CN115267668A - 一种gis局放自动线性定位系统及方法 - Google Patents

一种gis局放自动线性定位系统及方法 Download PDF

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汤水成
王伟伟
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0278—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves involving statistical or probabilistic considerations

Abstract

本发明公开了一种GIS局放自动线性定位系统及方法，所述系统包括预处理模块、脉冲提取模块、信号整理模块和定位模块；所述方法步骤如下：对每个脉冲信号样本进行滤波；数值归一化处理；提取每个信号中的脉冲部分；多重数据波形位移调整；获得脉冲起始位置，并计算局放源定位值；定位位置统计。采用本发明所述的系统及方法能够对所采集到的信号进行处理，获得精确的局放源位置。

Description

一种GIS局放自动线性定位系统及方法
技术领域
本发明涉及电力设备带电检测，特别是一种GIS局放自动线性定位系统及方法。
背景技术
GIS组合电器内部因绝缘下降、制造质量等原因，在高压电场下会产生局部放电，若对GIS气室内部进行检修，费用非常昂贵，因此提前准确确定缺陷的类型、位置，有利于精准快速的开展检修工作。
局部放电产生时会产生畸变的电磁波信号，信号在金属构造的组合电器内部沿气室径向向两侧传播，传播至盆式绝缘子浇注孔处传播出来，通过放置在浇筑孔处特高频传感器可测量到该局放信号。在局放源两侧浇筑孔处安放特高频传感器，由于距离局放源位置不同，接收到的时间将会不一致，通过两个传感器所接收到信号的时间差可计算出局放源所在的位置。
而局放信号受干扰信号、传播路径、传感器的传递参数的差异等方面的影响，如附图3所示，所接收到的局部放电脉冲信号存在一定的差异，因此，需要获得脉冲起始点位置，才能够较为准确地获得时间差。由于电磁波信号的传播速率为光速，脉冲起点位置选择的不准确，1ns的误差将会有300mm的定位误差产生，也就是说起点位置选择是否准确关系到定位结果的最终误差。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种GIS局放自动线性定位系统及方法，从而对所采集到的信号进行处理，获得精确的局放源位置。
技术方案：本发明所述的一种GIS局放自动线性定位系统，包括以下模块：
预处理模块：用于对信号进行滤波、归一化处理；
脉冲提取模块：用于从所采集信号对样本S1、S2中提取局放脉冲信号；
信号整理模块：用于对信号进行插值、脉冲对齐操作；
定位模块：基于平均能量累计法对局放脉冲起始点进行估计，并进行定位计算；用于对多定位结果进行概率统计获得精确定位结果。
一种GIS局放自动线性定位方法，包括以下步骤：
(1)对每个脉冲信号样本进行滤波；
(2)数值归一化处理；
(3)提取每个信号中的脉冲部分；
(4)多重数据波形位移调整；
(5)获得脉冲起始位置，并计算局放源定位值；
(6)定位位置统计。
所述步骤(1)具体为：对S1、S2各信号进行滤波，滤波采用的方法为IIR带通滤波计算方法，其中，S1表示传感器1所采集的多组脉冲信号，S1＝{S11，S12,...,S1N}，S2代表传感器2所采集的多组脉冲信号，S2＝{S21，S22,...,S2N}，S1或S2的任意一个元素Sij，i＝{1,2}，分别表示信号1、信号2，j＝{1,2,...,N}，代表脉冲序列顺序编号，其中S1j、S2j为同一时刻传感器1和传感器2所采集的一组脉冲信号对，Sij代表某个脉冲信号波形的M个离散序列{a1,a2,...,aM}。
所述步骤(2)具体为：取S1、S2所有脉冲序列中最大值Amax，按公式1对各元素归一化处理；
Ai＝ai/Amax (1)
其中，ai为S1或S2中任意一个离散序列中的一个样本值，Ai为归一化后的值。
所述步骤(3)具体为：设窗口宽度为p，按照步长p移动，通过公式2分别计算鞘度K快速确定局放脉冲所存在的位置，当鞘度大于3时，说明该位置存在信号突变；
Figure BDA0003746119270000021
其中，μ为信号Sij的均值，σ为信号Sij的标准差，p为窗口宽度；当信号存在较多冲击成分时，峭度值明显增大，冲击越大峭度值也就越大；
以窗口中心点为起点，以宽度为P1的窗口，分别向前、后逐点移动，并对窗口P1内的值按公式3进行积分得到Em，所计算Em分别小于E1、E2后，获得脉冲左侧起始序号Xij、右侧起始序号Yij，Xij、Yij间的序列即为要提取的局放脉冲信号，记录每个{Xij,Yij}，其中，i＝{1,2}，分别表示传感器1和传感器2的信号,j＝{1,2,...,N}，表示传感器1或传感器2所采集的一组信号；
Figure BDA0003746119270000022
取所有脉冲中Xij中最小值作为起始位置，取Yij中最大值作为结束位置，统一截取等长的S1、S2中所有信号。
所述步骤(4)具体为：
(4.1)其按照公式4分别计算S1中每个脉冲信号间的互相关函数；
Figure BDA0003746119270000031
式中，i、j分别为同一通道的第i个样本和第j个样本；k为样本序号；s为信号的长度；m为移位的点数，对应连续信号中的时移Aj；Ai和Aj代表两个不同传感器获得的波形数据；
(4.2)按公式5计算S1的每个样本与其余样本间的位移之和Mi；
Figure BDA0003746119270000032
其中，i＝{1,2,...,n},i表示S1中第i个脉冲，j＝{1,2,...,j,...,n-1}，j表示S1中第j个脉冲；
(4.3)以Mi为最大值所对应的S1中的脉冲为基准，其它样本按照与其的位移进行移位对齐。
所述步骤(5)具体为：
(5.1)通过公式6计算每组脉冲S1j、S2j的能量累积曲线；
Figure BDA0003746119270000033
Figure BDA0003746119270000034
其中，Ek为第1个到第k个样本的积分，δ为偏移系数，用以将能量累积曲线负向偏转，系数a取值范围为1～5；
(5.2)通过公式8分别计算每组脉冲信号1和信号2的能量累积均值曲线；
Figure BDA0003746119270000035
公式8中，
Figure BDA0003746119270000036
表示M组能量累积曲线，k＝{1,2}，分别代表S1、S2信号对应的能量累积曲线；
(5.3)分别对
Figure BDA0003746119270000037
求一阶导数后，最小值所在位置即为脉冲信号起始点所在位置，得到脉冲信号起点时间t1、t2，并得到两信号间的时间差Δt＝t2-t1；
(5.4)通过公式9计算局放源相对信号1传感器的位置；
Figure BDA0003746119270000041
其中，x为局放源相对于传感器1的距离，L为传感器1、传感器2间的距离，v为信号的传播速度。
所述步骤(6)具体为：重复步骤(1)～(4)，计算获得每一个x值，若x的数量为N，将长度L划分宽度为w的区间，分别统计落在此区间的x值数量Pi，Pi最大的区间的中点即为局放源的实际位置。
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的一种GIS局放自动线性定位方法。
一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种GIS局放自动线性定位方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、多信号综合定位提高了基于时差定位的准确度；2、实现GIS局放定位自动化，降低了现场作业的技术要求及劳动强度。
附图说明
图1为自动定位流程图；
图2为局放定位示意图；
图3为双通道局放脉冲波形对比图；
图4为能量均值曲线图；
图5为定位统计特性图，其中图5(a)为单点计算定位结果图，5(b)为多脉冲计算定位结果图，5(c)为单点计算定位统计图，5(d)为多脉冲计算定位统计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
一种GIS局放自动线性定位系统，包括以下模块：
预处理模块：用于对信号进行滤波、归一化处理；
脉冲提取模块：用于从所采集信号对样本S1、S2中提取局放脉冲信号；
信号整理模块：用于对信号进行差值、脉冲对齐操作；
定位模块：基于平均能量累计法对局放脉冲起始点进行估计，并进行定位计算；用于对多此定位结果进行概率统计获得精确定位结果。
传感器安置方法如图2所示，图中S1表示传感器1所采集的多组脉冲信号，S1＝{S11，S12,...,S1N}，S2代表传感器2所采集的多组脉冲信号，S2＝{S21，S22,...,S2N}。S1或S2的任意一个元素Sij，i＝{1,2}，分别表示信号1、信号2，j＝{1,2,...,N}，代表脉冲序列顺序编号，其中S1j、S2j为同一时刻传感器1和传感器2所采集的一组脉冲信号对，Sij代表某个脉冲信号波形的M个离散序列{a1,a2,...,aM}。对S1、S2各信号进行滤波，本发明中采用IIR带通滤波计算方法。
如图1所示，一种GIS局放自动线性定位方法，包括以下步骤：
(1)对每个脉冲信号样本进行滤波。
对S1、S2的每个脉冲信号样本进行滤波。可采用各类有效的滤波计算方法，本发明中采用常用的带通滤波计算方法，其中阻带边界为Ws＝[250MHz，1550MHz]，带通边界Wp＝[300MHz,1500MHz]。
(2)数值归一化处理。
取S1、S2所有脉冲序列中最大值Amax，按公式1对各元素归一化处理；
Ai＝ai/Amax (1)
其中，ai为S1或S2中任意一个离散序列中的一个样本值，Ai为ai归一化后的值。
(3)提取每个信号中的脉冲部分。
设窗口宽度为p，按照步长p移动，通过公式2分别计算鞘度K快速确定局放脉冲所存在的位置，当鞘度大于3时，说明该位置存在信号突变；
Figure BDA0003746119270000051
其中，μ为信号Sij的均值，σ为信号Sij的标准差，p为窗口宽度；当信号存在较多冲击成分时，峭度值明显增大，冲击越大峭度值也就越大。
以窗口中心点为起点，以宽度为P1的窗口，分别向前、后逐点移动，并对窗口P1内的值按公式3进行积分得到Em，所计算Em分别小于E1、E2后，获得脉冲左侧起始序号Xij、右侧起始序号Yij，Xij、Yij间的序列即为要提取的局放脉冲信号，记录每个{Xij,Yij}，其中，i＝{1,2}，分别表示传感器1和传感器2的信号,j＝{1,2,...,N}，表示传感器1或传感器2所采集的一组信号。
Figure BDA0003746119270000061
取所有脉冲中Xij中最小值作为起始位置，取Yij中最大值作为结束位置，统一截取等长的S1、S2中所有信号。
(4)多重数据波形位移调整。
(4.1)其按照公式4分别计算S1中每个脉冲信号间的互相关函数；
Figure BDA0003746119270000062
式中，i、j分别为同一通道的第i个样本和第j个样本；k为样本序号；s为信号的长度；m为移位的点数，对应连续信号中的时移Aj；Ai和Aj代表两个不同传感器获得的波形数据。
(4.2)按公式5计算S1的每个样本与其余样本间的位移之和Mi；
Figure BDA0003746119270000063
其中，i＝{1,2,...,n},i表示S1中第i个脉冲，j＝{1,2,...,j,...,n-1}，j表示S1中第j个脉冲。
(4.3)以Mi为最大值所对应的S1中的脉冲为基准，其它样本按照与其的位移进行移位对齐。
(5)获得脉冲起始位置，并计算局放源定位值。
(5.1)通过公式6计算每组脉冲S1j、S2j的能量累积曲线如附图3所示。
Figure BDA0003746119270000064
Figure BDA0003746119270000065
其中，
Figure BDA0003746119270000066
为第1个到第k个样本的积分，δ为偏移系数，用以将能量累积曲线负向偏转，系数a取值范围为1～5；本实施例中a＝3。
(5.2)通过公式8分别计算每组脉冲信号1和信号2的能量累积均值曲线如附图4所示。
Figure BDA0003746119270000067
公式8中，
Figure BDA0003746119270000071
表示M组能量累积均值曲线，k＝{1,2}，分别代表S1、S2信号对应的能量累积曲线。
(5.3)分别对
Figure BDA0003746119270000072
求一阶导数后，最小值所在位置即为脉冲信号起始点所在位置，得到脉冲信号起点时间t1、t2，并得到两信号间的时间差Δt＝t2-t1。
(5.4)通过公式9计算局放源相对信号1传感器的位置。
Figure BDA0003746119270000073
其中，x为局放源相对于传感器1的距离，L为传感器1、传感器2间的距离，v为信号的传播速度。
(6)定位位置统计。
重复步骤(1)～(4)，计算获得每一个x值，其分布如附图5所示。若x的数量为N，将长度L划分宽度为w＝0.05m的区间，分别统计落在此区间的x值数量Pi，Pi最大的区间的中点即为局放源的实际位置。

Claims (10)

1.一种GIS局放自动线性定位系统，其特征在于，包括以下模块：
预处理模块：用于对信号进行滤波、归一化处理；
脉冲提取模块：用于从所采集信号对样本S1、S2中提取局放脉冲信号；
信号整理模块：用于对信号进行插值、脉冲对齐操作；
定位模块：基于平均能量累计法对局放脉冲起始点进行估计，并进行定位计算；用于对多定位结果进行概率统计获得精确定位结果。
2.一种GIS局放自动线性定位方法，所述方法采用了权利要求1所述的GIS局放自动线性定位系统，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对每个脉冲信号样本进行滤波；
(2)数值归一化处理；
(3)提取每个信号中的脉冲部分；
(4)多重数据波形位移调整；
(5)获得脉冲起始位置，并计算局放源定位值；
(6)定位位置统计。
3.根据权利要求2所述的一种GIS局放自动线性定位方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：对S1、S2各信号进行滤波，滤波采用的方法为IIR带通滤波计算方法，其中，S1表示传感器1所采集的多组脉冲信号，S1＝{S11，S12,...,S1N}，S2代表传感器2所采集的多组脉冲信号，S2＝{S21，S22,...,S2N}，S1或S2的任意一个元素Sij，i＝{1,2}，分别表示信号1、信号2，j＝{1,2,...,N}，代表脉冲序列顺序编号，其中S1j、S2j为同一时刻传感器1和传感器2所采集的一组脉冲信号对，Sij代表某个脉冲信号波形的M个离散序列{a1,a2,...,aM}。
4.根据权利要求2所述的一种GIS局放自动线性定位方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：取S1、S2所有脉冲序列中最大值Amax，按公式1对各元素归一化处理；
Ai＝ai/Amax(1)
其中，ai为S1或S2中任意一个离散序列的一个样本值，Ai为归一化后的值。
5.根据权利要求2所述的一种GIS局放自动线性定位方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：设窗口宽度为p，按照步长p移动，通过公式2分别计算鞘度K快速确定局放脉冲所存在的位置，当鞘度大于3时，说明该位置存在信号突变；
Figure FDA0003746119260000021
其中，μ为信号Sij的均值，σ为信号Sij的标准差，p为窗口宽度；当信号存在较多冲击成分时，峭度值明显增大，冲击越大峭度值也就越大；
以窗口中心点为起点，以宽度为P1的窗口，分别向前、后逐点移动，并对窗口P1内的值按公式3进行积分得到Em，所计算Em分别小于E1、E2后，获得脉冲左侧起始序号Xij、右侧起始序号Yij，Xij、Yij间的序列即为要提取的局放脉冲信号，记录每个{Xij,Yij}，其中，i＝{1,2}，分别表示传感器1和传感器2的信号,j＝{1,2,...,N}，表示传感器1或传感器2所采集的一组信号；
Figure FDA0003746119260000022
取所有脉冲中Xij中最小值作为起始位置，取Yij中最大值作为结束位置，统一截取等长的S1、S2中所有信号。
6.根据权利要求2所述的一种GIS局放自动线性定位方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：
(4.1)其按照公式4分别计算S1中每个脉冲信号间的互相关函数；
Figure FDA0003746119260000023
式中，i、j分别为同一通道的第i个样本和第j个样本；k为样本序号；s为信号的长度；m为移位的点数，对应连续信号中的时移Aj；Ai和Aj代表两个不同传感器获得的波形数据；
(4.2)按公式5计算S1的每个样本与其余样本间的位移之和Mi；
Figure FDA0003746119260000024
其中，i＝{1,2,...,n},i表示S1中第i个脉冲，j＝{1,2,...,j,...,n-1}，j表示S1中第j个脉冲；
(4.3)以Mi为最大值所对应的S1中的脉冲为基准，其它样本按照与其的位移进行移位对齐。
7.根据权利要求2所述的一种GIS局放自动线性定位方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：
(5.1)通过公式6计算每组脉冲S1j、S2j的能量累积曲线；
Figure FDA0003746119260000031
Figure FDA0003746119260000032
其中，Ek为第1个到第k个样本的积分，δ为偏移系数，用以将能量累积曲线负向偏转，系数a取值范围为1～5；
(5.2)通过公式8分别计算每组脉冲信号1和信号2的能量累积均值曲线；
Figure FDA0003746119260000033
公式8中，
Figure FDA0003746119260000034
表示M组能量累积均值曲线，其中k＝{1,2}，分别代表S1、S2信号对应的能量累积曲线；
(5.3)分别对
Figure FDA0003746119260000035
求一阶导数后，最小值所在位置即为脉冲信号起始点所在位置，得到脉冲信号起点时间t1、t2，并得到两信号间的时间差Δt＝t2-t1；
(5.4)通过公式9计算局放源相对信号1传感器的位置；
Figure FDA0003746119260000036
其中，x为局放源相对于传感器1的距离，L为传感器1、传感器2间的距离，v为信号的传播速度。
8.根据权利要求2所述的一种GIS局放自动线性定位方法，其特征在于，所述步骤(6)具体为：重复步骤(1)～(4)，计算获得每一个x值，若x的数量为N，将长度L划分宽度为w的间隔，分别统计落在此间隔的x值数量Pi，Pi最大的区间的中点即为局放源的实际位置。
9.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求2-8中任一项所述的一种GIS局放自动线性定位方法。
10.一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求2-8中任一项所述的一种GIS局放自动线性定位方法。
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