用于变压器局部放电定位的超声波接收阵列的定向方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于变压器局部放电定位的超声波接收阵列的定向方法，该方法针对沿着平面阵阵列边沿或者中心线布置的、呈L形或十字形的超声波接收阵列。本发明将宽带聚焦和阵列扩展相结合，首先对宽带的超声阵列接收信号进行聚焦操作，将局部放电产生的宽带超声信号按时间分段，利用无噪声数据来计算聚焦矩阵，将信号聚焦到同一频率段；再以四阶累积量算法对阵列进行虚拟扩展，虚拟扩展后的阵列的数据协方差矩阵用未扩展的原阵列按顺序形成的四阶累积量矩阵来代替；最后，对虚拟扩展后的阵列利用多重信号分类算法估计局部放电的来波方向。
【专利说明】用于变压器局部放电定位的超声波接收阵列的定向方法
【【技术领域】】
[0001] 本发明属于高电压设备和试验【技术领域】，具体是一种用于变压器局部放电定位的超声波接收阵列的定向方法。
【【背景技术】】
[0002]电力变压器是电力系统的重要组成部分。统计表明，绝缘缺陷是导致变压器故障的首要原因，而局部放电是反映绝缘劣化的重要征兆。局部放电的检测是对电力变压器以及其他电力设备进行各类试验的重要内容，而对局部放电的准确定位关系到更精确地反映设备的绝缘状况并制定相应维修策略，因此对局部放电进行定位具有重大意义。
[0003]目前，针对变压器局部放电，已建立但不总是能成功实施的局部放电定位方法有电气法、超声波法以及二者的结合。随着检测技术的发展，人们也开始使用特高频信号来检测和定位局部放电，更重要的是开始研究将阵列技术应用于局部放电定位。采用阵列技术的优点是定位精度高，准确度好，同时在传感器不转动的情况下，实现对多局部放电源的探测。因此，研究局部放电定位阵列技术及其相关算法，具有工程实际意义。
[0004]目前，采用阵列估计局部放电来波方向主要有两种算法，一类基于相干信号的处理方法，曾有文献建立了 4X4的超声阵列，用信号子空间转换SST算法对阵列信号进行聚焦，再结合快速子空间测向FDOA算法进行测向。然而，阵元数过少的阵列会导致定向精度低。第二类是基于高阶累积量的阵列扩展方法，曾研制了包括一个13阵元L形超声阵列和一个超高频传感器的微型复合传感器，以及包括13阵元十字形超声阵列和2X2阵元超高频传感器组成的复合传感器，并利用四阶累积量算法对其中的超声阵列进行虚拟扩展后，虚拟阵元数分别达到了 61和97个，再运用多重信号分类MUSIC算法进行局部放电源的定向，并结合超高频获取超声传输时延，实现了对局部放电源定位。然而虚拟阵列扩展获得的等效协方差矩阵，只利用窄带空间谱估计算法进行处理，对局部放电辐射的宽带超声信号定向效果尚存不足。因此实现超声阵列技术在变压器局部放电定位中实用的目标，在算法上必须实现对宽带超声信号的适应与阵列扩展相结合。
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【发明内容】
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[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于变压器局部放电定位的超声波接收阵列的定向方法，该方法针对沿着平面阵阵列边沿或者中心线布置的、呈L形或十字形的超声波接收阵列。该方法对宽带的超声阵列接收信号进行聚焦操作，形成包含所有信息的窄带信号，再形成高阶累积量对L形或十字形阵列进行虚拟扩展，得到聚焦后窄带信号的扩展阵列的协方差矩阵，对来波进行空间谱估计达到对局部放电的精确定向。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0007]用于变压器局部放电定位的超声波接收阵列的定向方法，包括以下步骤:
[0008]I)利用超声波阵列传感器接收变压器局部放电产生的超声波阵列信号，将接收到的超声波阵列信号分为J个时间段Xtl, X1,, V1,计算每个时间段无噪声数据的协方差矩阵，其计算公式如下:
[0009]Pi=Rj-CT1jI(I)
[0010]式中:
[0011]j = O, I,...J-1;
[0012]Rj为Xj的协方差矩阵；
[0013]勺为Rj小特征值和；
[0014]I为单位矩阵；
[0015]2)选定分段阵列信号的聚焦矩阵，其计算公式如下:
[0016]T =OuQr 其中，j = i，...J-1 (2)
[0017]式中:
[0018]Q0和Q1分别是P。和Pj的特征矢量；
[0019]3)用步骤2)得到的聚焦矩阵Tj左乘Xj可得聚焦后的每段窄带阵列信号Yj(L),其计算公式如下:
[0020]Yj (f0) = TjXj j = I,...J-1 (3)
[0021]式中:
[0022]f0为阵列信号的参考频率；
[0023]4)计算聚焦后每段窄带阵列信号Y^ftl)的四阶累积量矩阵Ru，并计算其平均值Rcum,其计算公式如下:
【权利要求】
1.用于变压器局部放电定位的超声波接收阵列的定向方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)利用超声波阵列传感器接收变压器局部放电产生的超声波阵列信号，将接收到的超声波阵列信号分为J个时间段X1,, Xj-!,计算每个时间段无噪声数据的协方差矩阵，其计算公式如下: 式中:
j = O, I,...J-1 ； Rj为Xj的协方差矩阵； 勺为&小特征值的和； I为单位矩阵； 2)选定分段阵列信号的聚焦矩阵，其计算公式如下: (=&泛，其中，」=1，...了-1 (2) 式中: e和^分别是Ptl和P」的 特征矢量； 3)用步骤2)得到的聚焦矩阵1左乘Xj可得聚焦后的每段窄带阵列信号YjKci),其计算公式如下:
Yj (f0) = TjXj j = I,...J-1 (3) 式中: fo为阵列信号的参考频率； 4)计算聚焦后每段窄带阵列信号Y^ftl)的四阶累积量矩阵Ru，并计算其平均值Rcum，其计算公式如下: -EWi (/0 )?7,(/0)*)}.￡{(^ (/0 )?F,(y0)*f}( 4 ) 式中: E为求矩阵互相关； O为求矩阵的克罗内克积； *为求矩阵转置； H为求矩阵共轭转置；
I J Λ Rcum = — ^ R4C 5 )
J j^i) 5)对Rcum进行特征分解，得到噪声子空间En，并按式(6)的谱估计公式进行谱峰搜索，得到极大点所对应的来波方向(Ap)即为局部放电信号来波方向，其计算公式如下:ηθ.φ)=-^1-(6)
\\Β{θ,φ)Εη\式中:P(久釣代表噪声信号在队妁方向的空间谱能量的倒数；Θ和P分别代表来波方向的俯仰角和方位角；B(O^P)为超声阵列的流 行矢量。
【文档编号】G01R31/12GK103995221SQ201410235567
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】罗勇芬, 辛晓虎, 李彦明 申请人:西安交通大学