一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法，其技术特点是包括如下步骤：选用均匀圆阵作为特高频天线阵列；利用最小二乘算法对采集到的局部放电信号进行聚焦；采用基于四阶累计量的多重信号分类算法计算局部放电源的方位角和俯仰角；改变天线阵列位置，确定发生局部放电的电力设备。本发明专利技术采用基于空间谱无模糊估计方法对变电站局部放电定位，可以实现对敞开式变电站内的所有电力设备进行局部放电检测与定位，且检测系统拥有较小的体积，不出现测向模糊问题，有效地解决目前基于特高频天线阵列的局部放电检测系统体积过大、不易实现巡检的问题，而且，可大大降低大规模安装设备状态在线检测装置的成本，提高检测效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法
本专利技术属于电力设备局部放电检测
，尤其是一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法。
技术介绍
敞开式变电站数量庞大，运行环境恶劣，高压设备绝缘老化比较严重，局部放电问题更应该引起关注。目前国内外开展的局放检测，通常将传感器固定安装在气体绝缘组合电器及变压器等核心设备上，局部放电检测和定位主要是针对具体设备进行。而变电站中的断路器、隔离开关、套管及电压/电流互感器等任意高压电力设备均可能发生局部放电，引发绝缘故障，但目前极少在这些设备上安装局部放电监测装置。若能够建立一种新型的变电站局部放电巡检系统，利用较少的传感器，对变电站全站高压设备进行全方位的局部放电巡检和定位，可有效提高变电站巡检效率，并降低大规模安装在线监测装置的成本。为了缩小系统体积，提高局部放电检测系统的巡检效率，空间谱估计被应用于该系统的定位方法中。空间谱估计是电子对抗领域中的一种基于阵列的测向算法，相比传统的单个定向传感器，具有灵活的波束控制、高的信号增益、极强的抗干扰能力以及高的空间超分辨能力的优点。然而，如果阵列布置(阵元数目、阵元间距、阵列形状)选择不当，将会发生测向模糊，即在空间谱图上出现若干的虚假谱峰，干扰对真实谱峰的分辨，使无法对局部放电进行正常地定位。
技术实现思路
本专利技术的目地在于克服现有技术的不足，提出一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法，解决测向模糊、测向精度低以及阵列尺寸过大的问题。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法，包括以下步骤：步骤1、选用均匀圆阵作为特高频天线阵列；步骤2、利用最小二乘算法对采集到的局部放电信号进行聚焦；步骤3、采用基于四阶累计量的多重信号分类算法计算局部放电源的方位角和俯仰角；步骤4、改变天线阵列位置，确定发生局部放电的电力设备。步骤1中所述均匀圆阵的阵元为特高频天线，相邻阵元的间距是相同的，间距大于局部放电信号的半波长；阵元数目大于4且不含6。步骤2中所述聚焦是将采集系统采集到的宽带局部放电信号转化为参考频率f0下的窄带信号的过程。步骤2中所述最小二乘算法包含以下步骤：⑴利用离散傅里叶变换方法将采集系统采集到的局部放电信号分散到J个频宽较窄的频带上，各频带的中心频率为fj(j＝0,1…J-1)；⑵利用下式聚焦误差最小准则选择步骤3所述的参考频率f0式中其中矩阵Pj是fj频点下去噪后的数据协方差矩阵(j＝0,1,…,J-1)，σi(Pj)为矩阵Pj经奇异分解后第i列对应的奇异值，N为阵元数目；⑶计算聚焦矩阵T(fj)T(fj)＝Q0QjH式中，Q0和Qj分别为A0AjH的左右奇异矢量(j＝0,1,…,J-1)，H表示共轭转置，阵列流型矩阵如下式：式中fj为各频带的中心频率，τi为第i个阵元相对于参考阵元的时延(i＝1,2,…,N)，θ为局部放电源相对于阵列中心的方位角，为局部放电源相对阵列中心的俯仰角，T代表转置运算；⑷计算聚焦后的信号X(f0)式中，X(fj)为fj频点下的数据矩阵(j＝0,1,…J-1)。步骤3中所述基于四阶累计量的多重信号分类算法包括以下步骤：⑴计算数据矩阵的四阶累积量R4(f0)式中，X(f0)为参考频点f0下的数据矩阵，E表示统计平均，*表示共轭运算，表示Kronecker积；⑵对R4(f0)进行特征分解，得到小特征值对应的噪声子空间UN，并用下式进行谱峰搜索，谱峰处对应的方位角θ和俯仰角分别为放电源的方位解式中max代表取最大值，为基于四阶累积量的阵列流型矢量，定义如下步骤4中所述确定发生局部放电的电力设备通过改变天线阵列的位置来确定，若在超过五个位置且每个位置相隔至少2米，所得到的方位角、俯仰角均指向同一电力设备，则该电力设备可认定发生了局部放电。本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术采用空间谱无模糊估计方法对变电站局部放电定位，可以实现对敞开式变电站内的所有电力设备进行局部放电检测与定位，且检测系统拥有较小的体积，不出现测向模糊问题，有效地解决目前基于特高频天线阵列的局部放电检测系统体积过大、不易实现巡检的问题，可使阵列尺寸缩减60％，巡检效率提高40％，方位角、俯仰角测向误差均小于3.6°。2、本专利技术充分考虑无测向模糊的阵列布置条件，为了提高测向精度，应增大阵元间距，但当阵元间距大于局部放电信号半波长时，将带来测向模糊问题。事实上，若采用均匀圆阵，且阵元数目大于4(不含6)，可以在任意阵列尺寸的情况下，将系统发生测向模糊的概率减小至5％。3、本专利技术可应用到变电站局部放电特高频定位系统中，该系统能对敞开式变电站内的所有电力设备进行局部放电检测与定位，可大大降低大规模安装设备状态在线检测装置的成本，提高检测效率。附图说明图1为本专利技术的处理流程图；图2为本专利技术设定的半径为0.3m的五阵元均匀圆阵；图3a为在实验室测到的局部放电信号的波形；图3b为在实验室测到的局部放电信号的频谱；图4为本专利技术在实验室中得到的空间谱图；图5a为本专利技术在某220kV敞开式变电站测到的局部放电信号的波形；图5b为在某220kV敞开式变电站测到的局部放电信号的频谱。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例做进一步详述。一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1、选用均匀圆阵作为特高频天线阵列，阵元数目大于4(不含6)。作为一种实施例，选择半径为0.3m的均匀圆阵，阵元数目选择为5，建立如图2所示的坐标系。步骤2、利用最小二乘算法对采集到的局部放电信号进行聚焦。在本步骤中，采用宽带聚焦算法进行聚焦，宽带聚焦算法包括以下步骤：a)利用离散傅里叶变换，把采集系统采集到的局部放电信号分散到J个频宽较窄的频带上，各频带的中心频率为fj(j＝0,1…J-1)；b)利用下式聚焦误差最小准则选择步骤3所述的参考频率f0式中其中矩阵Pj是fj频点下去噪后的数据协方差矩阵(j＝0,1,…,J-1)，σi(Pj)为矩阵Pj经奇异分解后第i列对应的奇异值，N为阵元数目；c)计算聚焦矩阵T(fj)T(fj)＝Q0QjH(2)式中，Q0和Qj分别为A0AjH的左右奇异矢量(j＝0,1,…,J-1)，H表示共轭转置，阵列流型矩阵如下式式中fj为各频带的中心频率，τi为第i个阵元相对于参考阵元的时延(i＝1,2,…,N)，θ为局部放电源相对于阵列中心的方位角，为局部放电源相对阵列中心的俯仰角，T代表转置运算。d)计算聚焦后的信号X(f0)式中，X(fj)为fj频点下的数据矩阵(j＝0,1,…J-1)。作为一种实施例，利用采样率为2.5GHz的采集系统在实验室检测模拟特高频局部放电信号，采集通道数目为5，采样点数为2500，采集到信号的波形和频谱如图3所示。随后，将采集到的数据传输至数据处理系统，完成步骤2和3。作为一种实施例，对于步骤a)选择信号处理的频段，应为局部放电信号的主要频段，即300MHz～1GHz。将上述频段分割成7段，每段的频宽为100MHz，各频带的中心频率fj分别是300MHz、400MHz、500MHz、…、1GHz。作为一种实施例，对于步骤c)所述阵列流型矩阵，包含局部放电源的方位角θ和俯仰角应对其进行预估计，预估值对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、选用均匀圆阵作为特高频天线阵列；步骤2、利用最小二乘算法对采集到的局部放电信号进行聚焦；步骤3、采用基于四阶累计量的多重信号分类算法计算局部放电源的方位角和俯仰角；步骤4、改变天线阵列位置，确定发生局部放电的电力设备。

【技术特征摘要】
1.一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、选用均匀圆阵作为特高频天线阵列；步骤2、利用最小二乘算法对采集到的局部放电信号进行聚焦；步骤3、采用基于四阶累计量的多重信号分类算法计算局部放电源的方位角和俯仰角；步骤4、改变天线阵列位置，确定发生局部放电的电力设备。2.根据权利要求1所述的一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法，其特征在于：步骤1中所述均匀圆阵的阵元为特高频天线，相邻阵元的间距是相同的，间距大于局部放电信号的半波长；阵元数目大于4且不含6。3.根据权利要求1所述的一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法，其特征在于：步骤2中所述聚焦是将采集系统采集到的宽带局部放电信号转化为参考频率f0下的窄带信号的过程。4.根据权利要求1所述的一种基于空间谱无模糊估计的变电站局部放电定位方法，其特征在于：步骤2中所述最小二乘算法包含以下步骤：⑴利用离散傅里叶变换方法将采集系统采集到的局部放电信号分散到J个频宽较窄的频带上，各频带的中心频率为fj(j＝0，1…J-1)；⑵利用下式聚焦误差最小准则选择步骤3所述的参考频率f0式中其中矩阵Pj是fj频点下去噪后的数据协方差矩阵(j＝0，1，…，J-1)，σi(Pj)为矩阵Pj经奇异分解后第i列对应的奇异值，N为阵元数目；⑶计算聚焦矩阵T(fj)T(fj)＝Q0QjH式中，Q0和Qj分别为A0AjH的左右奇异矢量(j＝0，1，…，J-1)，H表示共轭转置，阵列流型矩阵如下式：式中fj为各频带的中心频率，τi为第i个阵元相对于参...

【专利技术属性】
技术研发人员：于啸，韩斌，吴世哲，杨勇志，郭永占，赵聪，李松原，刘青，邓军波，刘伟，
申请(专利权)人：国网天津市电力公司，国网天津市电力公司电力科学研究院，国家电网公司，西安交通大学，
类型：发明
国别省市：天津,12