基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，属于 电力设备状态监测技术领域。
【背景技术】
[0002] 高压开关柜广泛应用于输、配电网领域，其安全运行直接关系到整个电网的安全 和电力系统对用户的供电质量，是电力系统中最重要的电气设备之一。开关柜设备局部放 电量的大小，是评价该类设备健康状态是否良好的关键指标。开关柜局部放电源的定位与 重构，对及早发现开关柜设备绝缘隐患，保障开关柜设备运行安全具有重要作用。在设备制 造、运输W及运行过程中，开关柜内部不可避免会产生绝缘缺陷并引发局部放电，严重影响 开关柜的可靠运行。因此，局部放电源的分析与诊断一直是开关柜状态评估的重要内容，能 够为制定合理的开关柜维护与检修策略提供参考依据。
[0003] 准确检测并评估开关柜局部放电位置、放电类型和发展程度，可有效减少设备维 护成本，实现设备故障预判，针对性制定设备检修策略。但由于开关柜结构复杂，内部元件 种类多样、数量繁多，局部放电信号在开关柜内部传播过程中存在不同程度的折射、反射、 衍射，造成信号崎变、衰减，对开关柜局部放电检测与诊断技术带来极大挑战。如何排除开 关柜内部复杂的结构、元件对检测信号带来的崎变、衰减等的干扰，是目前开关柜局部放电 源的准确定位与检测的关键难点。一方面由于开关柜结构复杂，传统的基于时差法的局部 放电源定位方法，无法考虑到超高频信号在开关柜内部的折反射及散射，导致局放源定位 精度不高。另一方面，传统的基于模拟退火或者其他智能优化方法用于逆问题重构时，对重 构参数的初始值较为敏感，不恰当的初始值往往会大大增加重构算法的计算负担和收敛速 度，甚至会导致重构算法的不收敛。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于场源逆问题反演的开关 柜局部放电源定位与重构的新方法，通过构建新的模型，综合考虑超高频信号传播过程中 的折反射、衰减等干扰作用的影响，为开关柜局部放电的检测和评估提供有力的方法和技 术手段。
[0005] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0006] 一种基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，W开关柜局部放 电源产生的超高频信号作为检测对象，其特征是，包括如下步骤：
[0007] 1)将4只为一组的超高频传感器预安装于待检测开关柜的独立封闭隔室内不同 室壁的位置处，并通过超高频信号放大器连接到示波器，测量得到4只超高频传感器接收 到的超高频信号波形的幅值一时间序列Ui(t)，W及对应的到达时刻Ti，i= 1，2, 3, 4 ;
[0008] 2)根据每组超高频传感器的安装位置w及Ti对开关柜局部放电源进行初步定位， 将定位结果作为初始值输入到开关柜局部放电源重构的计算过程中；
[0009] 3)构建开关柜抑TD计算模型，包括开关柜本体结构的抑TD模型、超高频传感器模 型和局部放电源模型；
[0010] 4)建立开关柜局部放电源重构的逆问题求解模型，并结合时域有限差分法和模拟 退火智能优化算法将开关柜局部放电源重构逆问题转换为对局部放电源参数的寻优问题 进行求解；
[0011] 5)根据开关柜局部放电源重构结果求取局部放电的放电量。
[0012] 前述的基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，其特征是；所 述开关柜局部放电源采用时变电偶极子福射模型，/3 =如，式中]3为电偶极矩，q(t)为 局部放电量，^为放电间隙位移矢量。
[0013] 前述的基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，其特征是；所 述步骤1)中，所述开关柜带检测的独立封闭隔室采用六面金属室壁封闭的隔室，每一个待 测隔室安装一组超高频传感器；所述超高频传感器均具有相同的信号响应参数、频率响应 范围包含于300M~3GHz的开关柜局放产生的超高频信号频带范围、频带宽度〉lOOMHz、下 限截止频率〉300MHz、电压驻波比<2、回波损耗<30地；所述每组超高频传感器分散安装于 每个待测隔室的不同室壁处，且保证4只传感器的检测范围能够完全覆盖该隔室内部的所 有空间位置。
[0014] 前述的基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，其特征是；所 述步骤2)中，开关柜局部放电源初步定位W其中一只超高频传感器接收到的信号为参考， 分别计算另外S个传感器信号与参考信号的时差Ati= Ti-Tuf，（i=1，2,3)，Tuf为示波 器测量的参考信号的到达时刻；根据超高频信号到达传感器的时差求解局部放电源位置 P(x〇，y〇，z〇)，即求解方程组；
[001引式中；Sref0w,心0Zref)表示参考传感器位置；Sensor; (X。y。Zi)表示第i个传感 器位置，（i= 1，2, 3) ;c为电磁波传播速度3X108m/s。
[0019] 前述的基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，其特征是；所 述步骤3)中，局部放电源模型为时变线脉冲电流元模型，/ =八中/-'，式中^0 =^，r at 为局部放电的电流方向矢量；超高频传感器模型的设置与实际待测开关柜中预安装的超高 频传感器的信号响应参数、安装位置、传感器指向、传感器接收面积相一致；开关柜FDTD计 算模型与实际待测开关柜的结构、几何尺寸、内部元件布局相一致。
[0020] 前述的基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，其特征是；所 述步骤4)通过超高频传感器测量得到的开关柜局部放电的超高频信号对局部放电源的位 置、幅值、方向、波形形状进行反演，具体包括如下步骤：
[0021] 41)定义I、U为希尔伯特化nbed)空间，K;1 一U为正算子，逆问题对应的映射 关系具有如下形式：
[0022]
[0023]S为时变线电流元的局放模型的表征参数，包括位置、幅值、波形形状和方向；
[0024]I为开关柜局部放电源的放电脉冲电流；
[00巧]U为通过超高频传感器测量到的开关柜局部放电福射的超高频信号；
[0026] Ui(t)为第i个传感器位置Sensor; (X。y。Zi)处的超高频传感器测量值；
[0027] 42)利用智能优化算法求解逆问题的目标函数：
[0028]
[0029]A= {s。S2,…，sj为S的可行域；
[0030]43)求解开关柜局部放电源重构的最优化问题，即寻求参数的最优解i，使其满足
[0031] 前述的基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，其特征是；所 述步骤41)中，时域有限差分法对开关柜FDTD计算模型进行求解计算，得到每组超高频传 感器上的接收信号K?I(t，Si) =Ui(t，Si)，i= 1，2, 3, 4。
[0032] 前述的基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，其特征是；所 述步骤41)中，开关柜局部放电源的幅值、方向、波形形状=个表征参数通过如下步骤得 到具体实现；利用高斯脉冲函数组
拟合开关柜局部放电源的过 程产生的时变线脉冲电流I(t)，其中，Ai为脉冲电流幅值；Ti为脉冲宽度；tM为脉冲电 流峰值时刻；n为脉冲电流峰值个数，一般取3或4或5或6;fl) =(x,. ?弯+乂.?号+z,. ??:) 为单位方向矢量，满足防?对I'Xf+於'於+Z, 'Zr) = 1 ;表征参数S具有如下形式；S= (A。T。[X。，y。，Z。]，[X"y"zj)，i= 1，2,…，n; [X。，y。，Z。]为开关柜局部放电源S维空间 位置坐标；[Xf，y,，zj为开关柜局部放电源方向矢量的S维空间坐标。
[0033] 前述的基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，其特征是；所 述步骤43)中，逆问题求解模型结合模拟退火算法对参数Si在可行域A= {si，S2,…，S。} 中进行随机捜索，并调用抑TD算法计算得到目标函数值，直到重构结果满足误差率3%的 求解精度要求。
[0034] 前述的基于场源逆问题反演的开关柜局部放电源定位与重构方法，其特征是；所 述步骤5)中，通过开关柜局放源重构得到的局放电流源/(/..;)在时