CN113092966B - 一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法 - Google Patents

一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113092966B
CN113092966B CN202110383779.XA CN202110383779A CN113092966B CN 113092966 B CN113092966 B CN 113092966B CN 202110383779 A CN202110383779 A CN 202110383779A CN 113092966 B CN113092966 B CN 113092966B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
partial discharge
microphone array
algorithm
converter valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110383779.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113092966A (zh
Inventor
刘云鹏
刘嘉硕
裴少通
来庭煜
周旭东
魏晓光
王成昊
张晓龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Global Energy Interconnection Research Institute
Original Assignee
North China Electric Power University
Global Energy Interconnection Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University, Global Energy Interconnection Research Institute filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN202110383779.XA priority Critical patent/CN113092966B/zh
Publication of CN113092966A publication Critical patent/CN113092966A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113092966B publication Critical patent/CN113092966B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/1227—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials
    • G01R31/1263—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials of solid or fluid materials, e.g. insulation films, bulk material; of semiconductors or LV electronic components or parts; of cable, line or wire insulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Circuit For Audible Band Transducer (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，包括以下步骤：S1，通过最优的麦克风阵列排布结构，收集换流阀设备缺陷产生局部放电数据的原始信号；S2，利用盲源分离算法从原始信号中分离出背景噪声数据和局部放电信号数据；S3，将去噪后的局部放电信号进行滤波，得到局部放电信号的频域信号，并根据信号中心频率与带宽之间的关系分为宽带信号和窄带信号；S4，通过聚焦算法将宽带信号聚焦为窄带信号；S5，利用改进MUSIC算法对窄带信号进行定位计算，确定换流阀局部放电的位置。本发明提供的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，具有计算速度快、定位精度高、实时性强的特点。

Description

一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法
技术领域
本发明涉及高压直流输电技术领域，特别是涉及一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法。
背景技术
换流阀在特高压直流输电工程中有着非常重要的作用，是实现电能交—直—交转换的核心设备。但是随着换流阀运行年限的增加，其中运行的电气设备表面绝缘材料可能会发生老化，电气设备之间的连接端子可能会发生松动，而出现这些设备缺陷之后，并在换流阀复杂的运行工况下，极有可能发生局部放电。
现有技术基于声阵列对于局部放电信号的定位方法主要有多重信号分类方法(MUSIC)和借助旋转不变性的信号参数估计(ESPRIT)两大类方法，ESPRIT不需要进行谱峰搜索，因而计算量相对较小，计算速度快，但计算精度受信号比、阵元数以及信号源数等影响较大；MUSIC算法对少量参数的偏差相较于ESPRIT不是太敏感，需要谱峰搜索，计算量较大，计算时间较长，在噪声较多的情况下存在定位精度差的问题，并且上述两种经典算法针对于窄带信号进行定位计算，而换流阀设备缺陷产生局部放电信号往往都是宽带信号，需要将宽带信号聚焦为窄带信号后才能进行计算，这就进一步增加了计算的时间。基于以上问题，亟需提供一种新的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，通过从局部放电数据的原始信号中分离出背景噪声数据，并采用改进的MUSIC算法对局部放电信号进行定位，具有计算速度快、定位精度高、实时性强的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，包括以下步骤：
S1，根据MATLAB仿真得到最优的麦克风阵列排布结构，并通过麦克风阵列收集现场换流阀设备缺陷产生局部放电数据的原始信号；
S2，利用盲源分离算法从麦克风阵列收集到的局部放电数据的原始信号中分离出背景噪声数据和局部放电信号数据；
S3，将去噪后的局部放电信号进行滤波，经过傅里叶变换得到局部放电信号的频域信号，对含有的频率范围广的局部放电信号，利用加窗来选取出最能表现出原来信号特征的频段，并根据信号中心频率与带宽之间的关系分为宽带信号和窄带信号；
S4，通过聚焦算法将所述宽带信号聚焦为窄带信号；
S5，利用粒子群算法和MUSIC算法结合后的改进MUSIC算法对步骤S4得到的窄带信号进行定位计算，确定换流阀局部放电的位置。
可选的，所述步骤S1中最优的麦克风阵列排布结构为4×4的面型阵列。
可选的，所述聚焦算法采用旋转信号子空间聚焦算法。
可选的，所述宽带信号为信号中心频率小于带宽的10倍及以下的信号，所述窄带信号为信号中心频率大于带宽的10倍及以上的信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，通过采用盲源分离算法从麦克风阵列收集到的局部放电数据的原始信号中分离出背景噪声数据和局部放电信号数据，减少了换流阀设备缺陷产生局部放电信号中的噪声，得到了更接近于换流阀设备缺陷实际的放电信号数据；通过采用粒子群算法结合MUSIC算法的改进MUSIC算法，利用粒子群算法结合给定条件先进行角度寻优预估，根据角度寻优预估结果缩小MUSIC算法的计算范围，从而减少计算量和计算时间，解决了传统MUSIC算法计算量大，计算时间长，在实际工程中定位结果实时性不高以及实际局部放电信号含有噪声太大导致定位不准确的问题；本发明提供的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，具有计算速度快、定位精度高、实时性强的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法的麦克风阵列排布结构示意图；
图2为本发明基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法的流程图；
图3为本发明基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法的局部放电信号数据预处理前时域图；
图4为本发明基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法的局部放电信号数据预处理后时域图；
图5为本发明基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法的局部放电信号数据预处理后频域图；
图6为本发明基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法的定位结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是为了提供一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，通过从局部放电数据的原始信号中分离出背景噪声数据，并采用改进的MUSIC算法对局部放电信号进行定位，具有计算速度快、定位精度高、实时性强的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法的麦克风阵列排布结构示意图如图1所示，在MATLAB仿真中比较了相同麦克风数量下的圆型阵列、L型阵列以及十字阵列后发现麦克风采用面型阵列分布时定位效果更加，在同一种面型阵列排布结构下，比较不同麦克风传感器数量对定位效果的影响，比如2×2，3×3，4×4，5×5，6×6等，发现4×4及以上面型阵列就可以满足定位要求，综合考虑定位的精确性与经济性，最终确定为4×4的面型阵列排布结构；
如图2所示，本发明提供的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，具体步骤包括：
S1，根据MATLAB仿真采用较优的4×4的面型阵列排布结构来排布麦克风，并通过计算机的采集模块和传输模块收集16路换流阀设备缺陷产生局部放电数据的原始信号；
S2，利用盲源分离算法从麦克风阵列收集到的局部放电数据的原始信号中分离出背景噪声数据和局部放电信号数据；由于现场各种设备和运行环境的影响，信号源并不唯一，局部放电源的声音信号很难直接确定；噪声信号多以自相似的背景混响为主，在时频谱图上具有相似或重复的结构特点，而局部放电信号则为不平稳的信号，盲源分离可以在少量先验源信号的情况下从混叠信号中分离和提取各种源信号；本发明采用基于相似矩阵的盲源分离算法，抽取原始信号中的局部放电信号，可以使原始信号中的局放特征最大化，因此可以利用提高信号包含有用信息准确度的方法结合定位算法提高局部放电信号定位的准确性；
S3，将去噪后的局部放电信号进行滤波；经过麦克风阵列收集并盲源分离出来的局部放电信号为时域信号，将收集到的时域信号进行傅里叶变换就可以得到频域信号，若局部放电信号含有的频率范围比较广，可以利用加窗来选取出最能表现出原来信号特征的频段，并根据信号中心频率与带宽之间的关系分为宽带信号(信号中心频率小于带宽的10倍及以下)和窄带信号(信号中心频率大于带宽的10倍及以上)，通常换流阀中设备缺陷产生的局部放电信号一般为宽带信号才能将滤波前的信号特征反映出来；如图3和图4分别为一个通道数据某一时间段内通过第二步和第三步进行预处理前和预处理后的波形图，图5则是局放信号预处理后的频域图；
S4，聚焦算法，由于传统的MUSIC算法和ESPRIT算法只能对窄带信号进行定位计算，若强行将局部放电产生的声音信号作为窄带信号处理会使原始信号所具有的丰富空域信息特征丢失，会导致定位结果偏差很大，因此需要通过聚焦算法将宽带信号聚焦为窄带信号后，再利用MUSIC等算法进行定位；本发明通过比较旋转信号子空间聚焦算法(RSS)和双边相关变换算法(TCT)发现RSS算法在信噪比等方面更为适合，于是选择RSS作为聚焦算法来使用；
S5，利用粒子群算法和MUSIC算法结合后的改进MUSIC算法对步骤S4得到的窄带信号进行定位计算，确定换流阀局部放电的位置，传统的MUSIC算法需要将给定的角度进行遍历，如果是二维角度的话，需要遍历的次数就是俯仰角和方位角的乘积，计算量非常大，时效性就不高；利用粒子群算法结合给定条件先进行角度寻优预估，设定粒子群算法的基本参数例如：种群规模为200，维度为2，迭代次数为300等等，其余一些参数可以参考默认区间内选取；经过粒子群初次寻优后，采用控制变量法，例如：可以结合迭代次数与收敛的关系，探究出较优的迭代次数等，优化粒子群算法的一些参数，然后根据粒子群角度寻优预估结果缩小了MUSIC算法计算范围，从而减少计算量和计算时间；通过改进的MUSIC算法进行定位的结果图如图6所示，定位出来的角度为(29.28°，45.65°)与实际角度(30°，45°)的误差在允许的时间范围内，并且改进的MUSIC算法的计算时间减少为传统MUSIC算法的十分之一，通过这种定位算法为以后换流阀中使用声阵列方法定位设备缺陷能够工程应用奠定了基础。
本发明提供的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，通过采用盲源分离算法从麦克风阵列收集到的局部放电数据的原始信号中分离出背景噪声数据和局部放电信号数据，减少了换流阀设备缺陷产生局部放电信号中的噪声，得到了更接近于换流阀设备缺陷实际的放电信号数据；通过采用粒子群算法结合MUSIC算法的改进MUSIC算法，利用粒子群算法结合给定条件先进行角度寻优预估，根据角度寻优预估结果缩小MUSIC算法的计算范围，从而减少计算量和计算时间，解决了传统MUSIC算法计算量大，计算时间长，在实际工程中定位结果实时性不高以及实际局部放电信号含有噪声太大导致定位不准确的问题；本发明提供的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，具有计算速度快、定位精度高、实时性强的特点。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据MATLAB仿真得到最优的麦克风阵列排布结构，并通过麦克风阵列收集现场换流阀设备缺陷产生局部放电数据的原始信号；
S2，利用盲源分离算法从麦克风阵列收集到的局部放电数据的原始信号中分离出背景噪声数据和局部放电信号数据；
S3，将去噪后的局部放电信号进行滤波，经过傅里叶变换得到局部放电信号的频域信号，对含有的频率范围广的局部放电信号，利用加窗来选取出最能表现出原来信号特征的频段，并根据信号中心频率与带宽之间的关系分为宽带信号和窄带信号；
S4，通过聚焦算法将所述宽带信号聚焦为窄带信号；
S5，利用粒子群算法和MUSIC算法结合后的改进MUSIC算法对步骤S4得到的窄带信号进行定位计算，确定换流阀局部放电的位置。
2.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，其特征在于，所述步骤S1中最优的麦克风阵列排布结构为4×4的面型阵列。
3.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，其特征在于，所述聚焦算法采用旋转信号子空间聚焦算法。
4.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法，其特征在于，所述宽带信号为信号中心频率小于带宽的10倍及以下的信号，所述窄带信号为信号中心频率大于带宽的10倍及以上的信号。
CN202110383779.XA 2021-04-09 2021-04-09 一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法 Active CN113092966B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110383779.XA CN113092966B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110383779.XA CN113092966B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113092966A CN113092966A (zh) 2021-07-09
CN113092966B true CN113092966B (zh) 2022-04-29

Family

ID=76675668

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110383779.XA Active CN113092966B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113092966B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114626423A (zh) * 2022-05-12 2022-06-14 杭州兆华电子股份有限公司 一种改进Kmeans的局部放电信号成像方法
CN115267446A (zh) * 2022-07-18 2022-11-01 国网河北省电力有限公司超高压分公司 一种基于多信号分类定位算法的电力设备局放检测方法
CN117214629B (zh) * 2023-09-15 2024-10-22 国网智能电网研究院有限公司 一种换流阀异常放电识别系统、方法、装置、设备及介质

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101702000A (zh) * 2009-11-26 2010-05-05 华北电力大学（保定） 变压器局部放电的相控超声定位方法及系统
GB201210969D0 (en) * 2011-06-27 2012-08-01 Gen Electric Electrical substation fault monitoring and diagnostics
CN103620438A (zh) * 2011-04-29 2014-03-05 西门子公司 用于盲定位相关源的系统和方法
CN103995221A (zh) * 2014-05-29 2014-08-20 西安交通大学 用于变压器局部放电定位的超声波接收阵列的定向方法
CN106556783A (zh) * 2016-12-05 2017-04-05 西安交通大学 一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法
CN108828525A (zh) * 2018-06-25 2018-11-16 大连大学 混响房间内分布式麦克风阵列多声源定位系统
CN110907778A (zh) * 2019-12-12 2020-03-24 国网重庆市电力公司电力科学研究院 Gis设备局部放电超声定位方法、装置、设备及介质
CN111999607A (zh) * 2020-07-20 2020-11-27 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 一种单通道信号下局部放电窄带干扰盲源分离方法及装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101702000A (zh) * 2009-11-26 2010-05-05 华北电力大学（保定） 变压器局部放电的相控超声定位方法及系统
CN103620438A (zh) * 2011-04-29 2014-03-05 西门子公司 用于盲定位相关源的系统和方法
GB201210969D0 (en) * 2011-06-27 2012-08-01 Gen Electric Electrical substation fault monitoring and diagnostics
CN103995221A (zh) * 2014-05-29 2014-08-20 西安交通大学 用于变压器局部放电定位的超声波接收阵列的定向方法
CN106556783A (zh) * 2016-12-05 2017-04-05 西安交通大学 一种变电站内基于特高频相控阵原理的局部放电测向方法
CN108828525A (zh) * 2018-06-25 2018-11-16 大连大学 混响房间内分布式麦克风阵列多声源定位系统
CN110907778A (zh) * 2019-12-12 2020-03-24 国网重庆市电力公司电力科学研究院 Gis设备局部放电超声定位方法、装置、设备及介质
CN111999607A (zh) * 2020-07-20 2020-11-27 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 一种单通道信号下局部放电窄带干扰盲源分离方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN113092966A (zh) 2021-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113092966B (zh) 一种基于麦克风阵列的换流阀局部放电信号的定位方法
CN108921014B (zh) 一种基于改进噪声包络信号识别的螺旋桨轴频搜索方法
CN110837001B (zh) 一种电力系统中谐波和间谐波的分析方法与装置
CN111024209B (zh) 一种适用于矢量水听器的线谱检测方法
CN102411138A (zh) 一种机器人声源定位方法
CN102147458B (zh) 一种针对宽带声源的波达方向估计方法及其装置
CN101702000A (zh) 变压器局部放电的相控超声定位方法及系统
CN111044814A (zh) 一种对变压器直流偏磁异常进行辨识的方法及系统
CN103063909B (zh) 一种基于功率谱的线性调频信号参数估值方法
CN104409078A (zh) 异常声音检测和识别系统
CN115097261B (zh) 基于频域反射的电缆局部缺陷定位与辨识方法
CN116825131A (zh) 融合频带自向下注意力机制的电厂设备状态听觉监测方法
CN108549052A (zh) 一种时频-空域联合加权的圆谐域伪声强声源定位方法
CN114325214A (zh) 一种基于麦克风阵列声源定位技术的电力在线监测方法
CN117908120A (zh) 基于高分辨率时频分析的地震信号能量统计初至检测算法
CN110838303B (zh) 一种利用传声器阵列的语音声源定位方法
Sanchez-Gendriz Signal processing basics applied to Ecoacoustics
CN110133572B (zh) 一种基于Gammatone滤波器和直方图的多声源定位方法
Mitre et al. Accurate and efficient fundamental frequency determination from precise partial estimates
Dreier et al. Sound source modelling by nonnegative matrix factorization for virtual reality applications
JP2022500710A (ja) 音響源用の結合音源定位及び分離方法
JP2020076907A (ja) 信号処理装置、信号処理プログラム及び信号処理方法
Lahcène et al. Detecting rotor faults of SCIG based wind turbine using PSD estimation methods
CN108269581B (zh) 一种基于频域相干函数的双麦克风时延差估计方法
CN101645701B (zh) 一种基于滤波器组的时延估计方法及其系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant