考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法及系统

技术领域

本发明涉及变压器局部放电定位技术领域，尤其涉及一种考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

局部放电(Partial Discharge,PD)是电气设备内部发生绝缘缺陷时在局部范围内产生的一种放电现象。局部放电的存在严重威胁了电气设备的绝缘性能，甚至造成设备整体绝缘性能的丧失而引发故障。特高频(Ultra High Frequency,UHF)检测技术是近年来发展较快的一种用于电气设备PD故障诊断的方法，由于具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，近年来在变压器等电器设备的PD的检测与定位工作中得到广泛应用。对于传统的定位方法而言，由于现场强电磁干扰和变压器内部复杂结构导致的特高频信号多径传播现象，使得无论采取何种抗干扰措施及时差提取算法，都无法获得没有时延误差的PD信号时间差，而定位方程组对于时延又极度敏感，因此会造成定位结果误差很大甚至定位失败的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法及系统，旨在解决现有的定位方法由于未考虑变压器内部复杂结构导致的特高频信号非视距传播产生的时延误差而造成的定位精度较低的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明第一方面提供了一种考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法，包括以下步骤：

获取若干特高频传感器针对带有内部绝缘缺陷的变压器在同一时刻采集到的特高频局部放电信号；

计算两两接收到特高频局部放电信号的时延，并根据时延计算特高频传感器与局部放电源之间的几何关系；

根据测量距离、非视距传播误差和测量误差构建目标函数；

使用一个平衡参数代替分布未知的非视距传播误差，通过计算近似误差并求取近似误差最小值获取平衡参数的的上限值，作为目标函数的约束条件；

根据特高频传感器与局部放电源之间的几何关系、变压器的尺寸为待求变量增加边界约束条件，并根据约束条件在目标函数基础上增加罚函数；

采用粒子群算法对目标函数进行求解，实现局部放电源的定位。

进一步的，所述测量距离为特高频传感器到局部放电源的测量距离，测量距离表示为直线距离、非视距传播误差和测量误差之和。

更进一步的，所述直线距离为特高频传感器到局部放电源的真实距离，非视距传播误差为由于电磁波传播受到变压器内阻挡介质影响而出现折射、反射、绕射导致的非视距传播误差，测量误差为由于随机高斯噪声导致的传感器的测量误差。

进一步的，所述目标函数以随机高斯噪声导致的传感器的测量误差最小为目标。

进一步的，计算两两接收到特高频局部放电信号的时延的具体步骤为：

将第i个特高频传感器采集到的特高频局部放电信号的最大值对应的时刻t

第i、j个特高频传感器接收到变压器内局部放电源的特高频局部放电信号的时延表示为Δt

进一步的，所述目标函数表达式为：

其中，x

进一步的，采用粒子群算法对目标函数进行求解的具体步骤为：

初始化粒子群参数；

随机初始化每个粒子的位置和速度，分别得到个体和群体的历史最优位置和最优适应值；

判断个体和群体的历史最优位置和最优适应值是否满足迭代结束条件，若是则输出最优解，若否则继续更新个体和群体的历史最优位置和最优适应值直到满足迭代结束条件。

本发明第二方面提供了一种考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位系统，包括：

数据采集模块，被配置为获取若干特高频传感器针对带有内部绝缘缺陷的变压器在同一时刻采集到的特高频局部放电信号；

时延计算模块，被配置为计算两两接收到特高频局部放电信号的时延，并根据时延计算特高频传感器与局部放电源之间的几何关系；

目标函数构建模块，被配置为根据测量距离、非视距传播误差和测量误差构建目标函数；

第一约束条件设置模块，被配置为使用一个平衡参数代替分布未知的非视距传播误差，通过计算近似误差并求取近似误差最小值获取平衡参数的的上限值，作为目标函数的约束条件；

第二约束条件设置模块，被配置为根据特高频传感器与局部放电源之间的几何关系、变压器的尺寸为待求变量增加边界约束条件，并根据约束条件在目标函数基础上增加罚函数；

局部放电定位模块，被配置为采用粒子群算法对目标函数进行求解，实现局部放电源的定位。

进一步的，数据采集模块中，特高频传感器带宽为300MHz～1.5GHz，特高频传感器个数大于四个小于等于八个。

进一步的，数据采集模块中，特高频局部放电信号采集设备选用TektronixDPO7254C型号示波器，信号采样率为20GHz。

本发明第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法中的步骤。

本发明第四方面提供了一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法中的步骤。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明公开了一种考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法及系统，通过将局放源坐标求解的问题转化为求解局部放电源定位目标函数最小值的最优化问题，并进一步将原优化问题变为另一个带约束的优化问题，通过粒子群算法求解目标函数得到更为准确的局部放电定位坐标，解决了现有的定位方法由于未考虑变压器内部复杂结构导致的特高频信号非视距传播产生的时延误差而造成的定位精度较低的问题。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一中变压器局部放电特高频定位方法的流程图；

图2为本发明实施例一中粒子群算法流程图；

图3为本发明实施例二中变压器局部放电特高频定位系统结构示意图；

图4为本发明实施例二中所使用的方法得到的定位与传统TDOA定位的结果对比图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

实施例一：

本发明实施例一提供了一种考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，获取若干特高频传感器针对带有内部绝缘缺陷的变压器在同一时刻采集到的特高频局部放电信号。

步骤2，计算两两接收到特高频局部放电信号的时延，并根据时延计算特高频传感器与局部放电源之间的几何关系。

步骤3，根据测量距离、非视距传播误差和测量误差构建目标函数。

步骤4，使用一个平衡参数代替分布未知的非视距传播误差，通过计算近似误差并求取近似误差最小值获取平衡参数的的上限值，作为目标函数的约束条件。

步骤5，根据特高频传感器与局部放电源之间的几何关系、变压器的尺寸为待求变量增加边界约束条件，并根据约束条件在目标函数基础上增加罚函数。

步骤6，采用粒子群算法对目标函数进行求解，实现局部放电源的定位。

步骤1中，特高频传感器为N个，其中，N的取值范围为4

步骤2中，计算两两接收到特高频局部放电信号的时延的具体步骤为：

将第i个特高频传感器采集到的特高频局部放电信号的最大值对应的时刻t

第i、j个特高频传感器接收到变压器内局部放电源的特高频局部放电信号的时延表示为Δt

步骤3中，在具有N个特高频传感器的定位系统中，第i个传感器坐标表示为(x

在一种具体的实施方式中，目标函数以随机高斯噪声导致的传感器的测量误差最小为目标。目标函数表达式为：

其中，x

步骤4中，使用一个平衡参数

在一种具体的实施方式中，用一个平衡参数

用平衡参数代替所产生的近似误差ρ为：

由于b

可得到

由于r

所以原优化问题变为：

其中，x

步骤5中，设特高频信号传播到参考传感器(1号传感器)的时刻为常数t

由于：

c(t

其中，ri+rj≥di+dj是由于非视距传播的距离大于等于直线距离，di+dj≥dij是因为三角形两边之和大于第三边，c为电磁波在介质中的传播速度。

上述公式为1号传感器、i号传感器、j号传感器三个传感器的几何约束。r

得到关于t

s.t.r

引入罚函数，使得落在可行域外面的点的适应度大幅增加，原问题变为：

其中，η为传感器个数，(x

上述算法在迭代过程中解空间需保持恒定，x

步骤6中，利用智能优化算法对目标函数进行求解，所述智能优化算法包括但不限于人工蜂群算法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、粒子群算法等，优化目标是使目标函数最小化。本实施例选取粒子群算法，其工作流程如图2所示。

S1：初始化粒子群参数。

具体的，输入粒子群规模、粒子难度、迭代次数、惯性权重、学习因子和迭代步长范围。

S2：随机初始化每个粒子的位置和速度，分别得到个体和群体的历史最优位置和最优适应值，即个体历史最优位置、群体历史最优位置、个体历史最优适应值和群体历史最优适应值。

S3：判断个体和群体的历史最优位置和最优适应值是否满足迭代结束条件，若是则输出最优解，画图并保存结果，若否则继续更新个体和群体的历史最优位置和最优适应值直到满足迭代结束条件。

其中，以达到最大迭代次数或两次迭代之间的适应值的最小差值符合阈值设置。

继续更新个体和群体的历史最优位置和最优适应值的具体步骤为：

更新每个粒子的速度和位置；

计算每个粒子的适应值；

更新每个粒子的个体历史最优适应值和位置；

更新群体历史最优适应值和位置；

更新其他参数，如惯性权重、迭代次数等。

实施例二：

本发明实施例二提供了本发明第二方面提供了一种考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位系统，包括：

数据采集模块，被配置为获取若干特高频传感器针对带有内部绝缘缺陷的变压器在同一时刻采集到的特高频局部放电信号；其中，特高频传感器带宽为300MHz～1.5GHz，特高频传感器个数大于四个小于等于八个。

特高频局部放电信号采集设备选用Tektronix DPO7254C型号示波器，信号采样率为20GHz。

时延计算模块，被配置为计算两两接收到特高频局部放电信号的时延，并根据时延计算特高频传感器与局部放电源之间的几何关系；

目标函数构建模块，被配置为根据测量距离、非视距传播误差和测量误差构建目标函数；

第一约束条件设置模块，被配置为使用一个平衡参数代替分布未知的非视距传播误差，通过计算近似误差并求取近似误差最小值获取平衡参数的的上限值，作为目标函数的约束条件；

第二约束条件设置模块，被配置为根据特高频传感器与局部放电源之间的几何关系、变压器的尺寸为待求变量增加边界约束条件，并根据约束条件在目标函数基础上增加罚函数；

局部放电定位模块，被配置为采用粒子群算法对目标函数进行求解，实现局部放电源的定位。

为了验证本发明中局部定位方法的有效性，进行试验验证。利用图3所示的特高频定位系统，同时采集N(N＝4～7)路特高频局部放电信号，其中传感器坐标分别为S1(0,0,0)，S2(300,0,0)，S3(300,300,0)，S4(150,0,300)，S5(0,150,300)，S6(300,300,300)，S7(0,300,150)。采用本发明所提出的考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法进行定位，并与传统TDOA定位方法(即直接求解定位方程组)进行定位精度的对比，结果如图4所示。

本发明实施例中由于变压器内铁芯、绕组等结构使得特高频信号发生非视距传播进而导致特高频信号时延误差较大，影响定位精度，根据非视距误差与实际传播距离的关系构建局部放电源定位目标函数并进行采用近似参数对非视距误差进行修正，降低了非视距误差对定位结果的影响，有效提高了局部放电源定位精度。

实施例三：

本发明实施例三提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例一所述的考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法中的步骤，所述步骤为：

获取若干特高频传感器针对带有内部绝缘缺陷的变压器在同一时刻采集到的特高频局部放电信号；

计算两两接收到特高频局部放电信号的时延，并根据时延计算特高频传感器与局部放电源之间的几何关系；

根据测量距离、非视距传播误差和测量误差构建目标函数；

使用一个平衡参数代替分布未知的非视距传播误差，通过计算近似误差并求取近似误差最小值获取平衡参数的的上限值，作为目标函数的约束条件；

根据特高频传感器与局部放电源之间的几何关系、变压器的尺寸为待求变量增加边界约束条件，并根据约束条件在目标函数基础上增加罚函数；

采用粒子群算法对目标函数进行求解，实现局部放电源的定位。

详细步骤与实施例一提供的考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法相同，这里不再赘述。

实施例四：

本发明实施例四提供了一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例一所述的考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法中的步骤，所述步骤为：

获取若干特高频传感器针对带有内部绝缘缺陷的变压器在同一时刻采集到的特高频局部放电信号；

计算两两接收到特高频局部放电信号的时延，并根据时延计算特高频传感器与局部放电源之间的几何关系；

根据测量距离、非视距传播误差和测量误差构建目标函数；

使用一个平衡参数代替分布未知的非视距传播误差，通过计算近似误差并求取近似误差最小值获取平衡参数的的上限值，作为目标函数的约束条件；

根据特高频传感器与局部放电源之间的几何关系、变压器的尺寸为待求变量增加边界约束条件，并根据约束条件在目标函数基础上增加罚函数；

采用粒子群算法对目标函数进行求解，实现局部放电源的定位。

详细步骤与实施例一提供的考虑非视距传播的变压器局部放电特高频定位方法相同，这里不再赘述。

以上实施例二、三和四中涉及的各步骤与实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。