基于聲成像技術(shù)的GIS擊穿放電點定位方法

田昊洋, 任茂鑫, 曹 培, 徐 鵬, 張今朝

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司 電力科學(xué)研究院, 上海 200437; 2. 上海睿深電子科技有限公司 研發(fā)部, 上海 200237)

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)及電壓等級不斷提高,對電氣設(shè)備的安全性也提出了更高的要求。氣體絕緣組合電器(GIS)由于其良好的絕緣性和可靠性在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用[1-2]。但隨著運(yùn)行時間的增加,GIS設(shè)備的內(nèi)部故障也隨之增多,對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定構(gòu)成了威脅。電氣設(shè)備投運(yùn)前的耐壓實驗是診斷其絕緣水平的重要步驟,實驗過程中對設(shè)備放電擊穿點的準(zhǔn)確定位可以迅速判斷設(shè)備絕緣薄弱位置,從而為后續(xù)設(shè)備運(yùn)維和優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者基于不同原理和方法對GIS狀態(tài)監(jiān)測與放電定位開展了廣泛研究[5-7]。熊俊等[8]采用寬頻帶的等角螺旋天線,利用多次加權(quán)的局部放電波形處理技術(shù)建立了基于X光機(jī)激勵的放電定位方法。馬飛越等[9]利用特高頻時差定位原理和脈沖時延定位方法,研究了GIS支撐絕緣子氣隙缺陷的局部放電診斷技術(shù)。何寧輝等[10]采用紅外測溫和超聲局部放電檢測相結(jié)合的方法,研究了GIS內(nèi)部由于接觸不良導(dǎo)致的發(fā)熱缺陷。周電波等[11]通過分析GIS放電產(chǎn)生的超聲波時域和相位分布特征,基于小波時頻定位技術(shù)實現(xiàn)對局部放電檢測的準(zhǔn)確定位。劉媛等[12]采用振動加速度傳感器研究了由于機(jī)械振動導(dǎo)致的GIS缺陷,實現(xiàn)了對振動信號的監(jiān)測與定位。

目前關(guān)于GIS故障定位的研究多是采用超聲波、特高頻、振動監(jiān)測等技術(shù)手段[13-16]。常規(guī)的監(jiān)測方法大多需要使用接觸式信號傳感器,因此運(yùn)行和維護(hù)成本較高,且難以實現(xiàn)對設(shè)備的全局監(jiān)測[17-18]。而GIS內(nèi)部由于存在毛刺等原因造成擊穿放電,將嚴(yán)重威脅設(shè)備運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性。本文研究了聲成像技術(shù)在GIS擊穿放電點定位中的應(yīng)用,將可控響應(yīng)功率的波束形成技術(shù)和相位變換相結(jié)合,利用非接觸式聲傳感器陣列,通過檢測GIS放電產(chǎn)生的振動信號實現(xiàn)對擊穿放電點的定位。

1 聲成像技術(shù)

GIS或電氣設(shè)備內(nèi)部發(fā)生放電或擊穿時,會造成周圍空氣的振動,振動信號傳播過程中形成了聲學(xué)波束。利用基于傳感器陣列的聲成像儀采集這種具有聲源特征的聲波信息,并對其進(jìn)行聲學(xué)分析即可得到聲源位置以及振動信號的時域、頻域特征。在此基礎(chǔ)上融合可見光圖像從而形成兼有聲學(xué)和光學(xué)信息的多信息圖像,可實現(xiàn)對電氣設(shè)備內(nèi)部振動或異常放電點的定位與聲學(xué)成像。

聲學(xué)成像技術(shù)對GIS內(nèi)部擊穿放電點定位的核心問題在于檢測放電產(chǎn)生的振動信號,并對其進(jìn)行分析和處理,從而得到聲源位置的坐標(biāo)信息。目前,廣泛使用的聲源定位方法包括到達(dá)時間差法、高分辨率譜估計法和可控響應(yīng)功率法。

1.1 波束形成

針對GIS擊穿放電點的聲源定位問題,假設(shè)用于檢測振動信號的聲傳感器陣列共有N個陣元,則第i個麥克風(fēng)接收到的信號為

xi(t)=hi(t)s(t)+βi(t)

(1)

式中:s(t)為擊穿放電點的聲源信號;hi(t)為聲源到麥克風(fēng)的脈沖響應(yīng);hi(t)s(t)為混響信號;βi(t)為噪聲信號。

電氣設(shè)備位于室內(nèi)時,混響條件下的室內(nèi)脈沖響應(yīng)hi(t)可表示為

hi(t)=αis(t-Δti)+h′i(t)

(2)

式中:αis(t-Δti)為聲源直達(dá)麥克風(fēng)的振動信號;αi為聲音信號的衰減因子;Δti為從聲源位置到第i個麥克風(fēng)位置的時延;h′i(t)為聲音信號在室內(nèi)的反射信號。

將式(1)代入式(2),即可得到單個麥克風(fēng)接收到的聲音信號為

xi(t)=αis(t-Δti)+h′i(t)s(t)+βi(t)

(3)

定義輸出信號為y(t)

(4)

式中,τi為附加延時。

以聲音到達(dá)麥克風(fēng)陣列的最大傳播延時作為參考信號,則每個麥克風(fēng)的附加延時為

τi=Δt0-Δti

(5)

式中,Δt0為聲音到達(dá)參考位置的傳播延時。

(6)

1.2 可控響應(yīng)功率

(7)

附加時延被用于控制波束形成的焦點,當(dāng)波束形成的焦點與聲源的位置相同時,可控響應(yīng)的功率達(dá)到最大值,從而實現(xiàn)對聲源的定位?？煽仨憫?yīng)通常是時延的函數(shù),對于每個可能的聲源位置用向量r表示,則該位置可控響應(yīng)功率P為

P(r)=P(τ1,τ2,…,τN)

(8)

若某個候選位置對應(yīng)的可控響應(yīng)功率最大,則認(rèn)為該候選位置就是聲源的位置。基于上述原理,即可實現(xiàn)對聲源的定位。

1.3 相位變換

令頻域內(nèi)的麥克風(fēng)信號輸出為

(9)

式中:Xi(ω)為麥克風(fēng)接收到信號xi(t)的傅里葉變換;Gi(ω)為時域濾波器的傅里葉變換。

基于相位變換的廣義互相關(guān)函數(shù)(generalized cross correlation of phase transform,GCC-PHAT)具有較強(qiáng)的抗干擾性,因此可以通過將所有可能的陣元對的GCC-PHAT相加來求得可控響應(yīng)功率,即可實現(xiàn)可控響應(yīng)功率與相位變換相結(jié)合。

第m和第n個麥克風(fēng)信號的廣義互相關(guān)函數(shù)可表示為

(10)

相位變換(PHAT)權(quán)函數(shù)定義為

(11)

且存在

(12)

則可將所有麥克風(fēng)的濾波器定義為

(13)

(14)

(15)

同理,對所有可能的空間位置進(jìn)行搜索,使得P(r)取得最大值的位置即為聲源位置。SRP-PHAT聲源定位方法與延遲求和的波束形成方法相比,突出了真正的峰值,且具有更強(qiáng)的抗噪性和抗混響能力,提高了定位算法在強(qiáng)噪聲和強(qiáng)混響環(huán)境下的魯棒性。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 實驗布置

為了對本文算法進(jìn)行驗證,在高壓實驗室進(jìn)行了GIS擊穿定位模擬實驗。本文采用差分進(jìn)化算法對傳感器陣列進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,最終得到了由64個聲傳感器組成的傳感器陣列,其中麥克風(fēng)排布形式為3個圓環(huán)組成的同心圓,各圓環(huán)上的陣元數(shù)目為18、24、24,圓環(huán)半徑分別為0.045 5、0.098 5及0.155 m。麥克風(fēng)工作頻率范圍為10 Hz～24 kHz,有效成像頻段為800～24 000 Hz,有效測量距離為0.1～100 m。傳感器陣列及其響應(yīng)圖譜如圖1所示。

圖1 傳感器陣列及其響應(yīng)圖譜Fig.1 Sensor array and its response spectrum

本文通過人為設(shè)置擊穿放電點的方式,利用聲成像技術(shù)對其進(jìn)行定位驗證。圖2為實驗裝置現(xiàn)場布置圖;圖3為GIS裝置俯視圖,以A點為坐標(biāo)原點構(gòu)建坐標(biāo)系,傳感器陣列位于A點,距離地面高度1.5 m,A點坐標(biāo)為(0 m,0 m,1.5 m)。采用在GIS內(nèi)部固定位置安裝突出鐵絲的方式設(shè)置故障點,為驗證傳感器陣列對不同位置放電的定位效果,分別設(shè)置放電點F1(4.50 m,5.00 m,1.70 m)、F2(4.50m,5.00 m,2.20 m)、F3(3.45 m,6.00 m,1.70 m)、F4(5.55 m,6.50 m,1.70m)。

圖2 實驗設(shè)備及放電定位示意圖Fig.2 Test equipment and schematic diagram of discharge location

圖3 GIS設(shè)備俯視圖Fig.3 Top view of GIS equipment

實驗過程中通過加壓設(shè)備給母線加壓,使故障點的鐵絲發(fā)生擊穿放電。利用傳感器陣列進(jìn)行持續(xù)采樣,記錄放電前后8 s內(nèi)的聲波信號數(shù)據(jù)。通過儀器的自定義算法模塊分別采用編寫好的SRP和SRP-PHAT定位算法對放電點進(jìn)行定位分析。

2.2 算法對比分析

2.2.1 定位誤差實驗

為了對比兩種算法對于擊穿放電點的定位精度,本文將故障點設(shè)置在F1位置,傳感器布置于A點,從而進(jìn)行擊穿放電實驗。圖4a、b分別為利用SRP和SRP-PHAT聲成像算法的定位云圖,兩種算法均能實現(xiàn)對GIS內(nèi)部擊穿放電點的定位。但SRP算法給出的聲紋圖像定位區(qū)域要明顯大于SRP-PHAT算法所得到的聲紋圖像定位區(qū)域。

圖4 聲成像算法定位云圖Fig.4 Location nephogram of acoustic imaging algorithm

為了進(jìn)一步對比兩種算法的定位效果,在同一位置(F1)進(jìn)行10次放電實驗以及GIS擊穿點定位誤差比較,對誤差進(jìn)行歸一化處理。兩種算法對擊穿放電點的定位誤差如圖5所示。其中x軸的定位誤差可表示為

圖5 放電定位實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of discharge location

(16)

式中:x0為故障點位置坐標(biāo);x′為經(jīng)過處理后的定位坐標(biāo)。ey和ez的計算方法同理,綜合定位誤差取3個坐標(biāo)誤差的平均值。

由實驗結(jié)果可知,SRP對GIS擊穿點定位的x軸、y軸和z軸定位誤差平均值分別為6.91%、7.21%、7.31%,綜合誤差平均值為7.14%;SRP-PHAT對GIS擊穿點定位的x軸、y軸和z軸定位誤差平均值分別為5.06%、4.51%、4.80%,綜合誤差平均值為4.79%。SRP-PHAT的定位精度要比SRP定位精度高約2.35%,且誤差的標(biāo)準(zhǔn)差要小于SRP定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。由此說明SRP-PHAT的定位誤差波動性小,其定位魯棒性要優(yōu)于SRP定位方法。

2.2.2 響應(yīng)速度實驗

本文對兩種算法的響應(yīng)速度進(jìn)行分析,將故障點設(shè)置在F3位置,在A點布置兩臺相同的傳感器陣列進(jìn)行實驗。實際加壓過程中,GIS發(fā)生擊穿放電的時刻不可控,本文在GIS本體上安裝一個特高頻傳感器作為放電脈沖的接收裝置,用于記錄放電的起始時刻,然后將計算得到的能量峰值時刻作為響應(yīng)時間,進(jìn)行10次擊穿放電實驗,實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 響應(yīng)速度實驗結(jié)果Fig.6 Experimental results of response speed

由實驗結(jié)果可知,SRP算法的平均響應(yīng)時間約為1.117 s,SRP-PHAT算法的平均響應(yīng)時間約為1.145 s,在本文實驗條件下SRP-PHAT的運(yùn)算速度約為SRP算法速度的102.4%,即優(yōu)化后的算法要略慢于優(yōu)化前的算法。分析上述原因,相比于SRP算法,SRP-PHAT運(yùn)算過程中引入了相位變換和加權(quán)濾波的過程,導(dǎo)致了計算時間的增加。在實際應(yīng)用過程中檢修人員更關(guān)注定位精度,因此在運(yùn)算時間差別不大的情況下,本文算法具有更好的抗干擾能力和定位精度。

2.3 定位應(yīng)用分析

2.2.1節(jié)中分析了傳感器陣列位于A點時的定位精度,為了驗證傳感器位于不同位置情況下SRP-PHAT算法的定位效果,本文設(shè)置故障點為F1點,將傳感器陣列分別放置在圖3中的B、C、D點重復(fù)進(jìn)行10次擊穿放電定位實驗。圖7為傳感器位于不同位置放電點的典型聲成像定位云圖。圖8為傳感器陣列位于B、C、D點時的擊穿放電定位誤差。

圖7 傳感器位于不同位置時的定位云圖Fig.7 Location nephogram of sensor at different positions

圖8 傳感器處于不同位置定位誤差Fig.8 Location error of sensor at different positions

由實驗結(jié)果可知,傳感器陣列位于B點時,擊穿放電點的定位誤差平均值為4.21%;傳感器位于C點定位誤差平均值為4.30%;傳感器位于D點定位誤差平均值為4.49%。傳感器陣列位于不同位置時,采用SRP-PHAT算法均可實現(xiàn)對GIS擊穿放電點的定位,其定位誤差均小于5%,定位精度大于95%,顯著提高了對GIS內(nèi)部擊穿放電點的定位效果。

3 結(jié) 論

本文研究了基于波束形成技術(shù)聲成像在GIS擊穿定位中的應(yīng)用,主要結(jié)論如下:

1) 將可控響應(yīng)功率的波束形成算法與相位變換相結(jié)合進(jìn)行GIS擊穿的聲成像定位,具有更高的定位精度與更優(yōu)的抗噪性。

2) SRP方法對GIS擊穿點定位的綜合定位誤差約為7.14%;SRP-PHAT方法的綜合定位誤差約為4.79%,且SRP-PHAT的定位方法具有更高的魯棒性。

3) 擊穿放電點位置和傳感器位置均不固定的情況下,采用SRP-PHAT定位方法得到的GIS擊穿放電點定位誤差的平均值約為4.57%,定位精度高于95%。