用于变电站站域局部放电特高频测向的空间谱估计算法优化选择

基于特高频天线阵列的敞开式变电站局部放电测向系统已获得应用,但该系统的阵列尺寸过大,给巡检带来不便。为缩小阵列尺寸,空间谱估计被应用于局部放电测向系统。鉴于空间谱估计算法种类众多,且不同算法的测向性能受信号的信噪比、入射方向等因素的影响程度有所不同,故需研究适用于变电站站域局部放电空间谱估计算法的选择问题。该文建立局部放电仿真系统,通过改变阵元数目、信噪比和入射方位角等参数,比较双边相关变换(TCT)、旋转信号子空间和信号子空间变换等宽带聚焦算法的性能,以及多重信号分类、求根-多重信号分类、旋转不变子空间、加权子空间拟合等窄带测向算法的测向精度。仿真结果表明,双边相关变换算法运算速度最快,有效测向范围最宽,在信噪比较高时拥有最高的测向精度;求根-多重信号分类(RootMUSIC)算法在小阵元数目条件下测向误差最小,抑制噪声的能力较强,运算时间较短。实验结果表明,采用双边相关变换算法和求根-多重信号分类算法的局部放电测向系统,方位角测向偏差和标准差分别小于3.2°和2.9°,具有较好的测向性能。     

考虑阵列误差的变压器双局放源测向与定位实验研究

超声阵列检测是变压器局部放电众多检测方法中一种较为有效的方法,其基本原理是阵列传感器和阵列信号处理技术相结合的一门新的检测方法。在实际工程应用中由于阵列传感器之间的互耦误差和阵元幅相误差的存在,往往会导致空间谱估计性能降低,引起定位不成功或准确率下降,针对双局放源检测时,定位准确率明显下降。据此,文中考虑了阵列误差对双局放源超声阵列检测的影响,提出了一种阵列误差自校正算法,并依据此算法对传统的MUSIC(多重信号分类)算法进行改进,将改进后的算法应用于双局放源超声阵列检测实验中。结果表明,考虑阵列误差后的MUSIC算法对双局放源的测向误差小于8°,满足工程实际需要。     

基于超声阵列传感器与遗传MUSIC的局放源波达方向估计

基于超声阵列传感器的局放源波达方向估计是局部放电准确定位的基础。传统MUSIC测向算法的精度和搜索成功率较低,据此提出一种基于超声阵列传感器与遗传MUSIC算法的局放源波达方向估计新方法。遗传MUSIC算法利用空间谱估计公式构造适应度函数,基于遗传迭代搜索的思想对方位角进行谱峰搜索,以获得全局最优解。通过建立信号模型、阵列模型开展了大量仿真实验,并采用寻优精度、搜索成功率和搜索时间等三个指标为依据,对经典MUSIC和遗传MUSIC的测向结果进行对比。结果表明,基于遗传MUSIC算法提高了搜索成功率,绝对精度相较传统MUSIC算法误差减小0.3°,可以获得更高精度的局放源波达方向角。     

基于定向准确度的局部放电超声阵列传感器声学性能定量评价

声学性能良好的超声阵列传感器是确保局部放电检测成功率和定位精度的基础,目前国内外尚未开展局部放电超声阵列传感器声学性能的定量评价研究。该文提出一种基于定向准确度参数的局部放电超声阵列传感器声学性能定量评价方法。分析平面方形阵和均匀圆环阵的指向性函数及其分布,推导得到阵列传感器的定向准确度与指向性函数的关系,并采用定向准确度作为评价指标,对两种阵列结构的声学性能进行量化评价。应用FastDOA算法,仿真研究不同阵元个数时,两种阵列结构的窄带局部放电超声信号测向精度与定向准确度之间的变化规律,结果表明,同一阵列形式,局部放电超声阵列传感器定向准确度参数值越小,测向精度越高,表明声学性能越好;相同阵元个数下,均匀圆环阵的定向准确度值较方阵要小,表明圆阵声学性能更优。最后,采用自行设计研制的3×3方阵与9元均匀圆环阵在实验室采集同一宽带局部放电超声信号,并应用同一聚焦、测向算法进行局部放电超声信号的测向研究,实验结果验证了该文方法的正确性。     

基于EFPI传感器的立体形阵列传感器对局放测向的仿真分析

局部放电超声阵列定位技术是将传感器阵列与阵列信号处理方法相结合。本文采用非本征法布里帕罗干涉（Extrinsic Fabry-Perot Interferometric,EFPI）的光纤超声传感器,其灵敏度高,不受电磁干扰的影响;并充分发挥EFPI传感器可放置于油中的优势,改进阵列结构。设计了4阵元EFPI超声传感器正四面体结构阵列,将其置于油箱内部检测局放超声信号,然后利用多信号分类算法(Multiple Signal classification,MUSIC)算法对局放源进行测向;并与平面2×2阵列进行对比;最后,针对阵元位置误差进行校正。结果表明：该阵列传感器能够在油中检测到信噪比较高的局部放电信号;且较传统平面阵,具有更高的测向准确度;尤其在阵列盲区方面,立体型阵列传感器可有效地实现空间多角度的信源测向。并利用TCT算法对阵元位置误差进行校正,提高了测向精度,满足了实际工程需要。     

方形平面阵列的阵元数对局放测向精度影响的仿真研究

变压器局部放电超声阵列检测方法是新近发展起来的一种具有高信噪比、高可靠性的检测方法,但对于传感器的阵元个数对局放检测精度的影响尚待深入研究。笔者以方形平面阵列传感器为例,在测向方位角为锐角和钝角两种情况下,基于一种改进的MUSIC(multiple signal classification)算法对15种超声阵列传感器(2×2-16×16排列)进行仿真,研究不同阵元个数下测向精度的变化规律。结果显示,随着阵元个数的增多,测向精度也随之提高,并得到了不同阵元个数的测向精度的具体测向误差范围,对现场不同环境中变压器局放超声阵列传感器的选择具有一定的指导意义。     

基于可移动特高频天线阵列的变电站站域放电源检测与定位研究

基于特高频天线阵列的局部放电检测方法已被应用于敞开式变电站(air-insulated substations,AIS)站域的局部放电巡检,但目前装置存在定位精度低等缺点。该文针对变电站局部放电去噪方法、传感器阵列优化布置、定位算法及检测系统开发等方面开展了深入研究。针对电晕噪声、手机通讯信号及非脉冲噪声,提出了合理选取检测频带、硬件陷波器及能量陡度阈值等去噪方法;通过克拉美罗下界分析及定位均方根误差仿真对天线阵列布置进行了优化,选取为4×1m的菱形天线阵;采用基于最大似然估计的概率定位法求解时差定位方程组,综合多次局部放电信号定位结果,可降低时差估计误差的影响,提高了定位准确度。开发了变电站局部放电检测与定位系统,包括超宽带全向双锥天线、信号调理电路及信号高速采集分析单元,用于110kV AIS站域局部放电检测,测试结果验证了系统的有效性及定位准确性。     

一种直线型超声阵列信号测向方法及其应用

提出一种直线型超声阵列信号测向方法.首先,利用FastICA算法对超声阵列信号进行去噪;然后,采用双边相关变换(two-sided correlation transformation,TCT)算法对其进行聚焦处理,实现宽带信号方位信息的累积;接着采用FastDOA对聚焦后的窄带信号进行波达方向估计.在此基础之上,研究该测向方法在电气设备局放检测中的应用,先在不同信噪比下仿真直线型局放超声阵列信号的测向精度,结果显示误差约为2°;通过多次实验,表明该方法的实际测向误差约为3.5°,证明了该方法的正确性.     

基于复合阵列传感器的应用射线追迹反推变压器中局部放电源

研制了将25阵元十字型超声阵列和2×2阵元特高频阵列共同构成复合阵列传感器。研究了适用于复合阵列传感器的定位算法。将特高频阵列虚拟扩展为13阵元,超声阵列虚拟扩展为193阵元。利用扩展的特高频阵列由双边相关变换算法来预估局部放电源的方位,根据预估结果再对扩展的超声阵列使用旋转信号子空间算法进行精确定向。为了提高单一阵列在局部放电定位中定向成功率和精度,以特高频信号为例,利用基于几何光学与一致性几何绕射理论的射线追迹法研究了对局部放电辐射电磁波轨迹的反演。在变压器模型中的局部放电定位试验表明,基于复合阵列传感器的定位算法对局部放电产生的宽带信号有良好的适应性,以及对局部放电辐射电磁波的追迹反演使定位精确度与成功率均远大于单一阵列的结果,发挥了特高频阵列灵敏度高而超声阵列定向精确度高的优点。     

基于EFPI光纤超声传感器的油中局部放电定位

非本征法布里帕罗干涉(extrinsic fabry-perot interferometric,EFPI)的光纤超声传感器灵敏度高,不受电磁干扰的影响,文中将其应用于油中局部放电定位。首先设计了2×2的EFPI超声传感器阵列,可放置在油中检测局放超声波信号;然后根据可控响应功率(steered response power,SRP)声源定位理论对局放源进行定位;最后应用SRP和多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)算法处理实验信号并进行对比。结果表明文中设计的EFPI传感器阵列能够在油中检测到信噪比较高的局部放电信号;SRP算法测向误差小于MUSIC算法,能够根据单次测量实现定位,但定位精度有待进一步提高。文中提出的方法对于EFPI光纤超声传感器在电气设备局部放电定位方面的实际应用具有参考意义。     

基于特高频定向天线阵列的变电站局部放电定位MUSIC算法

多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)算法采用全向天线作为阵列阵元,为提升算法的抗干扰能力和定位精度,针对变电站局部放电检测采用定向天线阵列进行定位的具体应用,将天线方向图增益作为阵列流形系数,提出并推导了用于定向天线阵列定位的MUSIC算法,在运用克拉美罗界和二阶统计信噪比估计理论分析算法定位误差基础上,通过搭建仿真模型进一步验证算法的性能。仿真结果表明,对于常规选定频带的局部放电信号,基于定向天线的MUSIC算法可在天线方向图增益大于1的来波方向范围内提升定位精度,且定位精度与天线增益大小成正相关。采用所设计的方向图增益达6 dB的定向天线阵列,在信噪比为0 dB的条件下信源定位误差为0.806°,而经典MUSIC算法的定位误差达到17.403°。     

基于改进FastDOA算法的变压器局部放电超声阵列信号测向

实验室大量试验结果表明,使用超声阵列传感器对变压器进行局部放电检测时,核心是选择合适的波达方向(DOA)估计算法。提出一种改进的FastDOA算法进行变压器局部放电超声阵列信号的测向,该算法在传统FastDOA的基础上增加一个扩展系数来构造不同阵列孔径的虚拟阵列,然后利用真实谱峰的大小、位置不变,伪峰大小、位置随扩展系数改变的原理,对各虚拟阵列得到的估计谱值进行加权平均以减小伪峰的影响,有效提高测向精度。利用MATLAB对其进行仿真,结果显示该算法的测向误差在2°以内,与传统算法最大误差超过10°相比,具有更好的稳定性。在实验室搭建局部放电测向平台,10组试验数据表明该算法的误差均在3°以内。     

基于接收信号强度和圆形特高频无线传感阵列的局部放电测向方法

针对敞开式变电站空间局部放电的监测与定位已有一定的研究,但现有的特高频局部放电空间定位技术主要是基于电磁波到达的时间差,而该方法要求非常高的时间同步精度和采样速率,因此一定程度上限制了其使用及推广。为此,提出了一种基于接收信号强度的局部放电测向方法,该方法将多个特高频无线传感器组成圆形阵列,根据每个单极型传感器对不同方向上局部放电信号的接收强度存在差别这一特性对局放源进行空间定向,并利用插值、聚类等方法提高定向精度,然后采用BP神经网络进行误差校正。实验室测试结果表明:所提出的方法定向误差在9°以内,相较于基于电磁波到达时间差的系统,所提方法的成本降低了一个数量级,且使用更加便捷。论文研究可为局部放电信号的监测提供一定的参考。     

变电站局部放电区域检测与精确定位方法研究

针对传统局部放电带电检测方法与装置应用于变电站整站检测时,工作量大、效率低、成本高等缺点,基于局部放电特高频检测和多传感器联合检测原理,提出一种先巡检进行区域定位,后精确定位与绝缘诊断的变电站局部放电检测方案。文章对局部放电特高频传感器阵列时差定位算法中时延误差对定位结果的影响进行理论探讨,证实了区域巡检定位算法的合理性与有效性。通过理论研究与变电站现场测试,结果证实该方案与检测系统可有效、快速定位出敞开式变电站全站领域内的外绝缘放电以及离非屏蔽绝缘较近的设备内部放电。局部放电;区域定位;精确定位;超声;特高频     

宽带相干源波达方向估计的新方法及性能分析

本文首先介绍了宽带阵列信号的模型,然后给出了一种新的基于信号子空间的宽带信号DOA估计算法。新算法直接分解接收数据协方差矩阵得到聚焦矩阵,通过聚焦变换将不同频率点的信号子空间聚焦到参考频率点,聚焦后得到单一频率点的数据协方差矩阵,再应用窄带MUSIC算法进行DOA估计。由于是直接分解接收数据协方差矩阵得到聚焦矩阵,因此新算法无需预估计波达方向,可以避免角度预估计对测向性能的影响,而且减少了计算量,提高了宽带信号DOA估计的实时性。最后在16元均匀线阵的情况下,选用宽带高斯信号源进行仿真,将新算法与RSS算法和TLS算法相比较,验证了新算法的优良性能。     

基于信号模型参数辨识的变电站局部放电电磁波信号重构

抑制现场噪声干扰、有效提取信号特征是局部放电(PD)信号检测和分析的关键,为此,利用自回归–滑动平均(ARMA)模型对局部放电辐射的特高频(UHF)电磁波信号建模,给出了利用高阶累积量估计模型阶数和参数的理论依据和算法。以混有Gauss白噪声及定频干扰的双指数振荡衰减函数模拟局部放电辐射的UHF信号,利用ARMA模型参数重构信号的Fourier变换幅值,利用双谱估计重构其Fourier变换的相位,最终重构时域信号,以验证该算法重构信号的有效性。利用该方法重构变电站实测的局部放电辐射的UHF信号,验证了该算法在变电站现场干扰情况下,可从现场采集到的含有噪声的信号中重构出只相差常数因子和线性相移的有用信号。且算法辨识得到了信号的ARMA模型参数及重构得到的UHF信号频谱及时域信号,可以给局部放电类型识别等进一步处理提供参数。     

利用超声相控阵的油中局部放电定位实验分析

局部放电定位检测是电气设备绝缘机理研究与质量监控的关键项目,是状态维修的重要基础。局部放电的超声阵列定位方法从理论上实现了对传统超声定位方法的有效改进,但在实验研究中往往会遇到由于阵列传感器多阵元耦合性能不一致、多次测向结果不一致以及双平台测向交叉定位原理不合理等导致定位成功率低及定位精度下降的实际问题。为此,提出了3种实用方法与技术对其进行改进和完善:一是采用铅笔芯测试技术进行超声相控阵多阵元的耦合性能测试,提高定位成功率;二是对同一位置采取多次测向、加权平均的方法提高同一位置测向精度;三是采用多平台测向、全局搜索定位的方法提高局放源的定位精度。最后,搭建了一套基于超声相控阵的油中局部放电定位实验系统,开展实验研究。实验结果表明,定位误差10 cm,验证了上述3种方法可以有效提高局放超声阵列定位的成功率及定位精度。     

基于DOA估计的GIL击穿放电定位方法研究北大核心CSCD

针对传统的GIL击穿定位方式测试过程复杂、定位精度较差的问题,采用基于传声器阵列的空间谱估计技术对GIL击穿信号源的位置进行了识别研究。通过连续小波变换对击穿信号进行时频域的联合分析,构建多分辨率时频阵列信号模型并引入到传统MUSIC算法中以提高对GIL击穿信号的DOA估计精度,通过数值模拟对算法的定位效果进行了分析,仿真结果表明结合连续小波变换的MUSIC算法对于瞬态击穿信号有更好的定位效果。采用8阵元的直线阵列在某高压大厅的GIS模型上代替GIL进行耐压击穿定位试验研究,基于连续小波变换的MUSIC算法结合双阵列平台交叉定位对GIL击穿信号源的定位误差小于10 cm,试验结果表明该方法可应用于GIL的击穿定位。     

基于高阶累积量的局部放电超高频信号时延估计算法

时延估计是基于时间差的变电站局部放电空间定位算法的基础,也是决定定位准确度的关键。为此,以Tugnait的高阶统计量理论为基础,提出了基于4阶累积量的局部放电超高频(UHF)信号时延估计算法,并给出了具体的时延计算方法。该算法以高阶累积量代替信号本身来进行相关分析,估算得出信号时延,具有对相关特性未知的Gaussian噪声不敏感的优点。仿真实验利用双指数振荡衰减函数,并加入Gaussian噪声和定频干扰,模拟变电站现场局部放电超高频信号,利用该时延估计算法可以准确得到信号时延。最终利用该算法计算变电站实测多路超高频信号的时延,并将该时延序列应用于基于天线阵列的变电站局部放电定位,估算出局部放电源的空间位置,且定位误差<0.3m,验证了该算法的有效性和实用性。     

基于平面相交法的敞开式变电站多源局部放电定位方法

目前基于特高频(UHF)天线阵列的敞开式变电站局部放电(以下简称局放)检测与定位方法获得应用,但定位距离误差偏大,且未提供有效的多放电源时的定位方法。为此提出了基于平面相交法的敞开式变电站多源局放定位方法:采用插值互相关法计算天线信号之间的时差,对互相关函数进行插值以提高采集系统采样率较低时的时差精度;引入平面相交法求解时差方程,并统计获得多次局放信号定位结果中概率密度最高的位置,将其作为最终的定位结果。当存在多个放电源时,使用K均值算法对天线阵列的时差向量进行聚类,实现多源UHF信号的分离。之后,建立了变电站局放检测与定位实验系统,对前述算法的定位精度进行了测试。结果表明,对尺寸为4 m×2 m的菱形天线阵,当局放源与距离4 m的天线对的法线夹角45°且距天线阵列中心距离10 m时,定位误差均1 m,多数情况下20 cm;在存在多个放电源时,该方法的定位精度与单个放电源时接近。