宋 文

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201306）

目前，常用變壓器局部放電定位方法主要有電氣法、超聲波法和特高頻法（Ultra High Frequency，UHF）[1]。電氣定位法只能給出局部放電源電氣位置，而不能給出其空間位置，不便于檢修[2]。超聲波法利用變壓器局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，而超聲信號(hào)在變壓器內(nèi)經(jīng)過紙板、繞組等結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減，因此難以對(duì)變壓器繞組、鐵心等位置發(fā)生的局部放電進(jìn)行定位[1]。變壓器局部放電產(chǎn)生的特高頻電磁波具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高和傳播速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此特高頻定位法成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[3]。

基于RSSI的指紋定位法是通過實(shí)際測量的信息特征量即特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度來建立關(guān)于坐標(biāo)的特征信息庫，然后輸入被測點(diǎn)特征信息進(jìn)行模式匹配，從而獲得局部放電源位置，這種方法能夠較好地克服空間環(huán)境對(duì)于定位結(jié)果的影響[4]。本文首先陳述了RSSI指紋法在變壓器局部放電定位中的應(yīng)用，以及基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)局部放電定位。然后利用設(shè)計(jì)的特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度采集電路板和實(shí)驗(yàn)室搭建的變壓器局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，建立了實(shí)驗(yàn)條件下的指紋庫。最后通過廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（General Regression Neural Network，GRNN）算法進(jìn)行定位，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

1 算法概述

RSSI指紋法是一種場景分析法，其特征信息庫中包含了環(huán)境信息，因此可以減小環(huán)境對(duì)于定位精度的影響[4-5]。該方法主要分為離線采集階段和在線定位階段，在離線采集階段，通過設(shè)備采集到相應(yīng)數(shù)據(jù)，建立包含信息特征的指紋庫，在線階段輸入被測點(diǎn)信息特征，進(jìn)行模式匹配即可實(shí)現(xiàn)定位[5]。在離線階段，假設(shè)被測點(diǎn)Pi處發(fā)生局部放電，通過傳感器Aj測量到的特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度可以表示為

其中：φij（t）表示第t次測量的特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度，k表示測量次數(shù)。這樣通過m個(gè)傳感器測量n個(gè)局放電特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度可生成被測區(qū)域RSSI指紋庫。

式中：ψ為第i個(gè)行向量ψi=[φi1，φi2，...，φim]就是m個(gè)傳感器測到的關(guān)于局放點(diǎn)Pi的RSSI指紋，即當(dāng)Pi點(diǎn)發(fā)生局部放電時(shí)各個(gè)傳感器測到的特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度。在離線階段建立了被測區(qū)域指紋庫后即可在線實(shí)現(xiàn)局部放電源定位。

當(dāng)點(diǎn)Pi'處發(fā)生局部放電時(shí)，可以通過傳感器陣列測到相應(yīng)特高頻電磁波信號(hào)的RSSI值ψi'=[φi1'，φi2'，...，φim']，即形成一組RSSI指紋。將該指紋與離線階段所建立的RSSI指紋庫ψ進(jìn)行模式匹配，指紋庫中與ψi'最為接近的一組指紋所對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)即為局放點(diǎn)Pi'坐標(biāo)。

在上文所敘述的RSSI指紋基礎(chǔ)上，本文將采用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GRNN）對(duì)變壓器局部放電進(jìn)行定位。在離線階段利用采集到各測試點(diǎn)RSSI指紋和各測試點(diǎn)空間坐標(biāo)對(duì)GRNN進(jìn)行訓(xùn)練，在線階段將測得的需要定位的局放源RSSI指紋輸入訓(xùn)練好的GRNN，則可得到需要定位局放源坐標(biāo)。

在線定位時(shí)，輸入測量到的4個(gè)RSSI數(shù)據(jù)后得到放電源坐標(biāo)，整個(gè)定位過程如圖1所示。

圖1 定位流程圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 RSSI指紋庫的建立

針對(duì)本文所提出的基于RSSI指紋庫變壓器局部放電定位方法，設(shè)計(jì)了一款用于采集特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度的硬件電路板，如圖2所示。該電路板共有2個(gè)通道，可以同時(shí)接2個(gè)傳感器，利用FPGA采集傳感器接收到的特高頻電磁波信號(hào)，外擴(kuò)2個(gè)SRAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過FSMC并口連接STM32H750作為信號(hào)處理，再通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。對(duì)于特高頻信號(hào)前級(jí)處理部分主要包括帶通濾波、前級(jí)放大以及檢波3個(gè)部分。前級(jí)處理之后，信號(hào)經(jīng)過阻抗匹配、單端轉(zhuǎn)雙端、程控放大之后，由AD9288進(jìn)行采樣，并由并口輸出到FPGA中。

圖2 采集電路實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)室模擬測試裝置如圖3所示，將變壓器繞組鐵心放置于不銹鋼箱體內(nèi)部用于模擬變壓器內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境。整個(gè)箱體尺寸為：長43.6 cm，寬32.5 cm，高25 cm。將特高頻傳感器陣列安裝在箱體內(nèi)壁，并在其內(nèi)部均勻選取若干測試點(diǎn)進(jìn)行局部放電模擬實(shí)驗(yàn)，采集各局放點(diǎn)產(chǎn)生的特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度。

圖3 模擬變壓器測試裝置

具體測試方案為：以箱體一個(gè)頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，將4個(gè)特高頻傳感器分別布置在箱壁內(nèi)側(cè)，在箱體內(nèi)部均勻選取若干個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行局部放電模擬實(shí)驗(yàn)。使用模擬局部放電源在每個(gè)測試點(diǎn)放電10次，則4個(gè)傳感器所接收到的特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度可以通過上文中RSSI采集電路板采集到并發(fā)送給上位機(jī)。整個(gè)信號(hào)采集系統(tǒng)如圖4所示，該系統(tǒng)由傳感器、RSSI采集電路板和上位機(jī)組成。由于每塊RSSI采集電路板只能連接兩路UHF傳感器，實(shí)際測試中需要2塊RSSI采集電路板。

圖4 信號(hào)采集系統(tǒng)

在圖3所示測試裝置中，選擇下部左上方頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，各傳感器位置坐標(biāo)分別為（16，0，5）、（32.5，22，10）、（16，43.6，15）、（0，22，20）。在箱體內(nèi)部無繞組區(qū)域均勻選取70個(gè)測試點(diǎn)，在箱體內(nèi)放置的繞組匝間縫隙處選取9個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行模擬局部放電實(shí)驗(yàn)，每個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行10次模擬局部放電實(shí)驗(yàn)，各個(gè)傳感器得到RSSI并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，其中1個(gè)傳感器獲得的電磁波信號(hào)強(qiáng)度構(gòu)建出的RSSI指紋庫，如圖5所示。

圖5 RSSI指紋庫

2.2 定位結(jié)果

為了驗(yàn)證上文所建立RSSI指紋庫有效性，在模擬測試裝置內(nèi)部選取8個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)，所得各坐標(biāo)定位結(jié)果如圖6所示。

圖6 定位結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出了基于RSSI指紋庫的變壓器局部放電定位方法，設(shè)計(jì)了一款用于采集變壓器局部放電特高頻電磁波信號(hào)強(qiáng)度的電路板并構(gòu)建了一套完整的信號(hào)采集系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)室搭建的模擬變壓器局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該方法的有效性，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

（1）通過RSSI建立的指紋庫能夠較好地描述變壓器內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境；

（2）基于RSSI指紋庫的變壓器局部放電定位方法能夠較好地克服變壓器內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)變壓器局部放電源的準(zhǔn)確定位。