CN104280718A - 变电站异常声响监测与定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电学领域，特别涉及一种变电站异常声响监测与定位方法。该方法将局部放电产生的声波信号作为检测对象，包括声波相控接收平面阵列传感器，多通道同步高速数据采集***，信号调理模块，DSP数据处理模块以及网络通信模块。其主要特征如下：1）将变电站母线区划分为若干区域，并设置各自的几何中心。在各自几何中心布置一个声波传感器平面阵列；2）传感器接收的信号经信号调理模块处理之后接至多通道同步高速数据采集模块；3）DSP模块对声波进行数字波束合成，进而计算得出放电点的位置；4）网络通信模块传输定位结果和控制指令。本发明利用相控阵技术实现变电站异常声响定位，提高了精确度；DSP并行运算处理数据，高速实效。
Description
技术领域
本发明属于电学领域，特别涉及一种变电站异常声响监测与定位方法。
背景技术
变电站时常会有因设备连接处、绝缘支柱等放电而产生的异常声响。此处放电是指电力设备绝缘部分在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电或在电力设备连接处因接触不良产生的放电。每一次放电都会造成绝缘介质的绝缘强度或连接部件损伤，轻微的放电对电力设备绝缘或连接部件的影响较小，设备性能的下降较缓；而强烈的放电，则会使得绝缘强度或间接部件性能很快下降。这是使高压电力设备损坏的一个重要因素。因此，对运行中的设备要加强监测，当放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或者更换。
目前已有的针对单台电气设备的检测和定位装置，针对变电站母线及所连接设备的空间声源检测及定位的技术尚未见报道。主要困难是变电站空间放电是多点放电，且绝大多数放电属于正常现象（如电晕）。声波在空气中传播，随着传播距离产生衰减。如果简单的使用一个声波传感器，故障信息将淹没在各种正常放电产生的声波信号中。因此，要实现空间声源的检测和定位，检测装置必需具有空间定向检测的能力（指向性），即对指定的方向具有最大的灵敏度，而对非指定方向则接受到的信号越小越好。机械旋转也能实现指向性，但是相对于相控扫描而言，其扫描速度慢3个数量级以上，而且放电具有随机性，扫描速度慢会导致信号丢失。因此为达到高精度，必须采用相控扫描。
介质中发生放电时，其瞬时释放的能量将放电源周围的介质加热使其蒸发，效果就像一个小***。此时放电源如同一个声源，向外发出声波。由于放电持续时间很短，所发射的声波频谱很宽，可达到数MHz。本发明通过检测放电产生的声波信号来实现定位。
发明内容
为解决变电站异常声响监测与定位问题，结合相控阵技术，本发明提供了一种变电站异常声响监测与定位方法。
对于等间隔排列的线阵列，其指向性函数为 ，式中，为线阵列的阵元数，为相邻阵元之间的间距，为入射声波的波长，为入射声波与线阵列法线方向的夹角，此阵列按照的方向在一个平面内扫描。对于平面阵列而言，则阵列按照，对应的，进行空间扫描，其中，为因各阵列的声程差而导致的相移，是为消除噪声而设的附加相移。
对于本发明所采用的平面阵列而言，可以该平面阵列的中心作为参考点，建立球面坐标系。假设声波信号的入射方向为，如果保持信号的强度不变，则该阵列的输出就反应了它对不同方向信号的灵敏度，称为该阵列的指向性函数。若是存在某一个角度和使得取得最大值，那么就可以认为在方向上存在声源。因此通过波束合成，得出指向性函数，求其最大值对应的方向，便可以找到声源所在的方位就是。
该方法将电力设备放电产生的声波信号作为检测对象，包括声波相控接收平面阵列传感器模块，多通道同步高速数据采集***，信号调理模块，DSP数据处理模块以及网络通信模块，并充分考虑排除放电以外的干扰信号。其各个模块之间的连接关系是：声波相控接收传感器平面阵列、信号调理模块、多通道同步高速数据采集***、DSP数据处理模块依次连接，网络连接定位***与上位机，共同完成变电站异常声响的在线监测和定位。 其主要实施步骤包括以下几步。
1）根据变电站母线区的长度，将其划分为若干个等间隔的区域，并设置各区域的几何中心。在各个几何中心布置一个(作为实施个例，本发明取)声波传感器平面阵列，用于接收中心频率40KHz，带宽50KHz的声波信号。平面阵列内，每21个传感器为一组，共21组。传感器排列成正方形平面，各传感器之间的距离为等距。
2）传感器接收的信号经信号调理模块处理，信号调理模块由带通滤波器、前置放大器、检波器和积分器等组成。
3）信号调理模块的输出分组接至相应的多通道同步高速数据采集***，并将数据采集***对声波信号的采样率设置为100KS/s（采样率应大于20KHz，本例取100KHz），采集后的数据传至DSP模块。多通道同步高速数据采集***为21通道一组，共21组，每个通道配置一个信号调理模块，每一组共用一块DSP芯片。
4）各组DSP模块对采集而得的信号做同步并行处理，并对各组声波信号进行数字波束合成，计算获得声波传感器平面阵列的指向性函数。细调波束指向，使取得最大值，进而得出相控阵扫描的方位角和仰角，确定放电点方向，即为。
5）根据相邻两个阵列扫描的时延以及相角，计算放电点距离。根据余弦定理，，其中为两个相邻阵列的扫描相角，为放电点到两个相邻阵列之间的距离，为两个相邻阵列之间的中心间距， 为相邻阵列之间扫描的时延，为声波在空气中的速度。根据以上两个公式即可解得放电点距离=，结合阵列1扫描得到的放电点方向，即可定位放电点的空间几何位置为。
网络通信模块实现定位***与上位机之间的通信，用于传输定位结果以及控制指令。
采用正则相关技术估计信号源数，避免高斯噪声中有色成分加大使得信号源数估计准确度下降；采用数据处理方法进行测量数据关联，从而对放电源距离进行估计：通过两个观测点对目标进行测向，各个测向线的交点就是目标的位置，从各个观测点任取两个不相关的测量数据就可定位空间中的一点。
附图说明
图1等间隔线阵列示意图。
图2为声波相控接收平面阵列内传感器布置示意图以及所采用的空间坐标系。
图3为定位***功能框图。
图4为变电站母线分区及传感器阵列布置示意图。
具体实施方式
本发明提供一种变电站异常声响监测与定位方法，下面结合附图对其做进一步说明。
图3所示为整个定位***的功能框图，每个虚线框代表一个平面阵列，只详细画出了两个平面阵列，其余的用首尾两个框之间的竖虚线表示。声波相控接收平面阵列传感器、信号调理模块、多通道同步高速数据采集卡、网络通信模块以及DSP模块一同置于一个正方体形状的箱体里面，并引出通信电缆连接至上位机。
图2所示为平面阵列内各传感器布置以及所采用的空间坐标系，所用传感器是截面直径的圆柱形探头。每21个传感器为一组，共21组。传感器排列成正方形平面，各传感器之间的距离为等距。考虑到传感器间距应大于声波的半波长为好，取中心间距。
图4为变电站母线分区及传感器阵列布置示意图，其中代表放电源，为传感器平面阵列。根据变电站母线区的长度，将其划分为若干个(如N)等间隔的区域,并设置各区域的几何中心。在几何中心布置一个21×21声波传感器平面阵列，用于接收中心频率40KHz，带宽50KHz的声波信号。
传感器接收的信号送至信号调理模块。信号调理模块主要由带通滤波器、前置放大器、检波器以及积分器组成。经调理之后，接收信号被放大，并滤除了环境噪声、开关闭合和开断时发出的声响、白噪声以及由电晕引起的干扰信号。
信号调理模块的输出分组接至相应的多通道同步高速数据采集***，并将数据采集***对声波信号的采样率设置为100KS/s。高速数据采集***为21通道一组，共21组，每个通道配置一个信号调理模块，每一组共用一块DSP芯片。采集后的数据传至DSP模块。
各组DSP模块对采集而得的信号做同步并行处理，并对各组声波信号进行数字波束合成，计算获得声波传感器平面阵列的指向性函数。细调波束指向，使得取得最大值，进而得出相控阵扫描的方位角和仰角，确定放电点方向，即为。
如图4，根据相邻两个阵列扫描的时延以及相角，计算放电点距离。根据余弦定理，，其中为两个相邻阵列的扫描相角，为放电点到两个相邻阵列之间的距离，为两个相邻阵列之间的中心间距， 为相邻阵列之间扫描的时延，为声波在空气中的速度。根据以上两个公式即可解得放电点距离=，结合阵列1扫描得到的放电点方向，即可定位放电点的空间几何位置为。
网络通信模块实现定位***与上位机之间的通信。将每次定位的信息传输至上位机显示，供操作者分析判断；操作者也可对定位***发控制指令，如进行采样频率设置、使高速数据采集***进行同步采集等。
以上仅是本发明的一个实施个例。但实际上本发明的实施形式不限于以上个例，其实施方式可以有较多的变化形式。从本发明公开的内容直接导出的变形，均应属于本发明的保护范围。
尽管本文较多地使用了放电、声波相控接收平面阵列传感器等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (8)
1.一种变电站异常声响监测与定位方法，其特征是：将放电产生的声波信号作为检测对象，包括声波相控接收平面阵列传感器模块，多通道同步高速数据采集***，信号调理模块，DSP数据处理模块以及网络通信模块，并充分考虑排除放电以外的干扰信号；其各个模块之间的连接关系是：声波相控接收传感器平面阵列、信号调理模块、多通道同步高速数据采集***、DSP数据处理模块依次连接，网络连接定位***与上位机，共同完成变电站异常声响的在线监测和定位。
2.根据权利要求1所述的变电站异常声响监测与定位方法，其特征是：所述声波相控接收平面阵列传感器，由21×21个声波传感器构成接收阵列，排列成正方形平面，传感器之间的距离为等距。
3.根据权利要求1所述的变电站异常声响监测与定位方法，其特征是：所述声波传感器相控接收平面阵接收的信号为中心频率40KHz，带宽50KHz的声波信号。
4.根据权利要求1所述的变电站异常声响监测与定位方法，其特征是：所述多通道同步高速数据采集***为21通道一组，共21组；每通道有一个信号调理模块；每组共用一片DSP；21组DSP同步并行工作。
5.根据权利要求1所述的变电站异常声响监测与定位方法，其特征是：所述信号调理模块主要由带通滤波器、前置放大器、检波器、积分器等组成。
6.根据权利要求1所述的变电站异常声响监测与定位方法，其特征是：多通道同步高速数据采集***信号采样率为150KS/s。
7.根据权利要求1所述的变电站异常声响监测与定位方法，其特征是：所述放电以外的干扰信号主要包括环境噪声、开关闭合和开断时发出的声响、白噪声以及由电晕引起的干扰信号。
8.根据权利要求1所述的变电站异常声响监测与定位方法，其特征是：网络模块实现上位机与定位***之间的通信，传输定位结果以及控制指令。
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