一种精确获得局部放电特高频信号时差的方法

摘要

本发明公开了一种精确获得局部放电特高频信号时差的方法，包括步骤：(1)采用特高频传感器阵列采集局部放电特高频信号的实测值，该特高频传感器阵列具有若干个特高频传感器；(2)采用线性预测方法获得局部放电特高频信号的线性预测值；(3)基于线性预测值和与该线性预测值对应的实测值，获得线性预测误差；(4)采用幂定律对线性预测误差进行处理，以获得预测改进值；(5)基于特高频传感器对应的预测改进值，获得相关函数R

说明书

技术领域

本发明涉及一种获得信号时差的方法以及基于该信号时差的定位方法，尤其涉及一种用于局部放电的获得信号时差的方法以及基于该信号时差的定位方法。

背景技术

局部放电会引起电力设备的绝缘劣化，导致设备故障，因此对局部放电的检测及定位有很大实际意义。基于特高频信号的局部放电定位方法抗干扰性能较好，特别适合应用于现场检测。

虽然可以利用局部放电特高频信号到达不同特高频传感器的时差构建位置方程，从而实现局部放电源定位，但是在实际应用中却存在巨大困难，例如由于电磁波在空气中以光速传播，如果要求局部放电定位误差在1米以下，则需要使得局部放电特高频信号的时差误差在10纳秒以下，而现阶段常用的时差计算算法，包括广义相关法、能量积累法、阈值法等，往往难以满足局部放电定位对时差的精度要求。此外，由于实际环境中的局部放电特高频信号中往往含有白噪声、随机脉冲、窄带信号灯干扰，进一步增加了时差计算的困难。

因此，为了更好地对特高频局部放电源进行定位，迫切需要解决如何精确获得特高频信号时差的问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种精确获得局部放电特高频信号时差的方法，该方法首先基于局部放电特高频信号的实测值进行线性预测方法以获得线性预测值，基于实测值与线性预测值的差值获得线性预测误差，随后对线性预测误差进行幂定律处理，使得线性预测误差的幅值进一步增强，从而使得局部放电特高频信号的时差更易获得，所得到的时差更精确。

基于上述目的，本发明提出了一种精确获得局部放电特高频信号时差的方法，包括步骤：

(1)采用特高频传感器阵列采集局部放电特高频信号的实测值，所述特高频传感器阵列具有若干个特高频传感器；

(2)采用线性预测方法获得局部放电特高频信号的线性预测值；

(3)基于所述线性预测值和与该线性预测值对应的实测值，获得线性预测误差；

(4)采用幂定律对线性预测误差进行处理，以获得预测改进值；

(5)基于各不同的特高频传感器对应的所述预测改进值，获得相关函数R_ij(l)：

式中，g_i(k)表示第i个特高频传感器的预测改进值中的第k个采样点的采样值，g_j(k-l)表示第j个特高频传感器的预测改进值中的第k-l个采样点的采样值，s表示实测的局部放电特高频信号的长度，l为变量；R_ij(l)表示将第i个特高频传感器和第j个特高频传感器在间隔l个采样点处的的预测改进值相乘并相加，以最终获得以l为变量的函数值，R_ij(l)的函数值的大小表征第i个特高频传感器和第j个特高频传感器测得的两路局部放电特高频信号在不同的采样间隔l下的相关度；

(6)获得R_ij(l)的最大值所对应的变量l，该变量l则为第i个特高频传感器和第j个特高频传感器测得的局部放电特高频信号的时差。

当局部放电发生时，特高频传感器阵列中不同的特高频传感器接收到的局部放电特高频信号具有时差，该时差可以用于确定特高频局部放电源的定位，但该时差由于数值过小，且在实际操作中存在着白噪声、随机脉冲、窄带信号灯干扰，所以时差无法直接测量获得，因此，在本发明所述的精确获得局部放电特高频信号的方法中，通过基于局部放电特高频信号进行线性预测方法以获得线性预测值，基于实测值与线性预测值的差值获得线性预测误差，随后对线性预测误差进行幂定律处理，使得线性预测误差的幅值进一步增强，从而使得局部放电特高频信号的时差更易获得，对幂定律处理后的局部放电特高频信号的预测改进值进行步骤(5)和步骤(6)计算从而获得精确的局部放电特高频信号的时差，R_ij(l)表征第i个特高频传感器和第j个特高频传感器测得的两路局部放电特高频信号在不同的采样间隔l下的相关度，相关度越大，则说明局部放电特高频信号越相似，对于不同特高频传感器记录的局部放电特高频信号而言，在局部放电发生的时刻，相似度最大，因此，获得R_ij(l)的最大值所对应的变量l，该变量l则为第i个特高频传感器和第j个特高频传感器测得的局部放电特高频信号的时差。

在本案中，线性预测方法通过某一时刻之前的若干采样点，按照不同的权重，经过线性组合来预测局部放电特高频信号在该某一时刻的采样值，从而获得线性预测值。

需要说明的是，在本案中，i、j分别表示不同的特高频传感器，即i≠j。

进一步地，在本发明所述的精确获得局部放电特高频信号时差的方法中，所述步骤(2)获得采用线性预测方法获得局部放电特高频信号的线性预测值包括步骤：设x(n)是局部放电特高频信号中第n个采样点的实测值，x(n-m)表示局部放电特高频信号中第n-m个采样点的实测值，则局部放电特高频信号中第n个采样点的线性预测值通过下式预测得到：

式中，p为预测器的阶数，p≥5；a_m是选取的预测系数，预测系数被选取为使得线性预测误差e(n)最小。

上述方案中，由于不同的预测器的阶数会影响线性预测方法最终获得的效果，因此，在本发明所述的方法中，p取值范围为p≥5；a_m是选取的预测系数，也就是上文所述的不同的权重，不同的预测系数的值会影响预测效果，而为了使得线性预测误差e(n)最小，线性预测系数a_m的选取应满足

更进一步地，在本发明所述的精确获得局部放电特高频信号时差的方法中，在所述步骤(2)中，预测器的阶数p被选为5，预测系数a_m则被选取为a₁＝0.45，a₂＝0.25，a₃＝0.15，a₄＝0.1，a₅＝0.05。

进一步地，在本发明所述的精确获得局部放电特高频信号时差的方法中，在所述步骤(3)中，所述线性预测误差e(n)通过下述获得：

上述方案中，特高频传感器阵列采集的局部放电特高频信号的实测值是由突发的局部放电产生的，在局部放电发生的时刻，局部放电特高频信号的幅值产生突变，从而导致线性预测误差e(n)会突然上升；而在局部放电特高频信号突变后，线性预测方法又能够较为准确的精度预测出后续信号，从而使得误差e(n)会持续下降。因此，对局部放电特高频信号应用线性预测方法，对于不同特高频传感器接受局部放电特高频信号所得出的线性预测误差e(n)最大的时刻，即可表示为局部放电的发生时刻；而e(n)最大时刻的时差值，可以表示为实测局部放电特高频信号的时差值。对实际接收的局部放电特高频信号应用线性预测方法，可以使得经过线性预测方法处理后的局部放电特高频信号，相对原始信号可以更为精确的分辨出局部放电的发生时刻。

进一步地，在本发明所述的精确获得局部放电特高频信号时差的方法中，在所述步骤(4)中，按照下式采用幂定律对线性预测误差e(n)进行处理：

式中，g(n)表示线性预测误差e(n)在应用幂定律之后的改进值，其被称为预测改进值；K为选取的常数。

上述方案中，由于通过对局部放电特高频信号的实测值应用线性预测方法，从而确定了局部放电的发生时刻，进而计算不同特高频传感器间的时差。为了对时差获得的精度进行进一步提升，因此，对线性预测误差e(n)采用幂定律进行处理。

进一步地，在本发明所述的精确获得局部放电特高频信号时差的方法中，在所述步骤(4)中，常数K取50。

上述方案中，常数K的大小决定了g(n)在局部放电发生时刻幅值的平缓度，因此，本案发明人优选将常数K设置为50。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种对特高频局部放电进行精确定位的方法，采用该方法能够精确对特高频局部放电位置进行定位，该方法误差小，精度高。

为了实现上述目的，本发明提出了一种对特高频局部放电进行精确定位的方法，包括步骤：

(1)采用上述的精确获得局部放电特高频信号时差的方法获得不同的特高频传感器测得的局部放电特高频信号的时差；

(2)基于局部放电特高频信号的时差和各特高频传感器的位置坐标，列出特高频局部放电源的位置坐标方程，以对特高频局部放电源的位置进行精确定位。

本发明所述的对特高频局部放电进行精确定位的方法通过精确获得局部放电特高频信号的时差，并基于该时差以及各特高频传感器的位置，建立坐标系，从而构建特高频局部放电源的位置坐标方程，进而获得特高频局部放电源的位置，以实现对其进行精确定位。

进一步地，在本发明所述的对特高频局部放电进行精确定位的方法中，所述特高频传感器阵列具有至少4个特高频传感器，所述特高频局部放电源的位置坐标方程为：

式中，(x,y,z)表示特高频局部放电源的位置坐标，至少4个特高频传感器放置在同一水平面上，因此z＝0，四个特高频传感器的坐标分别为S₁(d₁,d₂,0)、S₂(-d₁,d₂,0)、S₃(-d₁,-d₂,0)、S₄(d₁,-d₂,0)，c为光速，t₁表示局部放电信号从发生到传播到特高频传感器S₁的时间，t₁+t₂₁、t₁+t₃₁和t₁+t₄₁分别表示局部放电信号从发生到传播到特高频传感器S₂、S₃和S₄的时间，因此t₂₁、t₃₁、t₄₁分别为特高频传感器S₂与S₁、S₃与S₁、S₄与S₁之间的传播时差。由于局部放电发生时刻是随机的，t₁难以测量，因此本发明中通过测量时间差t₂₁、t₃₁、t₄₁求解上述位置坐标方程，并最终获得局部放电源坐标。

上述方案中，t₂₁、t₃₁、t₄₁可以根据R₂₁(l)、R₃₁(l)以及R₄₁(l)取最大值时对应的l值获得。

本发明所述的精确获得局部放电特高频信号时差的方法首先基于局部放电特高频信号的实测值进行线性预测方法以获得线性预测值，基于实测值与线性预测值的差值获得线性预测误差，随后对线性预测误差进行幂定律处理，使得线性预测误差的幅值进一步增强，从而使得局部放电特高频信号的时差更易获得，所得到的时差更精确。

本发明所述的对特高频局部放电进行精确定位的方法利用精确获得的局部放电特高频信号的时差，并基于该时差以及各特高频传感器的位置，构建特高频局部放电源的位置坐标方程，进而获得特高频局部放电源的位置，以实现对其进行精确定位。

附图说明

图1为本发明所述的精确获得局部放电特特高频信号时差的方法的原理示意图。

图2为采用了本发明所述的对特高频局部放电进行精确定位的方法在一种实施方式中的方法示意图。

图3显示了采用图2所示的现场测试获得的各个特高频传感器收集到的信号实测值随采样点的变化情况。

图4显示了图3的实测值与其经线性预测方法所获得线性预测值相减获得的线性预测误差随采样点的变化情况。

图5显示了图4的线性预测误差经幂定律处理后获得的预测改进值随采样点的变化情况。

图6显示了采用本发明所述的对特高频局部放电进行精确定位的方法与对比例之间的距离误差情况。

图7显示了采用本发明所述的对特高频局部放电进行精确定位的方法与对比例之间的角度误差情况。

具体实施方式

下面将根据具体实施例及说明书附图对本发明所述的精确获得局部放电特高频信号时差的方法作进一步说明，但是该说明并不构成对本发明技术方案的不当限定。

图1为本发明所述的精确获得局部放电特特高频信号时差的方法的原理示意图。

如图1所示，当特高频局部放电源发生局部放电时，位于不同位置的特高频传感器I、II先后收到该特高频局部放电源产生的局部放电特高频信号，将特高频传感器I开始接收到局部放电特高频信号的时间记为T₁，将特高频传感器II开始接收到局部放电特高频信号的时间记为T₂，由于特高频传感器I、II之间位于不同的位置，导致二者接收到的局部放电特高频信号具有时差，该时差记作ΔT₁₂，时差ΔT₁₂的数值由T₂-T₁获得。由于特高频传感器I、II的位置可以确定，因此，通过时差ΔT₁₂列出位置方程从而确定特高频局部放电源。

但是需要指出的是，图1中特高频传感器I、II所显示接收到的局部放电特高频信号为仿真信号，在实际应用时，接收到的局部放电特高频信号由于存在着白噪声、随机脉冲、窄带信号灯干扰而导致T₁、T₂无法确定(实际测得的局部放电特高频信号图像可以参考图3)，因而，时差ΔT₁₂无法直接测量获得。

为了精确定位特高频局部放电源，需要精确获取的局部放电特高频信号时差，因此，采用如图2所示的方法获得局部放电特高频信号的时差。

图2为采用了本发明所述的对特高频局部放电进行精确定位的方法在一种实施方式中的方法示意图。

如图2所示，特高频传感器阵列包括特高频传感器S₁、S₂、S₃、S₄，将特高频传感器阵列的中心设为原点，其中特高频传感器阵列宽1.6米，长2米，模拟特高频局部放电源的放电点沿x轴所在直线等间距设置(放电点等间距设置是为了便于后续验证本案所获取的特高频局部放电源与实际发生局部放电的放电点的误差，图2仅示意性标记了五个放电点P1、P2、P3、P4、P5，但不限于设置五个放电点)。

由于各特高频传感器处于同一平面，因而，图2建立的坐标系并未显示z轴，即在本实施方式中的对特高频局部放电进行精确定位的方法中，认为各特高频传感器的z＝0。

采用本案的对特高频局部放电进行精确定位的方法获得放电点的坐标，采用如下步骤：

(1)采用精确获得局部放电特高频信号时差的方法获得不同的特高频传感器测得的局部放电特高频信号的时差；

(2)基于局部放电特高频信号的时差和各特高频传感器的位置坐标，列出特高频局部放电源的位置坐标方程，以对特高频局部放电源的位置进行精确定位。其中，位置坐标方程为：

式中，(x,y,z)表示特高频局部放电源的位置坐标，至少4个特高频传感器放置在同一水平面上，因此z＝0，四个特高频传感器的坐标分别为S₁(d₁,d₂,0)、S₂(-d₁,d₂,0)、S₃(-d₁,-d₂,0)、S₄(d₁,-d₂,0)，c为光速，t₂₁、t₃₁、t₄₁分别为特高频传感器S₂与S₁、S₃与S₁、S₄与S₁之间的所述时差，t₁表示局部放电信号从发生到传播到特高频传感器S₁的时间，t₁+t₂₁、t₁+t₃₁和t₁+t₄₁分别表示局部放电信号从发生到传播到特高频传感器S₂、S₃和S₄的时间，因此t₂₁、t₃₁、t₄₁分别为特高频传感器S₂与S₁、S₃与S₁、S₄与S₁之间的传播时差。

而在上述实施方式中步骤(1)的精确获得局部放电特高频信号时差的方法，包括以下步骤：

(11)采用特高频传感器阵列采集局部放电特高频信号的实测值，特高频传感器阵列具有特高频传感器S₁、S₂、S₃、S₄；

(12)采用线性预测方法获得局部放电特高频信号的线性预测值，其中，获得采用线性预测方法获得局部放电特高频信号的线性预测值包括步骤：设x(n)是局部放电特高频信号中第n个采样点的实测值，x(n-m)表示局部放电特高频信号中第n-m个采样点的实测值，则局部放电特高频信号中第n个采样点的线性预测值通过下式预测得到：

式中，p为预测器的阶数，p≥5；a_m是选取的预测系数，预测系数被选取为使得线性预测误差e(n)最小；

(13)基于所述线性预测值和与该线性预测值对应的实测值，获得线性预测误差e(n)，线性预测误差e(n)通过下述获得：

(14)按照下式采用幂定律对线性预测误差进行处理：

式中，g(n)表示线性预测误差e(n)在应用幂定律之后的改进值，其被称为预测改进值；K为选取的常数50；

(15)基于各不同的特高频传感器对应的所述预测改进值，获得相关函数R_ij(l)：

式中，g_i(k)表示第i个特高频传感器的预测改进值中的第k个采样点的采样值，g_j(k-l)表示第j个特高频传感器的预测改进值中的第k-l个采样点的采样值，s表示实测的局部放电特高频信号的长度，l为变量；R_ij(l)表示将第i个特高频传感器和第j个特高频传感器在间隔l个采样点处的的预测改进值相乘并相加，以最终获得以l为变量的函数值，R_ij(l)的函数值的大小表征第i个特高频传感器和第j个特高频传感器测得的两路局部放电特高频信号在不同的采样间隔l下的相关度；

(16)获得R_ij(l)的最大值所对应的变量l，该变量l则为第i个特高频传感器和第j个特高频传感器测得的局部放电特高频信号的时差。

需要说明的是，在步骤(12)中，预测器的阶数p被选为5，预测系数a_m则被选取为a₁＝0.45，a₂＝0.25，a₃＝0.15，a₄＝0.1，a₅＝0.05；而在步骤(15)中，s＝10000。

通过步骤(11)～步骤(16)可以获得R₂₁(l)、R₃₁(l)以及R₄₁(l)取最大值时对应的l值，从而确定步骤(2)中局部放电特高频信号时差t₂₁、t₃₁、t₄₁，进而获得放电点坐标，实现对特高频局部放电源的定位。

图3显示了采用图2所示的现场测试获得的各个特高频传感器收集到的信号实测值随采样点的变化情况。

如图3所示，特高频传感器阵列中特高频传感器S₁、S₂、S₃、S₄收到的局部放电特高频信号由于存在着白噪声、随机脉冲、窄带信号灯干扰，因而，局部放电特高频信号时差t₂₁、t₃₁、t₄₁。

图4显示了图3的实测值与其经线性预测方法所获得线性预测值相减获得的线性预测误差随采样点的变化情况。

如图4所示，特高频传感器阵列采集的局部放电特高频信号的实测值是由突发的局部放电产生的，在局部放电发生的时刻，局部放电特高频信号的幅值产生突变，从而导致线性预测误差e(n)会突然上升；而在局部放电特高频信号突变后，线性预测方法又能够较为准确的精度预测出后续信号，从而使得误差e(n)会持续下降。因此，对局部放电特高频信号应用线性预测方法，对于不同特高频传感器接受局部放电特高频信号所得出的线性预测误差e(n)最大的时刻，即可表示为局部放电的发生时刻；而e(n)最大时刻的时差值，可以表示为实测局部放电特高频信号的时差值。对实际接收的局部放电特高频信号应用线性预测方法，可以使得经过线性预测方法处理后的局部放电特高频信号，相对原始信号可以更为精确的分辨出局部放电的发生时刻。因此，图4较之于图3更清晰地反应局部放电发生的时刻。

图5显示了图4的线性预测误差经幂定律处理后获得的预测改进值随采样点的变化情况。如图5所示，经幂定律处理后所获得的预测改进值峰值更加明显，因此，图5较之于图4可以更精确地获得各个局部放电特高频信号时差。

表1列出了采用本案的对特高频局部放电进行精确定位的方法所获得的放电点的位置与其实际所处位置的距离及角度对比结果。

表1.

r实际值/(m)24681012141618r测量值/(m)1.343.365.298.9610.2812.9214.7416.8219.19θ测量值/(°)-3.74-5.825.81-5.514.28-6.185.165.015.89距离误差Δr/(m)0.660.640.71-0.96-0.28-0.92-0.74-0.82-1.19角度误差Δθ/(°)3.745.82-5.815.51-4.286.18-5.16-5.01-5.89

注：表中θ是指放电点与x轴之间的夹角，由于放电点均位于x轴上，因而θ的实际值应为0°，r实际值是指放电点距离原点的距离，r测量值是指根据本技术方案获得的局部放电点的坐标(x，y，z)，进而确定的与原点之间的距离。

由表1可以看出，采用本案的对特高频局部放电进行精确定位的方法定位准确，距离误差的绝对值＜1.19m，角度误差的绝对值＜5.89°。

为了进一步验证本案实施效果的有效性，对比例B1采用直接广义相关法计算获得的放电点位置与实施例A1采用本案的方法所获得的放电点位置进行对比，将对比结果所显示的距离误差与角度误差的绝对值绘制成图。

图6显示了采用本发明所述的对特高频局部放电进行精确定位的方法与对比例之间的距离误差情况。如图6所示，本案实施例A1的曲线始终低于对比例B1，也就是说本案实施例A1的距离误差的绝对值始终小于对比例B1。

图7显示了采用本发明所述的对特高频局部放电进行精确定位的方法与对比例之间的角度误差情况。如图7所示，本案实施例A1的曲线始终低于对比例B1，也就是说本案实施例A1的角度误差的绝对值始终小于对比例B1。

综合表1以及图6、7可以看出，本案的对特高频局部放电进行精确定位的方法显著提高了对特高频局部放电源的定位，其距离误差和角度误差都较小。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

另外，还需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案所记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。