CN115453300B - 一种基于声传感器阵列的局部放电定位系统及方法 - Google Patents

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CN115453300B CN202211414391.2A CN202211414391A CN115453300B CN 115453300 B CN115453300 B CN 115453300B CN 202211414391 A CN202211414391 A CN 202211414391A CN 115453300 B CN115453300 B CN 115453300B
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Abstract

本发明公开了一种基于声传感器阵列的局部放电定位系统及方法，涉及电气工程技术领域，系统包括声传感器阵列、特高频天线、采集板卡以及信号处理主机；特高频天线设置于声传感器阵列上，声传感器阵列中的各个声传感器以及特高频天线与采集板卡连接，采集板卡还与信号处理主机连接；采集板卡在发生局部放电时通过特高频天线采集特高频电磁脉冲并发送至信号处理主机，信号处理主机根据高频电磁脉冲触发采集板卡通过各个声传感器采集声波信号，信号处理主机根据高频电磁脉冲和声波信号的首波峰值计算局部放电位置与声传感器阵列的距离，根据声波信号计算局部放电位置极角和方位角；采用特高频天线和声传感器阵列配合实现变电站局部放电定位。

Description

一种基于声传感器阵列的局部放电定位系统及方法
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种基于声传感器阵列的局部放电定位系统及方法。
背景技术
电力设备缺陷检测是电力设备运行维护的重要工作之一。当电力设备存在局部缺陷时，常出现绝缘局部放电现象、并伴有异常的音频声信号、超声信号。因此，声检测是常用的电力设备局部放电检测手段。目前，配有可见光摄像头的麦克风阵列已被成功的应用在局部放电检测中，例如专利文献CN114089141A公开了一种局部放电检测方法，包括如下步骤：步骤S1：采用麦克风阵列实时采集电气设备现场的声音信号；步骤S2：利用波束成形算法对麦克风阵列采集到的声音信号进行处理，以生成显示声功率和空间坐标对应关系的声功率-坐标图，从声功率-坐标图中挑选出声功率的极大值点，以确定有无放电位置，若有放电位置则对放电位置进行锁定；步骤S3：若有放电位置，则对声音信号进行截取并进行PRPD分析，根据生成的PRPD图谱确定放电位置处的放电类型；步骤S4：获取放电位置处声音信号的声功率P1和放电位置处的环境噪声功率P2 ,通过（P1-P2）/P2对放电位置处的相对声功率进行计算。
上述专利文献提供的方法采用麦克风阵列和可见光摄像头配合，通过声功率-坐标图确定放电位置，可见光摄像头采集的现场图像和声功率-坐标图进行叠加以获得放电的实际位置，但是该方法不能够获得球坐标系中的坐标，没有完整的三维信息，此外，还需设置可见光摄像头，硬件成本高，且图像的叠加精度影响最终检测的精度，整体方案复杂、成本高且检测精度不高。
发明内容
本发明提供了一种基于声传感器阵列的局部放电定位系统及方法，能够有效降低检测成本并且提高检测精度。
一种基于声传感器阵列的局部放电定位系统，包括声传感器阵列、特高频天线、采集板卡以及信号处理主机；
所述声传感器阵列包括基板和分布于所述基板上的多个声传感器，所述特高频天线设置于所述基板上，各个所述声传感器以及所述特高频天线与所述采集板卡连接，所述采集板卡还与所述信号处理主机连接；
所述采集板卡用于发生局部放电时通过所述特高频天线采集特高频电磁脉冲并发送至所述信号处理主机，所述信号处理主机根据所述高频电磁脉冲触发所述采集板卡通过各个声传感器采集声波信号，所述信号处理主机根据所述高频电磁脉冲和所述声波信号的首波峰值计算局部放电位置与所述声传感器阵列的距离，并根据所述声波信号计算局部放电位置极角和方位角。
进一步地，所述采集板卡包括特高频信号输入接口、多路声波信号输入接口以及信号输出接口，所述信号处理主机包括信号输入接口，所述特高频天线与所述特高频信号输入接口连接，各个声传感器与多路所述声波信号输入接口连接，所述信号输出接口与所述信号处理主机的信号输入接口连接。
进一步地，所述特高频天线设置于所述基板的几何中心处。
进一步地，所述声传感器阵列中的声传感器数量不少于32个。
进一步地，所述信号处理主机根据所述高频电磁脉冲信号出现的时间，以及所述声波信号的首波峰值出现的时间的平均值，计算局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离。
进一步地，局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离通过以下公式进行计算：
d=v*（ta-t0）；
其中，d为局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离，ta为各个声波信号首波峰值出现的时间的平均值，t0为高频电磁脉冲信号出现的时间，v为声波信号的传播速度。
进一步地，所述信号处理主机根据声波的极角和方位角入射时的波矢量以及各个声波信号，计算互相关矩阵和导向矢量，根据所述互相关矩阵以及所述导向矢量，计算声场功率；通过计算声波在不同极角和方位角入射下的声场功率，使得声场功率最大时对应的极角和方位角作为局部放电位置极角和方位角。
进一步地，所述互相关矩阵通过如下公式表示：
R=Y*YH；
；
；
；
；
其中，R为互相关矩阵，Y为多路声波信号形成的矩阵，YH为矩阵Y的共轭转置矩阵；表示波矢量，kx、ky和kz分别为所述波矢量在x、y、z方向的分量，f为声波信号的频率，c为声波信号的传播速度，θ为入射声波的极角，为入射声波的方位角，yi(t)表示第i个声波信号，i=0,1,2……M-1，M表示声传感器的数量，表示第i个声传感器相对于所述声传感器阵列几何中心处的位移矢量；
所述声场功率通过以下公式进行计算：
P(e)=EH*R*E；
；
其中，E为导向矢量，P(e)为声场功率，EH为导向矢量E的共轭转置矩阵。
进一步地，所述信号处理主机还用于以所述声传感器阵列中心为原点建立球坐标系，根据局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离、局部放电位置极角和方位角，确定局部放电位置在所述球坐标系中的坐标。
一种应用于上述系统的基于声传感器阵列的局部放电定位方法，包括：
采集板卡在发生局部放电时通过所述特高频天线采集特高频电磁脉冲并发送至所述信号处理主机；
信号处理主机根据所述高频电磁脉冲触发所述采集板卡通过各个声传感器采集声波信号；
信号处理主机根据所述高频电磁脉冲和所述声波信号的首波峰值计算局部放电位置与所述声传感器阵列的距离，并根据所述声波信号计算局部放电位置极角和方位角。
进一步地，所述采集板卡包括特高频信号输入接口、多路声波信号输入接口以及信号输出接口，所述信号处理主机包括信号输入接口，所述特高频天线与所述特高频信号输入接口连接，各个声传感器与多路所述声波信号输入接口连接，所述信号输出接口与所述信号处理主机的信号输入接口连接。
进一步地，所述特高频天线设置于所述基板的几何中心处。
进一步地，所述声传感器阵列中的声传感器数量不少于32个。
进一步地，信号处理主机根据所述高频电磁脉冲和所述声波信号的首波峰值计算局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离，包括：
所述信号处理主机根据所述高频电磁脉冲信号出现的时间，以及所述声波信号的首波峰值出现的时间的平均值，计算局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离。
进一步地，局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离通过以下公式进行计算：
d=v*（ta-t0）；
其中，d为局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离，ta为各个声波信号首波峰值出现的时间的平均值，t0为高频电磁脉冲信号出现的时间，v为声波信号的传播速度。
进一步地，根据所述声波信号计算局部放电位置极角和方位角，包括：
所述信号处理主机根据声波的极角和方位角入射时的波矢量以及各个声波信号，计算互相关矩阵和导向矢量，根据所述互相关矩阵以及所述导向矢量，计算声场功率；通过计算声波在不同极角和方位角入射下的声场功率，使得声场功率最大时对应的极角和方位角作为局部放电位置极角和方位角。
进一步地，所述互相关矩阵通过如下公式表示：
R=Y*YH；
；
；
；
；
其中，R为互相关矩阵，Y为多路声波信号形成的矩阵，YH为矩阵Y的共轭转置矩阵；表示波矢量，kx、ky和kz分别为所述波矢量在x、y、z方向的分量，f为声波信号的频率，c为声波信号的传播速度，θ为入射声波的极角，为入射声波的方位角，yi(t)表示第i个声波信号，i=0,1,2……M-1，M表示声传感器的数量，表示第i个声传感器相对于所述声传感器阵列几何中心处的位移矢量；
所述声场功率通过以下公式进行计算：
P(e)=EH*R*E；
；
其中，E为导向矢量，P(e)为声场功率，EH为导向矢量E的共轭转置矩阵。
进一步地，根据所述声波信号计算局部放电位置极角和方位角之后，还包括：
所述信号处理主机以所述声传感器阵列中心为原点建立球坐标系，根据局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离、局部放电位置极角和方位角，确定局部放电位置在所述球坐标系中的坐标。
本发明提供的基于声传感器阵列的局部放电定位系统及方法，至少包括如下有益效果：
（1）采用特高频天线和声传感器阵列配合的方式实现变电站局部放电定位，无需设置可见光摄像头，能够有效减少硬件成本，降低算法难度；
（2）通过特高频天线采集的高频电磁脉冲和声传感器阵列采集的多路声波信号即可计算获得局部放电位置距离声传感器阵列的距离、局部放电位置极角和方位角，从而能够在球坐标系中准确的获得局部放电位置的坐标，有效提高检测的精度和准确性。
附图说明
图1为本发明提供的基于声传感器阵列的局部放电定位系统一种实施例的结构示意图。
图2为本发明提供的基于声传感器阵列的局部放电定位系统中各个组成部件一种实施例的结构示意图。
图3为本发明提供的基于声传感器阵列的局部放电定位系统中特高频电磁脉冲和多路声波信号一种实施例的示意图。
图4为本发明提供的基于声传感器阵列的局部放电定位方法一种实施例的流程图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
参考图1，在一些实施例中，提供一种基于声传感器阵列的局部放电定位系统，包括声传感器阵列1、特高频天线2、采集板卡3以及信号处理主机4；
声传感器阵列1包括基板和分布于基板上的多个声传感器，特高频天线2设置于在基板上，各个声传感器以及特高频天线2与采集板卡3连接，采集板卡3还与信号处理主机4连接；
采集板卡3用于发生局部放电时通过特高频天线2采集特高频电磁脉冲并发送至信号处理主机4，信号处理主机4根据高频电磁脉冲触发采集板卡3通过各个声传感器采集声波信号，信号处理主机4根据特高频电磁脉冲和所述声波信号的首波峰值计算局部放电位置与声传感器阵列1的距离，并根据所述声波信号计算局部放电位置极角和方位角。
进一步地，参考图2，采集板卡3包括特高频信号输入接口31、多路声波信号输入接口32以及信号输出接口33，信号处理主机4包括信号输入接口41，特高频天线2与特高频信号输入接口31连接，各个声传感器11与多路声波信号输入接口32连接，信号输出接口33与信号处理主机4的信号输入接口41连接。
在一些实施例中，特高频天线2设置于声传感器阵列1的基板的几何中心处。
在一些实施例中，声传感器阵列1中的声传感器11数量不少于32个。
具体地，本实施例提供的系统在进入工作状态后，采集板卡3的特高频信号输入通道处于脉冲捕获状态，采集板卡3的多路声波信号输入通道处于休眠状态，信号处理主机4处于休眠状态。
当电力设备例如套管、母线等出现局部放电时，其会同时发出特高频电磁脉冲和声波脉冲。由于特高频电磁脉冲在空气中传播速度为3×108 m/s，远大于声波在空气中的传播速度340 m/s。因此相比声波，可以认为特高频电磁脉冲能够瞬间到达声传感器阵列1。此时处于脉冲捕获状态的采集板卡3的特高频信号输入通道接收到特高频电磁脉冲，触发多路声波信号输入通道进入工作状态。
采集板卡3控制多路声波信号输入通道持续采集1s。由于声波信号速度为340m/s，可知距离声传感器阵列340 m以内的声信号均能抵达声传感器阵列1的32个声传感器11。
进一步地，参考图3，采集板卡3将特高频电磁脉冲和多路声波信号送往信号处理主机4。信号处理主机4根据所述高频电磁脉冲信号出现的时间，以及所述声波信号的首波峰值出现的时间的平均值，计算局部放电位置距离所述声传感器阵列1的距离。图3所示为信号处理主机4接收到的特高频电磁脉冲和声波信号示意图。以特高频电磁脉冲出现时间记为零时刻t0，多路声波信号的首波峰值的时间记为tai，求取所有声波信号首波峰值tai的平均值记为ta，则局部放电信号源，即局部放电位置距离声传感器阵列1的距离为：
d=v*（ta-t0）；（1）
其中，d为局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离，ta为各个声波信号首波峰值出现的时间的平均值，t0为高频电磁脉冲信号出现的时间，v为声波信号的传播速度。
进一步地，信号处理主机4根据声波的极角和方位角入射时的波矢量以及各个声波信号，计算互相关矩阵和导向矢量，根据所述互相关矩阵以及所述导向矢量，计算声场功率；通过计算声波在不同极角和方位角入射下的声场功率，使得声场功率最大时对应的极角和方位角作为局部放电位置极角和方位角。
其中，互相关矩阵通过如下公式表示：
R=Y*YH；（2）
；（3）
；（4）
；（5）
；（6）
其中，R为互相关矩阵，Y为多路声波信号形成的矩阵，YH为矩阵Y的共轭转置矩阵；表示波矢量，kx、ky和kz分别为所述波矢量在x、y、z方向的分量，f为声波信号的频率，c为声波信号的传播速度，θ为入射声波的极角，为入射声波的方位角，yi(t)表示第i个声波信号，i=0,1,2……M-1，M表示声传感器的数量，表示第i个声传感器相对于所述声传感器阵列几何中心处的位移矢量，j为虚数单位；
y方向为指向特高频天线的方向，x方向为指向声传感器阵列所在平面内并且与特高频天线垂直的方向，z方向为指向垂直于声传感器阵列的方向。
所述声场功率通过以下公式进行计算：
P(e)=EH*R*E；（5）
；
其中，E为导向矢量，P(e)为声场功率，EH为导向矢量E的共轭转置矩阵。
进一步地，通过上述计算获得局部放电位置距离声传感器阵列的距离、局部放电位置极角和方位角，即可获得该局部放电位置在球坐标系中的位置。因此，信号处理主机4还用于以所述声传感器阵列中心为原点建立球坐标系，根据局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离、局部放电位置极角和方位角，确定局部放电位置在所述球坐标系中的坐标。
上述实施例提供的基于声传感器阵列的局部放电定位系统，至少包括如下有益效果：
（1）采用特高频天线和声传感器阵列配合的方式实现变电站局部放电定位，无需设置可见光摄像头，能够有效减少硬件成本，降低算法难度；
（2）通过特高频天线采集的高频电磁脉冲和声传感器阵列采集的多路声波信号即可计算获得局部放电位置距离声传感器阵列的距离、局部放电位置极角和方位角，从而能够在球坐标系中准确的获得局部放电位置的坐标，有效提高检测的精度和准确性。
参考图4，在一些实施例中，提供一种应用于上述系统的局部放电检测方法，包括：
S1、采集板卡在发生局部放电时通过所述特高频天线采集特高频电磁脉冲并发送至所述信号处理主机；
S2、信号处理主机根据所述高频电磁脉冲触发所述采集板卡通过各个声传感器采集声波信号；
S3、信号处理主机根据所述高频电磁脉冲和所述声波信号的首波峰值计算局部放电位置与所述声传感器阵列的距离，并根据所述声波信号计算局部放电位置极角和方位角。
具体地，步骤S1和步骤S2中，系统在进入工作状态后，采集板卡3的特高频信号输入通道处于脉冲捕获状态，采集板卡3的多路声波信号输入通道处于休眠状态，信号处理主机4处于休眠状态。
当电力设备例如套管、母线等出现局部放电时，其会同时发出特高频电磁脉冲和声波脉冲。由于特高频电磁脉冲在空气中传播速度为3×108 m/s，远大于声波在空气中的传播速度340 m/s。因此相比声波，可以认为特高频电磁脉冲能够瞬间到达声传感器阵列1。此时处于脉冲捕获状态的采集板卡3的特高频信号输入通道接收到特高频电磁脉冲，触发多路声波信号输入通道进入工作状态。
采集板卡3控制多路声波信号输入通道持续采集1s。由于声波信号速度为340m/s，可知距离声传感器阵列340 m以内的声信号均能抵达声传感器阵列1的32个声传感器。
进一步地，采集板卡3将特高频电磁脉冲和多路声波信号送往信号处理主机4。步骤S3中，信号处理主机根据所述高频电磁脉冲信号出现的时间，以及所述声波信号的首波峰值出现的时间的平均值，计算局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离。图3所示为信号处理主机4接收到的特高频电磁脉冲和声波信号示意图。以特高频电磁脉冲出现时间记为零时刻t0，多路声波信号的首波峰值的时间记为tai，求取所有声波信号首波峰值tai的平均值记为ta，局部放电位置距离声传感器阵列1的距离通过公式（1）进行计算。
进一步地，计算局部放电位置距离声传感器阵列1的距离之后，信号处理主机根据声波的极角和方位角入射时的波矢量以及各个声波信号，计算互相关矩阵和导向矢量，根据所述互相关矩阵以及所述导向矢量，计算声场功率；通过计算声波在不同极角和方位角入射下的声场功率，使得声场功率最大时对应的极角和方位角作为局部放电位置极角和方位角。
其中，互相关矩阵通过公式（2）-公式（6）进行计算，声场功率通过公式（5）计算。
进一步地，通过上述计算获得局部放电位置距离声传感器阵列的距离、局部放电位置极角和方位角，即可获得该局部放电位置在球坐标系中的位置。因此，步骤S3之后，还包括：
S4、信号处理主机以所述声传感器阵列中心为原点建立球坐标系，根据局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离、局部放电位置极角和方位角，确定局部放电位置在所述球坐标系中的坐标。
上述实施例提供的基于声传感器阵列的局部放电定位方法，至少包括如下有益效果：
（1）采用特高频天线和声传感器阵列配合的方式实现变电站局部放电定位，无需设置可见光摄像头，能够有效减少硬件成本，降低算法难度；
（2）通过特高频天线采集的高频电磁脉冲和声传感器阵列采集的多路声波信号即可计算获得局部放电位置距离声传感器阵列的距离、局部放电位置极角和方位角，从而能够在球坐标系中准确的获得局部放电位置的坐标，有效提高检测的精度和准确性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于声传感器阵列的局部放电定位系统，其特征在于，包括声传感器阵列、特高频天线、采集板卡以及信号处理主机；
所述声传感器阵列包括基板和分布于所述基板上的多个声传感器，所述特高频天线设置于所述基板上，各个所述声传感器以及所述特高频天线与所述采集板卡连接，所述采集板卡还与所述信号处理主机连接；
所述采集板卡用于发生局部放电时通过所述特高频天线采集特高频电磁脉冲并发送至所述信号处理主机，所述信号处理主机根据所述特高频电磁脉冲触发所述采集板卡通过各个声传感器采集声波信号，所述信号处理主机根据所述特高频电磁脉冲和所述声波信号的首波峰值计算局部放电位置与所述声传感器阵列的距离，并根据所述声波信号计算局部放电位置的极角和方位角；
所述信号处理主机根据所述特高频电磁脉冲信号出现的时间，以及所述声波信号的首波峰值出现的时间的平均值，计算局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离；
所述信号处理主机根据入射声波的极角和方位角的波矢量以及各个声波信号，计算互相关矩阵和导向矢量，根据所述互相关矩阵以及所述导向矢量，计算声场功率；通过计算声波在不同极角和方位角入射下的声场功率，使得声场功率最大时对应的极角和方位角作为局部放电位置的极角和方位角；
所述互相关矩阵通过如下公式表示：
R=Y*YH；
；
；
；
；
其中，R为互相关矩阵，Y为多路声波信号形成的矩阵，YH为矩阵Y的共轭转置矩阵；表示波矢量，kx、ky和kz分别为所述波矢量在x、y、z方向的分量，f为声波信号的频率，c为声波信号的传播速度，θ为入射声波的极角，为入射声波的方位角，yi(t)表示第i个声波信号，i=0,1,2……M-1，M表示声传感器的数量，表示第i个声传感器相对于所述声传感器阵列几何中心处的位移矢量；
所述声场功率通过以下公式进行计算：
P(e)=EH*R*E；
；
其中，E为导向矢量，P(e)为声场功率，EH为导向矢量E的共轭转置矩阵。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集板卡包括特高频信号输入接口、多路声波信号输入接口以及信号输出接口，所述信号处理主机包括信号输入接口，所述特高频天线与所述特高频信号输入接口连接，各个声传感器与多路所述声波信号输入接口连接，所述信号输出接口与所述信号处理主机的信号输入接口连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述特高频天线设置于所述基板的几何中心处。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声传感器阵列中的声传感器数量不少于32个。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离通过以下公式进行计算：
d=v*（ta-t0）；
其中，d为局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离，ta为各个声波信号首波峰值出现的时间的平均值，t0为特高频电磁脉冲信号出现的时间，v为声波信号的传播速度。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理主机还用于以所述声传感器阵列中心为原点建立球坐标系，根据局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离、局部放电位置的极角和方位角，确定局部放电位置在所述球坐标系中的坐标。
7.一种应用于如权利要求1-6任一所述系统的基于声传感器阵列的局部放电定位方法，其特征在于，包括：
采集板卡在发生局部放电时通过所述特高频天线采集特高频电磁脉冲并发送至所述信号处理主机；
信号处理主机根据所述特高频电磁脉冲触发所述采集板卡通过各个声传感器采集声波信号；
信号处理主机根据所述特高频电磁脉冲和所述声波信号的首波峰值计算局部放电位置与所述声传感器阵列的距离，并根据所述声波信号计算局部放电位置的极角和方位角。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，信号处理主机根据所述特高频电磁脉冲和所述声波信号的首波峰值计算局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离，包括：
所述信号处理主机根据所述特高频电磁脉冲信号出现的时间，以及所述声波信号的首波峰值出现的时间的平均值，计算局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述声波信号计算局部放电位置的极角和方位角，包括：
所述信号处理主机根据入射声波的极角和方位角的波矢量以及各个声波信号，计算互相关矩阵和导向矢量，根据所述互相关矩阵以及所述导向矢量，计算声场功率；通过计算声波在不同极角和方位角入射下的声场功率，使得声场功率最大时对应的极角和方位角作为局部放电位置的极角和方位角。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述声波信号计算局部放电位置的极角和方位角之后，还包括：
所述信号处理主机以所述声传感器阵列中心为原点建立球坐标系，根据局部放电位置距离所述声传感器阵列的距离、局部放电位置的极角和方位角，确定局部放电位置在所述球坐标系中的坐标。
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