网络化和智能化。

附图说明

附图1为管廊麦克风阵列无线校准流程图；

附图2为麦克风阵列系统示意图；

附图3为球面波声场传声器接收信号示意图；

附图4为相邻麦克风传声器时延的确定图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

由于目前对输电线路的电弧放电位置的判断、监测手段还不够完善，除日常巡线时人为目测外，主要采用红外成像和紫外成像的方法。其中人工目测耗费人力，且安全性、可靠性低；红外成像法只有当放电发展到比较严重的程度，造成局部温升，红外方法才能检测到；紫外成像法中紫外成像仪价格昂贵，考虑到经济成本，很难大面积推广使用。

目前从声学角度实现对GIL击穿点的有效定位方法是：沿管廊长度方向排布多个声学传感器，采集信号并通过空间定位算法计算得击穿点位置。本发明对这一方法中的麦克风阵列进行无线校准，不仅确保阵列性能指标及测量的准确度，完善这一方法，使其更好地应用于实践中；而且该麦克风无线校准网络系统具有数据传输灵活、低成本和功耗较低等优点，可以提高校准效率，并实现麦克风阵列校准的网络化和智能化。

上述一种基于检测GIL故障声的麦克风阵列无线校准方法，通过设计基于物联网技术的麦克风无线校准网络系统，由无线通讯模块、授时模块、信号输出模块、数据采集模块组成。如图1所示，采用多通道点声源空间声场合成算法模拟一个空间位置的点声源，根据麦克风传声器阵列中每一个麦克风传声器的空间坐标计算出麦克风传声器所处空间位置的动态声信号以及信号到达相邻麦克风传声器的时延；通过无线通讯模块发出指令启动授时模块和信号输出模块，连接在麦克风传声器上的耦合腔标准声源将多通道电压信号输入阵列系统；接着通过数据采集模块采集数据进行声源定位计算，比对模拟点声源的位置与麦克风传声器阵列声源定位的位置，实现对阵列定位准确性的校准。

具体的，该方法包括以下步骤：

(1)设计基于物联网技术的麦克风无线校准网络系统，使麦克风无线校准网络系统包括无线通讯模块、授时模块、信号输出模块、数据采集模块，麦克风无线校准网络系统用于实现管廊内信息的实时交互与共享；该麦克风无线校准网络系统具有数据传输灵活、低成本和功耗较低等优点，可以提高校准准确度与效率，并实现麦克风阵列校准的网络化和智能化。

(2)基于球面波声场传播模型的点声源模拟算法模拟一空间位置的点声源；

a)计算麦克风传声器所在空间位置的动态声信号；

将长度为L的麦克风阵列放置在坐标系的中心，并将每一个麦克风传声器位置坐标定义为r_m，将声源平面划分成N*N的网格点，运用波束成形算法依次扫描每个网格点，获得坐标r_s处的声源强度；通过点声源模拟系统获得当声源网格点处有设定的频率、幅值、相位点声源时M个麦克风传声器处对应的声音信号，如图2所示。

在实际测量中，由于传声器阵列与声源间的距离是一定的，声源平面上各声源辐射声波更接近球面波。阵列各传声器接收的声压信号不仅存在相位差异，而且存在幅值差异，这些差异和传声器与声源的空间位置密切相关，如图3所示。

单极子点声源位于声源平面上

位置时，P₀为其声源信号，在没有反射的自由声场中的格林函数为：

则各麦克风传声器接收的声压信号为：

b)计算信号到达相邻麦克风传声器的时延；

在平面直角坐标系中，设A1麦克风传声器的坐标为(x₁，y₁)，A2麦克风传声器的坐标为(x₂，y₂)，模拟声源点S的坐标为(x，y)；令声速为v，声波信号到达第k个麦克风传声器的时间为t_k，则有如下方程成立：

(v(t₁))²＝(rcosθ-x₁)²+(rsinθ-y₁)²

(3)

(v(t₂))²＝(rcosθ-x₂)²+(rsinθ-y₂)²

(4)

设Δ_1，2为声波信号到达两个麦克风传声器的时间差，则有：

通过上式计算出空间中存在有单极子点声源时，管廊声场中每个麦克风传声器所在空间位置的动态声信号以及相邻麦克风传声器的时间差。

通过无线通讯模块发出指令，启动授时模块，根据计算的时延控制连接在麦克风传声器上的耦合腔标准声源输出，同时启动信号输出模块，将计算得到的声压信号分别输出给声阵列的各个麦克风传声器，使其接收到的声压信号与声场模拟中应该接收到的声压信号相同，完成点声源的模拟；该方法可以精确模拟不同位置、频率、幅值、相位的空间声源。

(3)通过数据采集模块采集数据，对被校准管廊声阵列进行声源定位计算；最终将空间模拟点声源的位置与被校准声阵列定位的位置进行比对，从而对麦克风阵列做出整体的校准。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于检测GIL故障声的麦克风阵列无线校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)设计基于物联网技术的麦克风无线校准网络系统，使所述麦克风无线校准网络系统包括无线通讯模块、授时模块、信号输出模块、数据采集模块，所述麦克风无线校准网络系统用于实现管廊内信息的实时交互与共享；

(2)基于球面波声场传播模型的点声源模拟算法模拟一空间位置的点声源；

a)计算麦克风传声器所在空间位置的动态声信号；

将长度为L的麦克风阵列放置在坐标系的中心，并将每一个麦克风传声器位置坐标定义为r_m，将声源平面划分成N*N的网格点，运用波束成形算法依次扫描每个网格点，获得坐标r_s处的声源强度；通过点声源模拟系统获得当声源网格点处有设定的频率、幅值、相位点声源时M个麦克风传声器处对应的声音信号；

单极子点声源位于声源平面上

位置时，P₀为其声源信号，根据在没有反射的自由声场中的格林函数；

则各麦克风传声器接收的声压信号为：

b)计算信号到达相邻麦克风传声器的时延；

在平面直角坐标系中，设A1麦克风传声器的坐标为(x₁,y₁),A2麦克风传声器的坐标为(x₂,y₂)，模拟声源点S的坐标为(x,y)；令声速为v，声波信号到达第k个麦克风传声器的时间为t_k，则有如下方程成立：

(v(t₁))²＝(r cosθ-x₁)²+(r sinθ-y₁)² (3)

(v(t₂))²＝(r cosθ-x₂)²+(r sinθ-y₂)² (4)

设Δ_1，2为声波信号到达两个麦克风传声器的时间差，则有：

通过上式计算出空间中存在有单极子点声源时，管廊声场中每个麦克风传声器所在空间位置的动态声信号以及相邻麦克风传声器的时间差；

通过所述无线通讯模块发出指令，启动所述授时模块，根据计算的时延控制连接在麦克风传声器上的耦合腔标准声源输出，同时启动所述信号输出模块，将计算得到的声压信号分别输出给声阵列的各个麦克风传声器，使其接收到的声压信号与声场模拟中应该接收到的声压信号相同，完成点声源的模拟；

(3)通过所述数据采集模块采集数据，对被校准管廊声阵列进行声源定位计算；最终将空间模拟点声源的位置与被校准声阵列定位的位置进行比对，从而对麦克风阵列做出整体的校准。

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