王 駿，包立珠

(江蘇省電力公司檢修分公司蘇州分部，江蘇蘇州215131)

局部放電（PD）信號(hào)能反映變壓器絕緣的老化特征，對其定位是檢測制造與安裝中的缺陷、避免絕緣擊穿故障的有效手段[1]。PD信號(hào)是一個(gè)高電流窄脈沖信號(hào)，富含的頻率成分相當(dāng)多，超高頻（UHF）電磁波具有抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高和傳播速度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，檢測局部放電中的UHF電磁波，將其應(yīng)用于局部放電定位及故障診斷是目前的研究熱點(diǎn)之一[2-4]。

目前對變電站設(shè)備的局部放電檢測和定位主要是針對氣體絕緣組合開關(guān)（GIS）、變壓器、容性設(shè)備等具體單一設(shè)備進(jìn)行，而變電站中任意高壓設(shè)備均有可能發(fā)生局部放電事故。局放空間定位改變以往對單個(gè)設(shè)備安裝在線監(jiān)測裝置的常規(guī)做法，在全站的空間內(nèi)安裝一組超高頻傳感器陣列接收局部放電發(fā)出的UHF電磁波信號(hào)，用一套裝置對全站設(shè)備進(jìn)行局部放電的監(jiān)測和預(yù)警，獲取并分析整個(gè)變電站站域放電情況[5]。局部放電定位中信號(hào)時(shí)延估計(jì)和定位算法是2個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。時(shí)延估計(jì)算法主要有閾值法、能量積累法和相關(guān)估計(jì)法等[5-9]，當(dāng)信號(hào)發(fā)生畸變時(shí)，各種方法求得時(shí)延均有較大誤差。定位算法主要采用幾何定位法、模擬退火法、螞蟻算法等，但以上方法計(jì)算時(shí)間較長，而且存在可能無解，改進(jìn)算法有：空間搜索算法[10，11]，復(fù)數(shù)域牛頓迭代—網(wǎng)格搜索方法[12]。

1 可視局放UHF空間定位原理

通常變壓器絕緣結(jié)構(gòu)中發(fā)生的局部放電信號(hào)可以看成是由一個(gè)點(diǎn)源所發(fā)出的，當(dāng)絕緣介質(zhì)發(fā)生局部放電時(shí)，發(fā)生正負(fù)電荷的中和，形成持續(xù)時(shí)間在納秒級的放電脈沖，并向周圍輻射電磁波，遵循麥克斯韋的電磁場基本方程。局部放電產(chǎn)生的電磁波向周圍空間傳播,沿電磁波的傳播方向流動(dòng)，是時(shí)間及位置的函數(shù)。再考慮到局部放電時(shí)所發(fā)射出的電磁波在通過箱體夾縫或者GIS絕緣縫隙傳播時(shí)，高頻段的電磁波會(huì)發(fā)生衍射，傳播到設(shè)備外面去，因此采用基于時(shí)延估計(jì)的變電站超高頻局放信號(hào)檢測是完全可行的[2，11]。

特高頻段電磁波信號(hào)在均勻介質(zhì)中勻速傳播，基于最小光程差原理，通過處理4個(gè)以上測量傳感器接收到的信號(hào)到達(dá)時(shí)延對放電源進(jìn)行定位的。可視局放UHF空間定位系統(tǒng)采用4個(gè)UHF天線陣列，假定局放信號(hào)從輸變電設(shè)備某一點(diǎn)傳播到第i個(gè)天線的時(shí)刻記為設(shè)第 i個(gè)天線的三維坐標(biāo)為局放源的三維坐標(biāo)為第 1 個(gè)天線接收到局放信號(hào)的時(shí)間和第i個(gè)天線接收到局放信號(hào)的時(shí)間差為 t1i，此處 i=2，…，n，由空間幾何分析，可知：

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包括天線陣列、信號(hào)放大器、采集存儲(chǔ)、時(shí)延估計(jì)、空間解算、可視投影等部分構(gòu)成。

2.1 天線及低噪聲放大器

局部放電信號(hào)是納秒級的一個(gè)高電流窄脈沖信號(hào)，富含的頻率成分相當(dāng)多（上限可達(dá)到數(shù)GHz），選擇UHF工作頻段時(shí)要考慮避開現(xiàn)場干擾、兼顧定位精度。經(jīng)常用到的手機(jī)信號(hào)頻率900MHz和1800MHz，電視信號(hào)和廣播信號(hào)，短波電臺(tái)等在外場環(huán)境中廣泛存在，因此其和放電信號(hào)頻率重疊部分不可用。時(shí)延估計(jì)是根據(jù)載波頻率的上升沿比對時(shí)延得到時(shí)延差進(jìn)行定位解算的，要求接收頻率的上升沿越陡越好，即信號(hào)幅度越大越好，而定位精度與信號(hào)的接收頻率關(guān)系密切。通過將30～1800MHz頻段分成若干頻段判斷各頻段干擾信號(hào)的幅度大小，獲得干擾信號(hào)幅度最小的頻段，若2個(gè)頻段干擾信號(hào)幅度相同，則選擇頻段高的頻段作為干擾信號(hào)幅度最小的頻段；在干擾信號(hào)幅度最小的頻段中選擇信噪比最高的頻點(diǎn)作為放電信號(hào)的接收頻率。

考慮外場測試環(huán)境，要求天線接收時(shí)對地面反射信號(hào)進(jìn)行抑制，因此設(shè)計(jì)采用螺旋天線，頻率范圍為1100～1700MHz，這個(gè)天線方向性較強(qiáng)，且增益可達(dá)10 dB，滿足系統(tǒng)接收要求。每個(gè)接收通道增加了一個(gè)低噪聲放大器和帶通濾波器，提高信噪比。4個(gè)天線位于不同高度云臺(tái)上，其擺放位置依據(jù)實(shí)際安裝的平臺(tái)來決定，天線間距盡量大一些，不要在一個(gè)平面上，如圖1所示。

圖1 天線陣列示意圖

2.2 信號(hào)采集

利用帶存儲(chǔ)功能的采集系統(tǒng)來同步采集并存儲(chǔ)天線陣列接收到的同一放電源輻射的超高頻電磁波。利用通道1作為觸發(fā)源，同步采集信號(hào)。通過LAN網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)進(jìn)行處理。

2.3 定位算法

式（2）可利用牛頓迭代法求解。牛頓迭代法求解收斂的條件較強(qiáng)，而在實(shí)際的測量計(jì)算中，由于各種干擾噪聲、測量誤差等因素的影響，可能導(dǎo)致牛頓迭代法不能收斂。在這種情況下，迭代初值的選取對迭代的收斂也有一定的影響，用逐層網(wǎng)絡(luò)搜索法選取該初值，在牛頓迭代法仍然不收斂的情況下，認(rèn)為網(wǎng)格搜索的結(jié)果即為方程組的解[10，11]。

2.4 可視投影

局放源在攝像圖像上投影，依據(jù)局放源的三維坐標(biāo)、攝像頭的位置坐標(biāo)、視線方向、視角等參數(shù)，進(jìn)行投影，可以在攝像圖像上顯示局放源?？臻g點(diǎn)P通過一個(gè)3×4的投影矩陣M映射到像平面上的點(diǎn)p，p=MP，投影矩陣M可以分為3個(gè)部分：

式（3）中：R為旋轉(zhuǎn)矩陣；t為平移矢量；中間矩陣2個(gè)負(fù)號(hào)代表通過鏡頭物體呈倒像；K為相機(jī)標(biāo)定矩陣，它包含相機(jī)內(nèi)部參數(shù)數(shù)據(jù)。

式（4）中：fu，fv為相機(jī)焦距，分別以像素為單位沿水平方向和垂直方向測量；u0，v0為相機(jī)主點(diǎn)，均可取為0；為相機(jī)水平與垂直軸向間的夾角，相機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)該角度發(fā)生變化。

因此，空間點(diǎn)（x，y，z）映射到像物理坐標(biāo)（xr，yr）可寫為：

3 結(jié)合閥值法和過零點(diǎn)插值的時(shí)延估計(jì)

時(shí)延估計(jì)是基于時(shí)間差的變電站局部放電定位算法的基礎(chǔ)，也是決定定位準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。系統(tǒng)結(jié)合閥值法和過零點(diǎn)插值進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，首先4通道同步觸發(fā)采集局放信號(hào)，依據(jù)觸發(fā)電平設(shè)定一閥值，將超過閥值后的波形的第一個(gè)過零點(diǎn)作為信號(hào)的初始時(shí)刻。

3.1 4個(gè)通道同步觸發(fā)

同步觸發(fā)保證4個(gè)通道采集存儲(chǔ)的信號(hào)為同一時(shí)刻的局放信號(hào)。設(shè)定高速采集系統(tǒng)為單次、邊沿觸發(fā)，觸發(fā)源選擇通道1。單次觸發(fā)可以捕捉單次出現(xiàn)或多次出現(xiàn)但不太具有周期性的信號(hào)。邊沿觸發(fā)檢測觸發(fā)源的邊沿、極性和電平。當(dāng)信號(hào)的電平變化方向與設(shè)定相同（上升沿或下降沿），其值變化到與觸發(fā)電平相同時(shí)，采集系統(tǒng)被觸發(fā)，并捕捉波形。其他3路信號(hào)同步捕獲。采集系統(tǒng)保留預(yù)觸發(fā)的數(shù)據(jù)。捕捉波形是遵循先進(jìn)先出的原理存儲(chǔ)到采集系統(tǒng)內(nèi)存中去的。當(dāng)波形點(diǎn)滿足了觸發(fā)條件時(shí)，該點(diǎn)就被固定在存儲(chǔ)器定義的觸發(fā)點(diǎn)上，這時(shí)存儲(chǔ)器變成了只進(jìn)不出，直到填滿存儲(chǔ)深度為止。存儲(chǔ)器起點(diǎn)到觸發(fā)點(diǎn)這段時(shí)間記錄的波形數(shù)據(jù)就是預(yù)觸發(fā)數(shù)據(jù)。

3.2 閥值設(shè)定

假設(shè)數(shù)據(jù)采集以第一路信號(hào)為觸發(fā)信號(hào)。依據(jù)觸發(fā)電平設(shè)置閥值，可設(shè)為尋找超過閥值的波形的第一個(gè)峰值，在此基礎(chǔ)上，往后尋找第一個(gè)過零點(diǎn)，作為第一路信號(hào)的波前時(shí)刻。剩余3路信號(hào)，閥值設(shè)置為其中，依據(jù)該路信號(hào)幅度與第一路信號(hào)幅度比較，取ki不同值。設(shè)4路波形幅值為Vi，則ki取值為：

3.3 高階插值的過零點(diǎn)確定

當(dāng)信號(hào)采樣率很低時(shí)，時(shí)延估計(jì)的精度差，改進(jìn)措施是對信號(hào)進(jìn)行插值運(yùn)算，然后再進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，進(jìn)而提高時(shí)延估計(jì)精度[6]。對整個(gè)信號(hào)進(jìn)行高階插值需要較大的計(jì)算量。本系統(tǒng)采用超過閥值的第一個(gè)過零點(diǎn)作為信號(hào)的波前時(shí)刻，通過高階插值尋找過零點(diǎn)，可以提高時(shí)延估計(jì)精度，而且計(jì)算量小。假設(shè)采用線性插值，找到超過閥值的第一個(gè)峰值后，繼續(xù)尋找，找到符號(hào)發(fā)生變化的2個(gè)采樣點(diǎn)S[i]，S[i+1]，如圖2所示。

圖2 過零點(diǎn)插值示意

假定采樣間隔為ts，線性插值得到的過零點(diǎn)的時(shí)刻t0為：

3.4 手動(dòng)校正

對于定位誤差較大時(shí)，可以加入手動(dòng)校正，利用鼠標(biāo)指定波前時(shí)刻過零點(diǎn)的大概位置，然后自動(dòng)尋找計(jì)算第一個(gè)過零點(diǎn)。

4 試驗(yàn)檢測結(jié)果與分析

試驗(yàn)時(shí)，4個(gè)位于不同高度云臺(tái)上的UHF天線陣列 ， 天 線 坐 標(biāo) 依 次 為 （0，0，510）， （4000，0，810），（4000，3000，1115），（0，3000，1420），坐標(biāo)單位統(tǒng)一為mm。利用帶寬為6GHz、采樣頻率為25GHz的帶存儲(chǔ)功能的采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集。同步采集的信號(hào)波形如圖3所示。

圖3中的水平線為閥值電平，垂直線是過零點(diǎn)，通過過零點(diǎn)比較估計(jì)時(shí)延。改變閥值電平尋找不同的過零點(diǎn)，可得到不同的時(shí)延估計(jì)。從圖3可看出，4個(gè)通道在波前位置附近的波形較相似，受到反射干擾較少，利用越靠前的過零點(diǎn)作為波前時(shí)刻，定位精度越高。

圖3 同步觸發(fā)的4路波形

測試前在已知位置 （5800，4215，1342） 上進(jìn)行放電，對每個(gè)通道時(shí)延補(bǔ)償進(jìn)行校準(zhǔn)，把系統(tǒng)計(jì)算的時(shí)延與測量得到的時(shí)延進(jìn)行比較，得到每個(gè)通道的時(shí)延補(bǔ)償，對以后測量進(jìn)行校準(zhǔn)。

在位置（6000，4500，1450）上模擬局部放電，進(jìn)行多次測量，定位結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果 mm

從表1可以看出，定位誤差基本在之內(nèi)。通過在不同位置的放電點(diǎn)上測量，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)放電點(diǎn)到達(dá)各天線的距離之差越大、測量結(jié)果越準(zhǔn)確，放電點(diǎn)距離天線陣列越遠(yuǎn)、測量誤差越大?？紤]天線半徑、背景噪聲、已知位置測量時(shí)差計(jì)算等誤差產(chǎn)生原因，定位結(jié)果在誤差允許范圍以內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文重點(diǎn)研究了結(jié)合閥值法和過零點(diǎn)插值的時(shí)延估計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上研制出可視局放UHF空間定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用4個(gè)UHF傳感器組成天線陣列來檢測局放信號(hào)中的UHF信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對放電信號(hào)準(zhǔn)確定位，然后用畫面投影算法實(shí)現(xiàn)局放點(diǎn)的可視化。最后通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證了方法的有效性。

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