一种基于方位角测量的局部放电定位方法与流程

本发明涉及一种局部放电定位方法，尤其涉及一种角度测量的局部放电定位系统。

背景技术：

基于特高频(Ultra-High Frequency，简称UHF)信号的局部放电(Partial Discharge，简称PD)检测方法抗干扰性强，近年来受到了广泛的研究与关注。

然而，在现有技术中，基于特高频局部放电信号时差的局部放电定位方法由于信号时差往往处于纳秒级别，测量困难，因此定位误差较大，限制了其在实际变电站中的应用。

基于此，期望获得一种局部放电定位方法，该局部放电定位方法能够快速准确地判断局部放电源的位置，所获得的局部放电源的位置误差小，满足实际应用需求。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种基于方位角测量的局部放电定位方法，该局部放电定位方法通过将若干个特高频传感器构成的特高频传感器平面阵列放置于不同位置，接收局部放电特高频局部放电信号，再经过计算获得局部放电方位角，对同一局部放电源在不同位置进行多次方位角测量，最终构建局部放电源位置方程，求解即可获得局部放电源位置坐标。

基于上述目的，本发明提出了一种基于方位角测量的局部放电定位方法，包括步骤：

(1)在检测现场设置由M×M个特高频传感器构成的特高频传感器平面阵列，所述M×M个特高频传感器在特高频传感器平面阵列内均匀分布；

(2)构建平面坐标系XOY，设局部放电源位于该平面坐标系XOY中的坐标(x，y)处；

(3)将所述特高频传感器平面阵列设置在平面坐标系XOY内的第一位置(x1，y1)，则局部放电源与第一位置的夹角为局部放电第一方位角θ1；

(4)获得第一方位角θ1；

(5)将所述特高频传感器平面阵列移动至平面坐标系XOY内的第二位置(x2，y2)，则局部放电源与第二位置的夹角为局部放电第二方位角θ2；

(6)获得第二方位角θ2；

(7)基于下述局部放电源的位置方程：

获取局部放电源的坐标(x，y)，以对局部放电源进行定位。

本发明所述的局部放电定位方法，不同于现有技术中基于时差计算定位局部放电源，而是通过在不同位置多次测量局部放电方位角，从而构建位置方程，求解最终获得局部放电位置坐标，相较于传统的时差法计算定位局部放电源，本发明所述的局部放电定位方法精确度更高，且实际应用效果满足精度需求。

此外，相较于原有的基于空间谱计算定位局部放电源的定位方法，本案通过位置方程建立局部放电源位置与局部放电方位角的联系，从而准确精确定位局部放电源的坐标位置。

进一步地，在本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法中，步骤(4)获得第一方位角θ1包括步骤：

(4a)采用位于第一位置的特高频传感器平面阵列接收局部放电源发出的第一局部放电特高频实测时域信号y1(t)，对y1(t)作快速傅里叶变换以将其转换到复数域，得到相应的第一复信号

(4b)构建第一信号空间谱P(θ1)：其中a(θ1)表示第一局部放电特高频实测时域信号的信号导向矢量，a^H(θ1)表示信号导向矢量a(θ1)的共轭矩阵；UN1为相应的第一信号噪声子空间，表示UN1的共轭矩阵；

(4c)对构建的第一信号空间谱P(θ1)进行谱峰搜索，则峰值对应的入射角即为第一方位角θ1。

进一步地，在本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法中，步骤(6)获得第二方位角θ2包括步骤：

(6a)采用位于第二位置的特高频传感器平面阵列接收局部放电源发出的第二局部放电特高频实测时域信号y2(t)，对y2(t)作快速傅里叶变换以将其转换到复数域，得到相应的第二复信号

(6b)构建第二信号空间谱P(θ2)：其中a(θ2)表示第二局部放电特高频实测时域信号的信号导向矢量，a^H(θ2)表示信号导向矢量a(θ2)的共轭矩阵；UN2为相应的第二信号噪声子空间，UN^H2表示UN2的共轭矩阵；

(6c)对构建的第二信号空间谱P(θ2)进行谱峰搜索，则峰值对应的入射角即为第二方位角θ2。

进一步地，在本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法中，获得步骤(4b)中的第一噪声子空间UN1包括步骤：

(1)构建第一复信号的第一协方差矩阵R1：

其中，E{}表示数学期望，，表示对y1(t)作快速傅里叶变换以将其转换到复数域的复信号的共轭，s1(t)与s1^H(t)分别表示第一局部放电特高频局部放电信号实测时域信号y1(t)的信号源矢量及其共轭；v1(t)与v1^H(t)分别表示第一局部放电特高频局部放电信号实测时域信号的噪声矢量及其共轭；RS1与RN1分别表示去除噪声的第一协方差矩阵和第一噪声协方差矩阵，RN1＝σ1²I，其中σ1表示第一噪声功率，I为单位矩阵；

(2)对第一协方差矩阵R1作特征值分解：

R1＝U1Σ1U1^H；

其中U1和U1^H分别表示第一协方差矩阵R1的特征向量及其共轭；Σ1表示第一协方差矩阵R1的特征值组成的对角阵；

计算第一协方差矩阵R1的特征值并将其记为λ1i，且i＝1,2，……N，N+1……，M；

将所有的特征值按照大小排序，得到：

λ11＞λ12＞…λ1N＞λ1(N+1)＝λ1(N+2)＝…＝λ1M＝σ1²；

由此，Σ1按照特征值大小排列被写为：将Σ1分为两个矩阵：由大特征值组成的矩阵以及由小特征值组成的矩阵由此特征向量U1被分解为大特征值对应的特征向量US1以及由小特征值对应的特征向量UN1；

(3)将由小特征值对应的特征向量UN1作为第一噪声子空间UN1。

需要说明的是，在本发明所述的技术方案中，RS1可以通过本领域内现有技术直接获得，例如通过对第一复信号作协方差计算直接获得，因而，在此不再赘述。

进一步地，在本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法中，获得步骤(6b)中的第二噪声子空间UN2包括步骤：

(1)构建第二复信号的第二协方差矩阵R2：

其中，E{}表示数学期望，表示对y2(t)作快速傅里叶变换以将其转换到复数域的复信号的共轭，s2(t)与s2^H(t)分别表示第二局部放电特高频实测时域信号的信号源矢量及其共轭；v2(t)与v2^H(t)分别表示第二局部放电特高频实测时域信号的噪声矢量及其共轭；RS2与RN2分别表示去除噪声的第二信号的协方差矩阵和第二噪声协方差矩阵，RN2＝σ2²I，其中σ2表示第二噪声功率，I为单位矩阵；

(2)对第二协方差矩阵R2作特征值分解：

R2＝U2Σ2U2^H

其中，U2和U2^H分别表示第二协方差矩阵R2的特征向量及其共轭；Σ2表示第二协方差矩阵R2的特征值组成的对角阵；

计算第二协方差矩阵R2的特征值并将其记为λ2i，且i＝1,2，……N，N+1……，M；

将所有的特征值按照大小排序，得到：

λ21＞λ22＞…λ2N＞λ2(N+1)＝λ2(N+2)＝…＝λ2M＝σ2²；

由此，Σ2按照特征值大小排列被写为：将Σ2分为两个矩阵：由大特征值组成的矩阵以及由小特征值组成的矩阵由此特征向量U2被分解为大特征值对应的特征向量US2以及由小特征值对应的特征向量UN2；

(3)将由小特征值对应的特征向量UN2作为第二噪声子空间UN2。

进一步地，在本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法中，所述第一位置为平面坐标系的原点O。

需要说明的是，在本发明所述的技术方案中，RS2可以通过本领域内现有技术直接获得，例如通过对第一复信号作协方差计算直接获得，因而，在此不再赘述。

进一步地，在本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法中，所述特高频传感器平面阵列至少由2×2个特高频传感器构成。

本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法通过将由若干个特高频传感器构成的特高频传感器平面阵列放置于不同位置，接收局部放电特高频局部放电信号，再经过计算例如基于空间谱估计算法获得局部放电方位角，对同一局部放电源在不同位置进行多次方位角测量，最终构建局部放电源位置方程，求解即可获得局部放电源位置坐标。通过该局部放电定位方法能够快速准确地判断局部放电源的位置，所获得的局部放电源的位置误差小，满足实际应用需求。

附图说明

图1显示了本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法在一种实施方式下的特高频传感器平面阵列数学模型。

图2为本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法在一种实施方式下的局部放电定位方法示意图。

图3示意了可使用本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法的局部放电定位系统的结构。

图4显示了图3中的各个特高频传感器接收的特高频局部放电信号。

具体实施方式

下面在对本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法做进一步说明之前，先结合说明书附图说明本发明的基本原理。

图1显示了本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法在一种实施方式下的特高频传感器平面阵列数学模型。

如图1所示，设由M×M个特高频传感器构成的特高频传感器平面阵列，阵列两边均匀分布，其中，一边为x轴，另一边为y轴，特高频传感器位于z＝0平面上。

需要说明的是，x轴上的阵元间隔dx与y轴上的阵元间隔dy可以相等也可以不相等，也就是说，特高频传感器平面阵列虽然在x轴以及y轴的上特高频传感器各自等间距分布，但是x轴与y轴的间距可以不相等。

在特高频传感器平面阵列具有一局部放电源，其距离原点位置为r，与x轴夹角为θ，记为P(r，θ)。为了方便计算，将原点设置为特高频传感器平面阵列中距离P点最远的顶角所在位置。

为了对于局部放电源P进行定位，将极坐标(r，θ)转换为平面坐标系XOY中的坐标(x，y)，并采用图2所示的局部放电定位方法获得P的位置。

图2为本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法在一种实施方式下的局部放电定位方法示意图。

如图2所示，本实施方式中的基于方位角测量的局部放电定位方法包括步骤：

(1)在检测现场设置由2×2个特高频传感器构成的特高频传感器平面阵列，该2×2个特高频传感器在特高频传感器平面阵列内均匀分布；

(2)构建平面坐标系XOY，设局部放电源位于该平面坐标系XOY中的坐标(x，y)处；

(3)将2×2个特高频传感器平面阵列设置在平面坐标系XOY内的第一位置D1，为了方便计算，第一位置定为原点(0，0)，则局部放电源与第一位置的夹角为局部放电第一方位角θ1；

(4)获得第一方位角θ1；

(5)将2×2个特高频传感器平面阵列移动至平面坐标系XOY内的第二位置D2，此时坐标位置为(x2，y2)，则局部放电源与第二位置的夹角为局部放电第二方位角θ2；

(6)获得第二方位角θ2；

(7)基于下述局部放电源的位置方程：

获取局部放电源的坐标(x，y)，以对局部放电源进行定位。

其中，在本实施方式中，步骤(4)还包括如下步骤：

(4a)采用位于第一位置的特高频传感器平面阵列接收局部放电源发出的第一局部放电特高频实测时域信号y1(t)，对y1(t)作快速傅里叶变换以将其转换到复数域，得到相应的第一复信号

(4b)构建第一信号空间谱P(θ1)：其中a(θ1)表示第一局部放电特高频实测时域信号的信号导向矢量，a^H(θ1)表示信号导向矢量a(θ1)的共轭矩阵；UN1为相应的第一信号噪声子空间，表示UN1的共轭矩阵；

(4c)对构建的第一信号空间谱P(θ1)进行谱峰搜索，则峰值对应的入射角即为第一方位角θ1。

而步骤(6)也包括如下步骤：

(6a)采用位于第二位置的特高频传感器平面阵列接收局部放电源发出的第二局部放电特高频实测时域信号y2(t)，对y2(t)作快速傅里叶变换以将其转换到复数域，得到相应的第二复信号

(6b)构建第二信号空间谱P(θ2)：其中a(θ2)表示第二局部放电特高频实测时域信号的信号导向矢量，a^H(θ2)表示信号导向矢量a(θ2)的共轭矩阵；UN2为相应的第二信号噪声子空间，表示UN2的共轭矩阵；

(6c)对构建的第二信号空间谱P(θ2)进行谱峰搜索，则峰值对应的入射角即为第二方位角θ2。

此外，还需要说明的是，获得步骤(4b)中的第一噪声子空间UN1包括步骤：

(1)构建第一复信号的第一协方差矩阵R1：

其中，E{}表示数学期望，表示对y1(t)作快速傅里叶变换以将其转换到复数域的复信号的共轭，s1(t)与s1^H(t)分别表示第一局部放电特高频局部放电信号实测时域信号y1(t)的信号源矢量及其共轭；v1(t)与v1^H(t)分别表示第一局部放电特高频局部放电信号实测时域信号的噪声矢量及其共轭；RS1与RN1分别表示去除噪声的第一协方差矩阵和第一噪声协方差矩阵，RN1＝σ1²I，其中σ1表示第一噪声功率，I为单位矩阵；

(2)对第一协方差矩阵R1作特征值分解：

R1＝U1Σ1U1^H；

其中U1和U1^H分别表示第一协方差矩阵R1的特征向量及其共轭；Σ1表示第一协方差矩阵R1的特征值组成的对角阵；

计算第一协方差矩阵R1的特征值并将其记为λ1i，且i＝1,2，……N，N+1……，M；

将所有的特征值按照大小排序，得到：

λ11＞λ12＞…λ1N＞λ1(N+1)＝λ1(N+2)＝…＝λ1M＝σ1²；

由此，Σ1按照特征值大小排列被写为：将Σ1分为两个矩阵：由大特征值组成的矩阵以及由小特征值组成的矩阵由此特征向量U1被分解为大特征值对应的特征向量US1以及由小特征值对应的特征向量UN1；

(3)将由小特征值对应的特征向量UN1作为第一噪声子空间UN1。

另外，在本实施方式中，获得步骤(6b)中的第二噪声子空间UN2包括步骤：

(1)构建第二复信号的第二协方差矩阵R2：

其中，E{}表示数学期望，表示对y2(t)作快速傅里叶变换以将其转换到复数域的复信号的共轭，s2(t)与s2^H(t)分别表示第二局部放电特高频实测时域信号的信号源矢量及其共轭；v2(t)与v2^H(t)分别表示第二局部放电特高频实测时域信号的噪声矢量及其共轭；RS2与RN2分别表示去除噪声的第二信号的协方差矩阵和第二噪声协方差矩阵，RN2＝σ2²I，其中σ2表示第二噪声功率，I为单位矩阵；

(2)对第二协方差矩阵R2作特征值分解：

R2＝U2Σ2U2^H

其中，U2和U2^H分别表示第二协方差矩阵R2的特征向量及其共轭；Σ2表示第二协方差矩阵R2的特征值组成的对角阵；

计算第二协方差矩阵R2的特征值并将其记为λ2i，且i＝1,2，……N，

N+1……，M；

将所有的特征值按照大小排序，得到：

λ21＞λ22＞…λ2N＞λ2(N+1)＝λ2(N+2)＝…＝λ2M＝σ2²；

由此，Σ2按照特征值大小排列被写为：将Σ2分为两个矩阵：由大特征值组成的矩阵以及由小特征值组成的矩阵由此特征向量U2被分解为大特征值对应的特征向量US2以及由小特征值对应的特征向量UN2；

(3)将由小特征值对应的特征向量UN2作为第二噪声子空间UN2。

RS1与RS2可以通过本领域内现有技术直接获得，因而，在此不再赘述。

需要说明的是，θ1与θ2一般上是不相等的，因此由位置方程确定的方程式有唯一解。当θ1＝θ2时，则局部放电源位于原点与D2所在(x2，y2)同一条直线上，此时将特高频传感器阵列移动至该直线外一点，重新定向并求解位置方程即可得出局部放电源坐标(x，y)。

下面将根据具体实施例及说明书附图对本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法作进一步说明，但是该说明并不构成对本发明技术方案的不当限定。

图3示意了可使用本发明所述的基于方位角测量的局部放电定位方法的局部放电定位系统的结构。

如图3所示，局部放电定位系统包括由特高频传感器S1、S2、S3、S4构成的特高频传感器平面阵列1、预处理单元2、同步采集系统3、数据处理单元4以及向预处理单元2、同步采集系统3以及数据处理单元4供电的电源模块P。其中，特高频传感器S1、S2、S3、S4采用特高频全向天线，其采集特高频局部放电信号，采集到的特高频局部放电信号通过对应的信号通路T1、T2、T3、T4传送到同步采集系统，经由同步采集系统向数据处理单元4传输数据后，数据处理单元4通过如图2所示的基于方位角测量的局部放电定位方法获得发出特高频局部放电信号的信号源的位置。

需要说明的是，该局部放电定位系统所建立的平面坐标系XOY中，原点可以是指特高频传感器S4所在位置，特高频传感器平面阵列1的长为1.6m，其所在的直线作为平面坐标系XOY的x轴，而特高频传感器平面阵列1的宽为1.2m，其所在的直线作为平面坐标系XOY的Y轴。

图4显示了图3中的各个特高频传感器接收的特高频局部放电信号。

如图4所示，图中I、II、III、IV曲线对应于特高频传感器S1、S2、S3、S4所接收到的特高频局部放电信号随时间的变化情况。

采用图3的局部放电定位系统测量获得的局部放电信号的位置结果列于表1中。

表1.

由表1可以看出，通过本案的局部放电定位方法所获得的局部放电信号的坐标位置虽然与实际坐标有一定误差，但该误差较小，能够满足实际应用的需求。需要指出的是，该误差是由于实际存在电磁噪声干扰造成的。

此外，从图1和图2所示的本案的局部放电定位方法的原理，以及图3、图4以及表1所列的数据可以看出，本案的基于方位角测量的局部放电定位方法通过将由若干个特高频传感器构成的特高频传感器平面阵列放置于不同位置，接收局部放电特高频局部放电信号，再经过计算获得局部放电方位角，对同一局部放电源在不同位置进行多次方位角测量，最终构建局部放电源位置方程，求解即可获得局部放电源位置坐标。通过该局部放电定位方法能够快速准确地判断局部放电源的位置，所获得的局部放电源的位置误差小，满足实际应用需求。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

另外，还需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案所记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。