CN116184121A - 一种基于分布式uhf信号的树线放电预警和定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，其系统包括信号采集模块与故障诊断模块。其中，信息采集模块包括EWM特征数据库、宽频带UHF定向天线以及分布式UHF信号接收终端；故障诊断模块包括UHF信号分析终端、A/D转换器以及PC机。信息采集模块接收并分解定向天线信号，通过多分辨率分析滤除噪声后将树线放电故障信号传输至故障诊断模块。故障诊断模块基于定向的MUSIC算法给出故障点的具体位置并输出预警信息。

Description

一种基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统

技术领域

本发明属于配电网故障识别领域，具体设计一种基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统。

背景技术

我国广袤的山区和丘陵地带遍布配电网架空线路，其输电走廊难免受到树竹侵扰，尤其在外力(如雷击、大风等)作用下，架空线可能会与较高的树木枝干间发生放电，引发单相高阻接地故障。长时间的树线放电可能会在故障点形成电弧，导致电力设备损毁，甚至可能引燃枝叶，诱发山火。因此，厘清输电线路、尤其是线路高度较低的配网线路的树线放电诱发机制和发展特性，开发准确的检测及定位技术，并研制可靠的预警及定位装置，已具备十分的必要性和紧迫性。

由于树线放电属于高阻类接地故障，其故障电流一般在mA量级，极易淹没在线路噪声中，传统的零序电流/电压等检测技术往往难以胜任准确的故障预警和定位任务。前期研究表明，树线放电发展初期，会历经时间尺度在分钟量级的间歇性击穿。这种间隙击穿会产生大量的高频电磁波，包括1GHz以上的超高频(UHF)电磁波，远高于背景电磁噪声频率，从而为树线放电的识别提供了准确的参考量。

本发明旨在开发一种基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，实现输电线路树线放电故障的精确识别、预警和定位，为后续的线路保护动作提供可靠依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，通过提取树线放电接地故障发生时的特征高频信号并采用UHF方法对故障进行识别定位，为后续线路保护动作提供预警依据。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，通过记录整合线路运行过程中产生的电磁行波(EWM)信号与实验得到的故障EWM信号建立EWM信号特征数据库，在输电线路中设置宽频带的UHF天线，实时接收线路运行过程中产生的EWM信号并发送至分布式接收终端，接收终端根据特征数据库筛选出树线放电故障信号后将其传输至分析终端，定位故障发生的具体位置。所述的定位系统包括信息采集模块与故障诊断模块。所述的信息采集模块包括EWM特征数据库、宽频带UHF定向天线以及分布式UHF信号接收终端；所述的故障诊断模块包括UHF信号分析终端、A/D转换器以及PC机。

所述的基于分布式超高频电磁波检测技术的树线放电定位和预警系统，包括如下5个步骤：

第一步，根据给定输电线路的电压等级，测量线路正常运行情况下的EWM信号，并通过实验获得多种故障发生时线路的EWM信号，建立线路的EWM的幅频特性和传播特性衰减特性数据库，将数据库中基本的信号函数ψ(t)经线性变换后得到一簇小波函数ψ_a,b(t)。

其中，a为尺度因子，b反映位移。将系数a按照二进制方式离散化，系数b按照二进制整数倍离散化，即

并将小波函数

离散化为

ψ_j,n(t)＝2^-j/2ψ(2^-jt-n) (2)

给定平方可积信号x(t)，对其进行多分辨率分析，得到：

其中，

h[k]，g[k]为分别为高通与低通滤波器的采样响应。根据实验数据手动设置滤波器筛选阈值，获得树线放电故障与其它噪声对应的频率阈值。根据式(5)获取树线放电故障与其他噪声信号的标准频率阈值。

其中，m_j为对应频带的中间值，N_j为频带宽度。

第二步，在杆塔处线路安装宽频带UHF定向天线，每相线路杆塔处对应安装一个天线阵元，临近的数组天线组成一个定向天线阵列，由对应的分布式UHF信号接收终端接收天线信号。并将故障信号传输至UHF信号分析终端，终端结合第一步中建立的EWM频域特征数据库，手动设置对应的噪声阈值并将其与标准阈值线性拟合，获得形如式(6)的线性函数，根据线性拟合的结果调整噪声阈值的选择，根据调整后的阈值滤除原始信号的噪声，将宽频信号转换为仅含树线放电故障的单频信号。

thr(t,j)＝(std)slp(t,j)+itc(t,j) (6)

其中，t表示不同的噪声类型，j对应为该噪声信号的幅值范围，thr(t，j)某一噪声信号具体的频域范围，slp(t，j)是拟合函数的斜率，itc(t，j)为截距，std为对应噪声信号的标准偏差。

第三步，处理后的信号经A/D转换器输入PC机，PC机将单个天线阵元设为1，每个阵元均为定向天线。阵列为包含M个相同阵元的均匀直线阵，并将接收到的单频信号复包络转换为式(7)的形式。

其中：s_i(t)为第i个阵元接收信号的复包络；τ表示延迟时间；u_i(t)

表示信号幅值；ω表示被测信号频率；

表示被测信号的相位，将第i个阵元接收的信号表示为：

x_i(t)＝g_is_i(t-τ_i)+n_i(t) (8)

其中，g_i表示阵元对接收信号的增益，n_i(t)为噪声信号。在定向天线阵列中，接收信号的增益将由定向天线的方向g(θ)决定，以某个阵元为参考点，则第i个阵元接收到的信号时延τ_i可以通过式(9)

表示：

其中c为光速，d为阵元间距，令ω＝2πf，结合式(7)～(9)，根据式(10)计算得到天线阵列的接收信号。

第四步，计算出阵列接收信号并代入式(11)，求取阵列数据的协方差矩阵。

R＝g²(θ)AR_sA^H+σ²I (11)

其中R_s为信号的协方差矩阵，g²(θ)AR_sA^H表示信号相关部分，而σ²I表示噪声相关部分。令导向矢量b＝g(θ)A，进一步将矩阵特征分解为式(12)。

其中U_S、U_N分别为信号子空间与噪声子空间对应的特征矢量矩阵，Σ_S、Σ_N分别为信号子空间与噪声子空间对应特征值组成的对角阵。结合导向矢量与特征矢量矩阵得到MUSIC因子

根据式(13)遍历θ，找出令P_MUSIC取最大值的θ，得到故障信号的来波方向精确解。

第五步，统计单个天线阵元接收到故障信号的时间，与空气中的光速相乘得到故障点与阵元之间的距离，结合天线阵列拓扑与第四步中计算得到的来波方向得到精确的故障点位置并输出预警信息。

本发明提出了一种基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统。该系统通过提取树线放电时特有的超高频信号，通过定向MUSIC方法计算故障点来波方向，给出了精确的故障点定位，建立了一种简便可靠的树线放电故障点定位系统。

进一步地，本发明提出的基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统。区别于以往的采用行波法等需要向线路注入特定脉冲信号进行故障识别系统，基于UHF信号的识别系统通过识别线路本身的电磁行波信号对故障进行检测，有效提高了故障预警的时效性与准确性。

进一步地，本发明提出的基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，仅需要在线路杆塔设置卡钳式或贴片式UHF天线，相关设备安装简便且UHF天线自身的工频感应电压对线路的干扰较小，提供了一种简洁且高效的故障识别系统。

附图说明

图1示出了本发明实例提供的基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统工作原理图

图2示出了UHF天线安装位置示意图

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明的目的是提供一种基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，通过提取树线放电接地故障发生时的高频信号并采用UHF方法对故障进行识别定位，为后续线路保护动作提供依据。

本发明提供了一种基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，系统的工作流程如图1所示，该定位预警系统包括信息采集模块以及故障诊断模块。所述的信息采集模块包括EWM特征数据库、宽频带UHF天线以及分布式UHF信号接收终端；所述的故障诊断模块包括UHF信号分析终端、A/D转换器以及PC机。

在本发明具体实施过程中，模型的运行过程包括如下5个步骤：

第一步，测量10kV线路正常运行情况下的EWM信号，并通过实验获得多种故障发生时线路的EWM信号，建立10kV线路的EWM的幅频特性和传播特性衰减特性数据库，将数据库中基本的信号函数ψ(t)经线性变换后得到一簇小波函数ψ_a,b(t)。

其中，a为尺度因子，b反映位移。将系数a按照二进制方式离散化，系数b按照二进制整数倍离散化，即

并将小波函数/>

离散化为

ψ_j,n(t)＝2^-j/2ψ(2^-jt-n) (15)

给定平方可积信号x(t)，对其进行多分辨率分析，得到：

其中，

h[k]，g[k]为分别为高通与低通滤波器的采样响应。根据实验数据手动设置滤波器筛选阈值，获得树线放电故障与其它噪声对应的频率阈值。根据式(18)获取树线放电故障与其他噪声信号的标准频率阈值。

其中，m_j为对应频带的中间值，N_j为频带宽度。

第二步，在杆塔处线路安装宽频带UHF定向天线，每相线路杆塔处对应安装一个天线阵元，临近的数组天线组成一个定向天线阵列，由对应的分布式UHF信号接收终端接收天线信号。并将故障信号传输至UHF信号分析终端，终端结合第一步中建立的EWM频域特征数据库，手动设置对应的噪声阈值并将其与标准阈值线性拟合，获得形如式(3)的线性函数，根据线性拟合的结果调整噪声阈值的选择，根据调整后的阈值滤除原始信号的噪声，将宽频信号转换为仅含树线放电故障的单频信号。

thr(t,j)＝(std)slp(t,j)+itc(t,j) (19)

其中，t表示不同的噪声类型，j对应为该噪声信号的幅值范围，thr(t，j)某一噪声信号具体的频域范围，slp(t，j)是拟合函数的斜率，itc(t，j)为截距，std为对应噪声信号的标准偏差。

第三步，处理后的信号经A/D转换器输入PC机，PC机将单个天线阵元设为1，每个阵元均为定向天线。阵列为包含M个相同阵元的均匀直线阵，并将接收到的单频信号复包络转换为式(20)的形式。

其中：s_i(t)为第i个阵元接收信号的复包络；τ表示延迟时间；u_i(t)表示信号幅值；ω表示被测信号频率；

表示被测信号的相位，将第i个阵元接收的信号表示为：

x_i(t)＝g_is_i(t-τ_i)+n_i(t) (21)

其中，g_i表示阵元对接收信号的增益，n_i(t)为噪声信号。在定向天线阵列中，接收信号的增益将由定向天线的方向g(θ)决定，以某个阵元为参考点，则第i个阵元接收到的信号时延τ_i可以通过式(22)表示：

其中c为光速，d为阵元间距，令ω＝2πf，结合式(20)～(22)，根据式(23)计算得到天线阵列的接收信号。

第四步，计算出阵列接收信号并代入式(24)，求取阵列数据的协方差矩阵。

R＝g²(θ)AR_sA^H+σ²I (24)

其中R_s为信号的协方差矩阵，g²(θ)AR_sA^H表示信号相关部分，而σ²I表示噪声相关部分。令导向矢量b＝g(θ)A，进一步将矩阵特征分解为式(25)。

其中U_S、U_N分别为信号子空间与噪声子空间对应的特征矢量矩阵，Σ_S、Σ_N分别为信号子空间与噪声子空间对应特征值组成的对角阵。结合导向矢量与特征矢量矩阵得到MUSIC因子

根据式(26)遍历θ，找出令P_MUSIC取最大值的θ，得到故障信号的来波方向精确解。

第五步，统计单个天线阵元接收到故障信号的时间，与空气中的光速相乘得到故障点与阵元之间的距离，结合天线阵列拓扑与第四步中计算得到的来波方向得到精确的故障点位置并输出预警信息。

在本发明实施中，以10kV线路发生树线放电故障时特有的UHF信号作为评判依据，由于UHF信号独特的频段，使其在传播过程中较难受到干扰，因此该方法可以精确且迅速的反映出故障发生的具体位置。并且由于输电线路结构的统一性，通过简单的PC机程序即可实现故障点位置的判断与预警。因此该系统可以较好的适用于定位树线放电接地故障，具有较高应用价值。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，其特征在于，包括如下步骤：

记录整合线路运行过程中产生的电磁行波(EWM)信号与实验得到的故障EWM信号并建立EWM信号特征数据库。

在输电线路中设置宽频带的UHF天线，实时接收线路运行过程中产生的EWM信号并发送至分布式接收终端，接收终端根据特征数据库筛选出树线放电故障信号后将其传输至分析终端，通过PC机程序计算定位故障发生的具体位置。

2.根据权力要求1所述的基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，其特征在于，建立EWM信号特征数据库的方法如下：

根据给定输电线路的电压等级，测量线路正常运行情况下的EWM信号，并通过实验获得多种故障发生时线路的EWM信号。将基本的信号函数ψ(t)经线性变换后得到一簇小波函数ψ_a,b(t)。

上式中，a为尺度因子，b反映位移。将系数a按照二进制方式离散化，系数b按照二进制整数倍离散化，即

将小波函数离散化为ψ_j,n(t)＝2^-j/2ψ(2^-jt-n)。

给定平方可积信号x(t),对其进行多分辨率分析，得到：

其中

h[k]，g[k]为分别为高通与低通滤波器的采样响应。根据实验数据手动设置滤波器筛选阈值，获得树线放电故障与其它噪声对应的频率阈值。并通过公式

获取树线放电故障与其他噪声信号的标准频率阈值，其中，m_j为对应频带的中间值，N_j为频带宽度。

3.根据权力要求1所述的基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，其特征在于，获取树线放电故障单频信号的方法如下：

在杆塔处线路安装宽频带UHF定向天线，每相线路杆塔处对应安装一个天线阵元，临近的数组天线组成一个定向天线阵列，由对应的分布式UHF信号接收终端接收天线信号。并将故障信号传输至UHF信号分析终端，终端结合EWM频域特征数据库，将手动设置的噪声阈值并将其与标准频率阈值线性拟合，获得形如式thr(t,j)＝(std)slp(t,j)+itc(t,j)的线性函数，根据线性拟合的结果调整噪声阈值的选择，根据调整后的阈值滤除原始信号的噪声，将宽频信号转换为仅含树线放电故障的单频信号。

其中，t表示不同的噪声类型，j对应为该噪声信号的幅值范围，thr(t，j)某一噪声信号具体的频域范围，slp(t，j)是拟合函数的斜率，itc(t，j)为截距，std为对应噪声信号的标准偏差。

4.根据权力要求1所述的基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，获取定向UHF天线信号阵列的方法如下：

将树线放电故障单频信号经A/D转换器输入PC机，PC机将单个天线阵元设为1，每个阵元均为定向天线。阵列为包含M个相同阵元的均匀直线阵，并将接收到的单频信号复包络转换为如下形式：

其中：s_i(t)为第i个阵元接收信号的复包络；τ表示延迟时间；u_i(t)表示信号幅值；ω表示被测信号频率；

表示被测信号的相位，将第i个阵元接收的信号表示为：

x_i(t)＝g_is_i(t-τ_i)+n_i(t)

其中，g_i表示阵元对接收信号的增益，n_i(t)为噪声信号。在定向天线阵列中，接收信号的增益将由定向天线的方向g(θ)决定，以某个阵元为参考点，则第i个阵元接收到的信号时延τ_i可以通过下式表示：

其中c为光速，d为阵元间距，令ω＝2πf，得到天线阵列的接收信号。

5.根据权力要求1所述的基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，获取树线放电故障点精确位置的方法如下：

将阵列接收信号并代入下，求取阵列数据的协方差矩阵。

R＝g²(θ)AR_sA^H+σ²I

其中R_s为信号的协方差矩阵，g²(θ)AR_sA^H表示信号相关部分，而σ²I表示噪声相关部分。令导向矢量b＝g(θ)A，进一步将对矩阵进行如下特征分解：

其中U_S、U_N分别为信号子空间与噪声子空间对应的特征矢量矩阵，Σ_S、Σ_N分别为信号子空间与噪声子空间对应特征值组成的对角阵。结合导向矢量与特征矢量矩阵得到MUSIC因子

遍历θ，找出令P_MUSIC取最大值的θ，得到故障信号的来波方向精确解。

统计单个天线阵元接收到故障信号的时间，与空气中的光速相乘得到故障点与阵元之间的距离，结合天线阵列拓扑与第四步中计算得到的来波方向得到精确的故障点位置并输出预警信息。

6.一种基于分布式UHF信号的树线放电预警和定位系统，其特征在于，包括信息采集模块，用于接收并筛选出树线放电故障信号；

故障诊断模块，用于接收信息模块传输的树线放电故障单频信号并计算分析故障的精确位置。

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