基于时差定位的变电站定位方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于时差定位的变电站定位方法，包括如下步骤：确定天线布置区域，在所述天线布置区域内确定内接圆，并将第一天线和第二天线布置于所述内接圆的一直径的两端，将第三天线布置于内接圆的圆心，形成天线阵，所述天线阵能够绕圆心转动，根据第一天线、第二天线、第三天线接收的局部放电脉冲计算局部放电源到第一天线和第三天线的第一时间差以及局部放电源到第二天线和第三天线的第二时间差，进而根据第一时间差和第二时间差进行平面二维定位，得到初步定位点；转动天线阵，使得初步定位点与第三天线的连线垂直于第一天线、第二天线的连线，根据第一时间差和第二时间差再次进行精确定位，得到目标定位点。本发明定位精确，易于推广。
【专利说明】
基于时差定位的变电站定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及天线阵列布置方法，具体地，涉及一种基于时差定位的变电站定位方 法。
【背景技术】
[0002] 局部放电检测作为绝缘诊断的重要手段，因其能及时有效地反映电力系统电气设 备的绝缘状况，正为电力部门所普及。
[0003] 目前国内外基本都是针对变电站的具体电力设备进行局部放电监测与监测技术 的研究，主要应用的检测原理和方法包括脉冲电流法、特高频法(UHF)、超声波法、化学法、 光学法等，其中特高频法和超声波法是比较实用可行的方法。
[0004] 目前局部放电检测的重点和难点在于使用低成本的方案，在实施局部放电检测过 程中实现局部放电源的定位与放电程度的评估，从而实现电力设备绝缘状态的评估。
[0005] 对目前对于变电站设备的局部放电监测和定位主要针对GIS、变压器、容性设备等 具体单一设备进行，对要监测的设备各自安装一套监测系统。而变电站中的任何高压电力 设备均可能会发生局部放电故障，要想对全站的一次电气设备实施监测，就需要安装多套 监测装置，再对其进行综合。这样的监测系统架构，所需费用极高，监测系统的使用效率也 低，而且对众多在线监测装置本身的维护工作量也很大。
[0006] 随着经济和社会的发展，对供电可靠性的要求越来越高，研制一种低成本、高可靠 性、能够实现对全站高压电气设备进行实时状态监测、定位的新型在线监测装置非常有必 要。从文献查阅的结果看，上海交通大学等单位提出了几种变电站全站监测的方法，一是使 用固定安装式或者车载式特高频天线阵列，基于天线阵列接收局部放电特高频信号的时差 进行局部放电源的三维或者方向角的定位。其基本原理是根据天线接收同源局部放电脉冲 的时差进行定位，目前已有很多学者对时延估计算法和局部放电定位算法进行了广泛而深 入的研究，有不少的方法，然后对于如何进行天线布置的研究却不多，但这对于保证定位的 精度有至关重要的作用。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于时差定位的变电站定位方 法。
[0008] 本发明提供的基于时差定位的变电站定位方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1:确定天线布置区域，在所述天线布置区域内确定内接圆，并将第一天线和 第二天线布置于所述内接圆的一直径的两端，将第三天线布置于内接圆的圆心，形成天线 阵，所述天线阵能够绕圆心转动，且第一天线、第二天线、第三天线始终位于所述内接圆的 一直径上；
[0010]步骤2:根据第一天线、第二天线、第三天线接收的局部放电脉冲计算局部放电源 到第一天线和第三天线的第一时间差以及局部放电源到第二天线和第三天线的第二时间 差，进而根据第一时间差和第二时间差进行平面二维定位，得到初步定位点；
[0011] 步骤3:转动天线阵，使得初步定位点与第三天线的连线垂直于第一天线、第二天 线的连线，再次进行第一时间差和第二时间差的计算，根据第一时间差和第二时间差再次 进行精确定位，得到目标定位点。
[0012] 优选地，所述步骤1包括如下步骤：
[0013] 步骤101:确定所述天线布置区域为楼顶；
[0014] 步骤102:在所述天线布置区域内确定内接圆，并将第一天线和第二天线布置于所 述内接圆的一直径的两端，将第三天线布置于内接圆的圆心，形成天线阵，所述天线阵能够 绕圆心转动，且第一天线、第二天线、第三天线始终位于所述内接圆的一直径上。
[0015] 优选地，步骤201:根据3个天线接收的局部放电脉冲计算局部放电源到第一天线 和第三天线的第一时间差以及局部放电源到第二天线和第三天线的第二时间差，记为t 21、 ?31 ；
[0016] 步骤202:将局部放电源的坐标记为（XQ，yQ)，第i个天线的坐标记为（xi， yi)，根据 最小光程差原理，列出方程A如下：
[0018] 步骤203:求解方程A，得到初步定位点。
[0019]优选地，步骤301:转动天线阵，使得初步定位点与第三天线的连线垂直于第一天 线、第二天线的连线，并将第三天线，沿初步定位点与所述圆心形成的连线向初步定位点方 向移动至天线布置区域边缘；
[0020] 步骤302:重复步骤202和203进行精确定位，得到目标定位点。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0022] 1、本发明主要针对变电站使用三天线对局部放电源的二维平面定位，理论上可证 明，本方法得到的结果是定位误差下界最小的布置方式；
[0023] 2、本发明基于最短光程原理列些定位方程组，利用参数估计中的Cramer-Lao下界 原理，给出定位误差的方差下界计算公式，根据定位误差下界计算公式，确定传感器的最优 布置方法；
[0024] 3、本发明对变电站使用四天线对局部放电源的二维平面定位的天线布置方式也 有指导意义，因为此时天线数量是有冗余的，根据本发明的结果，选择其中定位误差最小的 3个天线进行定位，将会得到更精确的结果。
【附图说明】
[0025]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0026] 图1为本发明中基于UHF天线阵列的定位原理图；
[0027] 图2为本发明中UHF天线的角度示意图；
[0028] 图3为本发明中第一种布置方式定位分布图；
[0029] 图4为本发明中第二种布置方式定位分布图；
[0030] 图5为本发明中第三种布置方式定位分布图；
[0031 ]图6为本发明中第三种布置方式定位分布图；
[0032] 图7本发明的基于真实噪声的仿真信号；
[0033] 图8为现有技术中基于真实噪声的仿真信号。
【具体实施方式】
[0034]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0035]在本实施例中，本发明提供的基于时差定位的变电站定位方法，采用UHF天线阵 列，对变电站局部放电信号进行监测和定位，如图1所示，利用UHF信号从局部放电源到达各 天线的时间差信息，基于最短光程差原理进行定位。
[0036] 从局部放电源到第η号天线的距离记为dn，UHF信号从局部放电源到第η号天线所 需的时间记为tn，光速记为c，那么就可以得到关系式（1)。
[0037] dn=ctn (1)
[0038] 然而由于UHF信号的发射时刻是未知的，所以并不能直接得到^。通过比较不同的 天线同步接收的UHF信号波形信息，从而可以得到不同天线之间的UHF信号的到达时间差， 利用这个时间差，可以求得局部放电源的位置。
[0039] 第i个天线和第j个天线之间的UHF信号到达时间差记为tij，距离差记为dij，第i个 天线和局部放电源的距离记为cU，那么就可以得到方程组(2).
[0040] dij = di_dj = ctij (2)
[0041] 理论上，在二维平面定位中，只需要(2)中的两个方程就可以求得局部放电源的平 面位置;在三维空间定位中，需要（2)中的三个方程可以求得局部放电源的平面位置。本发 明中，将局部放电源的坐标记为( XQ，yQ)，第i个天线的坐标记为(Xl，yi)，那么能够得到关系 式⑶。
[0043] 由于方程组(2)的非线性，一般是在最小二乘的意义下求方程组(2)的最优解，通 常用牛顿法和网格搜索法等优化算法来求解这个方程组。
[0044] 由于环境噪声，信号衰减，波形比较算法存在误差等因素的影响，时延估计值也 存在误差。本发明假定各个时延估计的误差符合零均值的高斯同分布，在此基础上分析定 位误差。考虑三个天线二维定位的情况，利用参数估计中的Cramer-Lao下界原理，给出定位 误差的方差下界，并对此下界进行分析。
[0045] 使用三个天线进行定位的时候，使用方程组(2)中的两个方程就可以进行定位，将 其记为方程组(4)。
[0047]由于误差的影响，（4)可进一步写为方程组(5)。
[0049]其中，ε1; ε2~N(0,〇2)，服从均值为零方差为σ2的高斯分布，ε^ε；^分别为 t21、t31的估计误差。那么t21、t31的联合概率密度函数f(T，0)可表示为(6)。
[0051]
Q和T为波形比较算法得到的时延估计，Ττ为理论上的 真实时延，
隐藏于Ττ的表达式之中。 取对数概率密度函数，可得(7)
[0053] 据此可计算Fisher信息矩阵Ι(θ)，如(8)式所示。
[0054] /(^) = -￡，(Vfl(V6,(ln[/ (T,^)])))
[0055] 其中，E(.)表示期望?表示求梯度，
[0056] 根据链式法则，（8)经过计算，可化为(9)。
[0057] i(0)=HQ-1 (9)
[0059] 根据克拉美罗界原理，定位误差的下界如式(10)所示。
[0060] (10)
[0061 ]其中，tr(.)为矩阵的迹，即矩阵方阵对角线元素之和。
[0062] 综合(9)式和(10)式，可以得到〇2CRB的表达式，如式(11)所示。
[0064] 从式（11)可以看出，定位误差的下界〇2CRB由局部放电源的位置，传感器布置的位 置以及时延误差的大小共同决定。
[0065] 本发明中基于时差定位的变电站定位方法就是在一定的限制条件下，使得定位误 差最小的一种传感器布置方式。由于使用优化算法得到定位结果一般也可视为一种无偏估 计，所以寻找一种传感器布置方法，使得式（11)所表述的误差下界最小，也能使得定位误差 总体上变得最小。
[0066] 假定传感器只能布置于一定范围内，在这个范围外有一个局部放电源，如图2所 示，然后来观察在何种布置下，对此局部放电源的定位误差会最小。
[0067] 图中P点表示局部放电源所在位置，阴影部分为传感器所能布置的区域，β为P点和 阴影部分中的任意两点的连线所能形成的最大夹角，分别为第一天线、第二天线、 第三天线，0^02,03分别为第一天线的方向角、第二天线的方向角、第三天线的方向角，然后 式(11)可转化为式(12)。
[0071 ] 根据对称性，当使用t21，?23和?23，t31的时候计算σ2(ΕΒ可得式（14)和式（15)所不。
[0074] 将式（13)，（14)和（15)作一个算术平均，就可以得到一个〇2CRB只关于 的表达式，如式(16)所示。
[0078] 式（17)先对η求偏导可得式（18)。
[0079]
[0080]观察式（18)，判断正负符号可得式（19)，
[0082] 所以，当η = α/2，〇2CRB达到最小。此时，代入式(17)可得式(20)
[0084] 再对α求偏导，可得式(21)，
[0086] 所以，当α = β，(ΛΚΒ达到最小。
[0087] 综上所述，当局部放电源与其中两个传感器的连线的夹角达到最大，且第3个传感 器位于这个角的角平分线上的时候，定位误差的下界〇 2CRB达到最小，这样就找到了三传感 器二维平面定位下的最优布置方式。
[0088] 对本发明展开仿真分析。设计4种传感器布置方式，如下所示，单位均为米。
[0090] 假设在坐标(-5，_5)处有一个局部放电源，那么对于每种布置方式，传感器之间都 会有一组信号接收的理论时延值，给这个时延值赋予一个相当的高斯随机量。对于每种布 置方式，以1000次仿真为一组，那么每一组都会有一个定位分布图，也可以根据这1000个结 果计算误差。图3到图6给出了这4种方式的定位分布图。
[0091] 表1给出了 10组的方差结果表。
[0092]表1高斯噪声下的定位方差
[0093] Tab.l :variance of location with Gaussian noise
[0094]
[0095] 从图3到图6可以看出，第一种和第二种布置方式的定位分布差别不大，第三种的 分布比第一种和第二种稀疏，第四种的相对更加稀疏。从表1来看，第一种和第二种布置方 式的定位方差基本差不多，第三种要比他们大，相对的第四种的方差是最大的。完全符合第 四章的理论结果，证明了结果的正确性。
[0096] 下面将使用真实噪声对结论展开验证，本文从变电站现场测量了噪声数据，将其 叠加于仿真信号之上，再通过波形比较算法(常用的是能量叠加法)求得时延，进行放电源 定位。所要处理的波形数据大致如图7所示。
[0097]图中三种颜色的信号分别代表了三个传感器接收的信号。对上述的四中布置方式 进行误差计算统计，结果如表2所示 [0098]表2真实噪声下的定位方差
[0099] Table 2:variance of location with realnoise
[0100]
[0101] 因为环境噪声不总是一成不变的，所以6组方差数据组与组之间会有较大差别，而 布置方式之间的关系却也大致与表1相同，这个结果验证了理论结果对真实噪声的有效性。
[0102] 现在变电站多采用4个传感器组成的矩形天线阵列进行局部放电定位，考虑传感 器矩形布置方式：（-5,5)，（5,5)，（5，-5)，（-5，-5)。当局部放电源位于原点为圆心，半径为 30米的圆上时，观察随放电源方向角的变化而变化的曲线，如图8所示。
[0103] 从图上可以看出，误差最小的在45°，135°，225°，315°左右方差最小，4个坐标轴附 近的方差最大。显然，误差最小的区域的放电源与传感器连线夹角的最大值也是最大的，这 样从一个侧面也说明了本文结论的有效性。
[0104]本发明对局部放电时差定位原理进行了阐述，对定位方程进行了分析和描述，针 对需求给出了 3传感器二维平面定位的定位方程。根据参数估计中的Cramer-Lao下界原理， 推导了高斯分布意义下的定位结果的方差下界。定位误差的下界由局部放电源的位置，传 感器布置的位置以及时延误差的大小共同决定。对方差下界进行了分析，在三传感器平面 定位的情况下，理论上给出了使得这个下界最小的传感器最优布置方式。当局部放电源与 其中两个传感器的连线的夹角达到最大，且第3个传感器位于这个角的角平分线上的时候， 这个下界最小。
[0105] 当采用上述传感器布置方法进行基于时差定位的变电站定位时，包括如下步骤：
[0106] 步骤1:确定天线布置区域，在所述天线布置区域内确定内接圆，并将第一天线和 第二天线布置于所述内接圆的一直径的两端，将第三天线布置于内接圆的圆心，形成天线 阵，所述天线阵能够绕圆心转动，且第一天线、第二天线、第三天线始终位于所述内接圆的 一直径上；
[0107] 步骤2:根据第一天线、第二天线、第三天线接收的局部放电脉冲计算局部放电源 到第一天线和第三天线的第一时间差以及局部放电源到第二天线和第三天线的第二时间 差，进而根据第一时间差和第二时间差进行平面二维定位，得到初步定位点；
[0108] 步骤3:转动天线阵，使得初步定位点与第三天线的连线垂直于第一天线、第二天 线的连线，再次进行第一时间差和第二时间差的计算，根据第一时间差和第二时间差再次 进行精确定位，得到目标定位点。
[0109] 所述步骤1包括如下步骤：
[0110]步骤101:确定所述天线布置区域为楼顶;楼顶最佳，因为天线位置过低时，局部放 电信号容易被其他建筑物阻碍，从而影响电磁波的直线传播；
[0111]步骤102:在所述天线布置区域内确定内接圆，并将第一天线和第二天线布置于所 述内接圆的一直径的两端，将第三天线布置于内接圆的圆心，形成天线阵，所述天线阵能够 绕圆心转动，且第一天线、第二天线、第三天线始终位于所述内接圆的一直径上。
[0112]步骤201:根据3个天线接收的局部放电脉冲计算局部放电源到第一天线和第三天 线的第一时间差以及局部放电源到第二天线和第三天线的第二时间差，记为t21、t31;
[0113]步骤202:将局部放电源的坐标记为（XQ，yQ)，第i个天线的坐标记为（ Xl，yi)，根据 最小光程差原理，列出方程A如下：
[0115] 步骤203:求解方程A，得到初步定位点。
[0116]步骤301:转动天线阵，使得初步定位点与第三天线的连线垂直于第一天线、第二 天线的连线，并将第三天线，沿初步定位点与所述圆心形成的连线向初步定位点方向移动 至天线布置区域边缘；
[0117] 步骤302:重复步骤202和203进行精确定位，得到目标定位点。
[0118] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种基于时差定位的变电站定位方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1:确定天线布置区域，在所述天线布置区域内确定内接圆，并将第一天线和第二 天线布置于所述内接圆的一直径的两端，将第三天线布置于内接圆的圆心，形成天线阵，所 述天线阵能够绕圆心转动，且第一天线、第二天线、第三天线始终位于所述内接圆的一直径 上； 步骤2:根据第一天线、第二天线、第三天线接收的局部放电脉冲计算局部放电源到第 一天线和第三天线的第一时间差以及局部放电源到第二天线和第三天线的第二时间差，进 而根据第一时间差和第二时间差进行平面二维定位，得到初步定位点； 步骤3:转动天线阵，使得初步定位点与第三天线的连线垂直于第一天线、第二天线的 连线，再次进行第一时间差和第二时间差的计算，根据第一时间差和第二时间差再次进行 精确定位，得到目标定位点。2. 根据权利要求1所述的基于时差定位的变电站定位方法，其特征在于，所述步骤1包 括如下步骤： 步骤101:确定所述天线布置区域为楼顶； 步骤102:在所述天线布置区域内确定内接圆，并将第一天线和第二天线布置于所述内 接圆的一直径的两端，将第三天线布置于内接圆的圆心，形成天线阵，所述天线阵能够绕圆 心转动，且第一天线、第二天线、第三天线始终位于所述内接圆的一直径上。3. 根据权利要求2所述的基于时差定位的变电站定位方法，其特征在于， 步骤201:根据3个天线接收的局部放电脉冲计算局部放电源到第一天线和第三天线的 第一时间差以及局部放电源到第二天线和第三天线的第二时间差，记为t21、t31; 步骤202:将局部放电源的坐标记为(XQ，yQ)，第i个天线的坐标记为(Xl， yi)，根据最小光 程差原理，列出方程A如下：步骤203:求解方程A，得到初步定位点。4. 根据权利要求3所述的基于时差定位的变电站定位方法，其特征在于， 步骤301:转动天线阵，使得初步定位点与第三天线的连线垂直于第一天线、第二天线 的连线，并将第三天线，沿初步定位点与所述圆心形成的连线向初步定位点方向移动至天 线布置区域边缘； 步骤302:重复步骤202和203进行精确定位，得到目标定位点。
【文档编号】G01R31/02GK105866636SQ201610170144
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】张卫东, 江丽, 于文牮, 姚朋飞, 孙承超, 邱卫, 王青松, 许春华, 刘毅, 吕彬, 牛闯, 洪福, 胡岳, 徐文聪, 李建勋
【申请人】国家电网公司, 国网山东省电力公司威海供电公司, 上海交通大学