重庆时时彩三星随机: 基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法.pdf

(10)申请公布号 CN 103913680 A (43)申请公布日 2014.07.09 CN 103913680 A (21)申请号 201410098319.2 (22)申请日 2014.03.17 G01R 31/12(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 胡岳 汪剑文 汤林 江秀臣 曹灵钰 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放 电定位方法 (57) 摘要 本发明提供了一种基于时延误差随机模拟与 统计分析的局部放电定位方法， 包括如下步骤 ： 步骤一， 基于四元特高频天线阵列接收到的一组 波形， 利用广义互相关算法， 得到定位所需的四 个时延 ； 步骤二， 以上述时延为基点， 设定时延误 差范围， 在该范围内随机仿真出 n 组时延， 随机 函数采用正态分布， 中心采用步骤一计算所得时 延 ； 步骤三， 利用上述 n 组时延计算放电源二维定 位信息， 得到方向角分布图 ； 步骤四， 依据统计分 析方法， 取角度分布概率最大的角度为定位角度 ； 步骤五， 以定位角度为中心展开一个搜索区域， 进 行网格搜索， 计算放电源定位角度和径向距离。 本 发明基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放 电定位方法， 能够提高局部放电定位的准确性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103913680 A CN 103913680 A 1/1 页 2 1. 一种基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法， 其特征在于， 包括如 下步骤 ： 步骤一， 基于四元特高频天线阵列接收到的一组波形， 利用广义互相关算法， 得到定位 所需的四个时延 ； 步骤二， 以上述时延为基点， 设定时延误差范围， 在该范围内随机仿真出 n 组时延， 随 机函数采用正态分布， 中心采用步骤一计算所得时延， n 大于 200 ； 步骤三， 利用上述 n 组时延计算放电源二维定位信息， 得到方向角分布图 ； 步骤四， 依据统计分析方法， 取角度分布概率最大的角度为定位角度 ； 步骤五， 以定位角度为中心展开一个搜索区域， 进行网格搜索， 计算放电源定位角度和 径向距离。 2. 根据权利要求 1 所述的基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法， 其 特征在于， 所述步骤二采用正态分布随机数生成函数模拟时延误差。 3. 根据权利要求 1 所述的基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法， 其 特征在于， 所述步骤三、 步骤四都采用统计法得到局部放电源的方向角。 4. 根据权利要求 1 所述的基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法， 其 特征在于， 所述步骤五采网格搜索法最终定位放电源位置。 5. 根据权利要求 1 所述的基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法， 其 特征在于， 所述搜索区域的角度为 4 度、 高度为 20m、 长度为 20m。 6. 根据权利要求 1 所述的基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法， 其 特征在于， 所述三维搜索过程中的角度间隔为 0.10 度， 高度、 距离间隔都为 0.1m， 时延随机 误差的上限根据系统的最高采样率决定， 为最小采样间隔的 1/5。 7. 根据权利要求 1 所述的基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法， 其 特征在于， 所述步骤一、 步骤二、 步骤三在最大时延误差水平下， 基于统计法的定位算法把 角度偏差控制在 3 度以下。 权 利 要 求 书 CN 103913680 A 2 1/5 页 3 基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法 技术领域 [0001] 本发明涉及电力系统高电压与绝缘技术， 特别是一种基于时延误差随机模拟与统 计分析的局部放电定位方法。 背景技术 [0002] 绝缘故障是电力设备在运行中最主要的可能故障之一， 电力设备发生绝缘故障 前， 一般都会有一个逐渐发展的局部放电过程， 最终导致绝缘击穿。 如果在这个过程能够对 运行设备进行局部放电监测和诊断， 及时发现局部放电信号， 提前对缺陷进行处理， 就能有 效避免绝缘击穿故障的发生。对局部放电位置的定位， 也有助于制定更有针对性的检修处 理方案， 减少停电时间， 提高检修效率。 局部放电是导致电力变压器绝缘劣化和引起电力系 统事故的重要原因， 因此局部放电现象的检测和定位是非常重要的。在确定变压器内部存 在局部放电后， 快速准确地对局放源定位， 这对于迅速排除故障、 保障电力系统正常运行具 有重要意义。 [0003] 局部放电可通过超声波、 电气参数常量和特高频电磁波等多种方法检测。这些方 法都可用来做局放定位。特高频 （UHF） 电磁波法是局部放电检测的一种新方法， 该方法通 过 UHF 传感器天线接收局部放电发生过程中辐射的特高频电磁波 (300 ～ 3000MHz) 信号来 检测局部放电。 特高频法的优点为 ： 检测频段较高， 可以有效地避开常规局部放电测量中的 电晕、 开关操作等多种电气干扰 ； 检测频带宽， 所以其检测灵敏度很高， 且已知电磁波在空 气中的传播速度近似光速， 可以利用天线位置和信号间的时差来计算局部放电的位置。 [0004] 在变压器局部放电特高频定位的多传感器时间差测量中存在误差， 在使用牛顿迭 代解时间差方程组时， 可能会出现震荡不收敛和局部收敛的情况， 这往往影响时间差方程 组解的准确性。 [0005] 利用全向天线阵列采集放电源发出的电磁波信号来实现放电源的定位。 在变电站 以平面矩形排列方式放置一 4 元特高频 （UHF） 天线阵列， 定位模型采用平面双曲线定位模 型。假设 4 个天线坐标分别 (x1， y1)、 (x2， y2)、 (x3， y3)、 (x4， y4)， 对于二维平面上任意一点 放电源 P(x， y) 的局部放电， 电磁波到达 4 个天线存在时 间差 tij(i， j=1， 2， 3， 4)， 如下式 （1） ： [0006] tij＝ ti-ti………………………………（1） [0007] 式中 ti表示电磁波从放电源到达第 i 个天线所需的传播时间， 由空间几何分析， 可知如下式 （2） : [0008] [0009] 式中 di表示放电源到第 i 个天线的距离，v 为电磁 波传播速度， v ＝ c ＝ 3.0×108m/s， 根据平面解析几何知识， 放电源到每两个天线之间的距 说 明 书 CN 103913680 A 3 2/5 页 4 离差 (di-dj) 可唯一确定一单支双曲线， 利用相同方向的单支双曲线方程联立可得到如下 非线性方程组 , 如下式 （3） ： [0010] [0011] 式中 [0012] aij、 bij分别为双曲线的半长轴长、 半短轴长， cij为双曲线焦距， 由天线矩形阵列尺 寸决定。求解放电源的坐标 (x， y) 只需上述四个方程中的两个即可， 四个方程可以有效提 高定位精度。在求解公式 （3） 中的非线性方程时， 两个方程确定的双曲线的交点便是放电 源位置， 当存在时间误差时， 双曲线的交点会发生偏移， 从而造成一定的定位误差 ； 当时间 误差达到一定条件下， 两条曲线可能不相交， 此时方程组无解， 从而定位失败。即当误差较 大时， 时间差方程组可能无解， 导致定位失败。下面以一组仿真说明时差对定位结果的影 响。在二维坐标系中， 放电源 P 位于点 (5， 4)， 极坐标系内为 （38.7， 6.4） ， 四个天线的坐标 分别为 S1(0.75， 0.53)、 S2(0.75， -0.53)、 S3(-0.75， -0.53)、 S4(-0.75， 0.53)， 可以计算出 t12 ＝ -2.42ns， t43＝ -2.01ns， t14＝ -4.10ns， t23＝ -3.70ns。为这四个时间差加入随机延时 误差 0.01ns， 0.1ns， 0.3ns， 0.5ns， 1ns， 1.5ns， 2ns。使用牛顿迭代得出定位偏差结果， 如表 1 所示。 [0013] 表 1 偏差结果表 [0014] [0015] 由上表 1 可知， 在 0.3ns 的随机延时误差内， 定位算法可以把角度偏差控制在 2° 以下， 0.3ns 以上的随机延时误差便会使得偏差角度较大， 定位结果失去参考价值。由于变 电站的局部放电是在三维空间内开展的， 定位误差会进一步变大。 发明内容 [0016] 针对现有技术中的缺陷， 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于时延误差随 机模拟与统计分析的局部放电定位方法， 该方法能根据仿真的时延 ( 即随机延时误差 ) 计 说 明 书 CN 103913680 A 4 3/5 页 5 算局部放电的定位角度， 再根据所计算的方位角的分布图确定局部放电源的方向角角度， 以其为中心展开一个搜索区域， 进行网格搜索， 计算放电源定位角度和径向距离， 这样可以 提高定位精度。 [0017] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的 ： 一种基于时延误差随机模拟 与统计分析的局部放电定位方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： 步骤一， 基于四元特高频天 线阵列接收到的一组波形， 利用广义互相关算法， 得到定位所需的四个时延 ； 步骤二， 以上 述时延为基点， 设定时延误差范围， 在该范围内随机仿真出 n 组时延， 随机函数采用正态分 布， 中心采用步骤一计算所得时延， n 大于 200 ； 步骤三， 利用上述 n 组时延计算放电源二维 定位信息， 得到方向角分布图 ； 步骤四， 依据统计分析方法， 取角度分布概率最大的角度为 定位角度 ； 步骤五， 以定位角度为中心展开一个搜索区域， 进行网格搜索， 计算放电源定位 角度和径向距离。 [0018] 优选地， 所述步骤二采用正态分布随机数生成函数模拟时延误差。 [0019] 优选地， 所述步骤三、 步骤四都采用统计法得到局部放电源的方向角。 [0020] 优选地， 所述步骤五采网格搜索法最终定位放电源位置。 [0021] 优选地， 所述搜索区域的角度为 4 度、 高度为 20m、 长度为 20m。 [0022] 优选地， 所述三维搜索过程中的角度间隔为 0.10 度， 高度、 距离间隔都为 0.1m， 时 延随机误差的上限根据系统的最高采样率决定， 为最小采样间隔的 1/5。 [0023] 优选地， 所述步骤一、 步骤二、 步骤三在最大时延误差水平下， 基于统计法的定位 算法把角度偏差控制在 3 度以下。 [0024] 与现有技术相比， 本发明具有如下的有益效果 ： 本发明基于一组采样波形算出一 组时延。因为该计算时延与真实时延存在一定的误差， 所以在设定的误差范围内随机仿真 n 组 （200 以上） 时延， 根据仿真的时延 ( 即随机延时误差 ) 计算局部放电的定位角度， 再根 据所计算的方位角的分布图确定计算的定位角度， 这样可以提高计算精度。 附图说明 [0025] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显 ： [0026] 图 1 为本发明在系统误差水平等于 0.1ns 时的角度分布图 ( 理论方向角 129.23° ) ； [0027] 图 2 为本发明在系统误差水平等于 0.2ns 时的角度分布图 ( 理论方向角 129.23° ) ； 具体实施方式 [0028] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。 以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明， 但不以任何形式限制本发明。 应当指出的是， 对本领域的普通技术 人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进。 这些都属于本发明 的?；し段?。 [0029] 本发明基于时延误差随机模拟与统计分析的局部放电定位方法包括以下步骤 ： [0030] 步骤一， 基于四元特高频天线阵列接收到的一组波形， 利用广义互相关算法， 说 明 书 CN 103913680 A 5 4/5 页 6 [0031] 得到定位所需的四个时延 T1。 [0032] 步骤二， 以上述时延为基点， 设定时延误差范围， 在该范围内随机仿真出 n 组时 延， 随机函数采用正态分布， 中心采用步骤一计算所得时延， n 大于 200， 根据系统误差水平 T， 以 ±T 为时延误差上下限， 用正态分布生成函数模拟时延误差 T2。由于正态分布中的小 概率理论， 在 （μ-3σ， μ+3σ） 区间的概率 99.73 分 %， 因此正态分布数学期望设定为 T1， 标准差设定为 T/3， 即如下式 （4） ： [0033] T2=normrnd(T1， T/3)………………………………（4） [0034] 仿真实验中， 指定 P（5， 4） 点作为放电源， 计算出真实时间差， 再在四个时间差上 加入随机系统时延误差， 误差上下限 T 分别为 ±0.1ns、 ±0.2ns、 时各进行 10000 组仿真， hist 函数画出角度分布图如图 1 至图 2 所示。图 1 至图 2 中定位点均换为极坐标表示， 放 电源 P 在极坐标下的坐标为 (129.23， 5.49)。 [0035] 步骤三， 利用上述 n 组时延计算放电源二维定位信息， 得到方向角分布图。重复进 行仿真实验， 即放电源 P 位于点 (5， 4)， 加入随机延时误差 0.1ns、 0.3ns， 得到表 2。 [0036] 表 2 基于统计法定位误差分析表 [0037] [0038] 将表 2 与表 1 对比， 可以看出统计法大大提高了定位精度， 在 0.5ns 的随机延时误 差内， 基于统计法的定位算法可以把角度偏差控制在 3 度以下。 [0039] 步骤四， 依据统计分析方法， 取角度分布概率最大的角度为定位角度 ； [0040] 步骤五， 以定位角度为中心展开一个搜索区域， 进行网格搜索， 计算放电源定位角 度和径向距离， 在实际变电站局部放电定位中， 放电源往往与天线阵列存在高度差， 原始的 基于二维双曲线方程的定位算法忽略了高度的影响从而增大了定位误差， 但使用网格搜索 法则可避免高度带来的大部分误差。 [0041] 其中， 所述步骤三、 步骤四都采用统计法得到局部放电源的方向角。 所述步骤五采 用网格搜索法最终定位放电源位置。所述搜索区域的角度为 4 度、 高度为 20m、 长度为 20m。 所述三维搜索过程中的角度间隔为 0.10 度， 高度、 距离间隔都为 0.1m， 时延随机误差的上 限根据系统的最高采样率决定， 为最小采样间隔的 1/5， 比如最高采样率的 1GS/s 的系统， 其最小采样时间为1ns， 则时延随机误差的上限为0.2ns， 取值可为0.1ns、 0.2ns。 所述步骤 一、 步骤二、 步骤三在最大时延误差水平下， 基于统计法的定位算法把角度偏差控制在 3 度 以下。 [0042] 利用 hist 函数定位得到放电源的定位角度后， 以此定位角度为中心展开一个角 度为 4 度、 高度为 20m、 长度为 20m 的搜索区域开始三维搜索。三维搜索过程中的角度间隔 为 0.10 度， 高度、 距离间隔都为 0.1m， 延时随机误差为分别为 0.1ns、 0.3ns。 [0043] 此处选取 0.1m 的间隔是有意义的， 若系统的采样率为 3GS/s， 其时间分辨率为 0.33ns， 对应的距离分辨率为 0.1m。而大部分局部放电检测中使用的天线阵列都可以达到 说 明 书 CN 103913680 A 6 5/5 页 7 3GS/s 的采样率。 [0044] 表 3 网格搜索下的定位误差仿真表 [0045] [0046] 本发明基于一组采样波形算出一组时延。 因为该计算时延与真实时延存在一定的 误差， 所以在设定的误差范围内随机仿真 n 组 （200 以上） 时延， 根据仿真的时延计算局部放 电方位角， 再根据所计算的方位角的分布图 （计算方位角值的中心值） 确定计算的方位角， 这样可以提高计算精度。本发明使用随机时延误差， 统计经多次牛顿迭代法求解出的定位 角度， 找出出现频率最大的角度作为定位角度， 在此基础上使用网格搜索法确定定位距离， 可以在很大程度上提高局部放电定位的准确性， 从而验证了统计法在局部放电定位的重要 性。通过随机时延误差仿真研究， 发现本发明能够提高局部放电定位精度。 [0047] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是， 本发明并不局限于上述 特定实施方式， 本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影 响本发明的实质内容。 说 明 书 CN 103913680 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103913680 A 8