CN113343169B - 一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，属于变电站设备在线监测技术领域。该方法首先通过在敞开式变电站设置的四个特高频无线传感器获得电磁波信号，然后获取电磁波信号的接收信号强度，用广义互相关法得到到达时间差，接着计算距离差的RSSI值影响因子，随后计算出距离差的到达时间差影响因子，然后建立距离差的计算模型与距离差方程组最后通过牛顿迭代法求解方程组，得到局部放电源的位置坐标。本发明方法有效地提升了敞开式变电站中缺陷设备的定位精度和效率，易于推广应用。

Description

一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法

技术领域

本发明属于变电站设备在线监测技术领域，具体涉及一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法。

背景技术

敞开式变电站在电力***中起着至关重要的作用，其安全运行意义重大。大量资料表明，导致敞开式变电站设备缺陷的主要原因是其绝缘性能的劣化。局部放电是电力设备绝缘劣化的主要原因，也是主要征兆之一，对其进行在线监测和精确定位具有重要的意义。电力设备局部放电时会产生电磁波信号，因此通过检测电磁波信号对敞开式变电站中局部放电缺陷设备进行检测与定位。

由于敞开式变电站中设备繁多，包括变压器、断路器、电压互感器等，给局部放电缺陷设备的定位带来了巨大的挑战。局部放电定位可以通过超声波、化学反应、特高频等方法实现，其中特高频电磁波因在抗干扰性、传播速度、灵敏度等方面均有较好的性能。目前的局部放电特高频定位法是通过单一的RSSI技术或者到达时间差来实现定位，即只通过时间差或接收信号强度其中一种特征量来进行定位，往往忽略了另一特征量因素对定位结果的影响，造成较大的定位误差。因此，急需一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，能够基于特高频法通过接受信号强度与到达时间差的协同分析来实现缺陷设备的精准定位。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，该方法能够降低由于选取单一特征量造成的定位误差，能够实现敞开式变电站中缺陷设备的精准定位。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，包括如下步骤：

第一步：获取电磁波信号；

第二步：获取电磁波信号的特征参数；

第三步：计算距离差的RSSI值影响因子；

第四步：计算距离差的到达时间差影响因子；

第五步：建立距离差计算模型；

第六步：建立距离差方程组；

第七步：求解距离差方程组，获得局部放电源的位置坐标。

进一步，优选的是，将敞开式变电站近似视为一个方形区域，则将四个特高频无线传感器分别安装于四个直角处。

进一步，优选的是，第一步的具体方法为：

设置四个特高频无线传感器，依次为1号特高频无线传感器、2号特高频无线传感器、3号特高频无线传感器、4号特高频无线传感器，四个特高频无线传感器接收到的电磁波信号h_i，其中i＝1，2，3，4为所述超声波传感器的编号，h₁为1号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₂为2号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₃为3号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₄为4号特高频无线传感器接收到的电磁波信号；

(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别表示1号、2号、3号、4号特高频无线传感器的位置坐标，局部放电源的坐标为(x_P，y_P，z_P)。

进一步，优选的是，第二步的具体方法为：

获取所述电磁波信号h_i的信号接收强度，进行高斯滤波和归一化处理，得到RSSI值P_Ri，i＝1，2，3，4；利用广义互相关法获取电磁波信号h₂与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₂，获取电磁波信号h₃与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₃，获取电磁波信号h₄与电磁波信号h₂的到达时间差Δt₄。

进一步，优选的是，第三步的具体方法为：

令基于RSSI值计算出的特高频无线传感器与局部放电源距离为d_i，i表示特高频无线传感器的编号，i＝1，2，3，4，表达式为：

其中，A为射频参数，n为环境散逸指数；

得到距离差RSSI值影响因子Δd_j为：

Δd_j＝d_j-d₁

其中，j＝2，3，4。

进一步，优选的是，第四步的具体方法为：

计算距离差距离差的到达时间差影响因子Δs_j，j＝2，3，4，表达式如下：

Δs_j＝Δt_j*v

其中，Δt_j到达时间差，j＝2，3，4，即Δt₂、Δt₃、Δt₄，v为电磁波信号传播的速度，单位m/s。

进一步，优选的是，第五步的具体方法为：

令距离差为Δr_j，j＝2，3，4，分别表示2号、3号、4号特高频无线传感器到局部放电源的距离与1号特高频无线传感器到局部放电源的距离之差，由距离差的RSSI影响因子和距离差的到达时间差影响因子计算得到距离差Δr_j，模型如下：

进一步，优选的是，第六步和第七步的具体方法为：

建立距离差方程组如下：

求解距离差方程组，得到局部放电源的位置坐标(x_P，y_P，z_P)。

进一步，优选的是，利用牛顿迭代法求解距离差方程组。

本发明中，A为射频参数，n为环境散逸指数，均可通过现场试验测得。

本发明通过RSSI值和到达时间差的协同分析，由距离差的RSSI影响因子和距离差的到达时间差影响因子计算得到距离差Δr_j。

本发明中归一化可以采用Z-score标准化方法进行归一化。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明提供一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，根据本发明公开的方法，由电磁波信号得到接收信号强度RSSI值与到达时间差，进而计算得到距离差的RSSI值影响因子和到达时间差影响因子，通过接收信号强度与到达时间差的协同分析，建立距离差的计算模型和距离差方程组，最后通过牛顿迭代法求解方程组。该方法能够降低由于选取单一特征量造成的定位误差，能够实现敞开式变电站中缺陷设备的精准定位，平均定位误差低于0.25m。

附图说明

图1为本发明敞开式变电站中缺陷设备的定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

实施例1

如图1所示，一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，包括如下步骤：

第一步：获取电磁波信号；

第二步：获取电磁波信号的特征参数；

第三步：计算距离差的RSSI值影响因子；

第四步：计算距离差的到达时间差影响因子；

第五步：建立距离差计算模型；

第六步：建立距离差方程组；

第七步：求解距离差方程组，获得局部放电源的位置坐标。

将敞开式变电站近似视为一个方形区域，则将四个特高频无线传感器分别安装于四个直角处。

第一步的具体方法为：

设置四个特高频无线传感器，依次为1号特高频无线传感器、2号特高频无线传感器、3号特高频无线传感器、4号特高频无线传感器，四个特高频无线传感器接收到的电磁波信号h_i，其中i＝1，2，3，4为所述超声波传感器的编号，h₁为1号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₂为2号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₃为3号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₄为4号特高频无线传感器接收到的电磁波信号；

(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别表示1号、2号、3号、4号特高频无线传感器的位置坐标，局部放电源的坐标为(x_P，y_P，z_P)。

实施例2

如图1所示，一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，包括如下步骤：

第一步：获取电磁波信号；

第二步：获取电磁波信号的特征参数；

第三步：计算距离差的RSSI值影响因子；

第四步：计算距离差的到达时间差影响因子；

第五步：建立距离差计算模型；

第六步：建立距离差方程组；

第七步：求解距离差方程组，获得局部放电源的位置坐标。

将敞开式变电站近似视为一个方形区域，则将四个特高频无线传感器分别安装于四个直角处。

第一步的具体方法为：

设置四个特高频无线传感器，依次为1号特高频无线传感器、2号特高频无线传感器、3号特高频无线传感器、4号特高频无线传感器，四个特高频无线传感器接收到的电磁波信号h_i，其中i＝1，2，3，4为所述超声波传感器的编号，h₁为1号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₂为2号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₃为3号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₄为4号特高频无线传感器接收到的电磁波信号；

(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别表示1号、2号、3号、4号特高频无线传感器的位置坐标，局部放电源的坐标为(x_P，y_P，z_P)。

第二步的具体方法为：

获取所述电磁波信号h_i的信号接收强度，进行高斯滤波和归一化处理，得到RSSI值P_Ri，i＝1，2，3，4；利用广义互相关法获取电磁波信号h₂与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₂，获取电磁波信号h₃与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₃，获取电磁波信号h₄与电磁波信号h₂的到达时间差Δt₄。

第三步的具体方法为：

令基于RSSI值计算出的特高频无线传感器与局部放电源距离为d_i，i表示特高频无线传感器的编号，i＝1，2，3，4，表达式为：

其中，A为射频参数，n为环境散逸指数；

得到距离差RSSI值影响因子Δd_j为：

Δd_j＝d_j-d₁

其中，j＝2，3，4。

第四步的具体方法为：

计算距离差距离差的到达时间差影响因子Δs_j，j＝2，3，4，表达式如下：

Δs_j＝Δt_j*v

其中，Δt_j到达时间差，j＝2，3，4，即Δt₂、Δt₃、Δt₄，v为电磁波信号传播的速度，单位m/s。

第五步的具体方法为：

令距离差为Δr_j，j＝2，3，4，分别表示2号、3号、4号特高频无线传感器到局部放电源的距离与1号特高频无线传感器到局部放电源的距离之差，由距离差的RSSI影响因子和距离差的到达时间差影响因子计算得到距离差Δr_j，模型如下：

实施例3

如图1所示，一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，包括如下步骤：

第一步：获取电磁波信号；

第二步：获取电磁波信号的特征参数；

第三步：计算距离差的RSSI值影响因子；

第四步：计算距离差的到达时间差影响因子；

第五步：建立距离差计算模型；

第六步：建立距离差方程组；

第七步：求解距离差方程组，获得局部放电源的位置坐标。

将敞开式变电站近似视为一个方形区域，则将四个特高频无线传感器分别安装于四个直角处。

第一步的具体方法为：

设置四个特高频无线传感器，依次为1号特高频无线传感器、2号特高频无线传感器、3号特高频无线传感器、4号特高频无线传感器，四个特高频无线传感器接收到的电磁波信号h_i，其中i＝1，2，3，4为所述超声波传感器的编号，h₁为1号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₂为2号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₃为3号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₄为4号特高频无线传感器接收到的电磁波信号；

(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别表示1号、2号、3号、4号特高频无线传感器的位置坐标，局部放电源的坐标为(x_P，y_P，z_P)。

第二步的具体方法为：

获取所述电磁波信号h_i的信号接收强度，进行高斯滤波和归一化处理，得到RSSI值P_Ri，i＝1，2，3，4；利用广义互相关法获取电磁波信号h₂与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₂，获取电磁波信号h₃与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₃，获取电磁波信号h₄与电磁波信号h₂的到达时间差Δt₄。

第三步的具体方法为：

令基于RSSI值计算出的特高频无线传感器与局部放电源距离为d_i，i表示特高频无线传感器的编号，i＝1，2，3，4，表达式为：

其中，A为射频参数，n为环境散逸指数；

得到距离差RSSI值影响因子Δd_j为：

Δd_j＝d_j-d₁

其中，j＝2，3，4。

第四步的具体方法为：

计算距离差距离差的到达时间差影响因子Δs_j，j＝2，3，4，表达式如下：

Δs_j＝Δt_j*v

其中，Δt_j到达时间差，j＝2，3，4，即Δt₂、Δt₃、Δt₄，v为电磁波信号传播的速度，单位m/s。

第五步的具体方法为：

令距离差为Δr_j，j＝2，3，4，分别表示2号、3号、4号特高频无线传感器到局部放电源的距离与1号特高频无线传感器到局部放电源的距离之差，由距离差的RSSI影响因子和距离差的到达时间差影响因子计算得到距离差Δr_j，模型如下：

第六步和第七步的具体方法为：

建立距离差方程组如下：

求解距离差方程组，得到局部放电源的位置坐标(x_P，y_P，z_P)。

利用牛顿迭代法求解距离差方程组。

应用实例

一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，包括如下步骤：

第一步：获取电磁波信号

设置四个特高频无线传感器，依次为1号特高频无线传感器、2号特高频无线传感器、3号特高频无线传感器、4号特高频无线传感器，四个特高频无线传感器接收到的电磁波信号h_i，其中i＝1，2，3，4为所述超声波传感器的编号，h₁为1号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₂为2号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₃为3号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₄为4号特高频无线传感器接收到的电磁波信号；

将敞开式变电站近似视为长6m宽6m的方形区域，则将四个特高频无线传感器分别安装于四个直角处，1号、2号、3号、4号特高频无线传感器的位置坐标分别为(0，0，0.85)、(6.00，0，1.82)、(6.00，6.00，2.12)、(0，6.00，2.51)，单位为m，局部放电源的坐标为(x_P，y_P，z_P)；

第二步：获取电磁波信号的特征参数

获取所述电磁波信号h_i的信号接收强度，进行高斯滤波和归一化处理，得到RSSI值P_R1、P_R2、P_R3、P_R4分别为0.68、1.21、1.73、0.68；

利用广义互相关法获取电磁波信号h₂与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₂、获取电磁波信号h₃与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₃、获取电磁波信号h₄与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₄；

第三步：计算距离差的RSSI值影响因子

令基于RSSI值计算出的特高频无线传感器与局部放电源距离为d_i，i表示特高频无线传感器的编号，i＝1，2，3，4，表达式为：

其中，A为射频参数，n为环境散逸指数，均可通过现场试验测得；

得到d₁，d₂，d₃，d₄分别为5.04m，5.57m，4.17m，3.0m。

得到距离差RSSI值影响因子Δd₁、Δd₂、Δd₃、Δd₄分别为0.53m、-0.87m、-2.04m；

第四步：计算距离差的到达时间差影响因子

计算距离差距离差的到达时间差影响因子Δs_j，j＝2，3，4，表达式如下：

Δs_j＝Δt_j*v

其中，Δt_j到达时间差，j＝2，3，4，即Δt₂、Δt₃、Δt₄，v为电磁波信号传播的速度，为3×10⁸m/s；

第五步：建立距离差计算模型

令距离差为Δr_j，j＝2，3，4，分别表示2号、3号、4号特高频无线传感器到局部放电源的距离与1号特高频无线传感器到局部放电源的距离之差，通过RSSI值和到达时间差的协同分析，由距离差的RSSI影响因子和距离差的到达时间差影响因子计算得到距离差Δr_j，模型如下：

得到Δr₂、Δr₃、Δr₄分别为1.06m、0.27m、1.83m；

第六步：建立距离差方程组

建立距离差方程组如下：

第七步：求解距离差方程组

利用牛顿迭代法求解第六步中的距离差方程组，得到局部放电源的位置坐标(2.21，4.41，1.85)，与实际位置误差仅为0.17m，定位精度高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：获取电磁波信号；

第二步：获取电磁波信号的特征参数；

第三步：计算距离差的RSSI值影响因子；

第四步：计算距离差的到达时间差影响因子；

第五步：建立距离差计算模型；

第六步：建立距离差方程组；

第七步：求解距离差方程组，获得局部放电源的位置坐标；

第三步的具体方法为：

令基于RSSI值计算出的特高频无线传感器与局部放电源距离为d_i，i表示特高频无线传感器的编号，i＝1，2，3，4，表达式为：

其中，A为射频参数，n为环境散逸指数；

得到距离差RSSI值影响因子Δd_j为：

Δd_j＝d_j-d₁

其中，j＝2，3，4；

第四步的具体方法为：

计算距离差的到达时间差影响因子Δs_j，j＝2，3，4，表达式如下：

Δs_j＝Δt_j*v

其中，Δt_j到达时间差，j＝2，3，4，即Δt₂、Δt₃、Δt₄，v为电磁波信号传播的速度，单位m/s；

第五步的具体方法为：

令距离差为Δr_j，j＝2，3，4，分别表示2号、3号、4号特高频无线传感器到局部放电源的距离与1号特高频无线传感器到局部放电源的距离之差，由距离差的RSSI影响因子和距离差的到达时间差影响因子计算得到距离差Δr_j，模型如下：

第六步和第七步的具体方法为：

建立距离差方程组如下：

求解距离差方程组，得到局部放电源的位置坐标(x_P，y_P，z_P)。

2.根据权利要求1所述的敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，其特征在于，将敞开式变电站近似视为一个方形区域，则将四个特高频无线传感器分别安装于四个直角处。

3.根据权利要求1或2所述的敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，其特征在于，第一步的具体方法为：

设置四个特高频无线传感器，依次为1号特高频无线传感器、2号特高频无线传感器、3号特高频无线传感器、4号特高频无线传感器，四个特高频无线传感器接收到的电磁波信号h_i，其中i＝1，2，3，4为所述特高频无线传感器的编号，h₁为1号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₂为2号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₃为3号特高频无线传感器接收到的电磁波信号，h₄为4号特高频无线传感器接收到的电磁波信号；

(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)分别表示1号、2号、3号、4号特高频无线传感器的位置坐标，局部放电源的坐标为(x_P，y_P，z_P)。

4.根据权利要求3所述的敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，其特征在于，第二步的具体方法为：

获取所述电磁波信号h_i的信号接收强度，进行高斯滤波和归一化处理，得到RSSI值P_Ri，i＝1，2，3，4；利用广义互相关法获取电磁波信号h₂与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₂，获取电磁波信号h₃与电磁波信号h₁的到达时间差Δt₃，获取电磁波信号h₄与电磁波信号h₂的到达时间差Δt₄。

5.根据权利要求1所述的敞开式变电站中缺陷设备的定位方法，其特征在于：利用牛顿迭代法求解距离差方程组。

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