輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)設計

李建業(yè) 李思毛 陳文棟 曹付勇 劉宏光

[摘? ? 要 ]考慮到傳統(tǒng)輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)，在開發(fā)時沒有設計聲音采集傳感器，導致聲源定位點位與實際故障點位誤差大。為此，進行輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)設計。在系統(tǒng)硬件方面，設計聲音采集傳感器，采用superlux ECM666B電容測試麥克風組成的四元麥克風陣列;設計型號為PXI-2589數(shù)字采集卡對數(shù)據(jù)進行采集。通過可視化主機，將數(shù)字采集卡采集到的聲音振動信息上傳至平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設計;在系統(tǒng)軟件方面，首先進行輸電線路故障聲源數(shù)據(jù)的選取，對聲源進行時延估計，將OMS子系統(tǒng)中的告警信息列出;再通過輸電線路故障聲源數(shù)據(jù)的處理，利用輸電線路故障聲源定位區(qū)域判斷計算公式，得出輸電線路故障聲源定位點位，完成系統(tǒng)設計。經(jīng)實例分析證明，設計的定位系統(tǒng)定位得到的聲源位置與實際故障點位更接近，具有更高的定位精度。

[關鍵詞]輸電線路;故障聲源;定位系統(tǒng);定位點位

[中圖分類號]U226.8+1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）04–00–03

[Abstract]Considering the traditional fault sound source location system of transmission line， there is no sound acquisition sensor in the development， which leads to the large error between the sound source location and the actual fault point.Therefore， the sound source location system of transmission line fault is designed.In the aspect of system hardware， a sound acquisition sensor is designed， which adopts super lux In the aspect of system software， firstly， the sound source data of transmission line fault is selected， and the time delay of sound source is estimated The alarm information in OMS subsystem is listed; then through the processing of transmission line fault sound source data， using the calculation formula of transmission line fault sound source location area judgment， the transmission line fault sound source location point is obtained， and the system design is completed.The case analysis shows that the location of the sound source obtained by the positioning system is closer to the actual fault point， and has higher positioning accuracy.

[Keywords]transmission line; fault sound source; positioning system; positioning point

本項目針對淄博輸電電網(wǎng)可能出現(xiàn)的故障做提前預判，通過檢測故障發(fā)出的聲音的特點，定位故障點，并進行現(xiàn)場拍照，通過監(jiān)控平臺查看故障情況。另外，通過對故障聲音的頻譜的特點，對故障類型進行確定。針對不同類型故障的聲音音程范圍的研究，對不同故障的聲音進行統(tǒng)計。對室外采集寬音域范圍的采集設備的研究，確保對現(xiàn)場周圍的聲音做好全部采集。研究聲音作為觸發(fā)源的設備定位算法，并將定位的位置進行地圖顯示。本文進行輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)設計的預期目標是可以存儲各種故障聲音到服務器，作為故障類型判定的依據(jù)。在線路發(fā)生故障后，通過故障定位系統(tǒng)能盡快定位出產(chǎn)生故障位置，能夠做到迅速處理，減少搜尋故障的位置的時間。對輸電線路的監(jiān)控更加全面。本文進行輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)設計的創(chuàng)新點是增加了采用故障發(fā)生時發(fā)出的聲音，作為判定故障的一種方法。通過設備定位位置信息以及聲音傳播速度確定故障位置，并將故障位置在地圖上面顯示。

1 輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)硬件設計

1.1 聲音采集傳感器

本文設計的輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)硬件，通過設計故障聲音的采集設備，考慮在目前監(jiān)拍裝置基礎上增加聲音采集傳感器。聲音采集傳感器采用superlux ECM666B電容測試麥克風組成的四元麥克風陣列，是一款專業(yè)的傳感器設備。頻率響應范圍為20～40Hz;靈敏度為（-30±1）dB，有效溫度范圍為-15～80 ℃，等效聲噪級未35dB，信噪比為105dB，以其自身優(yōu)秀的性能參數(shù)，適用于輸電線路故障聲音采集方面。

1.2 數(shù)字采集卡

本文設計的數(shù)字采集卡型號為PXI-2589，能夠通過高精度的同步數(shù)據(jù)采集模塊采集聲音的振動信息。數(shù)字采集卡具備8路同步模擬輸入接口，具有6種增益設置，能夠采集225.3kS/s以上的聲音振動信息。與此同時，配置AC/DC耦合及IEPE條例，且支持與superlux ECM666B聲音采集傳感器的同步數(shù)據(jù)共享。

1.3 可視化主機

將數(shù)字采集卡采集到的聲音振動信息上傳至平臺，結合可視化主機的GPS定位位置，確定故障點的位置。在平臺上面，將故障點的位置，標注在地圖上面，并和監(jiān)拍裝置做聯(lián)動拍照和聲光報警操作，當有聲音故障后，監(jiān)拍裝置進行抓拍和聲光報警。將聲音采集傳感器內(nèi)置于可視化主機中，采集的聲音數(shù)據(jù)由可視化主機上傳至系統(tǒng)平臺。對已經(jīng)發(fā)生過故障的區(qū)域，做列表或者圖表統(tǒng)計，在地圖上面進行板塊式的標注，做到提醒巡線人員注意關注重點故障區(qū)域。

2 輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)軟件設計

2.1 輸電線路故障聲源數(shù)據(jù)的選取

在對輸電線路故障聲源進行定位之前，本文將定位系統(tǒng)當中的OMS子系統(tǒng)結構作為原始聲源，實時發(fā)送的告警信息中，找出與輸電線路繼電保護故障聲源信號相關的信息進行匹配，從而對故障點位置的保護裝置內(nèi)進行初級階段的判斷。通過麥克風陣列采集聲音信息，并對其進行預濾波處理，即利用背景頻譜測量設置閾值，然后開始進行端點檢測。如果系統(tǒng)判定沒有出現(xiàn)端點，則采集的信號在圖表顯示后自動刪除;如果判定有聲音信號端點，則開始執(zhí)行定位程序：首先對信號進行小波門限降噪，過濾掉部分與可用信號相互混疊的噪聲。對于兩路信號求互功率譜，經(jīng)過加權和拉普拉斯反變換，得到兩路信號的廣義相關圖，在廣義相關圖中，峰值出現(xiàn)的時間即為兩路信號的延遲。再通過具體故障問題進行分析和調(diào)查，當故障發(fā)生時，對聲源進行時延估計，此時將OMS子系統(tǒng)中的告警信息列出，并將其與通信告警信號對應的信息一一對應。在完成對定位系統(tǒng)中故障路徑的分析后，更加準確地識別出故障問題發(fā)生的具體區(qū)域。

2.2 輸電線路故障聲源數(shù)據(jù)的處理

在完成對輸電線路故障聲源數(shù)據(jù)的選取后，定位系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源還需要進行結構化處理。針對不同的數(shù)據(jù)信息類型，在設置相應的數(shù)據(jù)庫時，應當進行統(tǒng)一的存儲和管理，再將多項數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的建模。對于數(shù)據(jù)源的結構化處理，首先，需要按照存放數(shù)據(jù)信息的規(guī)則將其進行統(tǒng)一放置，再針對當前數(shù)據(jù)源中的非結構化數(shù)據(jù)，應當對其原始文件進行解析，并將原始信息提取展開后續(xù)的存儲工作。根據(jù)定位系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)類型按照不同的故障主體進行統(tǒng)一的定位和組織，從而實現(xiàn)對其維度表以及事實表的設置，完成對定位系統(tǒng)輸入聲源數(shù)據(jù)的結構化處理。

2.3 輸電線路故障聲源定位區(qū)域判斷

完成對輸電線路故障聲源數(shù)據(jù)的處理后，當多條輸電線路的傳輸通道同時發(fā)出告警信號時，利用定位系統(tǒng)中的告警信號通道對應的名稱，調(diào)出在OMS子系統(tǒng)當中對應的聲源的具體路由走向，并形成一組萬丈的路由連接拓撲結構，利用大數(shù)據(jù)分析技術，對該路由拓撲進行分析。根據(jù)定位系統(tǒng)中各個故障聲源通道的告警信號特征，當輸電線路發(fā)生故障問題時，處于故障中的設備會與該傳輸鏈路上與之相關的信息一同發(fā)出故障聲源告警信號。根據(jù)以聲音作為觸發(fā)源的設備定位算法，得出輸電線路故障聲源定位區(qū)域判斷計算公式。設輸電線路故障聲源定位區(qū)域為C，則其計算公式，如式（1）所示。

在式（1）中，k表示為輸電線路疑似故障的發(fā)生概率;t表示為輸電線路故障聲源信息的振動頻率;p表示為輸電線路故障聲源信息的估計時延。通過式（1）得出輸電線路故障聲源定位區(qū)域。除此之外，還可以通過找出對應輸電線路中路由連接拓撲結構的最多交匯點，即為輸電線路的具體發(fā)生故障位置，利用拓撲結構中的多條鏈路圍繞形成的區(qū)域為輸電線路出現(xiàn)故障問題的區(qū)域。在實際應用中，輸電線路的故障可能在路由連接拓撲結構的一個站點或一條線路上，所有連接線段表示為能夠?qū)崟r發(fā)出故障聲源告警信號的通道，通常這一系數(shù)的選取范圍在0～1之間。在此范圍內(nèi)進行定位，即可實現(xiàn)輸電線路故障聲源定位。

3 實例分析

3.1 實驗準備

選取某輸電線路作為實驗對象，根據(jù)輸電線路實際運行經(jīng)驗，背景噪聲為30dB。設置輸電線路故障告警事件的時間間隔為5min，根據(jù)定位系統(tǒng)故障聲源數(shù)據(jù)維度獲取數(shù)據(jù)庫當中有關告警信息維度的所有數(shù)據(jù)信息，對輸電線路的故障進行定位。本次實驗在Matlab軟件平臺上進行，將本文提出的定位系統(tǒng)與傳統(tǒng)定位系統(tǒng)均采用相同的網(wǎng)絡環(huán)境以及設備參數(shù)，該實驗平臺在系統(tǒng)內(nèi)存為IntelCore6-28064GB，操作系統(tǒng)為Windows2020.VS2018CPU，內(nèi)置X2500中央處理器的實驗環(huán)境下進行。在輸電線路中選取坐標不同的6個故障點位，按照上述實驗環(huán)境，設置本文設計定位系統(tǒng)為實驗組，傳統(tǒng)定位系統(tǒng)為對照組，實驗內(nèi)容為測試兩種定位系統(tǒng)下的聲源定位節(jié)點與實際故障節(jié)點的誤差，從而對比兩種定位系統(tǒng)在實際應用中的性能。

3.2 實驗結果與分析

根據(jù)上述設計的實驗步驟，采集6組聲源定位點位，將兩種定位系統(tǒng)下的聲源定位點位進行對比，故障定位點位對比結果，如表1所示。

從表1中可以看出，本文設計的定位系統(tǒng)定位得到的聲源位置與實際故障點位更接近，而對照組定位得到的聲源位置與實際故障點位相差較遠，因此，通過實驗證明，本文提出的定位系統(tǒng)具有更高的定位精度，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路故障聲源精準定位。

4 結語

考慮到輸電線路故障聲源定位愈發(fā)受到重視，輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)經(jīng)歷了從起步到快速發(fā)展的階段。因此，本文對輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)的優(yōu)化設計是十分必要的，通過實例分析證明設計的定位系統(tǒng)是具有現(xiàn)實意義的，能夠為輸電線路故障聲源定位提供理論支持，保證輸電線路的正常運行。但本文唯一不足之處在于，沒有對輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)的近場聲源模型進行深入分析，相信這一點，可以作為輸電線路故障聲源定位系統(tǒng)設計領域日后的研究內(nèi)容之一。

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