一种基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法技术

一种基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，所述方法利用柔性阵列传感器在被检测电气设备的外表面采集超声波信号；然后通过欧拉变换将局部坐标系中的辐射方向转换为在全局坐标系中的辐射方向；再运用降维MUSIC算法，求得局放源方位角和俯仰角的估计值；进而根据该估计值及已知传感器的坐标，确定传感器与局放源的连线；最后求传感器在多个测量位置与局放源连线的交点，得到局放源的精确位置。本发明专利技术利用柔性阵列传感器采集被检测电气设备内的超声波信号，保证每个阵元都能与电气设备的表面良好贴合，很好地解决了任意形状电气设备局部放电源的精确检测问题，为设备内部故障严重程度的分析判断提供了有效途径。

A local ultrasonic positioning method based on flexible array sensor

An ultrasonic positioning method of flexible array sensor based on the method, using the flexible array sensor is detected in the outer surface of the ultrasonic signal acquisition of electrical equipment; then using the Euler transform radiation in the local coordinate system is converted to radiation in the global coordinate system; and then use the reduced dimension MUSIC algorithm, obtain Bureau on the estimation of source azimuth and elevation values; then according to the coordinates of the estimated value and the known sensor, the sensor and the PD source line; and finally find the sensor on line source node at a plurality of measuring position and authority, to obtain the accurate position of PD source. The flexible array sensor to collect ultrasonic signals in electrical equipment is detected by means of the invention, each array elements can ensure good surface fit with the electrical equipment, solves the problem of accurate detection of partial discharge sources in arbitrary electrical equipment, provides an effective way to analyze and judge the severity of the internal fault of equipment.

【技术实现步骤摘要】
一种基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法
本专利技术涉及一种能够准确检测电气设备中的局部放电故障的方法，属于检测

技术介绍
对于结构复杂的电气设备而言，绝缘劣化程度不仅取决于局部放电类型、放电源个数、放电能量大小，而且还与放电位置密切相关。因此十分有必要对电气设备内部的放电源位置进行检测，以便分析判断其内部故障的严重程度。局部放电超声阵列检测方法是将阵列传感器与阵列信号处理技术应用于局部放电超声检测中的一种新方法，其基本原理是利用阵列传感器检测电气设备内部局部放电超声信号，采用阵列信号处理技术实现波达方向估计和空间定位，该方法的检测成功率和定位精度较高，具有很好的发展前景。现有的超声阵列传感器都是平面阵列传感器，只适用于表面为平面的电气设备，而当电气设备的表面不是平面时，阵列传感器的部分阵元不能与电气设备的表面良好贴合，这种阵列传感器便无法进行检测。因此如何实现对任意电气设备局部放电源的精确检测就成为有关学者面临的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，以实现对任意形状电气设备局部放电源的精确定位。本专利技术所述问题是以下述技术方案实现的：一种基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，所述方法利用柔性阵列传感器在被检测电气设备的外表面采集超声波信号；然后通过欧拉变换将局部坐标系中的辐射方向转换为在全局坐标系中的辐射方向；再运用降维MUSIC算法，求得局放源方位角和俯仰角的估计值；进而根据该估计值及已知传感器的坐标，确定传感器与局放源的连线；最后求传感器在多个测量位置与局放源连线的交点，得到局放源的精确位置。上述基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，所述方法包括以下步骤：a.利用柔性阵列传感器在被检测电气设备的外表面采集超声波信号：X(t)＝gikA(Θ)S(t)+N(t)式中，X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，N(t)为阵列M×1维噪声数据矢量，S(t)为空间信号的N×1维矢量，A为空间的M×N维导向矢量，gik为局部坐标系中第i个阵元对第k个信号的极化方向图(或称增益)，i＝1….M，k＝1….N，其中M为阵元个数，N为局放源个数；b.将局部坐标系中第i个阵元对第k个信号的极化方向图所对应的阵元局部辐射方向即第i个阵元与第k个局放源之间的俯仰角和方位角转换为全局坐标系中第i个阵元对第k个信号的极化方向图所对应的阵元全局辐射方向(i)将阵元局部辐射方向由局部坐标系中的极坐标转换成直角坐标(xik′,yik′,zik′)；(ii)将(xik′,yik′,zik′)经过三次欧拉旋转转换成全局坐标系中的直角坐标(xik,yik,zik)；(iii)将(xik,yik,zik)转换成全局坐标系中的极坐标c.对局部放电超声信号源进行测向：将阵列信号X(t)进行协方差矩阵计算：R＝X(t)X(t)H＝ESDSESH+EnDnEnH其中ES、En分别代表信号子空间和噪声子空间，DS、Dn分别为ES和En所对应的特征值对角矩阵，构造传统的二维MUSIC空间谱函数：式中：是x轴上的列矢量，且是y轴上的列矢量，且d为阵元间距；λ为波长；对的谱峰进行搜索，得到局放源k所对应的N个阵元的方位角和俯仰角中最优的一个，将其作为阵列传感器的方位角θk和俯仰角的估计值和d.根据和及已知传感器的坐标，确定传感器与局放源连线的方程；e.改变传感器的位置，重复上述测向过程两次，得到另外两条传感器与局放源连线的方程，则三条连线的交点即为局放源的位置。上述基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，所述柔性阵列传感器包括柔性基座和多个阵元，所述柔性基座的两端通过磁铁吸附在被检测电气设备的外表面上，柔性基座中部设有按正方形阵列排布的阵元通孔，每个阵元通孔中安装一个阵元，每个阵元的测量端贴在被检测电气设备的外表面上，阵元的信号输出端通过数据传输线与数据采集装置连接。上述基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，所述柔性基座中部的阵元通孔排列成3×3的正方形阵列。上述基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，所述柔性基座的材质为热塑性塑料、记忆合金或硅橡胶。上述基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，所述柔性基座与阵元之间通过螺纹配合。本专利技术利用柔性阵列传感器采集被检测电气设备内的超声波信号，保证每个阵元都能与电气设备的表面良好贴合，很好地解决了任意形状电气设备局部放电源的精确检测问题，为设备内部故障严重程度的分析判断提供了有效途径。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1为欧拉坐标变换流程图；图2为柔性超声阵列传感器贴合表面示意图(图中9个黑点组成的区域代表阵列传感器)；图3为柔性超声阵列传感器平面布局示意图；图4为柔性超声阵列传感器剖面图；图5为阵列传感器安装示意图(图中的圆形模拟表面不规则的电气设备)；图6为局部放电测向时的星谱图(该图显示出运用降维MUSIC算法测得的局放源的方向即俯仰角和方位角)；图7为降维MUSIC算法的流程图；图8为局部放电的定位原理图(图中三条直线分别代表局放源与传感器之间的连线，三根直线的交点即为局放源的位置)。图中各标号表示为：1.阵元，2.磁铁，3.柔性基座，4.数据采集装置，5.数据传输线，6.柔性阵列传感器，7.被检测电气设备，文中各符号为：X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，N(t)为阵列M×1维噪声数据矢量，S(t)为空间信号的N×1维矢量，A为空间的M×N维导向矢量，为局部坐标系中第i个阵元对第k个信号的极化方向图(或称增益)，i＝1….M，k＝1….N，其中M为阵元个数，N为局放源个数；为全局坐标系中第i个阵元对第k个信号的极化方向图(即增益)；为局部坐标系中用极坐标表示的阵元局部辐射方向；(xik′,yik′,zik′)为局部坐标系中用直角坐标表示的阵元位置；(xik,yik,zik)为全局坐标系中用直角坐标表示的阵元位置；为全局坐标系中用极坐标表示的阵元全局辐射方向；ES、En分别代表信号子空间和噪声子空间，DS、Dn分别为ES和En所对应的特征值对角矩阵；为传统的二维MUSIC空间谱函数；是x轴上的列矢量；是y轴上的列矢量；d为阵元间距；分别为全局坐标系中阵元i所对应的第k个局放源的俯仰角和方位角；λ为波长；和分别为局放源k方位角θk和俯仰角的估计值；为代价函数。具体实施方式本专利技术的目的在于针对现有超声阵列传感器应用范围的不足，提供一种基于柔性阵列传感器的定位方法，以实现对任意电气设备局部放电源的精确定位。本专利技术所述问题是以下述技术方案实现的：原理及实现步骤：①柔性阵列传感器的设计本专利技术的柔性局放超声阵列传感器包括阵孔个数不少于3×3的柔性基座3、磁铁2。所述柔性基座3设置有呈正方形排列的九个阵元安装孔，孔内放置超声传感器阵元1。柔性基座3前后两端设有磁铁2和固定板，固定板上设置有吸盘，使传感器阵元可以采用磁吸或吸盘两种方式固定于电气设备表面。所述柔性局放超声阵列传感器装配体采用长方体凹槽结构，其尺寸为：长80mm、宽30mm，凹槽的深度为15mm，凹槽底部的圆柱孔的直径为5mm、圆柱孔深度为5mm，相邻圆柱孔的中心间距L为8mm。为方便本专利技术的制作与装配，柔性基座结构采用方阵型固定传感器阵元，放置阵元的阵元安装孔内设有螺纹，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，其特征是，所述方法利用柔性阵列传感器在被检测电气设备的外表面采集超声波信号；然后通过欧拉变换将局部坐标系中的辐射方向转换为在全局坐标系中的辐射方向；再运用降维MUSIC算法，求得局放源方位角和俯仰角的估计值；进而根据该估计值及已知传感器的坐标，确定传感器与局放源的连线；最后求传感器在多个测量位置与局放源连线的交点，得到局放源的精确位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，其特征是，所述方法利用柔性阵列传感器在被检测电气设备的外表面采集超声波信号；然后通过欧拉变换将局部坐标系中的辐射方向转换为在全局坐标系中的辐射方向；再运用降维MUSIC算法，求得局放源方位角和俯仰角的估计值；进而根据该估计值及已知传感器的坐标，确定传感器与局放源的连线；最后求传感器在多个测量位置与局放源连线的交点，得到局放源的精确位置。2.根据权利要求1所述的一种基于柔性阵列传感器的局放超声定位方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：a.利用柔性阵列传感器在被检测电气设备的外表面采集超声波信号：X(t)＝gikA(Θ)S(t)+N(t)式中，X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，N(t)为阵列M×1维噪声数据矢量，S(t)为空间信号的N×1维矢量，A为空间的M×N维导向矢量，gik为局部坐标系中第i个阵元对第k个信号的极化方向图(或称增益)，i＝1….M，k＝1….N，其中M为阵元个数，N为局放源个数；b.将局部坐标系中第i个阵元对第k个信号的极化方向图所对应的阵元局部辐射方向即第i个阵元与第k个局放源之间的俯仰角和方位角转换为全局坐标系中第i个阵元对第k个信号的极化方向图所对应的阵元全局辐射方向(i)将阵元局部辐射方向由局部坐标系中的极坐标转换成直角坐标(xik′,yik′,zik′)；(ii)将(xik′,yik′,zik′)经过三次欧拉旋转转换成全局坐标系中的直角坐标(xik,yik,zik)；(iii)将(xik,yik,zik)转换成全局坐标系中的极坐标c.对局部放电超声信号源进行测向：将阵列信号X(t)进行协...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢庆，张建涛，张莹，刘怡，甘汶艳，律方成，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13