CN103983903A - 利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法 - Google Patents

Abstract

一种利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法。其包括制作四根全向射频天线、建立局部放电定位***、确定射频电磁波信号的起始点、平滑滤波处理、利用时延计算放电点位置等步骤。本发明的变电站全站局部放电定位方法是改变以往对单个设备进行检测的常规做法，利用一套定位装置对全站的设备进行局部放电信号的巡检：首先通过检测变电站内多种类型高压设备故障发生前所产生的异常局部放电信号，初步定位放电源后，再进一步分析判断局部放电信号的发展趋势，预测设备的绝缘恶化程度。经实验室及现场测试表明，对10m范围内的局部放电源定位结果误差在20cm以内，因此能够满足变电站全站局部放电定位精度的要求。

Description

利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法

技术领域

本发明属于电力***高电压与绝缘技术领域，特别是涉及一种利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法。

背景技术

局部放电是在一定电压的作用下,绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现象。射频(RF)法检测局部放电是近年来发展起来的一项新技术，通过安置RF传感器检测局部放电激发的电磁波射频部分。其基本原理是：油和SF6气体中局部放电总是在很小的范围内发生，因此具有极快击穿时间的特征，上升沿很陡。这种具有快速上升时沿的局部放电脉冲含有从直流到超过1GHz的频率成分。电力***中的架空线等处的电晕放电与电力设备内局部放电特性不同：空气中电晕放电脉冲持续时间较长、波头上升时间也较长，其信号能量频率一般在200MHz以下。另外局部放电测试中的其他高频干扰如：调频信号、电视信号、移动通信信号、航空器通信信号等除移动通信信号在800M或1800M外，大都在300M范围以内。因此，当电力设备内发生局部放电时，通过检测其发出的电磁波中的射频段(300～3000MHz)信号来检测局部放电,可以尽量避开常规电气测试方法中难以避开的电晕及其它周期性干扰信号,提高局部放电检测的信噪比。但目前尚缺少这样的变电站全站局部放电定位方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法。

为了达到上述目的，本发明提供的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、制作四根全向射频天线：全向射频天线作为全向射频传感器，用于接收局部放电源辐射的射频电磁波信号，以实现局部放电检测；

步骤二、建立局部放电定位***：建立包含四根全向射频天线、四个放大器和一个带存储功能的高速示波器在内的局部放电定位***，并通过四根全向射频天线实时采集局部放电源辐射的射频电磁波信号；

步骤三、确定射频电磁波信号的起始点：根据射频电磁波信号的波形利用能量积累函数确定各路射频电磁波信号的放电起始时刻；

步骤四、平滑滤波处理：对上述能量积累函数进行平滑滤波处理，以得到能量积累函数的“拐点”位置；

步骤五、利用时延计算放电点位置：利用四路射频电磁波信号的放电起始时刻和相对于全向射频天线的位置关系，确定出放电点位置。

在步骤一中，所述的全向射频天线为一种椭圆形微带天线，正面导体薄片为椭圆金属贴片，背面接地板为半椭圆金属贴片和圆盘接地极，介质基底采用聚四氟乙烯。

在步骤二中，所述的局部放电定位***包括四根全向射频天线、四个放大器和一个带存储功能的高速示波器；其中四根全向射频天线设置在变电站局部放电监测区域的中心位置处，形成天线阵列，每个全向射频天线连接一个放大器，四个放大器同时与高速示波器相连。

在步骤二中，所述的局部放电定位***的建立过程如下：

(2.1)在变电站局部放电监测区域的中心位置处安装四根全向射频天线组成天线阵列，并建立三维坐标系，依次计算各全向射频天线的空间坐标，设n号全向射频天线的三维坐标为(X_n,Y_n,Z_n)；全向射频天线的频率范围为0.3GHz-6GHz；

(2.2)将每个全向射频天线连接一个放大器，放大器用于将全向射频天线接收的射频电磁波信号放大，其频带范围为0.3GHz-2GHz，增益:>＝40db；

(2.3)将高速示波器放置于天线阵列中心位置，并与多个放大器相连，以触发方式同步采集放大器输出的射频电磁波信号：高速示波器的带宽大于2GHz，采样速率应大于10GSa/s。

在步骤三中，所述的确定各路射频电磁波信号的放电起始时刻的方法是利用能量积累函数；

能量积累函数X的计算公式为其中为射频电磁波信号波形上第k个点的电压值；j为每路射频电磁波信号波形记录的点数。

所述的对能量积累函数进行平滑滤波处理的方法是：

使用滑动平均滤波器和指数加权滤波器对能量积累函数进行平滑处理；假设em[n]为原能量积累函数，Smem[n]为平滑处理以后的能量积累函数，M阶滑动平均滤波器和指数加权滤波器的公式如下，其中加权系数为α(0＜α＜1))：

$\mathrm{Smem}\left[n\right]=\mathrm{smem}[n-1]+\frac{1}{M}\left(\mathrm{em}\right[n]-\mathrm{em}[n-M\left]\right)$

Smen[n]＝α·em[n-1]+em[n]。

在步骤五中，所述的利用时延计算放电点位置的方法为：

拐点对应的时刻认为是射频电磁波信号的起始时刻，因此该信号到达的时间差为：

ΔT₂＝dt2-dt1

ΔT₃＝dt3-dt1

ΔT₄＝dt4-dt1

假设四根全向射频天线1的空间位置坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)和(x₄，y₄，z₄)，放电点位置为(x，y，z)，放电点到四根全向射频天线1的距离分别为d₁、d₂、d₃、d₄，建立基于时间差的非线性方程组：

d₂-d₁＝vΔT₂

d₃-d₁＝vΔT₃

d₄-d₁＝vΔT₄

其中， $d_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2},$ i＝1，2，3，4；v＝c＝3.0×10²m/s为电磁波传播速度；

利用迭代法求解该方程组得到(x，y，z)即为待定的放电点位置坐标。

本发明提供的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法是改变以往对单个设备进行检测的常规做法，利用一套定位装置对全站的设备进行局部放电信号的巡检：首先通过检测变电站内多种类型高压设备故障发生前所产生的异常局部放电信号，初步定位放电源后，再进一步分析判断局部放电信号的发展趋势，预测设备的绝缘恶化程度。经实验室及现场测试表明，对10m范围内的局部放电源定位结果误差在20cm以内，因此能够满足变电站全站局部放电定位精度的要求。

附图说明

图1为本发明提供的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法所采用的定位***中天线陈列排布示意图。

图2为本发明所采用的定位***组成框图。

图3(a)和图3(b)分别为本发明所采用的定位***中全向射频天线1的驻波比及方向图。

图4为本发明所采用的定位***中高速示波器同步触发采集到的四路射频电磁波信号波形图。

图5为射频信号的能量积累曲线图。

图6(a)和图6(b)分别为平滑滤波前后的能量积累函数曲线图。

图7(a)和图7(b)分别为在实验室验证时全向射频天线的两种摆放空间位置示意图。

图8为变电站现场测试时采用的坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法所采用的定位***包括四根全向射频天线1、四个放大器2和一个带存储功能的高速示波器3；其中四根全向射频天线1设置在变电站局部放电监测区域的中心位置处，形成天线阵列，每个全向射频天线1连接一个放大器2，四个放大器2同时与高速示波器3相连。其工作原理是利用四根全向射频天线1采集同一局部放电源辐射的射频电磁波信号，然后经放大器2放大后传送给高速示波器3，高速示波器3利用测量不同全向射频天线1接收到的同一局部放电源辐射的射频电磁波信号的时间差，列出方程组，并基于放电信号时延序列分析和空间分析实现放电信号精确定位。

局部放电信号从输变电设备某一点传播到天线阵列中n号全向射频天线1的时刻记为t_n，设n号全向射频天线1的三维坐标为(x_n，y_n，z_n)，局部放电源的三维坐标为(x_s，y_s，z_s)，第i号全向射频天线1接收到局部放电信号的时间和第j号全向射频天线1接收到局部放电信号的时间差为T_ij，由空间几何分析，可知：

cT₁₂＝d₁-d₂；cT₁₃＝d₁-d₃；cT₁₄＝d₁-d₄；cT_1n＝d₁-d_n  (1)

式(1)中任意3个方程成立即可确定局部放电源的位置，多个方程可以有效地提高检测精度。其中c为电磁波传播速度，

$d_n=\sqrt{{(x_s-x_n)}^2+{(y_s-y_n)}^2+{(z_s-z_n)}^2}.$

本***使用的全向射频天线1的带宽为0.2-6G，并配有相同带宽，增益为30dB的放大器2，高速示波器3的带宽为6G，最高采样率为25G，最大采样深度125M。

本发明提供的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、制作四根全向射频天线：全向射频天线1作为全向射频传感器，用于接收局部放电源辐射的射频电磁波信号，以实现局部放电检测；

步骤二、建立局部放电定位***：建立包含四根全向射频天线1、四个放大器2和一个带存储功能的高速示波器3在内的局部放电定位***，并通过四根全向射频天线1实时采集局部放电源辐射的射频电磁波信号；

步骤三、确定射频电磁波信号的起始点：根据射频电磁波信号的波形利用能量积累函数确定各路射频电磁波信号的放电起始时刻；

步骤四、平滑滤波处理：对上述能量积累函数进行平滑滤波处理，以得到能量积累函数的“拐点”位置；

步骤五、利用时延计算放电点位置：利用四路射频电磁波信号的放电起始时刻和相对于全向射频天线1的位置关系，确定出放电点位置。

在步骤一中，所述的全向射频天线1为一种椭圆形微带天线，正面导体薄片为椭圆金属贴片，背面接地板为半椭圆金属贴片和圆盘接地极，介质基底采用聚四氟乙烯。其驻波比及方向图如3(a)和图3(b)所示，该天线能够满足全向的要求，带宽在0.2G-6GHz。

如图2所示，在步骤二中，所述的局部放电定位***的建立过程如下：

2.1)在变电站局部放电监测区域的中心位置处安装四根全向射频天线1组成天线阵列，并建立三维坐标系，依次计算各全向射频天线1的空间坐标，设n号全向射频天线1的三维坐标为(X_n,Y_n,Z_n)。本方法中采用的全向射频天线1的频率范围为0.3GHz-6GHz；

2.2)将每个全向射频天线1连接一个放大器2，放大器2用于将全向射频天线1接收的射频电磁波信号放大，其频带范围为0.3GHz-2GHz，增益:>＝40db；

2.3)将高速示波器3放置于天线阵列中心位置，并与多个放大器2相连，以触发方式同步采集放大器2输出的射频电磁波信号：高速示波器3的带宽大于2GHz，采样速率应大于10GSa/s。

在步骤三中，所述的确定各路射频电磁波信号的放电起始时刻的方法是利用能量积累函数；

高速示波器3同步触发采集到的四路射频电磁波信号波形如图4所示，故寻找四路射频电磁波信号的起始时刻t1，t2，t3，t4是本方法的关键之一；

能量积累函数X的计算公式为其中为射频电磁波信号波形上第k个点的电压值；j为每路射频电磁波信号波形记录的点数；

当局部放电发生时，局部放电源将辐射出一个脉冲，该脉冲的幅值远大于背景噪声，经过能量积累，局部放电起始点将在射频信号的能量积累曲线图上对应为一个拐点，如图5所示。图中dt1，dt2，dt3，dt4为对应曲线的拐点时刻，由能量积累原理，该拐点时刻近似为射频电磁波信号的起始时刻t1，t2，t3，t4，即射频电磁波信号传播至全向射频天线1的时刻。

在步骤四中，所述的对能量积累函数进行平滑滤波处理的方法是：

时延估计是基于时间差的信号源定位算法的基础，也是决定定位精度的关键；目前常用的时延估计方法主要有阈值法、能量积累法等；

阈值法把信号幅值超过设定阈值的时刻作为信号的波头时刻；能量积累法通过寻找接收信号的能量积累曲线的拐点作为信号的波头时刻，将多个不同位置的传感器接收到信号的波头时刻的差值作为信号时延估计。相关分析法计算两个不同位置的传感器接收到的信号的互协方差函数，理论上互协方差函数取最大值的时刻，可以作为两路信号的时延估计。但变电站现场检测的局部放电信号数据中通常包含干扰信号，因此用阈值法和简单的能量积累法都不能准确得到信号的波头时刻；

本发明采集到的射频电磁波信号中包含各种噪声信号，所以在该信号到达之前，能量积累曲线也会出现拐点，这样将会引起拐点时刻的误判断。故在计算拐点之前，需要对能量积累函数进行平滑处理。使用滑动平均滤波器和指数加权滤波器对能量积累函数进行平滑处理。假设em[n]为原能量积累函数，Smem[n]为平滑处理以后的能量积累函数，M阶滑动平均滤波器和指数加权滤波器(加权系数为α(0＜α＜1))的公式分别为式(2)和(3)；

$\mathrm{Smem}\left[n\right]=\mathrm{smem}[n-1]+\frac{1}{M}\left(\mathrm{em}\right[n]-\mathrm{em}[n-M\left]\right)---\left(2\right)$

Smen[n]＝α·em[n-1]+em[n]                  (3)

图6(a)和图6(b)分别为平滑滤波前后的能量积累函数曲线图，由此可见，滤波后更容易通过计算机方法得到曲线的拐点。

在步骤五中，所述的利用时延计算放电点位置的方法为：

拐点对应的时刻可以认为是射频电磁波信号的起始时刻，因此该信号到达的时间差为：

ΔT₂＝dt2-dt1

ΔT₃＝dt3-dt1                 (4)

ΔT₄＝dt4-dt1

假设四根全向射频天线1的空间位置坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)和(x₄，y₄，z₄)，放电点位置为L斗D口耳卫，放电点到四根全向射频天线1的距离分别为d₁、d₂、d₃、d₄，建立基于时间差的非线性方程组：

d₂-d₁＝vΔT2

d₃-d₁＝vΔT₃                 (5)

d₄-d₁＝vΔT₄

其中， $d_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2},$ i＝1，2，3，4；v＝c＝3.0×10²m/s为电磁波传播速度；

利用迭代法求解该方程组得到(x，y，z)即为待定的放电点位置坐标。

本发明提供的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法的实例说明：

(1)实验室测试

在实验室验证时，本定位方法中全向射频天线1的摆放空间位置如图7中的坐标点A、B、C、D所示，第一种位置为四根全向射频天线1在同一平面，分别摆放在长方形的四个顶点上；第二种情况为全向射频天线A垫高0.26m，全向射频天线B、C、D位置不变。模拟局部放电源P点位置为(0.35，3.86，2.28)m，使用带宽为6GHz，采样率为25GS/s的高速示波器3进行信号采集。应用上述定位方法得到的定位结果如表1和表2所示。

表1四根全向射频天线在同一平面放置的定位结果

表2全向射频天线A垫高后的定位结果

表1中6组定位结果的平均位置为(0.32，4.08，-2.44)m，定位结果在误差可接受范围内且与放电源P点位置关于xoy平面对称的位置。从几何上分析，如果P和P’点关于xoy平面对称，那么这两点到四根全向射频天线A、B、C、D的直线距离对应相等，故信号源在P和P’点传播到达同一全向射频天线的时差相同，所以四根全向射频天线1放在同一平面上的时候，定位结果可能是放电源关于这个平面的对称点。

表2中6组定位结果的平均位置为(0.35，4.02，2.43)m，而实际的模拟放电源P点位置为(0.35，3.86，2.28)m，绝对误差为(0.00，0.16，0.15)m，考虑到存在天线半径、背景噪声、已知位置测量时差以及计算误差等原因，定位结果在误差允许范围以内。

(2)现场测试

变电站现场测试采用图8所示的坐标系。现场试验所用的接收采集设备与实验室仿真设备相同，即带宽为300M-6GHz的全向射频天线1四根(配30db的放大器)，带宽为6GHz，采样率为25GS/s的高速示波器3。

高速示波器3采集到的信号数据经定位计算结果定位在现场坐标为(5.46，0.28，0.38)m的点，局部放电源为局部放电模拟器，模拟不同放电量的针尖之间及针尖-板局部放电。主要性能指标：模拟接触放电和空气放电500V-16,500V+/-5％；放电脉冲上升时间0.8ns+/-25％；极性可正、负；连续放电最高可达20Hz；接触放电最高可达10Hz；产生的放电信号频谱在0-2G范围。局部放电源的真实位置大概在(5.3，0.7，0.6)m左右，故本定位方法在现场环境下对放电信号进行定位也是可行的。

Claims (7)

1.一种利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法，其特征在于：其包括按顺序执行的下列步骤：

步骤一、制作四根全向射频天线：全向射频天线(1)作为全向射频传感器，用于接收局部放电源辐射的射频电磁波信号，以实现局部放电检测；

步骤二、建立局部放电定位***：建立包含四根全向射频天线(1)、四个放大器(2)和一个带存储功能的高速示波器(3)在内的局部放电定位***，并通过四根全向射频天线(1)实时采集局部放电源辐射的射频电磁波信号；

步骤三、确定射频电磁波信号的起始点：根据射频电磁波信号的波形利用能量积累函数确定各路射频电磁波信号的放电起始时刻；

步骤四、平滑滤波处理：对上述能量积累函数进行平滑滤波处理，以得到能量积累函数的“拐点”位置；

步骤五、利用时延计算放电点位置：利用四路射频电磁波信号的放电起始时刻和相对于全向射频天线(1)的位置关系，确定出放电点位置。

2.根据权利要求1所述的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法，其特征在于：在步骤一中，所述的全向射频天线(1)为一种椭圆形微带天线，正面导体薄片为椭圆金属贴片，背面接地板为半椭圆金属贴片和圆盘接地极，介质基底采用聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法，其特征在于：在步骤二中，所述的局部放电定位***包括四根全向射频天线(1)、四个放大器(2)和一个带存储功能的高速示波器(3)；其中四根全向射频天线(1)设置在变电站局部放电监测区域的中心位置处，形成天线阵列，每个全向射频天线(1)连接一个放大器(2)，四个放大器(2)同时与高速示波器(3)相连。

4.根据权利要求1所述的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法，其特征在于：在步骤二中，所述的局部放电定位***的建立过程如下：

2.1)在变电站局部放电监测区域的中心位置处安装四根全向射频天线(1)组成天线阵列，并建立三维坐标系，依次计算各全向射频天线(1)的空间坐标，设n号全向射频天线(1)的三维坐标为(Xn,Yn,Zn)；全向射频天线(1)的频率范围为0.3GHz-6GHz；

2.2)将每个全向射频天线(1)连接一个放大器(2)，放大器(2)用于将全向射频天线(1)接收的射频电磁波信号放大，其频带范围为0.3GHz-2GHz，增益:>＝40db；

2.3)将高速示波器(3)放置于天线阵列中心位置，并与多个放大器(2)相连，以触发方式同步采集放大器(2)输出的射频电磁波信号：高速示波器(3)的带宽大于2GHz，采样速率应大于10GSa/s。

5.根据权利要求1所述的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法，其特征在于：在步骤三中，所述的确定各路射频电磁波信号的放电起始时刻的方法是利用能量积累函数；

能量积累函数X的计算公式为其中为射频电磁波信号波形上第k个点的电压值；j为每路射频电磁波信号波形记录的点数。

6.根据权利要求1所述的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法，其特征在于：所述的对能量积累函数进行平滑滤波处理的方法是：

使用滑动平均滤波器和指数加权滤波器对能量积累函数进行平滑处理；假设em[n]为原能量积累函数，Smem[n]为平滑处理以后的能量积累函数，M阶滑动平均滤波器和指数加权滤波器的公式如下，其中加权系数为α(0＜α＜1))：

$\mathrm{Smem}\left[n\right]=\mathrm{smem}[n-1]+\frac{1}{M}\left(\mathrm{em}\right[n]-\mathrm{em}[n-M\left]\right)$

Smen[n]＝α·em[n-1]+em[n]。

7.根据权利要求1所述的利用示波器检测射频信号的变电站全站局部放电定位方法，其特征在于：在步骤五中，所述的利用时延计算放电点位置的方法为：

拐点对应的时刻认为是射频电磁波信号的起始时刻，因此该信号到达的时间差为：

ΔT₂＝dt2-dt1

ΔT₃＝dt3-dt1

ΔT₄＝dt4-dt1

假设四根全向射频天线1的空间位置坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)和(x₄，y₄，z₄)，放电点位置为(x，y，z)，放电点到四根全向射频天线1的距离分别为d₁、d₂、d₃、d₄，建立基于时间差的非线性方程组：

d₂-d₁＝vΔT₂

d₃-d₁＝vΔT₃

d₄-d₁＝vΔT₄

其中， $d_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2},$ i＝1，２，３，４：v＝c＝3.0×10²m/s为电磁波传播速度；

利用迭代法求解该方程组得到(x，y，z)即为待定的放电点位置坐标。