一种监测GIS局部放电的超高频传感器布点方法与流程

本发明属于局部放电在线监测领域，特别涉及一种监测gis局部放电的超高频传感器布点方法。

背景技术：

特高频(ultra-high-frequency,uhf)检测法是一种利用特高频传感器的局放检测技术。gis内部结构等同于一个同轴波导结构，在局部放电发生时非常有利于电磁波的传播，这种方法的检测频段为300～3000mhz，通过内置或外置的特高频传感器接收到的由gis腔体泄露出来的局部放电电磁波信号进行检测。一般在现场进行局部放电测量时，环境的干扰频段通常小于300mhz。检测特高频的电磁波可以有效防止电晕等干扰，具有高灵敏度和高信噪比的有点，并且通过传感器接收到电磁波信号的时间差就能实现对放电的定位，特高频法要优于传统的检测方法。

特高频传感器的响应速度和灵敏性是进行特高频定位的关键，影响传感器效果的因素主要包括传感器的类型、空间布局和检测频带等。通过特高频法进行局部放电的三维空间定位一般需要3个及以上的传感器，通常把多个传感器称为传感器阵列。特高频传感器的空间布局是进行定位计算的关键，对定位的精确度至关重要。传感器布置不合理，定位准确度会下降甚至失效。在每个结点都布置监测装置是不经济的。因此，在考虑gis拓扑结构的基础上，引出了局部放电测量点的优化布置问题。

如何根据电磁波信号与局部放电源的关系特性和电磁波的传播特性，探索特高频传感器在gis内部的位置布点原则是研究的关键问题之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是解决gis现场局放实时监测中在每个节点都布置超高频传感器是很不经济的这一问题，在考虑gis拓扑结构的基础上，提出了局部放电测量点的优化布置的超高频传感器布点方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种监测gis局部放电的超高频传感器布点方法，具体包含如下步骤：

步骤1，将gis的各个节点进行编号，将各个节点间的拓扑关系、线路长度绘制成表格；

步骤2，根据各个节点间的拓扑关系画出此gis的无向图；

步骤3，计算各线路对所有节点的临界点，并利用临界点对整个gis分段，进而获取0-1规划模型；

步骤4，计算传播路径矩阵，并将其代入0-1规划模型；

步骤5，采用matlab的bintprog函数求解代入传播路径矩阵的0-1规划模型，解得配置向量，得出需要布置传感器的节点。

作为本发明一种监测gis局部放电的超高频传感器布点方法的进一步优选方案，在步骤3中，所述临界点为局放源产生的电磁波分别经过线路两端到达传感器的距离相等的点。

作为本发明一种监测gis局部放电的超高频传感器布点方法的进一步优选方案，在步骤3中，所述临界点的具体计算如下：

其中，为区域线路l对于第k个节点的传感器的临界点，为区段始端i到第k个节点的传感器最短距离，为区段末端j到第k个节点的传感器最短距离，ll为区域线路l的总长度。

作为本发明一种监测gis局部放电的超高频传感器布点方法的进一步优选方案，在步骤4中，所述传播路径矩阵g具体如下：

其中，n为区段内节点数，r为临界点将整个系统分成的区段数，以表示第l条线路上放电电磁波到达第k个节点，通过线路首端和末端的情况，即：表示经过首端i端，为0表示不经过；表示经过末端j端，为0表示不经过。

作为本发明一种监测gis局部放电的超高频传感器布点方法的进一步优选方案，在步骤2中，所述0-1规划模型具体如下：

s.t.g2r×nxn×1≥i2r×1

b2n×nxn×1＝b2n×1

其中，n为区段内节点数，w^t＝[w1,w2,...,wn]为权重向量，表示每个节点安装测量装置的倾向，取(0,1)之间的值，x^t＝[x1,x2,x3…,xn]为所要求的配置向量，值为1的表示需要配置传感器，为0的表示不需要配置；r为临界点将整个系统分成的区段数，g为上面提到的传播路径矩阵，b和b分别为系数矩阵和右端向量，若第k个节点能安装传感器，则b(k,k)＝1,b(k)＝1；否则b(k+n,k)＝1，b(k)＝0。

有益效果

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明所提及的布点方法针对于现在gis现场实时监测时需要在每一段间隔的节点处布置超高频传感器的问题，提出了一种监测gis局部放电的超高频传感器布点方法；

2.本发明适用于复杂拓扑结构的gis，保护范围无死区，定位准确，且不需要在gis的每一个节点设置超高频传感器，节约时间和成本，可以利用大量现有的投运检测设备，实现简单，具有较强的经济性和较好的实用价值。

附图说明

图1是本发明线路临界点示意图。

图2是本发明函数图像；

图3是本发明gis系统拓扑结构的无向图；

图4本发明具体实施方案流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

1.一种监测gis局部放电的超高频传感器布点方法，如图4所示，包含以下步骤：

(1)将gis各个节点编号，节点间的拓扑关系、线路长度绘制成表格，根据节点间的拓扑关系画出此gis系统的无向图。

(2)计算各线路对所有节点的临界点，并利用临界点对整个gis系统分段，最终求解得到0-1规划模型。

2.1以xk作为节点是否安装传感器的标志，

其中，1≤k≤n，n为节点总数。

以表示第l区段的放电点f产生的电磁波到达节点k的最短距离即：

其中，1≤l≤m，m为gis区段总数，τ为放电点到始端距离占整段线路长度的比例，i、j分别表示线路l的始端和末端。又可表示为：

以表示第l条线路上放电电磁波到达第k个节点，通过线路端点的情况即：

根据以上分析，第l条线路完全可测的必要条件是，对于1≤k≤n，至少有一个为1，至少有一个为1。这样就能保证线路l放电电磁波能从线路两端分别到达一对传感器。对于所有线路，都满足此条件时，则整个系统是完全可测的。因此，可以将系统的最大可观性问题抽象成0-1规划模型：

2.2一个gis区段可以解得n个临界点，即一个节点对应一条区段的一个临界点，将它们从小到大排序，即有

某些临界点的值可能相等，即一个临界点值对应多个节点，取唯一的值并重新排序：

记录每个临界点值对应的节点，并放入集合ks中，1≤s≤n,n＜n。系统的临界点图如图1所示，0、1代表区段首端和末端。一般情况下即区段l始端到对端的最短距离经过本线路，如果经过相邻线路，则会出现临界点最小值和最大值不为0和1的情况。临界点将每个区段分成n+1个子区间，即若或则区间或长度为0。

2.3对于任意的1＜s≤n，区间内放电电磁波到达k1，k2，…ks-1中的节点经过末端j距离更近，到达ks，ks+1，…kn中的节点经过始端i更近，因此总能经过线路两端到达不同的节点。于是，若k中的节点都安装传感器，则区间是完全可观的。如果区间内的放电电磁波均从i端离开到达k中的节点，为不可测区间。同理如果为不可测区间。因此，线路ij完全可观的充分必要条件是且

2.4假设这些临界点将整个系统分成r个小区段，从每个小区段向整个系统看去，区段内的电磁波到达所有节点的路径便都能知晓。如果将这些区段都看作新的线路，那么便是可求得的。新系统的不随放电位置的变化而变化，而是确定的，因此模型(5)便有唯一解。将(0-1)规划模型表示成矩阵形式：

其中，n为区段内节点数，x^t＝[x1,x2,...,xn]为待求解的配置向量，w^t＝[w1,w2,...,wn]为权重向量，表示每个节点安装测量装置的倾向，取(0,1)之间的值。第二个不等式表示电磁波到达安装了传感器的节点的路径至少有一对经过区段两端，r为临界点将整个系统分成的区段数，所以i＝[1,1,...,1]^t。第三个等式约束条件约束了某些节点不能安装节点或者必须安装节点，若节点k已安装传感器，则b(k,k)＝1，b(k)＝1；若节点k不能安装传感器则b(k+n,k)＝1；b，b其他元素为0。

为每个区段电磁波到达各个节点的传播路径矩阵。

(3)通过优化配置可以达到所有节点都安装测量装置的同等的可观测范围，即最大可观性。

所述的临界点为：如图2所示，分析始端和末端路径的图像。由公式(3)和(4)得

由公式(9)，图像取两条线段的交点以下部分，即粗实线部分。将两条线段的交点定义为临界点令两条传播路径距离相等，即：

解得的

其中，为第l区段的放电点f产生的电磁波到达节点k的最短距离，即为图像中两条路径的分界点，i和j分别为线路的首端和末端，为区域线路l对于第k个节点的传感器的临界点，和分别为区段始端i和末端j到第k个节点的传感器最短距离，ll为区域线路l的总长度。

即为图像中两条路径的分界点，当时，电磁波到达第k个测量点从线路两端传播的距离相等，当区间放电时，电磁波经过线路首端，当区间放电时，电磁波经过线路末端，因此可得下式：

进而有：

至此，通过临界点便确定了电磁波到达每个节点的传播路径，而是可以容易求得的。因此，可看作关于τ的分段函数，分段点就是临界点

所述的优化配置为：通过计算传播路径矩阵g，带入的优化的0-1规划模型(8)，采用matlab的bintprog函数求解此0-1规划问题，从而得到没有盲区的gis超高频传感器布点模型。

本发明提出一种监测gis局部放电的超高频传感器布点方法，下面将参照附图对本发明方法进行说明。现以一个模型为例进行分析：

将gis各个节点编号，节点间的拓扑关系、线路长度如表1所示。

表1

根据节点间的拓扑关系画出此gis系统的无向图，如图3所示。

由无向图可看出，系统有两个相切的环形结构，因此是有可能存在检测盲区的。在已知线路长度和系统拓扑的情况下，由式(11)不难计算各线路对所有节点的临界点。各条线路最小与最大临界点值如表2所示。

表2

可见，所有线路的最小和最大临界点值均是0和1，因此，这些线路都是完全可测的，不存在盲区。

假设此gis系统没有安装传感器，将权重向量w^t内的值全部取1，计算传播路径矩阵g，带入本文的优化的0-1规划模型(8)，采用matlab的bintprog函数求解此0-1规划问题。最终解得配置向量为x＝[1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0]，即需要配置传感器的节点为1,6,11,18,25。将这些点用深色圆圈标注，如图3所示。可见，终端节点均需要配置传感器。