劉 謹(jǐn)，王哲斐

（1.國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，上海201315；2.上海四量電子科技有限公司，上海201315）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的體量和復(fù)雜程度日益提高，這就導(dǎo)致了現(xiàn)有電力設(shè)備具有電壓等級(jí)高、數(shù)量大、負(fù)荷重的特點(diǎn)［1-7］。在數(shù)量龐大的電力設(shè)備中，難免會(huì)有因?yàn)榧易逍匀毕?、偶發(fā)缺陷、長期過負(fù)荷而引起的設(shè)備絕緣劣化，劣化的絕緣會(huì)導(dǎo)致局部放電的發(fā)生，進(jìn)而繼續(xù)破壞絕緣，形成了惡性循環(huán)，直至發(fā)生絕緣擊穿，對(duì)電力系統(tǒng)、電力設(shè)備以及工作人員的安全造成了威脅［8-12］。因此，非常有必要對(duì)局部放電現(xiàn)象進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。

局部放電發(fā)生時(shí)，會(huì)伴隨著多種物理信號(hào)，包括光信號(hào)、聲音信號(hào)、超聲波信號(hào)、電磁波信號(hào)等［13-16］。對(duì)于光信號(hào)和聲音信號(hào)，需要電力運(yùn)維人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看，這種方式在精準(zhǔn)度和覆蓋面上都有所欠缺；對(duì)于超聲波信號(hào)，因其在空中傳播衰減較快，因此只適用于單個(gè)電力設(shè)備的局部放電監(jiān)測(cè)，應(yīng)用范圍有限；對(duì)于電磁波信號(hào)，其傳播距離遠(yuǎn)，受環(huán)境影響相對(duì)較小，尤其是其中的特高頻頻段（30 MHz～300 MHz）的電磁波傳播距離遠(yuǎn)，衰減較慢，適合用于變電中大范圍空間的局部放電監(jiān)測(cè)［17-21］。

現(xiàn)有的空間局部放電定位方法主要包括3 大類型：時(shí)差法（Time Difference of Arriva，TDOA）、到達(dá)角度法（Angle of Arrival，AOA）以及信號(hào)強(qiáng)度指紋法（Received Signal Strength Indicator，RSSI）［22-25］。其中，TDOA法使用局部放電到達(dá)不同位置傳感器的時(shí)間差值來計(jì)算局部放電源和傳感器之間的距離，進(jìn)而推算出局部放電源的位置坐標(biāo)，但到達(dá)時(shí)間差的采樣精度很難達(dá)到較高水平，造成了定位精度不高；AOA 法的原理與TDOA 相似，只是通過局部放電信號(hào)到達(dá)角度信息來推算局部放電源坐標(biāo)，易受到環(huán)境遮擋的影響；RSSI 法的原理是通過離線階段構(gòu)建各位置的放電強(qiáng)度指紋庫來進(jìn)行放電位置坐標(biāo)的匹配，環(huán)境適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng)，不需要信號(hào)的高頻采樣，但信號(hào)衰減速度并不固定，造成了指紋庫的準(zhǔn)確度存在不穩(wěn)定性［26-29］。

本文針對(duì)環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)的RSSI法進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于時(shí)間指紋的特高頻局部放電定位方法。該方法區(qū)別于RSSI法的是，本文提出的定位法建立的是局部放電信號(hào)到達(dá)時(shí)間差指紋庫而非局部放電信號(hào)強(qiáng)度指紋庫，其優(yōu)勢(shì)為局部放電信號(hào)到達(dá)時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定，這就使得時(shí)間指紋庫對(duì)于環(huán)境的刻畫更為準(zhǔn)確，定位精度較高，且并不需要局部放電信號(hào)到達(dá)時(shí)間差的高采樣精度，可以說是綜合了TDOA和RSSI兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。

本文第1章闡述了定位方法的架構(gòu)，第2章介紹時(shí)間指紋庫匹配定位的具體算法，第3 章設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證本文算法的有效性。

1 系統(tǒng)概述

本文提出的基于時(shí)間指紋的特高頻局部放電定位法使用的參量為局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)，因此在硬件配置上需要在被測(cè)區(qū)域的四周設(shè)置特高頻傳感器。如圖1 所示，邊長為30 m 的方形被測(cè)區(qū)域四角，分別設(shè)置了一個(gè)特高頻傳感器。

具體的定位過程主要分為兩個(gè)階段。在階段一中，使用模擬的局部放電源在被測(cè)區(qū)域內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行放電，每次放電均會(huì)產(chǎn)生一組信號(hào)到達(dá)時(shí)間差，可表示為：

圖1 本文局部放電定位法示意圖Fig.1 Schematic diagram of partial discharge positioning method in this article

式（1）中，n表示第n個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；t1n表示在當(dāng)?shù)趎個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)出局部放電信號(hào)時(shí)，傳感器1接收到信號(hào)的時(shí)間，即信號(hào)到達(dá)時(shí)間。

本文使用的特高頻傳感器內(nèi)置濾波模塊，可以有效濾除空間中的背景噪聲。因此，局部放電發(fā)生時(shí)，收集到的波峰信號(hào)強(qiáng)度明顯強(qiáng)于背景噪聲信號(hào)。當(dāng)傳感器收集到的特高頻電磁波信號(hào)幅值超過閾值時(shí)，則認(rèn)為局部放電發(fā)生，此時(shí)即為局部放電信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。

用此方式取得每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差組（下稱時(shí)間指紋），即構(gòu)成了被測(cè)區(qū)域的時(shí)間指紋庫。

在階段二中，當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，傳感器會(huì)采集到一個(gè)時(shí)間指紋，將該組數(shù)據(jù)輸入到建立好的時(shí)間指紋庫中，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)該組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行匹配，匹配到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)即為局部放電定位結(jié)果。

該方法建立的時(shí)間指紋庫可以有效地刻畫該監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境信息，而當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)生較大變化時(shí)，則需要重新進(jìn)行采樣學(xué)習(xí)的過程。

本文提出的局部放電定位方法流程圖如圖2所示。

圖2 本文局部放電定位法流程圖Fig.2 Flow chart of partial discharge positioning method in this article

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間指紋庫匹配

本文涉及的數(shù)據(jù)匹配屬于向量匹配，因此選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以實(shí)現(xiàn)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為前饋多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括了輸入層、隱含層、輸出層3層網(wǎng)絡(luò)，其每層都包含若干神經(jīng)元，層與層直接使用層函數(shù)進(jìn)行連接，以進(jìn)行迭代計(jì)算的調(diào)節(jié)［30-32］。其中，隱含層和輸出層之間采用的層函數(shù)為線性函數(shù)，而為了兼顧神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迭代計(jì)算的速度和精度，輸入層和隱含層直接采用sigmoid函數(shù)，其表達(dá)式為：

式（2）中，Hj表示第j個(gè)隱含層的神經(jīng)元，wi表示輸入層中的第i個(gè)神經(jīng)元權(quán)重，n表示輸入層神經(jīng)元的總數(shù)，P表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值。

由于輸入的時(shí)間指紋包括4 個(gè)值，輸出的定位結(jié)果平面坐標(biāo)包括2 個(gè)值，因此本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層和輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)分別為4和2，隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)選取為14個(gè)。

向量輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配的過程，其實(shí)就是一種迭代尋優(yōu)的過程。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)初值選取對(duì)于尋優(yōu)的速度和準(zhǔn)確度非常重要。本文使用粒子群算法（PSO）實(shí)現(xiàn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初值的優(yōu)化選取。其迭代公式如式（3）、（4）式所示：

式（3）、式（4）中，v表示粒子運(yùn)動(dòng)的速度，x表示粒子的位置，v和x中包含了網(wǎng)絡(luò)中所有要尋優(yōu)的參數(shù)；t表示迭代的次數(shù)，rand 表示0-1 的隨機(jī)數(shù)，pbest、gbest 分別為局部最優(yōu)解和全局最優(yōu)解，其余的均為調(diào)節(jié)參數(shù)

式（3）中的k為迭代速度調(diào)節(jié)參數(shù)，本文對(duì)其做遞減處理：

通過式（5）的處理，k值可以從最大值逐漸變?yōu)樽钚≈?，保證了尋優(yōu)過程中先保證速度，后保證精度的最優(yōu)策略。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初值配置完成之后，用采集到的時(shí)間指紋庫對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，即可輸入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成局部放電源位置坐標(biāo)的匹配，輸出定位結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為驗(yàn)證本文局部放電定位法的有效性，在變電站室外設(shè)備區(qū)選擇了一塊30 m×30 m 的方形區(qū)域，其平面圖如圖1 所示。在方形區(qū)域的四個(gè)角，分別擺放一個(gè)特高頻無線傳感器，其實(shí)物圖如圖3 所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，首先使用模擬的局部放電源在被測(cè)區(qū)域內(nèi)的間隔1 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行依次放電，使用4個(gè)傳感器采集每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間指紋，構(gòu)成被測(cè)區(qū)域的時(shí)間指紋庫，包含了957 個(gè)時(shí)間指紋。然后，使用模擬局部放電源在其中若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行放電，使用本文的局部放電定位法進(jìn)行定位結(jié)果輸出。

圖3 實(shí)驗(yàn)實(shí)景圖Fig.3 Experimental real picture

3.2 定位結(jié)果及分析

本算法的定位結(jié)果如表1 所示，定位結(jié)果的累計(jì)概率圖如圖4所示。

表1 定位結(jié)果Table 1 Localization results

圖4 定位結(jié)果累計(jì)概率Fig.4 Cumulative probability of positioning results

在定位過程中使用了3種局部放電定位算法進(jìn)行對(duì)比，包括：TDOA 法、信號(hào)強(qiáng)度指紋定位法以及本文的時(shí)間指紋定位法。從結(jié)果中可以看出，3 種定位方法的性能差距較為明顯。其中，本文提出的基于時(shí)間指紋的定位方法，平均定位誤差為1.78 m，最大定位誤差為8.47 m，60.36%的定位誤差在2 m 之內(nèi)，誤差在5 m之內(nèi)的比例高達(dá)91.75%。

本文提出的定位方法性能明顯優(yōu)于信號(hào)強(qiáng)度指紋定位和TDOA 定位法，并且基本可以在30 m×30 m 的900 m2區(qū)域內(nèi)將定位誤差鎖定在5 m 之內(nèi)，大多數(shù)時(shí)候可以鎖定在2 m 之內(nèi)，這足以幫助工作人員將局部放電源準(zhǔn)確定位在某一設(shè)備間隔、甚至某一具體設(shè)備上，使得工作人員可以快速反應(yīng)，結(jié)合針對(duì)單個(gè)設(shè)備的精確局部放電檢測(cè)，及時(shí)定位局部放電部位，大大降低了因絕緣損壞而造成的電力設(shè)備故障和事故的發(fā)生，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯。

4 結(jié)論

本文針對(duì)變電站電氣設(shè)備局部放電監(jiān)測(cè)，提出了基于時(shí)間指紋的特高頻局部放電定位方法。該方法將基于信號(hào)強(qiáng)度指紋法與TDOA 法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，使用局部放電信號(hào)到達(dá)時(shí)間差組成每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間指紋，進(jìn)而構(gòu)成了整個(gè)被測(cè)區(qū)域的時(shí)間指紋庫。當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)，將該次放電的時(shí)間指紋輸入到建立好的時(shí)間指紋庫中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法即可匹配出局部放電源位置坐標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于時(shí)間指紋的局部放電定位法性能明顯優(yōu)于其它方法，平均定位誤差為1.78 m，定位精度較高，性能穩(wěn)定，可以較好地滿足變電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求，具有一定的推廣意義。

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