一种电气设备局部放电的定位方法及系统与流程
本发明涉及局部放电带电检测领域，尤其涉及一种电气设备局部放电的定位方法及系统。
背景技术：
高压开关柜、gis(gasinsulatedswitchgcar，气体绝缘组合电器)及变压器等高压电气设备是实现电能输、变、配的核心部件，其绝缘性能与电网坚强密切相关，影响绝缘性能的内部缺陷有自由颗粒、金属突出物、绝缘子金属污染、绝缘子与高压导体间气隙类局部放电等。若高压设备内部存在严重的局部放电现象而不能被检测时，最终由于绝缘性能的破坏而导致设备永久性损坏。
带电检测技术依据正常运行电气设备内部发生局部放电时产生的物理、化学效应而进行检测。主要包括非电检测法和电检测法。非电检测法主要包括超声波检测法(ae法)、光纤检测法、x射线检测法和化学检测法等；电检测法则主要包括无线电干扰电压法、介质损耗分析法、脉冲电流法、暂态地电压检测法(tev法：transientearthvoltage)和特高频局部放电检测法(uhf法:ultrahighfrequency)等。
超声波检测法(ae法)不受电气方面的干扰，但在现场中除了局部放电以外，还存在不少可能引起外壳振动的因素，且针对内部结构比较复杂的电气设备，超声波发生衰减和折反射更为明显，有些绝缘内部的局部放电可能无法被检测到；光纤检测法需要在需要安装多个传感器，且不能用于设备内部的局部放电检测；x射线检测法对人体有一定的伤害，且对现场环境及安全性的要求较高；化学检测法检测结果不受外界电磁干扰的影响，但由于气室内有吸附剂存在，且电气设备中往往多个气室互通等因素，灵敏度较低；无线电干扰电压法和介质损耗分析法都只能定性测量局部放电是否发生，基本不能检测局部放电量的大小；脉冲电流法灵敏度较高，但易受运行现场存在较多电磁干扰，易受耦合电容的影响，可定量分析，但不能定位，不能用于运行中的设备，很难进行现场的检测；暂态地电压检测法原理简单、操作方便、成本较低，但由于工作现场存在大量的电磁干扰，使得其信号有被淹没的可能，所以单一使用暂态地电压检测法进行检测存在一定的局限性；特高频局部放电检测法(uhf法)具有较高的抗干扰能力，灵敏度较高，由于不同类型的局部放电所产生的特高频信号的脉冲幅值、数量、相位分布、频谱不同，具有不同的谱图特征，可根据这些特点判断出绝缘缺陷类型，但此方法容易受到环境中特高频电磁干扰的影响，外置式的特高频传感器对全金属封闭的电力设备无法实施检测，且在进行放电强弱及放电趋势的分析，无法量化，因此单一使用特高频局部放电检测法进行检测存在一定的局限性。
因此，单一使用上述方法来对电气设备的局部放电进行定性分析和准确定位，都具有一定的局限性。目前，采用声电联合定位法进行定位，即通过超声波检测法和特高频检测法的联合方式进行定位，成为近年来现场维护人员关注的焦点，但是大多数局限于某一特定类型的电气设备，而不能推广到多种不同类型的电气设备，且声电联合法采用时延差(timedifferenceofarrival，tdoa)算法联立的方程组进行计算时，会出现无解的情况，得到的最终定位结果的精度也并不能达到期望的要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种电气设备局部放电的定位方法及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种电气设备局部放电的定位方法，包括如下步骤：
步骤1：采用声电联合定位方法对所述异常电气设备中的局部放电源进行定位，得出所述局部放电源位置关联关系的位置方程组；
步骤2：采用粒子群优化算法解算所述位置方程组，得到所述局部放电源的位置；
步骤3：重复步骤1和步骤2，得到多个所述局部放电源的位置，并形成位置样本；
步骤4：采用粒子群优化算法对位置样本进行优化，得到所述局部放电源的优化位置。
本发明的有益效果是：本发明的定位方法适用于不同类型的电气设备局部放电的定位，且利用粒子群优化算法求解声电联合定位方法进行定位所列的位置方程组，解算出局部放电源的位置，避免求解方程组时出现无效解情况，降低电气设备采用声电联合定位方法对时延的依赖性，并利用粒子群优化算法将局部放电源的位置做逼近优化处理，受现场条件影响低，大大提高了定位精度，能广泛用于电气设备的局部放电检测与定位领域。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述步骤1中之前还包括采用超声波检测法、特高频局部放电检测法、高频局部放电检测法、暂态地电压检测法、臭氧浓度分析法、油色谱分析法、光纤检测法、无线电干扰电压法和介质损耗分析法中的至少一种，对所述异常电气设备进行初步检测，确定所述异常电气设备存在局部放电源。
上述进一步方案的有益效果是：采用超声波检测法、特高频局部放电检测法、高频局部放电检测法、暂态地电压检测法、臭氧浓度分析法、油色谱分析法、光纤检测法、无线电干扰电压法和介质损耗分析法中的至少一种，对电气设备做定性检测，确定电气设备异常是由于存在局部放电源，能有效提高检测人员的工作效率，上述初步检测方法为现有技术，具体不再赘述。
进一步：当所述异常电气设备为开关柜时，所述步骤1的具体步骤为：
步骤a11：采用至少一个第一超声波传感器采集所述开关柜的所述局部放电源产生的第一超声波信号，根据所述第一超声波信号确定所述开关柜的局部放电源的第一次定位范围；
步骤a12：采用n+1个第一特高频传感器采集所述第一次定位范围内的所述局部放电源产生的第一特高频信号，n+1≥4，将其中一个第一特高频信号作为第一基准特高频信号，其余n个所述第一特高频信号作为第一检测特高频信号，并分别采集所述第一基准特高频信号的时延t0和所述第一检测特高频信号的时延ti；
步骤a13：建立空间直角坐标系，分别确定所述第一特高频传感器的位置坐标为(xi,yi,zi)，并根据所述第一特高频传感器的位置坐标，以及所述第一基准特高频信号的时延和所述第一检测特高频信号的时延建立第一位置方程组；其中，所述第一位置方程组为：
其中，(x0,y0,z0)为所述第一基准特高频信号对应的所述第一特高频传感器的位置坐标，(x,y,z)为所述局部放电源的位置坐标，v为所述第一特高频信号在介质中的传播速度，ti-t0为采集所述第一检测特高频信号与所述第一基准特高频信号的时延之差。
上述进一步方案的有益效果是：由于开关柜的结构相对比较简单，体积相对较小，局部放电源产生的局放信号在第一超声波传感器的接收范围内，采用第一超声波传感器可以在不受电气方面的干扰情况下，对局部放电源的大致范围进行定位。
再采用n+1个第一特高频传感器在局部放电源的第一次定位范围内进行第二次定位，建立空间坐标系，设置第一基准特高频信号，通过其余n个第一检测特高频信号与第一基准特高频信号之间的时延差以及第一特高频信号的传播速度，可以分别求得每个第一特高频传感器与第一基准特高频信号所对应的第一特高频传感器之间的距离，而通过空间坐标系中的位置坐标，同样可求得每个第一特高频传感器与第一基准特高频信号所对应的第一特高频传感器之间的距离，通过上述关系联立第一方程组，可求得开关柜中的局部放电源的位置坐标；方法简单，易于操作，定位精度高。
进一步：当所述异常电气设备为气体绝缘组合电器或变压器时，所述步骤1中的具体步骤为：
步骤b11：采用至少一个第二特高频传感器采集所述气体绝缘组合电器中的所述局部放电源产生的第二基准特高频信号，采用m个第二超声波传感器采集所述局部放电源产生的第二超声波信号，m≥3，并分别采集所述第二超声波信号的时延tk；
步骤b12：建立空间直角坐标系，确定所述第二超声波传感器的位置坐标为(xk,yk,zk)，并根据所述第二超声波传感器的位置坐标和所述第二超声波信号的时延建立第二位置方程组；其中，所述第二位置方程组为：
其中，(x,y,z)为所述局部放电源的位置坐标，v′为所述第二超声波信号在介质中的传播速度，λ为所述第二超声波信号在介质中的衰减系数，lk为所述第二超声波信号在介质中的衰减距离，tk-λlk为采集所述第二超声波信号与第二基准特高频信号的时延之差。
上述进一步方案的有益效果是：对于气体绝缘组合电器或变压器，可直接采用至少一个第二特高频传感器和至少三个第二超声波传感器进行声电联合定位，由于特高频信号为电磁波信号，电磁波信号在介质中的传播速度(3ⅹ108m/s)远远大于超声波的传播速度(6ⅹ103m/s)，因此可直接将第二特高频传感器采集到的第二基准特高频信号的信号源位置作为局部放电源的位置，至少三个第二超声波信号以第二基准特高频信号为基准，通过每个第二超声波信号的时延与第二超声波信号的传播速度可求得每个第二超声波传感器与局部放电源之间的距离，同样通过空间坐标系中的每个第二超声波传感器的坐标可求得每个第二超声波传感器与局部放电源之间的距离，通过上述关系联立方程组可求得气体绝缘组合电器中的局部放电源的位置坐标，方法简单快捷，操作简单，易于实现，定位精度高；其中由于气体绝缘组合电器中存在内壳和外壳，而内壳和外壳所包含的介质不同，第二超声波在气体绝缘组合电器传播时存在衰减，因此在联立方程组时将衰减因素考虑在内，进一步提高定位精度。
进一步：当所述异常电气设备为变压器时，所述步骤b11之前还包括：
步骤b111：采用至少两个所述第二特高频传感器对所述变压器的局部放电源进行第一次定位，确定所述变压器的局部放电源的初次定位范围；
步骤b112：在所述初次定位范围内采用至少一个所述第二超声波传感器对所述变压器的局部放电源进行第二次定位，确定所述变压器的局部放电源的第二次定位位置。
上述进一步方案的有益效果是：当异常电气设备为变压器时，由于变压器体积较大，结构较为复杂，需要对变压器内部的局部放电源进行第一次定位和第二次定位，而由于超声波传感器的检测范围有限，在第一次定位时采用至少两个第二特高频传感器，可获得变压器内部的局部放电源的大致范围；在局部放电源的大致范围内进行第二次定位时，检测范围与第一次定位时明显缩小，明显降低了定位难度，也使得第二超声波传感器可检测到局部放电源的超声波信号，通过第二次定位再次缩小局部放电源的检测范围，以便后续按照气体绝缘组合电器的声电联合定位方法进行再次定位，获得更为准确的所述变压器的局部放电源的位置坐标，大大提高定位精度。
进一步：所述步骤2的具体步骤为：
步骤21：随机选择两个所述第一特高频传感器或所述第二超声波传感器，根据所述第一位置方程组得出两个所述第一特高频传感器分别与所述局部放电源之间的距离之差的第一距离函数，或根据所述第二位置方程组得出两个所述第二超声波传感器分别与所述局部放电源之间的距离之差的第一距离函数，并建立第一粒子群优化算法模型；其中，所述第一距离函数为：
f(p)＝|cδt-|||s1-p||2-||s2-p||2||
p为所述局部放电源的位置，s1、s2为两个所述第一特高频传感器或所述第二超声波传感器的位置，c为所述第一特高频检测信号或所述第二超声波信号在介质中的传播速度，δt为所述第一检测特高频信号与所述第一基准特高频信号的时延之差，或所述第二超声波信号与第二基准特高频信号的时延之差，||·||2为欧式范数，|||sh-p||2-||sj-p||2|为两个所述第一特高频传感器分别与所述局部放电源之间的距离之差，或两个所述第二超声波传感器分别与所述局部放电源之间的距离之差；
步骤22：将所述局部放电源的位置确定为第一粒子群搜索目标，并将所述第一距离函数等效变换为
步骤23：对所述第一寻优函数进行全局搜索，寻找所述第一寻优函数的最小值，根据所述第一寻优函数的最小值确定所述局部放电源的位置。
上述进一步方案的有益效果是：为确定局部放电源的位置坐标所联立的方程组，在求解时会出现无效解情况，例如复数解，因此为避免出现无效解，采用粒子群优化算法进行求解方程组，随机选择两个第一特高频传感器或第二超声波传感器，根据第一位置方程组中等式左右两边的两种方法求得的两个第一特高频传感器与局部放电源之间的距离之差，或第二位置方程组中等式左右两边的两种方法求得的第二超声波传感器与局部放电源之间的距离之差，列出第一距离函数，并将其推广到一般形式第一距离函数和进行等效变换，得到的函数作为第一寻优函数，该寻优函数的值越小，则第一位置方程组或第二位置方程组中两种方法求得的距离之差越接近，所求解的局部放电源的位置坐标越接近真实的局部放电源，其中欧式范数表示空间内两点的距离(向量的模长)。采用粒子群优化算法进行求解方程组，不仅避免了出现无效解情况，降低了电气设备采用声电联合定位方法对时延的依赖性，而且大大提高了所求解的局部放电源的位置坐标的准确性，大大提高了定位精度。
进一步：所述步骤4中的具体步骤为：
步骤41：根据n+1个所述第一特高频传感器分别与所述位置样本中的所述局部放电源之间的模拟直线，或m个所述第二超声波传感器分别与所述位置样本中的所述局部放电源之间的模拟直线，建立第二粒子群优化算法模型；其中，所述模拟直线的方程为：
(x0′,y0′,z0′)为任一个所述第一特高频传感器或所述第二超声波传感器的位置坐标，(xr,yr,zr)为所述位置样本中的第r个局部放电源pr的位置坐标；
步骤42：将所述局部放电源的优化位置确定为第二粒子群搜索目标，并将所述局部放电源的优化位置与所述模拟直线之间的第二距离函数确定为第二寻优函数；其中，所述第二距离函数为：
t为所述位置样本中局部放电源的的总个数，p′为所述局部放电源的优化位置，ss为第s个所述第一特高频传感器或所述第二超声波传感器的位置，drs为所述局部放电源的优化位置到所述局部放电源的位置样本中的第r个局部放电源与第s个所述第一特高频传感器之间的模拟直线的距离，或到第r个局部放电源与第s个所述第二超声波传感器之间的模拟直线的距离；
步骤43：对所述第二寻优函数进行全局搜索，寻找所述第二寻优函数的最小值，根据所述第二寻优函数的最小值确定所述局部放电源的优化位置。
上述进一步方案的有益效果是：通过多次采用声电联合定位方法和粒子群优化算法求解出多个局部放电源的位置坐标，并作为局部放电源的位置样本，由于位置样本中的位置坐标与局部放电源的优化位置的坐标有一定的误差，因此将局部放电源的优化位置确定为第二粒子群搜索目标，将局部放电源的优化位置与模拟直线之间的第二距离函数确定为第二寻优函数，当第二寻优函数值越小，则多个局部放电源的位置坐标与局部放电源的优化位置的坐标越接近重合，则所得到的局部放电源的位置越接近真实局部放电源，定位精度越高，利用粒子群优化算法将局部放电源的位置做逼近处理，受现场条件影响低，大大提高了定位精度。
为了解决本发明的技术问题，还提供了一种电气设备局部放电的定位系统，包括局部放电源、多个超声波传感器、多个特高频传感器、多通道数据采集器、无线收发器、处理器和同轴电缆，所述超声波传感器和所述特高频传感器均通过所述同轴电缆与所述多通道数据采集器电连接，所述无线收发器分别与所述多通道数据采集器和所述处理器无线连接；
所述超声波传感器用于采集所述局部放电源产生的超声波信号；所述特高频传感器用于采集所述局部放电源产生的特高频信号；所述多通道数据采集器用于接收所述超声波信号和所述特高频信号；所述无线收发器用于将所述多通道数据采集器接收到的所述超声波信号和所述特高频信号发送至所述处理器；所述处理器用于根据所述超声波信号和所述特高频信号进行声电联合定位，得到所述局部放电源位置关联关系的位置方程组，并采用粒子群优化算法求解所述位置方程组，得到所述局部放电源的位置；所述处理器还用于将多次采用粒子群优化算法求解出的多个所述局部放电源的位置作为位置样本，并采用粒子群优化算法对所述位置样本进行优化，得到所述局部放电源的优化位置。
本发明的有益效果是：适用于不同类型的电气设备局部放电的定位，且利用粒子群优化算法求解方程组，计算出局部放电源的位置，避免求解方程组时出现无效解情况，降低电气设备采用声电联合定位方法对时延的依赖性，并利用粒子群优化算法将位置样本中的局部放电源的位置做逼近优化处理，受现场条件影响低，大大提高了定位精度。
进一步：还包括局放源检测装置，所述局放源检测装置与所述处理器电连接，所述局放源检测装置用于采用超声波检测法、特高频局部放电检测法、高频局部放电检测法、暂态地电压检测法、臭氧浓度分析法、油色谱分析法、光纤检测法、无线电干扰电压法和介质损耗分析法中的至少一种，对异常电气设备进行初步检测，确定所述异常电气设备存在局部放电源。
上述进一步方案的有益效果是：通过局放源检测装置对电气设备做定性检测，确定电气设备异常是由于存在局部放电源，能有效提高检测人员的工作效率。
进一步：当所述局部放电源在开关柜中时，多个所述超声波传感器包括至少一个第一超声波传感器，多个所述特高频传感器包括n+1个第一特高频传感器，且n+1≥4，所述第一超声波传感器用于采集所述开关柜中的所述局部放电源产生的第一超声波信号，所述第一特高频传感器用于采集所述开关柜中的所述局部放电源产生的第一特高频信号；
当所述局部放电源在气体绝缘组合电器中时，多个所述特高频传感器包括至少一个第二特高频传感器，多个所述超声波传感器包括设在同一圆形平面的m个第二超声波传感器，m≥3，所述第二特高频传感器用于采集所述气体绝缘组合电器中的所述局部放电源产生的第二基准特高频信号，所述第二超声波传感器用于采集所述气体绝缘组合电器中的所述局部放电源产生的第二超声波信号；
当所述局部放电源在变压器中时，多个所述特高频传感器包括至少两个所述第二特高频传感器，多个所述超声波传感器包括设在同一圆形平面的m个第二超声波传感器，m≥3，至少两个所述第二特高频传感器用于对所述变压器中的所述局部放电源进行第一次定位，至少一个所述第二超声波传感器用于对所述第一次定位后所述变压器中的局部放电源进行第二次定位，至少一个所述第二特高频传感器还用于采集所述变压器中的所述局部放电源产生的第二基准特高频信号，m个所述第二超声波传感器还用于采集所述变压器中的所述局部放电源产生的第二超声波信号。
上述进一步方案的有益效果是：本发明的定位系统，针对不同类型的电气设备，采用不同数目的特高频传感器和超声波传感器进行多次声电联合定位，适用范围广泛，易于操作，大大提高了定位精度。
附图说明
图1为本发明一种电气设备局部放电的定位方法流程示意图；
图2为本发明一种电气设备局部放电的定位系统的电连接示意图；
图3为本发明实施例三的结构示意图；
图4为本发明实施例三的第二粒子群优化算法模型图；
图5为本发明实施例三的采用粒子群优化算法对局部放电源的位置样本进行优化的收敛轨迹图；
图6为本发明实施例四的结构示意图；
图7-1为本发明实施例四的第二基准特高频信号图；
图7-2本发明实施例四的第一个第二超声波信号图；
图7-3本发明实施例四的第二个第二超声波信号图；
图7-4本发明实施例四的第三个第二超声波信号图；
图8为本发明实施例四的采用粒子群优化算法对局部放电源的位置样本进行优化的收敛轨迹图；
图9为本发明实施例五的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
下面结合附图，对本发明进行说明。
实施例一、如图1所示，图1为一种电气设备局部放电的定位方法流程示意图。
一种电气设备局部放电的定位方法，包括如下步骤：
s1：采用声电联合定位方法对异常电气设备中的局部放电源进行定位，得到所述局部放电源位置关联关系的位置方程组；
s2：采用粒子群优化算法解算所述位置方程组，得到所述局部放电源的位置；
s3：重复s1和s2，得到多个所述局部放电源的位置，并形成位置样本；
s4：采用粒子群优化算法对所述位置样本进行优化，得到所述局部放电源的优化位置。
本发明的定位方法适用于不同类型的电气设备局部放电的定位，且利用粒子群优化算法求解声电联合定位方法进行定位所列的位置方程组，计算出局部放电源的位置，避免求解方程组时出现无效解情况，降低电气设备采用声电联合定位方法对时延的依赖性，并利用粒子群优化算法将局部放电源的位置做逼近处理，受现场条件影响低，大大提高了定位精度，能广泛用于电气设备的局部放电检测与定位领域。
优选地，s1中之前还包括采用超声波检测法、特高频局部放电检测法、高频局部放电检测法、暂态地电压检测法、臭氧浓度分析法、油色谱分析法、光纤检测法、无线电干扰电压法和介质损耗分析法中的至少一种，对所述异常电气设备进行初步检测，确定所述异常电气设备存在局部放电源。
采用超声波检测法、特高频局部放电检测法、高频局部放电检测法、暂态地电压检测法、臭氧浓度分析法、油色谱分析法、光纤检测法、无线电干扰电压法和介质损耗分析法中的至少一种，对电气设备做定性检测，确定电气设备异常是由于存在局部放电源，能有效提高检测人员的工作效率。
实施例二、如图2所示，图2为本发明一种电气设备局部放电的定位系统的电连接示意图。
一种电气设备局部放电的定位系统，包括局部放电源、多个超声波传感器、多个特高频传感器、多通道数据采集器、无线收发器、处理器和同轴电缆，所述超声波传感器和所述特高频传感器均通过所述同轴电缆与所述多通道数据采集器电连接，所述无线收发器分别与所述多通道数据采集器和所述处理器无线连接；
所述超声波传感器用于采集所述局部放电源的超声波信号；所述特高频传感器用于采集所述局部放电源的特高频信号；所述多通道数据采集器用于接收所述超声波信号和所述特高频信号；所述无线收发器用于将所述多通道数据采集器接收到的所述超声波信号和所述特高频信号发送至所述处理器；所述处理器用于根据所述超声波信号和所述特高频信号进行声电联合定位，得到所述局部放电源位置关联关系的位置方程组，并采用粒子群优化算法解算所述位置方程组，得到所述局部放电源的位置；所述处理器还用于将多次采用粒子群优化算法计算出的多个所述局部放电源的位置作为位置样本，并采用粒子群优化算法对所述位置样本进行优化，得到所述局部放电源的优化位置。
本发明的定位系统适用于不同类型的电气设备局部放电的定位，且利用粒子群优化算法求解方程组，计算出局部放电源的位置，避免求解方程组时出现无效解情况，降低电气设备采用声电联合定位方法对时延的依赖性，并利用粒子群优化算法将局部放电源的位置做逼近处理，受现场条件影响低，大大提高了定位精度。
优选地，还包括局放源检测装置，所述局放源检测装置与所述处理器电连接，所述局放源检测装置用于采用超声波检测法、特高频局部放电检测法、高频局部放电检测法、暂态地电压检测法、臭氧浓度分析法、油色谱分析法、光纤检测法、无线电干扰电压法和介质损耗分析法中的至少一种，确定所述异常电气设备存在局部放电源。通过局放源检测装置对电气设备做定性检测，确定电气设备异常是由于存在局部放电源，能有效提高检测人员的工作效率。
优选地，当所述局部放电源在开关柜中时，多个所述超声波传感器包括至少一个第一超声波传感器，多个所述特高频传感器包括n+1个第一特高频传感器，且n+1≥4，所述第一超声波传感器用于采集所述开关柜中的所述局部放电源产生的第一超声波信号，所述第一特高频传感器用于采集所述开关柜中的所述局部放电源产生的第一特高频信号；
当所述局部放电源在气体绝缘组合电器中时，多个所述特高频传感器包括至少一个第二特高频传感器，多个所述超声波传感器包括设在同一圆形平面的m个第二超声波传感器，m≥3，所述第二特高频传感器用于采集所述气体绝缘组合电器中的所述局部放电源产生的第二基准特高频信号，所述第二超声波传感器用于采集所述气体绝缘组合电器中的所述局部放电源产生的第二超声波信号；
当所述局部放电源在变压器中时，多个所述特高频传感器包括至少两个所述第二特高频传感器，多个所述超声波传感器包括设在同一圆形平面的m个第二超声波传感器，m≥3，至少两个所述第二特高频传感器用于对所述变压器中的所述局部放电源进行第一次定位，至少一个所述第二超声波传感器用于对所述第一次定位后所述变压器中的局部放电源进行第二次定位，至少一个所述第二特高频传感器还用于采集所述变压器中的所述局部放电源产生的第二基准特高频信号，m个所述第二超声波传感器还用于采集所述变压器中的所述局部放电源产生的第二超声波信号。
本发明的定位系统，针对不同类型的电气设备，采用不同数目的特高频传感器和超声波传感器进行多次声电联合定位，适用范围广泛，易于操作，大大提高了定位精度。
优选地，还包括检波器，所述检波器分别与所述超声波传感器、所述特高频传感器和所述多通道数据采集器电连接，所述检波器用于对所述特高频信号或所述超声波信号进行检波处理，并发送至所述多通道数据采集器。通过检波器对信号进行检波，便于多通道数据采集器接收到信号。
优选地，还包括滤波放大器，所述滤波放大器分别与所述超声波传感器、所述特高频传感器和所述多通道数据采集器电连接，所述滤波放大器用于对所述特高频信号或所述超声波信号进行滤波处理，并发送至所述多通道数据采集器。通过滤波放大器的滤波处理，可以有效滤除干扰信号，并对信号进行放大，便于多通道数据采集器接收到信号，提高信号的准确性，整体上提高定位精度。
实施例三、如图3所示，图3为本发明实施例三的结构示意图。
本实施例的异常电气设备为开关柜，所述开关柜的局部放电的定位系统包括局部放电源、一个第一超声波传感器、四个第一特高频传感器、示波器、无线收发器、处理器和同轴电缆，一个所述第一超声波传感器通过所述同轴电缆与所述多通道数据采集器电连接，四个所述第一特高频传感器分别通过所述同轴电缆与所述多通道数据采集器电连接，所述无线收发器分别与所述多通道数据采集器和所述处理器无线连接；还包括局放源检测装置，所述局放源检测装置与所述处理器电连接。
本实施例的局部放电的定位方法包括以下步骤：
sa1：采用超声波检测法、特高频局部放电检测法、高频局部放电检测法和暂态地电压检测法中的至少一种，对开关柜进行初步检测，确定所述开关柜存在局部放电源；
本实施例的开关柜通过初步检测，确定开关柜存在局部放电源，初步检测的方法为现有技术，具体不再赘述。本实施例的定位系统的未尽细节，参考实施例二的具体描述。
sa2：采用声电联合定位方法对所述开关柜中的局部放电源进行定位，得到所述局部放电源位置关联关系的位置方程组；具体步骤如下：
sa21：采用一个所述第一超声波传感器采集所述开关柜中的所述局部放电源产生的第一超声波信号，根据所述第一超声波信号确定所述局部放电源的第一次定位范围；
本实施例的开关柜通过第一次定位后，确定的局部放电源的第一次定位范围为图3所示，其中采用一个第一超声波传感器进行第一次定位的方法为现有技术，具体不再赘述。
sa22：采用四个第一特高频传感器采集所述第一次定位范围内的所述局部放电源产生的第一特高频信号，将其中一个第一特高频信号作为第一基准特高频信号，其余三个作为第一检测特高频信号，并分别采集所述第一基准特高频信号的时延t0和所述第一检测特高频信号的时延ti；
本实施例中将四个第一特高频传感器分别置于局部放电源的第一次定位范围的四个角的位置，第一基准特高频信号对应的第一特高频传感器设为uhf0，其余三个第一特高频传感器分别设为uhf1、uhf2和uhf3。
sa23：建立空间直角坐标系，分别确定所述第一特高频传感器的位置坐标为(xi,yi,zi)，并根据所述第一特高频传感器的位置坐标，以及所述第一基准特高频信号的时延和所述第一检测特高频信号的时延建立第一方程组；
所述第一方程组为：
其中，(x0,y0,z0)为uhf0的位置坐标，(x,y,z)为所述局部放电源p的位置坐标，v为所述第一特高频信号在真空中的传播速度，ti-t0为所述第一检测特高频信号与所述第一基准特高频信号的时延之差；
本实施例将uhf0的位置坐标s0作为原点，其余三个第一特高频传感器的位置坐标分别为s1、s2和s3，得到s0(0,0,0)、s1(75.0,0,0)、s2(75,0,100)和s3(0,0,100)。通过uhf1、uhf2和uhf3所采集的第一特高频信号与uhf0所采集的第一基准特高频信号之间的时延差以及第一特高频信号的传播速度，可以求得uhf1、uhf2和uhf3分别与uhf0之间的距离，且通过空间直角坐标系的坐标可分别求得uhf1、uhf2和uhf3与uhf0之间的距离，通过上述关系联立第一方程组，可求得开关柜中的局部放电源的位置坐标；方法及原理简单，易于操作，定位精度高。
sa3：采用粒子群优化算法解算所述位置方程组，得到所述局部放电源的位置；具体步骤如下：
sa31：随机选择两个所述第一特高频传感器，根据所述第一位置方程组得出两个所述第一特高频传感器与所述局部放电源之间的距离之差的第一距离函数，并建立第一粒子群优化算法模型；其中，所述第一距离函数为：
f(p)＝|cδt-|||s1-p||2-||s2-p||2||
c在本实施例中为所述第一特高频检测信号在介质中的传播速度，δt为所述第一检测特高频信号与所述第一基准特高频信号的时延之差，p为所述开关柜中的局部放电源的位置，s1、s2为两个所述第一特高频传感器的位置，|||sh-p||2-||sj-p||2|为两个所述第一特高频传感器分别与所述局部放电源之间的距离之差；
sa32：将所述局部放电源的位置确定为第一粒子群搜索目标，并将所述第一距离函数推广到一般形式第一距离函数：
sa33：对所述第一寻优函数进行全局搜索，寻找所述第一寻优函数的最小值，根据所述第一寻优函数的最小值确定所述局部放电源的位置。
采用粒子群优化算法进行求解方程组，不仅避免了出现无效解情况，降低了电气设备采用声电联合定位方法对时延的依赖性，而且大大提高了所求解的局部放电源的位置坐标的准确性，大大提高了定位精度。本实施例通过粒子群优化算法计算出局部放电源的位置坐标为p(34.0,45.0,32.0)。
sa4：重复sa21-sa23和sa31-sa33，得到多个所述局部放电源的位置，并形成位置样本。本实施例重复定位计算17次，得到的局部放电源的位置样本如表1所示。
表1粒子群优化算法计算开关柜的局部放电源的位置样本
由表1可知，单独一次定位所求得的局部放电源坐标结果的定位偏差较大，如第4次定位偏差为19.15cm，第17次定位偏差为7.24cm，主要原因为定位过程中设备自身抗干扰能力较弱以及白噪声、混频信号等干扰导致定位过程中信号起始沿不易捕捉，因此需要再度优化，减小定位偏差。
sa5：采用粒子群优化算法对所述局部放电源的位置样本进行优化，得到所述局部放电源的优化位置；具体步骤如下：
sa51：根据四个所述第一特高频传感器分别与所述位置样本中的所述局部放电源之间的模拟直线建立第二粒子群优化算法模型；其中，所述模拟直线的方程为：
(x0′,y0′,z0′)为任一个所述第一特高频传感器的位置坐标，(xr,yr,zr)为所述位置样本中的第r个局部放电源pr的位置；本实施例的第二粒子群优化算法模型如图4所示。
sa52：将所述局部放电源的优化位置确定为第二粒子群搜索目标，并根据所述局部放电源的优化位置与所述模拟直线之间的第二距离函数确定为第二寻优函数；其中，所述第二距离函数为：
t为所述局部放电源的位置样本的总个数(本实施例中为17)，l为所述第一特高频传感器的总个数(本实例中为4)，p′为所述局部放电源的优化位置，ss为第s个所述第一特高频传感器的位置，drs为p′到所述位置样本中的第r个局部放电源与第s个所述第一特高频传感器之间的模拟直线的距离；
sa53：对所述第二寻优函数进行全局搜索，寻找所述第二寻优函数的最小值，根据所述第二寻优函数的最小值确定所述局部放电源的优化位置。
当第二寻优函数值越小，则样本中的的位置坐标与局部放电源的优化位置坐标越接近重合，则所得到的局部放电源的位置越接近真实局部放电源，定位精度越高，利用粒子群优化算法将局部放电源的位置做逼近处理，受现场条件影响低，大大提高了定位精度。
依据上述方法，本实施例中采用粒子群优化算法对局部放电源的位置样本进行优化的收敛轨迹如图5所示，根据收敛轨迹，第二寻优函数的最小值为292.3cm，最终求得的开关柜中的局部放电源的位置坐标为p′(29.4,38.9,35.4)，定位偏差由原来的单次定位偏差最大值19.15cm降至7.76cm，整体上大幅度提高了定位精度。
实施例四、如图6所示，图6为本发明实施例四的结构示意图。
本实施例的异常电气设备为气体绝缘组合电器，所述气体绝缘组合电器的局部放电的定位系统包括局部放电源、一个第二特高频传感器、三个第二超声波传感器、示波器、无线收发器、处理器和同轴电缆，一个所述第二特高频传感器通过所述同轴电缆与所述多通道数据采集器电连接，三个所述第二超声波传感器分别通过所述同轴电缆与所述多通道数据采集器电连接，所述无线收发器分别与所述多通道数据采集器和所述处理器无线连接；还包括局放源检测装置，所述局放源检测装置与所述处理器电连接。
本实施例定位系统的未尽细节，参考实施例二的具体描述。
本实施例的局部放电的定位方法包括以下步骤：
sb1：采用超声波检测法、特高频局部放电检测法、高频局部放电检测法和暂态地电压检测法中的至少一种，对气体绝缘组合电器进行初步检测，确定所述气体绝缘组合电器存在局部放电源；
本实施例的气体绝缘组合电器为隔离刀闸，局放源检测装置分别采用ec4000p局部放电测试仪与aia-1超声波局部放电分析仪对异常位置进行特高频与超声波局部放电信号检测，综合判断该隔离刀闸处存在悬浮放电。
sb2：采用声电联合定位方法对所述气体绝缘组合电器中的局部放电源进行定位，得到所述局部放电源位置关联关系的位置方程组；具体步骤如下：
sb21:采用一个第二特高频传感器采集所述气体绝缘组合电器中的所述局部放电源产生的第二基准特高频信号，采用三个第二超声波传感器采集所述局部放电源产生的第二超声波信号，并分别采集所述第二超声波信号的时延tk；
本实施例中将特高频传感器置于隔离刀闸与发生局部放电的盆式绝缘子最接近的浇注口，三个超声波传感器置于盆式绝缘子外延的一个圆形平面上，且其中两个超声波传感器为所述圆形平面的一条直径上的两端，第三个超声波传感器与所述两个超声波传感器相互间隔90°。通过一个第二特高频传感器和三个第二超声波传感器的安装，便于后续更精确地采集第二基准特高频信号和第二超声波信号，便于计算得到局部放电源的位置坐标。
本实施中所采集到的第二基准特高频信号和三个第二超声波信号如图7-1～图7-4所示，图7-1为第二基准特高频信号，图7-2～图7-4分别为三个第二超声波信号。
sb22：建立空间直角坐标系，确定所述第二超声波传感器的位置坐标为(xk,yk,zk)，并根据所述第二超声波传感器的位置坐标和所述第二超声波信号的时延建立第二位置方程组；其中，所述第二位置方程组为：
其中，(x,y,z)为所述局部放电源的位置坐标，v′为所述第二超声波信号在介质中的传播速度，λ为所述第二超声波信号在介质中的衰减系数，lk为所述第二超声波信号在介质中的衰减距离，tk-λlk为采集所述第二超声波信号与第二基准特高频信号的时延之差。
本实施例中，以垂直于所述圆形平面的方向为z轴，以所述圆形平面一条直径上的两个第二超声波传感器的连线方向为y轴，以原点指向所述第三个第二超声波传感器的方向为x轴负向，如图6所示。设三个超声波传感器分别为ae1、ae2和ae3，则ae1、ae2和ae3在空间直径坐标系中的位置坐标分别为s1(0,23,0)、s2(-23,0,0,)和s3(0,-23,0),本实施例的λ为隔离刀闸中的盆式绝缘子内壳内的介质和外壳内的介质的传播速度比，lk为盆式绝缘子的厚度。
对于气体绝缘组合电器，直接将第二特高频传感器采集到的第二基准特高频信号的信号源位置作为局部放电源的位置，三个第二超声波信号以第二基准特高频信号为基准，通过每个第二超声波信号的时延与第二超声波信号的传播速度可求得每个第二超声波传感器与局部放电源之间的距离，同样通过空间坐标系可求得每个第二超声波传感器与局部放电源之间的距离，联立方程组并依据图7-1～图7-4所示的第二基准特高频信号和第二超声波信号，以及三个第二超声波信号的位置坐标，求得气体绝缘组合电器中的局部放电源的位置坐标，方法简单快捷，操作简单，易于实现，定位精度高；且在联立方程组时将衰减因素考虑在内，进一步提高定位精度。
sb3：采用粒子群优化算法解算所述位置方程组，得到所述局部放电源的位置；具体步骤如下：
sb31：随机选择两个所述第二超声波传感器，根据所述第二位置方程组得出两个所述第二超声波传感器与所述局部放电源之间的距离之差的第一距离函数，并建立第一粒子群优化算法模型；其中，所述第一距离函数为：
f(p)＝|cδt-|||s1-p||2-||s2-p||2||
c在本实施例中为所述第二超声波信号在介质中的传播速度，δt为所述第二超声波信号与第二基准特高频信号的时延之差，p为所述局部放电源的位置，s1、s2为两个所述第二超声波传感器的位置，|||sh-p||2-||sj-p||2|为两个所述第二超声波传感器分别与所述局部放电源之间的距离之差；
sb32：将所述局部放电源的位置确定为第一粒子群搜索目标，并将所述第一距离函数等效变换为
sb33：对所述第一寻优函数进行全局搜索，寻找所述第一寻优函数的最小值，根据所述第一寻优函数的最小值确定所述局部放电源的位置。
为避免出现无效解，采用粒子群优化算法进行求解方程组，将随机选择的两个第二超声波传感器与局部放电源之间的第一距离函数推广到一般形式第一距离函数，并进行等效变换，得到的函数作为寻优函数，该寻优函数的值越小，则所求解的局部放电源的位置坐标越接近真实的局部放电源，采用粒子群优化算法进行求解方程组，不仅避免了出现无效解情况，降低了电气设备采用声电联合定位方法对时延的依赖性，而且大大提高了所求解的局部放电源的位置坐标的准确性，大大提高了定位精度。
sb4：重复sb21-sb22和sb31-sb33，得到多个所述局部放电源的位置，并形成位置样本。本实施例重复定位计算10次，得到的位置样本如表2所示。
表2粒子群优化算法计算气体绝缘组合电器的局部放电源的位置样本
sb5：采用粒子群优化算法对所述位置样本进行优化，得到所述局部放电源的优化位置；具体步骤为：
sb51：根据三个所述第二超声波传感器分别与所述位置样本中的所述局部放电源之间的模拟直线建立第二粒子群优化算法模型；其中，所述模拟直线的方程为：
(x0′,y0′,z0′)为任一个所述第二超声波传感器的位置坐标，(xr,yr,zr)为所述位置样本中的第r个局部放电源的位置；
sb52：将所述局部放电源的优化位置确定为第二粒子群搜索目标，并根据所述局部放电源的优化位置与所述模拟直线之间的第二距离函数确定为第二寻优函数；其中，所述第二距离函数为：
t为所述局部放电源的位置样本的总个数(本实施例中为10)，l为所述第一特高频传感器的总个数(本实例中为3)，p′为所述局部放电源的优化位置，drs为所述局部放电源的优化位置到所述位置样本中的第r个局部放电源与第s个所述第二超声波传感器之间的模拟直线的距离；
sb53：对所述第二寻优函数进行全局搜索，寻找所述第二寻优函数的最小值，根据所述第二寻优函数的最小值确定所述局部放电源的优化位置。
依据上述方法，本实施例中采用粒子群优化算法对局部放电源的位置样本进行优化的收敛轨迹如图8所示，根据收敛轨迹，最终求得的气体绝缘组合电器中的局部放电源的优化位置坐标为p′(-13.41,8.96,6.01)。
实施例五、如图9所示，图9为本发明实施例五的结构示意图。
本实施例的异常电气设备为变压器，所述变压器的局部放电的定位系统包括局部放电源、两个第二特高频传感器、三个第二超声波传感器、示波器、无线收发器、处理器和同轴电缆，两个所述第二特高频传感器通过所述同轴电缆与所述多通道数据采集器电连接，三个所述第二超声波传感器分别通过所述同轴电缆与所述多通道数据采集器电连接，所述无线收发器分别与所述多通道数据采集器和所述处理器无线连接；还包括局放源检测装置，所述局放源检测装置与所述处理器电连接。
本实施例中定位系统的未尽细节，参考实施例二的具体描述。
本实施例的局部放电的定位方法包括以下步骤：
sc1：采用超声波检测法、特高频局部放电检测法、高频局部放电检测法和暂态地电压检测法中的至少一种，对气体绝缘组合电器进行初步检测，确定所述气体绝缘组合电器存在局部放电源；
本实施例局放源检测装置分别采用ec4000p局部放电测试仪与aia-1超声波局部放电分析仪对异常位置进行特高频与超声波局部放电信号检测，综合判断该变压器存在悬浮放电，具体初步检测方法为现有技术，具体不再赘述。
sc2：采用声电联合定位方法对所述变压器中的局部放电源进行定位，得到所述局部放电源位置关联关系的位置方程组；具体步骤如下：
sc21：采用两个所述第二特高频传感器对所述变压器的局部放电源进行第一次定位，确定所述变压器的局部放电源的初次定位范围；
sc22：在所述初次定位范围内采用一个所述第二超声波传感器对所述第一次定位后所述变压器的局部放电源进行第二次定位，确定所述变压器的局部放电源的第二次定位位置。
由于变压器体积较大，结构较为复杂，因此在进行如气体绝缘组合电器的声电联合定位之前还需要对变压器内部的局部放电源进行第一次定位和第二次定位，由于超声波传感器的检测范围有限，在第一次定位时采用两个第二特高频传感器，可获得变压器内部的局部放电源的大致范围；在局部放电源的大致范围内进行第二次定位，检测范围与第一次定位明显缩小，明显降低了定位难度，以使符合第二超声波传感器的检测范围，通过第二次定位再次缩小局部放电源的检测范围，以便后续按照气体绝缘组合电器的声电联合定位方法进行再次定位，获得更为准确的变压器的局部放电源的位置坐标，大大提高定位精度。其中，本实施例中的第一次定位和第二次定位的具体方法为现有技术，具体不再赘述。
本实施例经过第一次定位和第二次定位后获得的变压器的局部放电源的第二次定位位置如图9所示。如图9所示，将一个第二特高频传感器置于距离局部放电源较近的盆式绝缘子处，并将三个第二超声波传感器置于盆式绝缘子外延的一个圆形平面上，且所述三个第二超声波传感器相互间隔120°。
通过一个第二特高频传感器和三个第二超声波传感器的安装，便于后续更精确地采集第二基准特高频信号和第二超声波信号，便于计算得到局部放电源的位置坐标。
sc23：采用如实施例四所示的方法sb21-sb22对所述变压器第二次定位后的局部放电源进行定位，得到所述局部放电源位置关联关系的位置方程组；
sc3：采用如实施例四所示的方法sb31-sb33解算所述位置方程组，得到所述局部放电源的位置；
sb21-sb22和sb31-sb33的未尽细节，参考本发明实施例四的具体描述。
sc4：重复sc21-sc23和sc3，得到多个所述局部放电源的位置，并形成位置样本；
sc5：采用如实施例四所示的方法sb5对所述局部放电源的位置样本进行优化，得到所述局部放电源的优化位置。
sb5的未尽细节，参考本发明实施例四的具体描述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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