一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统技术方案

本发明专利技术公开了一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统，包括四个位于同一平面上的全向天线。波达方向估计包括以下步骤：1)使用插值互相关法估计各天线接收信号之间的时差；2)利用波达方向估计方法计算放电源的方位角与俯仰角。本发明专利技术中天线阵列具有尺寸小、适用于变电站狭窄巡检通道等优点，通过多个测试点估计结果的交叉，可以准确计算放电源的坐标，进而确定放电设备所在的位置。

【技术实现步骤摘要】
一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统
本专利技术涉及电力设备绝缘状态诊断
，尤其涉及一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统。
技术介绍
目前国内外开展的UHF局放检测，通常都是将传感器固定安装在GIS、变压器等具体单一设备上，对变电站设备的局部放电检测和定位主要是针对具体设备进行。而变电站中的任意高压电力设备均可能发生局部放电，要想对全站的一次电气设备实施监测，需要在所有设备上都安装局部放电监测装置，成本极高。采用一种新型的可移动式UHF天线阵列，建立一个移动式平台，利用较少的特高频传感器矩阵，实施对变电站内高压设备进行全方位的局部放电巡检和定位，可以大大降低人工成本，提高变电站巡检效率。为了实现站域局部放电的准确定位，目前采用的定位方法包括能量衰减法、起始时刻法、时差定位法及方位角交叉法等。其中，时差定位法由于准确度较高，且不需要获知放电源发出信号的准确度时间，获得了广泛应用。估计出天线间时差后，可通过放电源坐标与方位估计两种方式定位放电设备。为了便于局放检测系统在巡检通道内移动，天线阵列尺寸一般较小，这种情况下求得的放电源坐标误差偏大，难以确定放电源位置。研究发现，阵列尺寸较小时方位估计准确度仍较高，并提出了方位角计算方法。进一步地，相关学者推导了一种空间波达方向(方位角与俯仰角)估计算法，但仅适用于两对天线互相垂直的阵列布置，需要提出适用于任意四阵元平面阵列的估计算法。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统，天线阵列具有尺寸小、适用于变电站狭窄巡检通道等优点，通过多个测试点估计结果的交叉，可以准确计算放电源的坐标，进而确定放电设备所在的位置。根据本专利技术实施例的一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统，包括四个位于同一平面上的全向天线，波达方向方法估计包括以下步骤：1)使用插值互相关法估计各天线接收信号之间的时差；2)利用波达方向估计方法计算放电源的方位角与俯仰角。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤1)中的插值互相关法首先采用阈值法近似确定信号起始时刻及时差ta12；波前段部分信号近似看作直射波，提取起始时刻前后各3ns的信号作为直射波；再按计算直射波的互相关函数cc，对于两个天线测得的直射波段信号y1(n)及y2(n)(n≤N)，两信号的互相关函数按式计算：式中，j表示j个采样点的时延。cc峰值对应时延为直射波的时差Δ12。结合阈值法得到最终时差为t12＝ta12-Δ12。当采样率较低时，使用更小的时间步长对互相关函数插值可提高估计精度。在本专利技术的一些实施例中，所述步骤2)中放电源方位角α与俯仰角β的计算公式为：式中，下标1、2、3、4分别表示天线的标号，Φ为天线对1、2与4、3的夹角，D12为天线1和天线2的距离，D43为天线4和天线3的距离，t12为天线1与天线2接收信号之间的时差，t43为天线4与天线3接收信号之间的时差。在本专利技术的一些实施例中，所述相关法中的互相关函数的插值采用三次样条法。在本专利技术的另一些实施例中，所述天线1、2与天线4、3的延长线应相相交于一点。本专利技术中，公开了一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统，包括四个位于同一平面上的全向天线。波达方向估计包括以下步骤：1)使用插值互相关法估计各天线接收信号之间的时差；2)利用波达方向估计方法计算放电源的方位角与俯仰角，其效果体现在：(1)波达方向估计的方位角与俯仰角受时差误差影响较小，算法性能更稳定；(2)天线阵列长度为1m时，估计的方位角与俯仰角即可达到较高的准确度，更适用于小尺寸天线阵列及变电站狭窄通道的巡检定位；(3)通过多个测试点估计结果的交叉，可以准确计算放电源的坐标，进而确定放电设备所在的位置。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术提出的放电源波达方向估计方法示意图；图2为专利技术实施例中矩形、Y形与菱形三种天线阵列布置示意图；图3为实验测试方位角误差分布图。图中：A1-天线1、A2-天线2、A3-天线3、A4-天线4、D12-天线1和天线2的距离、D43-天线4和天线3的距离、α-方位角、β-俯仰角、Φ-天线对1/2与4/3的夹角。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。如图1所示，本专利技术提供的一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统，包括4个位于同一平面上的全向天线，在此实施例中天线均采用全向双锥结构。4个天线按照一定规则排布，用于接收变电站全站放电信号。波达方向估计首先使用插值互相关法估计各天线接收信号之间的时差。为了尽量避免变电站传播过程中多径传播效应的影响，首先采用阈值法近似确定信号起始时刻及时差ta12；波前段部分信号可近似看作直射波，提取起始时刻前后各3ns的信号作为直射波。之后按计算直射波的互相关函数cc，对于两个天线测得的直射波段信号y1(n)及y2(n)(n≤N)，两信号的互相关函数按式计算式中，j表示j个采样点的时延。cc峰值对应时延为直射波的时差Δ12。结合阈值法得到最终时差为t12＝ta12-Δ12。当采样率较低时，使用更小的时间步长对互相关函数插值可提高估计精度，实测结果表明三次样条法插值性能较优，选为采用的方法。假设采用的信号采样率为2GS/s，时差精度最高为0.5ns，以0.1ns时间步长进行插值可进一步提高时差精度。针对图2各种天线阵列，各给出一种波达方向计算方法。菱形与Y形阵列中天线对1、2与4、3互相垂直，方位角与俯仰角可直接由下式求得式中，下标1、2、3、4分别表示天线的标号，Φ为天线对1、2与4、3的夹角，D12为天线1和天线2的距离，D43为天线4和天线3的距离，t12为天线1与天线2接收信号之间的时差，t43为天线4与天线3接收信号之间的时差。若t12>0且t34<0，则放电源位于第一象限，其它情况可类推得到。对矩形阵列，可选取相交的任意两对天线估计波达方向，此处以天线对1、4与3、2为例加以说明，两对天线的夹角为Φ＝2tan-1(b/a)(3)两对天线的间距均为根据式(2)可得到放电源在xy平面的投影与天线对1、4的夹角。矩形阵列的x轴沿天线对1、2的连线，与天线对1、4的夹角需经坐标系旋转得到方位角α，则方位角与俯仰角为通过以下变换可将α转换到[-180°，180°]范围：若α>0且t23>0，则α＝α-180°；若α<0且t14<0，则α＝α+180°；其余情况不变。采用如图2所示天线阵列的三种典型布置方式，使用局放模拟器在不同的方位角模拟局部放电信号，使用4m×2m不同阵列测试放电源的波达方向。获得放电源的方位角和俯仰角，估计误差eα如图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统，其特征在于：包括四个位于同一平面上的全向天线，波达方向方法估计包括以下步骤：1)使用插值互相关法估计各天线接收信号之间的时差；2)利用波达方向估计方法计算放电源的方位角与俯仰角。

【技术特征摘要】
1.一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统，其特征在于：包括四个位于同一平面上的全向天线，波达方向方法估计包括以下步骤：1)使用插值互相关法估计各天线接收信号之间的时差；2)利用波达方向估计方法计算放电源的方位角与俯仰角。2.根据权利要求1所述的一种变电站放电源的站域空间波达方向估计系统，其特征在于：所述步骤1)中的插值互相关法首先采用阈值法近似确定信号起始时刻及时差ta12；波前段部分信号近似看作直射波，提取起始时刻前后各3ns的信号作为直射波；再按计算直射波的互相关函数cc，对于两个天线测得的直射波段信号y1(n)及y2(n)(n≤N)，两信号的互相关函数按式计算：式中，j表示j个采样点的时延。cc峰值对应时延为直射波的时差Δ12。结合阈值法得到最终时差为t12＝ta1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刘芳，秦少瑞，李坚林，程登峰，丁国成，朱太云，宋东波，秦金飞，张晨晨，李平，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，南京普锐迪电气科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11