CN204203408U - 变电站缺陷设备快速检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变电站缺陷设备快速检测装置，该装置由多个电波传感器、超高速数据采样单元和数据处理单元构成，使用方法是所述电波传感器接收待测变电站电力设备绝缘缺陷放电所产生的电波信号，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元同步采集，送所述数据处理单元对四路信号进行数据处理，在显示屏上显示放电源的位置和预警信息。本实用新型能对变电站内缺陷设备进行放电源检测和平面定位，大大降低了变电站设备放电检测的成本，有助于巡检变电站设备时提前发现缺陷，减少停电事故的发生，从而提高变电站的智能化水平。具有对待测变电站全站放电的检测和定位快、成本低，效率高的特点。

Description

变电站缺陷设备快速检测装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统高电压与绝缘技术，特别是涉及一种变电站缺陷设备快速检测装置。

背景技术

绝缘故障是电力设备在运行中最主要的可能故障之一，电力设备发生绝缘故障前，一般都会有一个逐渐发展的放电过程，最终导致绝缘击穿。如果在这个过程能够对运行设备进行放电监测和诊断，及时发现放电信号，提前对缺陷进行处理，就能有效避免绝缘击穿故障的发生。对放电位置的定位也有助于制定更有针对性的检修处理方案，减少停电时间，提高检修效率。

缺陷放电可通过超声波、电气参数常量和特高频电磁波等多种方法检测，这些方法都可用来定位。特高频电磁波法是放电检测的一种新方法，该方法通过特高频全向传感器接收电力设备内发生放电时辐射的电磁波中的特高频段信号来检测放电。特高频电磁波检测的优点为：检测频段较高，可以有效地避开常规放电测量中的电晕、开关操作等多种电气干扰；检测频带宽，所以其检测灵敏度很高，且电磁波在空气中的传播速度近似光速，可以用来计算放电源在变电站中的平面位置，从而确定可能存在缺陷的设备。

国内外现有的对电力设备的绝缘缺陷进行监测及定位的方法基本都是针对单个变电站设备(GIS、变压器、容性设备等)的放电进行检测，并依据采集到的声信号和电信号进行定位。这种监测方法存在以下缺陷：

1)变电站中的任何高压电力设备均可能会产生放电故障，要想对全站的一次电气设备实施监测，就需要在每一个设备上都安装放电监测装置，这需要耗费大量的时间、财力进行设备采购和安装；

2)测试时需携带多套不同类型仪器，操作不便；

3)众多监测装置的维护和管理需耗费大量的时间和人力。

因此，目前这种监测形式难以适应今后智能变电站远程管理及少人值守的要求。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种变电站缺陷电力设备快速检测装置。

本实用新型提供的变电站缺陷电力设备快速检测装置，由特高频全向传感器接收放大模块、超高速数据采样单元及数据处理单元和分析单元组成，所述特高频全向传感器接收放大模块为四个全向宽带天线及其前置宽带放大器的集成体，所述特高频全向传感器接收待测变电站电力设备缺陷放电所产生的电磁波，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元同步采集；

所述数据处理单元对四路信号进行数据处理单元，重点是计算四路信号的时延，从而计算出放电源在变电站的平面位置。

优选地，所述前置宽带放大器的带宽为1GHz，增益为40dB。

优选地，所述超高速数据采样单元为>3Gsps的数据采集卡。

优选地，所述数据处理单元为工业控制计算机。

本实用新型同时提供了一种利用上述技术方案中任一所述的变电站缺陷电力设备快速检测装置进行放电源检测的方法，包括步骤一多路电波信号同步采集、步骤二采用双谱估计算法确定两路电波信号的时延以及步骤三利用时延计算放电源点的平面位置；

步骤一多路电波信号同步采集

将所述变电站缺陷电力设备快速检测装置在待测的变电站某一位置放置后，所述检测装置启动后，所述多通道特高频全向传感器接收变电站缺陷电 力设备因放电产生的电磁波信号，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元进行同步采集，送所述数据处理单元对多路信号进行数据处理单元；

步骤二采用双谱估计算法确定两路电波信号的时延

通过信号的数字采集系统同时采集到的两路信号分别为离散序列{x1(n)}和{x2(n)}，结合高阶累积量理论，利用参数双谱时延估计算法的计算机数值实现方法，计算子步骤如下

子步骤1：同常规计算方法，将观测到的信号数据样本分为K段，每段包含M个观测样本，分别记作其中k＝1,2,…,k，i＝1,2，相邻两段数据之间可以有重合；

子步骤2：计算每段信号的自三阶累积量和互三阶累积量：

${\hat{c}}_{x_1{x}_1{x}_1}^{\left(k\right)}(\mathrm{\τ},\mathrm{\ρ})=\frac{1}{M}\underset{n=S_1}{\overset{S_2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1^{\left(k\right)}\left(n\right)x_1^{\left(k\right)}(n+\mathrm{\τ})x_1^{\left(k\right)*}(n+\mathrm{\ρ})$

${\hat{c}}_{x_1{x}_2{x}_1}^{\left(k\right)}(\mathrm{\τ},\mathrm{\ρ})=\frac{1}{M}\underset{n=S_1}{\overset{S_2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1^{\left(k\right)}\left(n\right)x_2^{\left(k\right)}(n+\mathrm{\τ})x_1^{\left(k\right)*}(n+\mathrm{\ρ})---\left(1\right)$

其中，S1和S2分别取值为：

S₁＝max(0,-τ,-ρ)

S₂＝min(M-1,M-1-τ,M-1-ρ)

子步骤3：计算各段信号自三阶累积量和互三阶累积量的平均值，作为整段信号的三阶累积量估计：

${\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}(\mathrm{\τ},\mathrm{\ρ})=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{c}}_{x_1{x}_1{x}_1}^{\left(k\right)}(\mathrm{\τ},\mathrm{\ρ})$

${\hat{C}}_{x_1{x}_2{x}_1}(\mathrm{\τ},\mathrm{\ρ})=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{c}}_{x_1{x}_2{x}_1}^{\left(k\right)}(\mathrm{\τ},\mathrm{\ρ})---\left(3\right)$

子步骤4：利用和写出矩阵和向量并列出方程组：

${\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}={\hat{C}}_{x_1{x}_2{x}_1}A---\left(4\right)$

其中

$C_{x_1{x}_2{x}_1}={[c_{x_1{x}_2{x}_1}(-p,0),\·\·\·,c_{x_1{x}_2{x}_1}(p,0),c_{x_1{x}_2{x}_1}(-p,1),\·\·\·,c_{x_1{x}_2{x}_1}(p,1),c_{x_1{x}_2{x}_1}(-p,-1),\·\·\·,c_{x_1{x}_2{x}_1}(p,-1)]}^T$

$A={[a_{-p},a_{-p+1},\·\·\·,0,\·\·\·,a_{p-1},a_p]}^T$

子步骤5：利用最小二乘法求解上述方程组，估计向量

$\hat{A}={\left({\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}^T{\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}\right)}^{-1}{\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}^T{\hat{C}}_{x_1{x}_2{x}_1}---\left(5\right)$

其中将使取最大值的索引值d，作为两路信号时延的估计

步骤三利用时延计算放电源点的平面位置

本系统考虑到电力设备在变电站中都为平面布置，要确定可能存在缺陷的电力设备，只需计算出放电源在变电站中的平面位置，为此传感器阵列采用平面矩形排列方式，假设四个传感器在平面坐标系内的位置坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和(x₄,y₄)，放电源位置为(x,y)，放电源与四个传感器间的距离分别为d₁、d₂、d₃和d₄，即

$d_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2},i=\mathrm{1,2,3},4---\left(6\right)$

根据平面解析几何知识，放电源到每两个传感器之间的距离差(d_i-d_j)可唯一确定一个单支双曲线，因此，以天线阵列中心为平面直角坐标原点，通过时间差可以确定放电点所在象限，利用相同方向的单支双曲线方程联立可得到如下非线性方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x^2}{a_{12}^2}-\frac{y^2}{b_{12}^2}=1\\ \frac{x^2}{a_{43}^2}-\frac{y^2}{b_{43}^2}=1\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x^2}{a_{14}^2}-\frac{y^2}{b_{14}^2}=1\\ \frac{x^2}{a_{23}^2}-\frac{y^2}{b_{23}^2}=1\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中a_ij＝(d_i-d_j)/2——双曲线的半长轴长；

——双曲线的半短轴长的平方；

c_ij——双曲线焦距，可根据天线阵列的尺寸得到；

假设四路放电信号的波形起始时刻分别为dt₁、dt₂、dt₃和dt₄，放电信号传播至不同天线的时间差ΔT₁₂、ΔT₄₃、ΔT₁₄、ΔT₂₃可表示为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{T}_{12}={\mathrm{dt}}_1-{\mathrm{dt}}_2\\ \mathrm{\Δ}{T}_{43}={\mathrm{dt}}_4-{\mathrm{dt}}_3\\ \mathrm{\Δ}{T}_{14}={\mathrm{dt}}_1-{\mathrm{dt}}_4\\ \mathrm{\Δ}{T}_{23}={\mathrm{dt}}_2-{\mathrm{dt}}_3\end{array}\right.---\left(9\right)$

在此基础上，有

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1-d_2=v\·{\mathrm{\ΔT}}_{12}\\ d_4-d_3=v\·\mathrm{\Δ}{T}_{43}\\ d_1-d_4=v\·\mathrm{\Δ}{T}_{14}\\ d_2-d_3=v\·\mathrm{\Δ}{T}_{23}\end{array}\right.---\left(10\right)$

将(10)所求得的结果代入(7)与(8)并求解即可得到放电源的坐标(x,y)，在此基础上即可得到放电源的方位角(参照极坐标规则，以水平向右方向为0°)和放电源距离检测系统的径向距离；

定位算法示意图如图3所示；

考虑到放电源的位置会在一定程度上影响双曲线方程组(7)和(8)的求解，如当放电源所在位置横坐标与图中1、2天线横坐标相同时，将难以利用式(7)进行定位，因此算法中针对不同象限与不同位置时间差ΔT₁₂、ΔT₄₃、ΔT₁₄、ΔT₂₃的特点，将平面分为若干区域进行相应的特殊处理：

1)0°与180°

当放电源位于检测系统水平正右方或水平正左方时，其ΔT₁₄、ΔT₂₃几乎为0，此时放电源的横坐标可直接确定，通过ΔT₁₂或ΔT₄₃的正负即可确定放电源所在方位角，随后可直接通过(7)式来确定其径向距离，由于在波形起始点的寻找中可能存在一定的误差，因此为ΔT₁₄和ΔT₂₃保留一定的阈度，在小于这一阈度的范围内，可认为其约等于0，并按照上述方法处理；

2)90°与270°

当放电源位于检测系统正前方或正后方时，其ΔT₁₂或ΔT₄₃几乎为0，此时放电源的纵坐标可以直接确定，与(1)类似，通过ΔT₁₄或ΔT₂₃的正负即可确定放电源所在的方位角，随后通过(8)式来确定其径向距离；

3)第I象限

当ΔT₁₂>0且ΔT₂₃<0时，放电源的位置处于第I象限内，其角度范围为(0°,90°)，在第I象限内，存在b₁₂＝0以及b₂₃＝0的区域，为此，当时间差满足

|v·ΔT₁₂|≈L₁₂

或|v·ΔT₂₃|≈L₂₃   (11) 

时，可直接确定放电源的一个坐标值与天线的坐标一致，进而代入式(7)或式(8)确定另一个坐标完成定位，如果时间差不满足(11)所表示的关系，则直接求解非线性方程组来求取定位结果；

4)第II象限

当ΔT₁₂<0且ΔT₂₃<0时，放电源的位置处于第II象限内，其角度范围为(90°,180°)，与第I象限类似，在第II象限内存在b₁₂＝0以及b₁₄＝0的区域，为此，当时间差满足

|v·ΔT₁₂|≈L₁₂

                                         或|v·ΔT₁₄|≈L₁₄   (12) 

时，可直接确定放电源的一个坐标值，进而确定其另一个坐标，如果时间差不满足(12)所表示的关系，则直接求解非线性方程组来求取定位结果；

5)第III象限

当ΔT₁₂<0且ΔT₂₃>0时，放电源的位置处于第III象限内，其角度范围为(180°,270°)。在第III象限内当时间差满足

|v·ΔT₄₃|≈L₄₃

                                        或|v·ΔT₁₄|≈L₁₄   (13) 

时，会导致b₄₃＝0或b₁₄＝0，此时直接确定放电源的一个坐标值，进而代入方程确定其位置，如果时间差不满足(13)所述关系，则直接求解方程组；

6)第IV象限

当ΔT₁₂>0且ΔT₂₃>0时，放电源的位置处于第IV象限内，其角度范围为(270°,360°)，在第III象限内当时间差满足

|v·ΔT₄₃|≈L₄₃

                                         或|v·ΔT₂₃|≈L₂₃   (14) 

时，会导致b₄₃＝0或b₂₃＝0，此时直接确定放电源的一个坐标值，进而代入方程确定其位置，如果时间差不满足(14)所述关系，则直接求解方程组；

经过上述分类，放电源的位置被分成了若干个区域，通过所求得的时间差来确定其所在的区域，然后完成相应的定位，这样就将定位的区域缩小，提高了定位的准确度；

在求解(7)与(8)两个非线性方程组时，采用牛顿迭代法进行求解，如将(7)方程组写成向量方程的形式，其中X＝(x,y)^T，有

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}\left(X\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{x^2}{a_{12}^2}-\frac{y^2}{b_{12}^2}-1\\ \frac{x^2}{a_{43}^2}-\frac{y^2}{b_{43}^2}-1\end{array}\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\left(\begin{array}{c}{f}_1\left(X\right)\\ f_2\left(X\right)\end{array}\right)---\left(15\right)$

设X_k＝(x_k,y_k)^T为方程组的一个近似解，则对i＝1,2有

$f_i\left(X\right)\&ap;f_i\left(X_k\right)+\frac{\&PartialD;f_i\left(X_k\right)}{\&PartialD;x_k}(x-x_k)+\frac{\&PartialD;f_i\left(X_k\right)}{\&PartialD;y_k}(y-y_k)---\left(16\right)$

写成向量形式为

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}\left(X\right)\&ap;\stackrel{\&RightArrow;}{F}\left(X_k\right)+{\stackrel{\&RightArrow;}{F}}^{\&prime;}\left(X_k\right)(X-X_k)---\left(17\right)$

其中为的Jacobi矩阵在X_k处的值。若X取值为方程组(4-23)的根X^*，即把使得式(17)右端为0的向量X作为新的近似值，记为X_k+1，即有：

$X_{k+1}=X_k-{\left({\stackrel{\&RightArrow;}{F}}^{\&prime;}\left(X_k\right)\right)}^{-1}\stackrel{\&RightArrow;}{F}\left(X_k\right)(---\left(18\right)$

式(18)即为牛顿求解非线性方程组的迭代公式。

使用牛顿迭代法求解非线性方程组时，如果选取合适的迭代初值，可以有效地提高运算速度，缩短运算时间。利用双曲线将无限靠近其渐近线这一特点，在已知放电点所在象限的前提下，求取对应两条单支双曲线的渐近线交点，并以此作为迭代初值，即可使该初始值在一定程度上尽量靠近方程组的解，从而提高迭代效率。

上述技术方案的有益效果为：1、本实用新型变电站电力设备的绝缘缺陷检测装置具有灵活机动、检测快速方便的特点；2、该装置和方法能对变电站内有缺陷设备进行放电检测和平面定位，大大降低了变电站设备放电检测的成本，有助于巡检变电站设备时提前发现缺陷，减少停电事故的发生，从而提高变电站的智能化水平；3、本实用新型通过该装置首先粗选有缺陷的设备或设备部件，确定设备或设备部件有了缺陷和故障风险后再进行深入分析和定位，具有对待测变电站全站放电的检测和定位快、成本低，效率高的特点。

该装置和方法能对变电站内缺陷设备进行放电快速检测和平面定位，大大降低了变电站设备放电检测的成本，有助于巡检变电站设备时提前发现缺陷，减少停电事故的发生，从而提高变电站的智能化水平。具有对待测变电站全站放电的检测和定位快、成本低，效率高的特点。

附图说明

图1为可移动式变电站电力设备的放电检测装置实现原理框图；

图2为定位算法示意图(俯视图)；

图3为特高频电磁波信号采集；

图4为特高频信号的能量积累曲线一；

图5为特高频信号的能量积累曲线二；

图6为实验室仿真天线摆放位置示意图(单位：m)；

图7为现场应用天线坐标系(单位：m)。

具体实施方式

下面结合附图说明根据本实用新型的具体实施方式。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例的限制。

本实用新型装置在移动到变电站现场固定在某个位置后开始工作，根据四个特高频全向传感器接收到的局放电磁波信号信息，对变电站中各类输变电一次设备，包括GIS出线套管、变压器高压套管、SF6断路器、互感器、电容器、避雷器和绝缘子等出现绝缘故障前产生的放电信号，进行带电状态下的试验检测和研究分析，实现放电检测和放电定位的目标。

图1是变电站电力设备绝缘缺陷检测装置实现原理框图，通过实时计算四个特高频全向传感器接收到同一放电源辐射出电波信号的起始时刻，基于接收到的信号时间差，列出方程组，求解放电信号的位置。

本实用新型提供的变电站缺陷电力设备快速检测装置，由特高频全向传感器接收放大模块1、超高速数据采样单元2及数据处理单元3和分析单元4组成，所述特高频全向传感器接收放大模块1为四个全向宽带天线及其前置宽带放大器的集成体，所述特高频全向传感器接收待测变电站电力设备缺陷放电所产生的电磁波，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元2同步采集；

所述数据处理单元3对四路信号进行数据处理单元，重点是计算四路信号的时延，从而计算出放电源在变电站的平面位置。

作为优选实施方式，所述前置宽带放大器的带宽为1GHz，增益为40dB。

作为优选实施方式，所述超高速数据采样单元2为>3Gsps的数据采集卡。

作为优选实施方式，所述数据处理单元3为工业控制计算机。

本实用新型同时提供了一种利用上述技术方案中任一所述的变电站缺陷电力设备快速检测装置进行放电源检测的方法，包括步骤一多路电波信号同步采集、步骤二采用双谱估计算法确定两路电波信号的时延以及步骤三利用时延计算放电源点的平面位置；

步骤一多路电波信号同步采集

将所述变电站缺陷电力设备快速检测装置在待测的变电站某一位置放置后，所述检测装置启动后，所述多通道特高频全向传感器接收变电站缺陷电力设备因放电产生的电磁波信号，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元进行同步采集，送所述数据处理单元对多路信号进行数据处理单元；

步骤二采用双谱估计算法确定两路电波信号的时延

通过信号的数字采集系统同时采集到的两路信号分别为离散序列{x1(n)}和{x2(n)}，结合高阶累积量理论，利用参数双谱时延估计算法的计算机数值实现方法，计算子步骤如下

子步骤1：同常规计算方法，将观测到的信号数据样本分为K段，每段包含M个观测样本，分别记作其中k＝1,2,…,k，i＝1,2，相邻两段数据之间可以有重合；

子步骤2：计算每段信号的自三阶累积量和互三阶累积量：

${\hat{c}}_{x_1{x}_1{x}_1}^{\left(k\right)}(\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&rho;})=\frac{1}{M}\underset{n=S_1}{\overset{S_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_1^{\left(k\right)}\left(n\right)x_1^{\left(k\right)}(n+\mathrm{\&tau;})x_1^{\left(k\right)*}(n+\mathrm{\&rho;})$

${\hat{c}}_{x_1{x}_2{x}_1}^{\left(k\right)}(\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&rho;})=\frac{1}{M}\underset{n=S_1}{\overset{S_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_1^{\left(k\right)}\left(n\right)x_2^{\left(k\right)}(n+\mathrm{\&tau;})x_1^{\left(k\right)*}(n+\mathrm{\&rho;})---\left(1\right)$

其中，S1和S2分别取值为：

S₁＝max(0,-τ,-ρ)

S₂＝min(M-1,M-1-τ,M-1-ρ)

子步骤3：计算各段信号自三阶累积量和互三阶累积量的平均值，作为整段信号的三阶累积量估计：

${\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}(\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&rho;})=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\hat{c}}_{x_1{x}_1{x}_1}^{\left(k\right)}(\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&rho;})$

${\hat{C}}_{x_1{x}_2{x}_1}(\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&rho;})=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\hat{c}}_{x_1{x}_2{x}_1}^{\left(k\right)}(\mathrm{\&tau;},\mathrm{\&rho;})---\left(3\right)$

子步骤4：利用和写出矩阵和向量并列出方程组：

${\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}={\hat{C}}_{x_1{x}_2{x}_1}A---\left(4\right)$

其中

$C_{x_1{x}_2{x}_1}={[c_{x_1{x}_2{x}_1}(-p,0),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,c_{x_1{x}_2{x}_1}(p,0),c_{x_1{x}_2{x}_1}(-p,1),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,c_{x_1{x}_2{x}_1}(p,1),c_{x_1{x}_2{x}_1}(-p,-1),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,c_{x_1{x}_2{x}_1}(p,-1)]}^T$

$A={[a_{-p},a_{-p+1},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,0,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,a_{p-1},a_p]}^T$

子步骤5：利用最小二乘法求解上述方程组，估计向量

$\hat{A}={\left({\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}^T{\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}\right)}^{-1}{\hat{C}}_{x_1{x}_1{x}_1}^T{\hat{C}}_{x_1{x}_2{x}_1}---\left(5\right)$

其中将使取最大值的索引值d，作为两路信号时延的估计

步骤三利用时延计算放电源点的平面位置

本系统考虑到电力设备在变电站中都为平面布置，要确定可能存在缺陷的电力设备，只需计算出放电源在变电站中的平面位置，为此传感器阵列采 用平面矩形排列方式，假设四个传感器在平面坐标系内的位置坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和(x₄,y₄)，放电源位置为(x,y)，放电源与四个传感器间的距离分别为d₁、d₂、d₃和d₄，即

$d_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2},i=\mathrm{1,2,3},4---\left(6\right)$

根据平面解析几何知识，放电源到每两个传感器之间的距离差(d_i-d_j)可唯一确定一个单支双曲线，因此，以天线阵列中心为平面直角坐标原点，通过时间差可以确定放电点所在象限，利用相同方向的单支双曲线方程联立可得到如下非线性方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x^2}{a_{12}^2}-\frac{y^2}{b_{12}^2}=1\\ \frac{x^2}{a_{43}^2}-\frac{y^2}{b_{43}^2}=1\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x^2}{a_{14}^2}-\frac{y^2}{b_{14}^2}=1\\ \frac{x^2}{a_{23}^2}-\frac{y^2}{b_{23}^2}=1\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中a_ij＝(d_i-d_j)/2——双曲线的半长轴长；

——双曲线的半短轴长的平方；

c_ij——双曲线焦距，可根据天线阵列的尺寸得到；

假设四路放电信号的波形起始时刻分别为dt₁、dt₂、dt₃和dt₄，放电信号传播至不同天线的时间差ΔT₁₂、ΔT₄₃、ΔT₁₄、ΔT₂₃可表示为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{T}_{12}={\mathrm{dt}}_1-{\mathrm{dt}}_2\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{43}={\mathrm{dt}}_4-{\mathrm{dt}}_3\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{14}={\mathrm{dt}}_1-{\mathrm{dt}}_4\\ \mathrm{\&Delta;}{T}_{23}={\mathrm{dt}}_2-{\mathrm{dt}}_3\end{array}\right.---\left(9\right)$

在此基础上，有

$\left\{\begin{array}{c}{d}_1-d_2=v\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;T}}_{12}\\ d_4-d_3=v\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_{43}\\ d_1-d_4=v\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_{14}\\ d_2-d_3=v\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_{23}\end{array}\right.---\left(10\right)$

将(10)所求得的结果代入(7)与(8)并求解即可得到放电源的坐标(x,y)，在此基础上即可得到放电源的方位角(参照极坐标规则，以水平向右方向为0°)和放电源距离检测系统的径向距离；

图3为定位算法示意图(俯视图)。

定位算法示意图如图3所示。

考虑到放电源的位置会在一定程度上影响双曲线方程组(7)和(8)的求解，如当放电源所在位置横坐标与图中1、2天线横坐标相同时，将难以利用式(7)进行定位，因此算法中针对不同象限与不同位置时间差ΔT₁₂、ΔT₄₃、ΔT₁₄、ΔT₂₃的特点，将平面分为若干区域进行相应的特殊处理：

1)0°与180°

当放电源位于检测系统水平正右方或水平正左方时，其ΔT₁₄、ΔT₂₃几乎为0，此时放电源的横坐标可直接确定，通过ΔT₁₂或ΔT₄₃的正负即可确定放电源所在方位角，随后可直接通过(7)式来确定其径向距离，由于在波形起始点的寻找中可能存在一定的误差，因此为ΔT₁₄和ΔT₂₃保留一定的阈度，在小于这一阈度的范围内，可认为其约等于0，并按照上述方法处理；

2)90°与270°

当放电源位于检测系统正前方或正后方时，其ΔT₁₂或ΔT₄₃几乎为0，此时放电源的纵坐标可以直接确定，与(1)类似，通过ΔT₁₄或ΔT₂₃的正负即可确定放电源所在的方位角，随后通过(8)式来确定其径向距离；

3)第I象限

当ΔT₁₂>0且ΔT₂₃<0时，放电源的位置处于第I象限内，其角度范围为(0°,90°)，在第I象限内，存在b₁₂＝0以及b₂₃＝0的区域，为此，当时间差满足

|v·ΔT₁₂|≈L₁₂

或|v·ΔT₂₃|≈L₂₃   (11) 

时，可直接确定放电源的一个坐标值与天线的坐标一致，进而代入式(7)或式(8)确定另一个坐标完成定位，如果时间差不满足(11)所表示的关系，则直接求解非线性方程组来求取定位结果；

4)第II象限

当ΔT₁₂<0且ΔT₂₃<0时，放电源的位置处于第II象限内，其角度范围为(90°,180°)，与第I象限类似，在第II象限内存在b₁₂＝0以及b₁₄＝0的区域，为此，当时间差满足

|v·ΔT₁₂|≈L₁₂

                                      或|v·ΔT₁₄|≈L₁₄   (12) 

时，可直接确定放电源的一个坐标值，进而确定其另一个坐标，如果时间差不满足(12)所表示的关系，则直接求解非线性方程组来求取定位结果；

5)第III象限

当ΔT₁₂<0且ΔT₂₃>0时，放电源的位置处于第III象限内，其角度范围为(180°,270°)。在第III象限内当时间差满足

|v·ΔT₄₃|≈L₄₃

                                 或|v·ΔT₁₄|≈L₁₄   (13) 

时，会导致b₄₃＝0或b₁₄＝0，此时直接确定放电源的一个坐标值，进而代入方程确定其位置，如果时间差不满足(13)所述关系，则直接求解方程组；

6)第IV象限

当ΔT₁₂>0且ΔT₂₃>0时，放电源的位置处于第IV象限内，其角度范围为(270°,360°)，在第III象限内当时间差满足

|v·ΔT₄₃|≈L₄₃

                                或|v·ΔT₂₃|≈L₂₃   (14) 

时，会导致b₄₃＝0或b₂₃＝0，此时直接确定放电源的一个坐标值，进而代入方程确定其位置，如果时间差不满足(14)所述关系，则直接求解方程组；

经过上述分类，放电源的位置被分成了若干个区域，通过所求得的时间差来确定其所在的区域，然后完成相应的定位，这样就将定位的区域缩小，提高了定位的准确度；

在求解(7)与(8)两个非线性方程组时，采用牛顿迭代法进行求解，如将(7)方程组写成向量方程的形式，其中X＝(x,y)^T，有

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}\left(X\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{x^2}{a_{12}^2}-\frac{y^2}{b_{12}^2}-1\\ \frac{x^2}{a_{43}^2}-\frac{y^2}{b_{43}^2}-1\end{array}\right)\stackrel{\mathrm{\&Delta;}}{=}\left(\begin{array}{c}{f}_1\left(X\right)\\ f_2\left(X\right)\end{array}\right)---\left(15\right)$

设X_k＝(x_k,y_k)^T为方程组的一个近似解，则对i＝1,2有

$f_i\left(X\right)\&ap;f_i\left(X_k\right)+\frac{\&PartialD;f_i\left(X_k\right)}{\&PartialD;x_k}(x-x_k)+\frac{\&PartialD;f_i\left(X_k\right)}{\&PartialD;y_k}(y-y_k)---\left(16\right)$

写成向量形式为

$\stackrel{\&RightArrow;}{F}\left(X\right)\&ap;\stackrel{\&RightArrow;}{F}\left(X_k\right)+{\stackrel{\&RightArrow;}{F}}^{\&prime;}\left(X_k\right)(X-X_k)---\left(17\right)$

其中为的Jacobi矩阵在X_k处的值。若X取值为方程组(4-23)的根X^*，即把使得式(17)右端为0的向量X作为新的近似值，记为X_k+1，即有：

$X_{k+1}=X_k-{\left({\stackrel{\&RightArrow;}{F}}^{\&prime;}\left(X_k\right)\right)}^{-1}\stackrel{\&RightArrow;}{F}\left(X_k\right)(---\left(18\right)$

式(18)即为牛顿求解非线性方程组的迭代公式。

使用牛顿迭代法求解非线性方程组时，如果选取合适的迭代初值，可以有效地提高运算速度，缩短运算时间。利用双曲线将无限靠近其渐近线这一特点，在已知放电点所在象限的前提下，求取对应两条单支双曲线的渐近线交点，并以此作为迭代初值，即可使该初始值在一定程度上尽量靠近方程组的解，从而提高迭代效率。

上述技术方案的有益效果为：1、本实用新型变电站电力设备的绝缘缺陷检测装置具有灵活机动、检测快速方便的特点；2、该装置和方法能对变电站内有缺陷设备进行放电检测和平面定位，大大降低了变电站设备放电检测的成本，有助于巡检变电站设备时提前发现缺陷，减少停电事故的发生，从而提高变电站的智能化水平；3、本实用新型通过该装置首先粗选有缺陷的设备或设备部件，确定设备或设备部件有了缺陷和故障风险后再进行深入分析和定位，具有对待测变电站全站放电的检测和定位快、成本低，效率高的特点。

该装置和方法能对变电站内缺陷设备进行放电快速检测和平面定位，大大降低了变电站设备放电检测的成本，有助于巡检变电站设备时提前发现缺陷，减少停电事故的发生，从而提高变电站的智能化水平。具有对待测变电站全站放电的检测和定位快、成本低，效率高的特点。

图3为特高频电磁波信号采集，图4为特高频信号的能量积累曲线一，图5为特高频信号的能量积累曲线二，图6为实验室仿真天线摆放位置示意图(单位：m)，图7为现场应用天线坐标系(单位：m)。

实验室测试和验证

实验室仿真验证定位算法天线摆放空间位置如图6中的坐标点A、B、C、D所示，天线在同一平面，摆放在长方形的四个顶点上；模拟放电源P点位置为(0.35，3.86，2.28)m。应用上述定位算法，得到的定位结果如表1所示。

x(m)	0.36	0.32	0.36	0.36	0.36	0.36
							y(m)	4.00	4.10	4.00	4.00	4.00	4.00
z(m)	2.40	2.52	2.46	2.40	2.40	2.40

表1

表1中6组定位结果的平均位置为(0.35，4.02，2.43)m，而实际的模拟放电源P点位置为(0.35，3.86，2.28)m，绝对误差为(0.00，0.16，0.15)m，考虑天线半径、背景噪声、已知位置测量时差计算等误差产生原因，定位结果满足对局放设备进行定位的要求。

现场应用验证 

为验证系统在现场强干扰环境下运行的效果，在某500kV变电站进行了系统的测试试验，特高频全向传感器安装在可移动的支架上，安装后天线的坐标如图7所示，并制造模拟放电源进行验证。采集到放电源发出的特高频电磁波信号数据，经系统处理分析和定位算法计算，结果定位放电源在现场坐标为(5.46，0.68，0.58)m，而实际模拟放电源的真实位置大概在(5.3，0.7，0.6)m左右，误差在2％以内，满足变电站电力设备电位定位精度的要求。

经实验表明，本实用新型能对变电站内所有设备进行全方位的放电检测和定位，大大降低了变电站设备放电检测的成本，有助于巡检变电站设备时提前发现缺陷，减少停电事故的发生，从而提高变电站的智能化水平。具有对待测变电站全站放电的检测和定位快、成本低，效率高的特点。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种变电站缺陷设备快速检测装置，其特征在于，由特高频全向传感器接收放大模块、超高速数据采样单元及数据处理单元和分析单元组成，所述特高频全向传感器接收放大模块将接收到的信号传输至所述超高速数据采样单元，所述数据处理单元接收所述超高速数据采样单元的信号，所述分析单元接收所述数据处理单元的信号，所述特高频全向传感器接收放大模块为四个全向宽带天线及其前置宽带放大器的集成体，所述特高频全向传感器接收待测变电站电力设备缺陷放电所产生的电磁波，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元同步采集；

所述数据处理单元对四路信号进行数据处理，计算四路信号的时延，从而计算出放电源在变电站的平面位置。

2.根据权利要求1所述变电站缺陷设备快速检测装置，其特征在于：所述前置宽带放大器的带宽为1GHz，增益为40dB。

3.根据权利要求1所述变电站缺陷设备快速检测装置，其特征在于：所述超高速数据采样单元为>3Gsps的数据采集卡。

4.根据权利要求1所述变电站缺陷设备快速检测装置，其特征在于：所述数据处理单元为工业控制计算机。