基于电磁波天线阵列的变电站局部放电信号处理及定位方法

摘要

局部放电(Partial discharge，PD)信号包含了丰富的绝缘状态信息，同时局部放电既是绝缘劣化的征兆和表现形式，又是绝缘进一步劣化的原因，因此局部放电监测是及时发现电力设备绝缘缺陷，避免绝缘击穿故障的有效手段。对局部放电源进行定位，可达到快速查找故障点及提高检修效率的目的。特高频(Ultra-high frequency, UHF)电磁波方法具有灵敏度高、抗干扰能力强且适合于在线检测的优点，且电磁波在空气中的传播速度稳定，因此可对UHF信号进行分析处理，实现变电站内局部放电源的定位。
　　从变电站现场采集的UHF信号中包含有白噪声、窄带周期性信号、脉冲信号等干扰，给信号时延估计、局部放电源定位、分离等问题带来了巨大的困难。本文首先介绍了基于天线阵列的变电站局部放电检测系统组成与原理，深入讨论了基于时延序列的变电站空间局部放电源定位算法，理论推导和定量分析了在相同的时延序列误差下，定位结果误差与天线阵列布置的关系，最终给出了射频天线阵列布置的优化方法。
　　现代信号处理及高阶统计量理论的发展，为局部放电中关键问题的解决提供了新的思路。本文以高阶统计量理论为基础，研究了基于四阶累积量和双谱的局部放电超高频信号时延估计算法，该算法解决了混杂在局部放电信号中相关特性未知的高斯噪声及周期性窄带干扰问题。对变电站现场采集得到的信号进行分析验证，利用该算法求得的时延序列对变电站内局部放电源进行定位，结果表明定位误差在1m以内，精度高于利用信号阈值、能量累积函数、相关分析等常用的信号时延估计算法，满足变电站全站范围局部放电源的定位精度。
　　本文分析了局部放电辐射电磁场的传播特性，及接收天线的天线因子，并以此为理论基础，提出基于电磁波衰减的变电站局部放电定位算法，该算法不需要计算信号时延，故降低了对信号采集系统采样率的要求。基于L型天线阵列信号处理，结合旋转不变技术(Estimating signal parameter via rotational invariance techniques，ESPRIT)求取信号到达方向角(Direction of arrival，DOA)及高阶累积量的思想，论文提出一种基于L型天线阵列信号处理的变电站局部放电定位方法，该方法通过求解两个波达方向上的直线交点得到局部放电源的平面坐标，避免了求解非线性方程组，对变电站现场采集得到的信号进行分析验证，该算法的局部放电源定位误差在1m以内。
　　将局部放电辐射的特高频电磁波信号建模为自回归-滑动平均（Autoregressivemoving average，ARMA）模型，利用高阶累积量有效地从高斯噪声和窄带周期干扰的信号中辨识局部放电信号的模型阶数和参数。利用信号模型辨识得到的AR参数和MA参数，及双谱估计可以有效地重构出只相差常数幅值因子和线性相位差的原始信号的Fourier变换幅值和相位，从而重构只相差常数因子和时间移位的时域信号;利用Fisher可分离度选择具有最强类可分离度的频谱重构值或双谱，作为信号的特征参数，并利用特征参数训练径向基神经网络来判断信号的类型的方法，对变电站现场采集得到的信号进行分析验证，该算法对局部放电源分离的正确率在70％以上。
　　论文最后给出了变电站局部放电监测和故障预警系统的样机研制，及其在实验室及变电站现场安装测试的试验结果，初步验证了系统对变电站全站空间内局部放电源定位的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 变电站局部放电监测和定位的意义

1．2 常用的局部放电检测及定位方法

1．3 基于特高频电磁波方法的局部放电定位研究现状

1．3．1 国内外电气设备局部放电在线监测与定位现状

1．3．2 国内外变电站全站局部放电在线监测与定位现状

1．3．3 用于局部放电信号时延估计的算法

1．3．4 局部放电信号干扰抑制及重构方法

1．3．5 多局部放电源识别与分离方法研究

1．4 现代信号处理相关关键技术研究现状

1．4．1 高阶统计量用于信号时延估计

1．4．2 基于传感器阵列的定位算法

1．4．3 阵列信号处理用于信号源定位

1．4．4 高阶统计量用于信号模型参数辨识及重构

1．4．5 高阶统计量用于多信号源分离

1．5 本文的主要研究内容

1．5．1 问题的提出

1．5．2 本文章节安排及创新点

第二章 基于时延序列的变电站局部放电源定位方法研究

2．1 变电站全站局部放电在线监测与定位的可行性

2．2 基于天线阵列的变电站局部放电检测系统组成与结构

2．3 基于时延序列的定位算法原理

2．3．1 利用能量积累函数确定信号起始时刻

2．3．2 能量积累函数的平滑滤波处理

2．3．3 FIR数字带通滤波器的应用

2．3．4 利用时延计算放电点位置

2．4 牛顿迭代法与网格搜索结合求解非线性方程组

2．4．1 牛顿迭代法求解非线性方程组原理

2．4．2 逐层网格搜索法求解非线性方程组

2．5 基于时延序列的三维定位算法误差分析

2．6 天线阵列布置对定位结果影响的定量分析

2．6．1 天线阵列布置形式对定位误差的影响

2．6．2 天线阵列布置分散度对定位误差的影响

2．7 定位算法的实验室及现场测试

2．7．1 实验室测试

2．7．2 现场测试

2．8 本章小结

第三章 基于高阶统计量的局部放电特高频信号时延估计

3．1 基于高阶统计量的信号时延估计原理

3．1．1 高阶累积量及高阶谱的定义及性质

3．1．2 基于四阶累积量的信号时延估计算法

3．1．3 频域双谱时延估计算法原理

3．1．4 参数化双谱时延估计算法

3．2 高阶统计量用于离散时间信号时延估计的计算方法

3．2．1 四阶累积量用于信号时延估计实现方法

3．2．2 双谱时延估计算法的数值实现

3．3 基于高阶统计量的信号时延估计算法仿真验证

3．3．1 基于四阶累积量的时延估计算法仿真验证

3．3．2 双谱估计信号时延估计算法的仿真

3．4 变电站现场测试

3．4．1 基于四阶累积量的时延估计算法仿真验证

3．4．2 双谱估计信号时延估计算法的现场测试

3．5 本章小结

第四章 基于电磁波信号传播衰减模型的局部放电定位理论与方法

4．1 基于电磁波信号传播衰减模型的局部放电定位方法基本原理

4．1．1 局部放电辐射电磁场的分布特性

4．1．2 接收天线的灵敏度系数

4．1．3 建立基于电磁波信号传播衰减模型的局部放电定位方程组

4．2 算法仿真验证

4．3 算法实验室测试

4．4 本章小结

第五章 基于L型天线阵列信号处理的局部放电定位技术

5．1 基于L型天线阵列信号处理的局部放电定位方法基本原理

5．1．1 L型阵列信号模型

5．1．2 信号二维波达方向的计算

5．2 基于阵列信号到达方向角的局放定位算法

5．3 仿真验证

5．4 变电站现场测试

5．5 本章小结

第六章 基于信号模型参数辨识的局部放电电磁波信号重构

6．1 信号模型

6．2 模型参数辨识

6．2．1 Yule-Walker方程和BBR公式

6．2．2 AR阶数的确定及参数估计

6．2．3 IVIA阶数的确定及参数估计

6．3 信号重构

6．3．1 幅值重构

6．3．2 相位重构

6．4 仿真验证

6．5 变电站现场测试

6．6 本章小结

第七章 基于信号重构及选择双谱的变电站多局部放电源分离

7．1 基于信号频谱重构的多局部放电源分离

7．1．1 信号分类原理

7．1．2 离线训练算法

7．2 基于选择双谱的多局部放电源分离

7．3 仿真验证

7．3．1 基于频谱重构方法的多局部放电源分离方法仿真验证

7．3．2 基于选择双谱的多局部放电源分离方法仿真验证

7．4 现场验证

7．4．1 基于频谱重构的多局部放电源分离方法现场测试

7．4．2 基于选择双谱的多局部放电源分离方法现场测试

7．5 本章小结

第八章 变电站全站局部放电定位装置的研制和测试

8．1 系统硬件组成及软件设计

8．2 系统实验室测试

8．2．1 实验楼平台测试

8．2．2 GIS真型设备内置局放放电模型定位测试

8．3 变电站现场测试

8．3．1 岳东220kV变电站现场测试

8．3．2 高余220kV变电站现场安装测试

8．4 本章小结

第九章 结论与展望

9．1 本文主要结论

9．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目