多源局部放电超声信号的时间差估计方法

技术领域

本发明属于变压器的局部放电检测技术领域，特别是一种多源局部放电超声信号的时间差估计方法。

背景技术

对于变压器的局部放电检测领域，传统上根据在局部放电发生时，变压器内部发生局部放电的部位产生的变化的物理化学特性，来描述局部放电发生时设备绝缘结构的运行状态，有脉冲电流检测技术、特高频电磁波检测技术、超声波检测技术等。而这些传统的检测技术只反映了局部放电对于变压器在放电次数、放电强度、放电类型等方面的影响，但局部放电的位置也对变压器的安全稳定运行起着极为重要的作用，而基于TDOA的局部放电超声定位技术可以解决这一问题。

对于基于TDOA的局部放电超声定位技术，现有的技术路线主要是针对单源领域，具体为将传感器阵列采集局部放电源产生的超声信号滤波去噪处理后，利用时间差估计算法判断两信号之间的时间差，将所获得的时间差带入球面方程组或双曲面方程组，求解这一非线性方程组从而得到单源的定位坐标。而现有方法不适用于多源领域的最大痛点，就是没有直接对原始多源局部放电信号中对应同源信号时间差估计的算法。比较经典的解决多源时间差估计问题的方法有先对所获得的信号进行盲源分离，再根据分离得到的信号分别进行单源时延估计。但此方法存在具有局部最优解、分离效果差等特点，而经过盲源分离的信号会对原信号造成一定程度的失真，从而加大了后续时间差估计的误差。还有些方法通过聚类分析等启发式算法来解决多源时间差估计问题，但这些方法仍然有陷入局部最优解的问题，而且这类算法采用黑盒模型，可能导致出现有偏见性的结果。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种多源局部放电超声信号的时间差估计方法，解决了现有处理多源局部放电超声信号的计算复杂性高、时间差估计误差大、不能对原始信号进行直接进行同源信号时间差估计等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种多源局部放电超声信号的时间差估计方法包括：

步骤1：传感器节点a和传感器节点b分别采集N源局部放电超声信号a(t)和b(t)，a(t)和b(t)表达式如下：

/>

式中：*代表卷积；σ(t)代表冲激函数；x

步骤2：在频域，N源局部放电超声信号a(t)和b(t)分别表示为A(ω)和B(ω)，将A(ω)和

式中：ω为角频率；e为自然常数；j为虚数单位；A(ω)为a(t)经FFT变换到频域的表达式；B(ω)为b(t)经FFT变换到频域的表达式；

步骤3：对F

步骤4：将F

步骤5：对F′

步骤6：将F″

步骤7：对f″

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法中，所述步骤3中，移动加窗计算阈值的运算表达式如下：

T＝λ(min(max|F

式中：T为阈值；F

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法中，阈值选取系数λ的范围为5～6。

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法中，步骤5，对F′

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法中，步骤5中对F′

式中：G

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法中，步骤7中的峰值提取为对f″

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法中，包络线的绘制采用三次样条差值。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明对传感器采集到的变压器中多个局部放电源的原始超声信号进行多源时间差估计，具有对原始信号直接处理、对噪声的鲁棒性高等特点。本发明具有以下优势：

(1)计算复杂度小，避免了运算过程过于复杂带来的误差累积。

(2)本算法不需要对信号进行预处理，可以直接对原始信号进行运算，得到相关信号之间的时间差，简单易用。

(3)本算法通过利用有效信号与噪声的幅度谱特征，降低噪声对相位谱的干扰，具有良好的抗噪能力。

(4)本算法进行多源时间差运算提取的时间差为多源局部放电信号中对应同源信号时间差，不会受到非相关信号的干扰。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明一个实施例提供的多源局部放电超声信号的时间差估计方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例提供的多源局部放电超声信号的变压器多源局部放电超声信号的仿真波形示意图；

图3是本发明一个实施例提供的多源局部放电超声信号的时间差估计方法的多源局部放电超声信号的结果时域示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图3所示，多源局部放电超声信号的时间差估计方法包括，

一种多源局部放电超声信号的时间差估计方法包括：

步骤1：传感器节点a和传感器节点b分别采集N源局部放电超声信号a(t)和b(t)，a(t)和b(t)表达式如下：

式中：*代表卷积；σ(t)代表冲激函数；x

步骤2：在频域，N源局部放电超声信号a(t)和b(t)分别表示为A(ω)和B(ω)，将A(ω)和

式中：ω为角频率；e为自然常数；j为虚数单位；A(ω)为a(t)经FFT变换到频域的表达式；B(ω)为b(t)经FFT变换到频域的表达式；

步骤3：对F

步骤4：将F

步骤5：对F′

步骤6：将F″

步骤7：对f″

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法的优选实施方式中，所述步骤3中，移动加窗计算阈值的运算表达式如下：

T＝λ(min(max|F

式中：T为阈值；F

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法的优选实施方式中，阈值选取系数λ的范围为5～6。

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法的优选实施方式中，步骤5，对F′

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法的优选实施方式中，步骤5中对F′

/>

式中：G

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法的优选实施方式中，步骤7中的峰值提取为对f″

所述的多源局部放电超声信号的时间差估计方法的优选实施方式中，包络线的绘制采用三次样条差值。

在一个实施例中，方法包括如下步骤：

(1)由传感器节点a和传感器节点b采集N源局部放电超声信号a(t)和b(t)，a(t)和b(t)表达式如下：

式中：*代表卷积；σ(t)代表冲激函数；x

(2)在频域，a(t)和b(t)表示为A(ω)和B(ω)，将A(ω)和

式中：ω为角频率；e为自然常数；j为虚数单位；A(ω)为a(t)经FFT变换到频域的表达式；B(ω)为b(t)经FFT变换到频域的表达式；

(3)对F

T＝λ(min(max|F

式中：T为阈值；F

(4)将F

(5)对F′

式中：G

(6)将F″

(7)峰值提取。对f″

附图1是一个实施例的实施流程图：采集多个局部放电源的超声信号；将两通道采集信号互相关；对其频域表达式进行移动加窗运算求取幅度谱阈值并根据阈值截取频谱；保持相位谱不变，对幅度谱进行归一化处理；在时域峰值提取，得到多源局部放电信号中对应同源信号的时间差。

附图2是通过双指数振荡衰减信号进行模拟的双源局部放电超声信号a(t)与b(t)，并加给信号10分贝噪声后的图像。

双指数振荡衰减信号的表达式如下：

式中：A为信号振幅；t

设有原始信号x

传感器接收到的信号a(t)与b(t)分别由原始信号x

a(t)＝x

b(t)＝x

式中：σ(t)表示冲激函数；t

附图3是经过本发明算法对信号a(t)与b(t)进行处理后的时域图像，由图中可得，最突出的两个峰值对应的时刻即为100μs与200μs，分别对应了原始信号x

本方法直接应用于超声传感设备采集的原始信号，在频域内通过设置幅度谱阈值排除干扰频段，幅度谱归一化突出多源信号时间差的冲激函数特征，直接得到对应同源信号的时间差。该方法的主要步骤为：采集多个局部放电源的超声信号；将两通道采集信号在频域将一信号乘以另一信号的复共轭；对结果频域表达式进行移动加窗运算求取幅度谱阈值并根据阈值截取频谱；保持相位谱不变，对幅度谱进行归一化处理；在时域峰值提取，得到多源局部放电信号中对应同源信号的时间差。本发明具有简单易用、抗噪能力强、计算复杂度小等优点，对于电力设备状态诊断领域的局部放电定位方面具有较高的价值。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。