[发明专利]基于电磁波天线阵列信号处理的变电站局部放电定位方法

说明书

技术领域

本发明属于高压电力设备绝缘监测技术领域，涉及一种基于电磁波天线阵列信号处理的变电站局部放电定位方法。

背景技术

局部放电既是绝缘劣化的征兆和表现形式，又是绝缘进一步劣化的原因，因此局部放电监测已成为及时发现电力设备绝缘缺陷，避免绝缘击穿故障的有效手段。

对局部放电位置的定位，有助于制定有针对性的检修处理方案，减少停电时间，提高检修效率。特高频电磁波具有抗干扰性强、灵敏度高和传播速度稳定等优点，将其应用于局部放电定位及故障诊断是当前的热点问题。在变电站全站的空间内安装一组超宽带全向天线阵列接收局部放电辐射出的电磁波信号，通过对接收到的电磁波信号进行分析处理，得到局部放电源的位置，英国Strathclyde大学对变电站空间局放定位的可行性进行了初步研究和验证。

电磁波在空气中的传播速度稳定，近似光速，所以可对传感器阵列接收到的信号进行分析处理，得到信号时延序列，通过求解基于时延序列的定位方程组得到局放源的准确位置，该方法在局放定位系统中已得到不少应用，这种方法具有较高的精度，但得到准确的时延序列是该算法的基础，故该算法要求传感器及信号采集系统之间保持精确的时间同步，且信号采集系统需要较高的采样率。在实际应用中在信噪比较低的情况下，信号时延计算困难，将带来较大的定位误差甚至无法定位。基于信号时延序列的定位方法需要求解的方程组是非线性的，计算机求解复杂、计算量大，测量误差及时延计算误差均有可能造成方程组无解或解不确定。

天线阵列侧向问题的目标是通过确定两个天线阵列的信号的波达方向（direction of arrival,DOA），并利用两个方向上的直线的交点来对信号源进行定位。Roy等人提出的利用旋转不变技术（estimation signal parameter via rotat ional invariance techniques,ESPRIT）求取信号波达方向的方法，借助旋转不变技术估计信号参数，通过对矩阵束进行广义特征值分解，得到单位圆上的广义特征值来确定各信号的波达方向。该方法具有计算量小的优点，且可以有效分离独立的信号源和噪声源。阵列结构制约着波达方向估计的性能，Sarkar T K等研究了DOA估计方差的下界，证明了L型阵列的性能最优。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，基于L型天线阵列信号处理，利用旋转不变技术求取信号波达方向的思想，提出一种变电站局部放电定位方法，该定位方法实现变电站局部放电源的平面定位，由于变电站内设备都是平面布置，故平面定位即可确定有缺陷的设备。

本发明的技术解决解决方案如下：

本发明由安装在变电站内的全向天线、内置放大器、高速数据采样单元以及数据处理单元（计算机）构成。全向天线用来接收局部放电激发的电磁波，系统用全向天线的带宽为300M-2000M，并由同带宽的前置放大器对所接受到的信号放大，经过RF同轴屏蔽电缆传输至超高速数据采集单元；超高速数据采集单元对4路输出信号进行同步采集，每通道采样频率>2GS/s；数据处理单元对采集到的4路数字信号，利用阵列信号处理求取波达方向角的方法，进行计算从而得到局部放电源准确的位置。

2M-1个天线分别等间距地分布在空间三维坐标系的x轴和y轴组成L-型阵列，假设空间有K(K＜M)个统计独立的信号，分别从二维方向角为的方向到达天线阵列，S_k为信号源，S′_k为S_k在xoy平面的投影，如图2所示。

以x轴阵列的第一个阵元（即原点位置上的阵元）为参考点，信号的采样长度为N，x轴阵列和y轴阵列的输出信号分别表示为：

X＝A_xS+N_x                         （1）

Y＝A_yS+N_y                         （2）

其中，X,Y∈C^M×N分别为两个阵列的观测信号，x为信号，N_x,N_y∈C^M×N为阵列的观测噪声。A_x,A_y∈C^M×K分别为Vandermonde矩阵，由K个信号的阵列流形矢量组成，如式（3）和式（4）。