可視局放UHF空間定位系統及時延估計實現

王 駿，包立珠

(江蘇省電力公司檢修分公司蘇州分部，江蘇蘇州215131)

局部放電（PD）信號能反映變壓器絕緣的老化特征，對其定位是檢測制造與安裝中的缺陷、避免絕緣擊穿故障的有效手段[1]。PD信號是一個高電流窄脈沖信號，富含的頻率成分相當多，超高頻（UHF）電磁波具有抗干擾性強、靈敏度高和傳播速度穩定等優點，檢測局部放電中的UHF電磁波，將其應用于局部放電定位及故障診斷是目前的研究熱點之一[2-4]。

目前對變電站設備的局部放電檢測和定位主要是針對氣體絕緣組合開關（GIS）、變壓器、容性設備等具體單一設備進行，而變電站中任意高壓設備均有可能發生局部放電事故。局放空間定位改變以往對單個設備安裝在線監測裝置的常規做法，在全站的空間內安裝一組超高頻傳感器陣列接收局部放電發出的UHF電磁波信號，用一套裝置對全站設備進行局部放電的監測和預警，獲取并分析整個變電站站域放電情況[5]。局部放電定位中信號時延估計和定位算法是2個關鍵的環節。時延估計算法主要有閾值法、能量積累法和相關估計法等[5-9]，當信號發生畸變時，各種方法求得時延均有較大誤差。定位算法主要采用幾何定位法、模擬退火法、螞蟻算法等，但以上方法計算時間較長，而且存在可能無解，改進算法有：空間搜索算法[10，11]，復數域牛頓迭代—網格搜索方法[12]。

1 可視局放UHF空間定位原理

通常變壓器絕緣結構中發生的局部放電信號可以看成是由一個點源所發出的，當絕緣介質發生局部放電時，發生正負電荷的中和，形成持續時間在納秒級的放電脈沖，并向周圍輻射電磁波，遵循麥克斯韋的電磁場基本方程。局部放電產生的電磁波向周圍空間傳播,沿電磁波的傳播方向流動，是時間及位置的函數。再考慮到局部放電時所發射出的電磁波在通過箱體夾縫或者GIS絕緣縫隙傳播時，高頻段的電磁波會發生衍射，傳播到設備外面去，因此采用基于時延估計的變電站超高頻局放信號檢測是完全可行的[2，11]。

特高頻段電磁波信號在均勻介質中勻速傳播，基于最小光程差原理，通過處理4個以上測量傳感器接收到的信號到達時延對放電源進行定位的。可視局放UHF空間定位系統采用4個UHF天線陣列，假定局放信號從輸變電設備某一點傳播到第i個天線的時刻記為設第 i個天線的三維坐標為局放源的三維坐標為第 1 個天線接收到局放信號的時間和第i個天線接收到局放信號的時間差為 t1i，此處 i=2，…，n，由空間幾何分析，可知：

2 系統組成

系統包括天線陣列、信號放大器、采集存儲、時延估計、空間解算、可視投影等部分構成。

2.1 天線及低噪聲放大器

局部放電信號是納秒級的一個高電流窄脈沖信號，富含的頻率成分相當多（上限可達到數GHz），選擇UHF工作頻段時要考慮避開現場干擾、兼顧定位精度。經常用到的手機信號頻率900MHz和1800MHz，電視信號和廣播信號，短波電臺等在外場環境中廣泛存在，因此其和放電信號頻率重疊部分不可用。時延估計是根據載波頻率的上升沿比對時延得到時延差進行定位解算的，要求接收頻率的上升沿越陡越好，即信號幅度越大越好，而定位精度與信號的接收頻率關系密切。通過將30～1800MHz頻段分成若干頻段判斷各頻段干擾信號的幅度大小，獲得干擾信號幅度最小的頻段，若2個頻段干擾信號幅度相同，則選擇頻段高的頻段作為干擾信號幅度最小的頻段；在干擾信號幅度最小的頻段中選擇信噪比最高的頻點作為放電信號的接收頻率。

考慮外場測試環境，要求天線接收時對地面反射信號進行抑制，因此設計采用螺旋天線，頻率范圍為1100～1700MHz，這個天線方向性較強，且增益可達10 dB，滿足系統接收要求。每個接收通道增加了一個低噪聲放大器和帶通濾波器，提高信噪比。4個天線位于不同高度云臺上，其擺放位置依據實際安裝的平臺來決定，天線間距盡量大一些，不要在一個平面上，如圖1所示。

圖1 天線陣列示意圖

2.2 信號采集

利用帶存儲功能的采集系統來同步采集并存儲天線陣列接收到的同一放電源輻射的超高頻電磁波。利用通道1作為觸發源，同步采集信號。通過LAN網絡將采集的數據傳送到主機進行處理。

2.3 定位算法

式（2）可利用牛頓迭代法求解。牛頓迭代法求解收斂的條件較強，而在實際的測量計算中，由于各種干擾噪聲、測量誤差等因素的影響，可能導致牛頓迭代法不能收斂。在這種情況下，迭代初值的選取對迭代的收斂也有一定的影響，用逐層網絡搜索法選取該初值，在牛頓迭代法仍然不收斂的情況下，認為網格搜索的結果即為方程組的解[10，11]。

2.4 可視投影

局放源在攝像圖像上投影，依據局放源的三維坐標、攝像頭的位置坐標、視線方向、視角等參數，進行投影，可以在攝像圖像上顯示局放源。空間點P通過一個3×4的投影矩陣M映射到像平面上的點p，p=MP，投影矩陣M可以分為3個部分：

式（3）中：R為旋轉矩陣；t為平移矢量；中間矩陣2個負號代表通過鏡頭物體呈倒像；K為相機標定矩陣，它包含相機內部參數數據。

式（4）中：fu，fv為相機焦距，分別以像素為單位沿水平方向和垂直方向測量；u0，v0為相機主點，均可取為0；為相機水平與垂直軸向間的夾角，相機轉動時該角度發生變化。

因此，空間點（x，y，z）映射到像物理坐標（xr，yr）可寫為：

3 結合閥值法和過零點插值的時延估計

時延估計是基于時間差的變電站局部放電定位算法的基礎，也是決定定位準確度的關鍵。系統結合閥值法和過零點插值進行時延估計，首先4通道同步觸發采集局放信號，依據觸發電平設定一閥值，將超過閥值后的波形的第一個過零點作為信號的初始時刻。

3.1 4個通道同步觸發

同步觸發保證4個通道采集存儲的信號為同一時刻的局放信號。設定高速采集系統為單次、邊沿觸發，觸發源選擇通道1。單次觸發可以捕捉單次出現或多次出現但不太具有周期性的信號。邊沿觸發檢測觸發源的邊沿、極性和電平。當信號的電平變化方向與設定相同（上升沿或下降沿），其值變化到與觸發電平相同時，采集系統被觸發，并捕捉波形。其他3路信號同步捕獲。采集系統保留預觸發的數據。捕捉波形是遵循先進先出的原理存儲到采集系統內存中去的。當波形點滿足了觸發條件時，該點就被固定在存儲器定義的觸發點上，這時存儲器變成了只進不出，直到填滿存儲深度為止。存儲器起點到觸發點這段時間記錄的波形數據就是預觸發數據。

3.2 閥值設定

假設數據采集以第一路信號為觸發信號。依據觸發電平設置閥值，可設為尋找超過閥值的波形的第一個峰值，在此基礎上，往后尋找第一個過零點，作為第一路信號的波前時刻。剩余3路信號，閥值設置為其中，依據該路信號幅度與第一路信號幅度比較，取ki不同值。設4路波形幅值為Vi，則ki取值為：

3.3 高階插值的過零點確定

當信號采樣率很低時，時延估計的精度差，改進措施是對信號進行插值運算，然后再進行時延估計，進而提高時延估計精度[6]。對整個信號進行高階插值需要較大的計算量。本系統采用超過閥值的第一個過零點作為信號的波前時刻，通過高階插值尋找過零點，可以提高時延估計精度，而且計算量小。假設采用線性插值，找到超過閥值的第一個峰值后，繼續尋找，找到符號發生變化的2個采樣點S[i]，S[i+1]，如圖2所示。

圖2 過零點插值示意

假定采樣間隔為ts，線性插值得到的過零點的時刻t0為：

3.4 手動校正

對于定位誤差較大時，可以加入手動校正，利用鼠標指定波前時刻過零點的大概位置，然后自動尋找計算第一個過零點。

4 試驗檢測結果與分析

試驗時，4個位于不同高度云臺上的UHF天線陣列 ， 天 線 坐 標 依 次 為 （0，0，510）， （4000，0，810），（4000，3000，1115），（0，3000，1420），坐標單位統一為mm。利用帶寬為6GHz、采樣頻率為25GHz的帶存儲功能的采集系統進行信號采集。同步采集的信號波形如圖3所示。

圖3中的水平線為閥值電平，垂直線是過零點，通過過零點比較估計時延。改變閥值電平尋找不同的過零點，可得到不同的時延估計。從圖3可看出，4個通道在波前位置附近的波形較相似，受到反射干擾較少，利用越靠前的過零點作為波前時刻，定位精度越高。

圖3 同步觸發的4路波形

測試前在已知位置 （5800，4215，1342） 上進行放電，對每個通道時延補償進行校準，把系統計算的時延與測量得到的時延進行比較，得到每個通道的時延補償，對以后測量進行校準。

在位置（6000，4500，1450）上模擬局部放電，進行多次測量，定位結果如表1所示。

表1 實驗測試結果 mm

從表1可以看出，定位誤差基本在之內。通過在不同位置的放電點上測量，可以發現當放電點到達各天線的距離之差越大、測量結果越準確，放電點距離天線陣列越遠、測量誤差越大。考慮天線半徑、背景噪聲、已知位置測量時差計算等誤差產生原因，定位結果在誤差允許范圍以內。

5 結束語

本文重點研究了結合閥值法和過零點插值的時延估計方法，在此基礎上研制出可視局放UHF空間定位系統。該系統利用4個UHF傳感器組成天線陣列來檢測局放信號中的UHF信號，實現對放電信號準確定位，然后用畫面投影算法實現局放點的可視化。最后通過現場測試驗證了方法的有效性。

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