[发明专利]变电站缺陷设备快速检测装置及检测方法

权利要求书

1.一种变电站缺陷电力设备快速检测装置，其特征在于，由特高频全向传感器接收放大模块、超高速数据采样单元及数据处理单元和分析单元组成，所述特高频全向传感器接收放大模块为四个全向宽带天线及其前置宽带放大器的集成体，所述特高频全向传感器接收待测变电站电力设备缺陷放电所产生的电磁波，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元同步采集； 

所述数据处理单元对四路信号进行数据处理单元，重点是计算四路信号的时延，从而计算出放电源在变电站的平面位置。 

2.根据权利要求1所述变电站缺陷电力设备快速检测装置，其特征在于：所述前置宽带放大器的带宽为1GHz，增益为40dB。 

3.根据权利要求1所述变电站缺陷电力设备快速检测装置，其特征在于：所述超高速数据采样单元为>3Gsps的数据采集卡。 

4.根据权利要求1所述变电站缺陷电力设备快速检测装置，其特征在于：所述数据处理单元为工业控制计算机。 

5.一种利用权利要求1至4中任一所述变电站缺陷电力设备快速检测装置进行放电源检测的方法，其特征在于包括步骤一多路电波信号同步采集、步骤二采用双谱估计算法确定两路电波信号的时延以及步骤三利用时延计算放电源点的平面位置； 

步骤一多路电波信号同步采集 

将所述变电站缺陷电力设备快速检测装置在待测的变电站某一位置放置后，所述检测装置启动后，所述多通道特高频全向传感器接收变电站缺陷电力设备因放电产生的电磁波信号，经所述前置宽带放大器放大和滤波处理后由所述超高速数据采集单元进行同步采集，送所述数据处理单元对多路信号进行数据处理单元； 

步骤二采用双谱估计算法确定两路电波信号的时延 

通过信号的数字采集系统同时采集到的两路信号分别为离散序列{x1(n)}和{x2(n)}，结合高阶累积量理论，利用参数双谱时延估计算法的计算机数值实现方法，计算子步骤如下 

子步骤1：同常规计算方法，将观测到的信号数据样本分为K段，每段包含M个观测样本，分别记作其中k＝1,2,…,k，i＝1,2，相邻两段数据之间可以有重合； 

子步骤2：计算每段信号的自三阶累积量和互三阶累积量： 

其中，S1和S2分别取值为： 

S₁＝max(0,-τ,-ρ) 

S₂＝min(M-1,M-1-τ,M-1-ρ) 

子步骤3：计算各段信号自三阶累积量和互三阶累积量的平均值，作为整段信号的三阶累积量估计： 

子步骤4：利用和写出矩阵和向量并列出方程组： 

其中 

A＝[a_-p,a_-p+1,…,0,…,a_p-1,a_p]^T

子步骤5：利用最小二乘法求解上述方程组，估计向量

其中将使取最大值的索引值d，作为两路信号时延的估计

步骤三利用时延计算放电源点的平面位置 

传感器阵列采用平面矩形排列方式，假设四个传感器在平面坐标系内的位置坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和(x₄,y₄)，放电源位置为(x,y)，放电源与四个传感器间的距离分别为d₁、d₂、d₃和d₄，即 

根据平面解析几何知识，放电源到每两个传感器之间的距离差(d_i-d_j)可唯一确定一个单支双曲线，因此，以天线阵列中心为平面直角坐标原点，通过时间差可以确定放电点所在象限，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： 

式中a_ij＝(d_i-d_j)/2——双曲线的半长轴长； 

——双曲线的半短轴长的平方； 

c_ij——双曲线焦距，可根据天线阵列的尺寸得到； 

假设四路放电信号的波形起始时刻分别为dt₁、dt₂、dt₃和dt₄，放电信号传播至不同天线的时间差ΔT₁₂、ΔT₄₃、ΔT₁₄、ΔT₂₃可表示为 

在此基础上，有 

将(10)所求得的结果代入(7)与(8)并求解即可得到放电源的坐标(x,y)，在此基础上即可得到放电源的方位角(参照极坐标规则，以水平向右方向为0°)和放电源距离检测系统的径向距离； 

定位算法示意图3如图所示； 

算法中针对不同象限与不同位置时间差ΔT₁₂、ΔT₄₃、ΔT₁₄、ΔT₂₃的特点，将平面分为若干区域进行相应的特殊处理： 

1)0°与180° 

当放电源位于检测系统水平正右方或水平正左方时，其ΔT₁₄、ΔT₂₃几乎为0，此时放电源的横坐标可直接确定，通过ΔT₁₂或ΔT₄₃的正负即可确定放电源所在方位角，随后可直接通过(7)式来确定其径向距离，由于在波形起始点的寻找中可能存在一定的误差，因此为ΔT₁₄和ΔT₂₃保留一定的阈度，在小于这一阈度的范围内，可认为其约等于0，并按照上述方法处理； 

2)90°与270° 

当放电源位于检测系统正前方或正后方时，其ΔT₁₂或ΔT₄₃几乎为0，此时放电源的纵坐标可以直接确定，与(1)类似，通过ΔT₁₄或ΔT₂₃的正负即可确定放电源所在的方位角，随后通过(8)式来确定其径向距离； 

3)第I象限 

当ΔT₁₂>0且ΔT₂₃<0时，放电源的位置处于第I象限内，其角度范围为(0°,90°)，在第I象限内，存在b₁₂＝0以及b₂₃＝0的区域，为此，当时间差满足 

|v·ΔT₁₂|≈L₁₂

或|v·ΔT₂₃|≈L₂₃      (11) 

时，可直接确定放电源的一个坐标值与天线的坐标一致，进而代入式(7)或式(8)确定另一个坐标完成定位，如果时间差不满足(11)所表示的关系，则直接求解非线性方程组来求取定位结果； 

4)第II象限 

当ΔT₁₂<0且ΔT₂₃<0时，放电源的位置处于第II象限内，其角度范围为(90°,180°)，与第I象限类似，在第II象限内存在b₁₂＝0以及b₁₄＝0的区域，为此，当时间差满足 

|v·ΔT₁₂|≈L₁₂

或|v·ΔT₁₄|≈L₁₄(12) 

时，可直接确定放电源的一个坐标值，进而确定其另一个坐标，如果时间差不满足(12)所表示的关系，则直接求解非线性方程组来求取定位结果； 

5)第III象限 

当ΔT₁₂<0且ΔT₂₃>0时，放电源的位置处于第III象限内，其角度范围为(180°,270°)。在第III象限内当时间差满足 

|v·ΔT₄₃|≈L₄₃

或|v·ΔT₁₄|≈L₁₄(13) 

时，会导致b₄₃＝0或b₁₄＝0，此时直接确定放电源的一个坐标值，进而代入方程确定其位置，如果时间差不满足(13)所述关系，则直接求解方程组； 

6)第IV象限 

当ΔT₁₂>0且ΔT₂₃>0时，放电源的位置处于第IV象限内，其角度范围为(270°,360°)，在第III象限内当时间差满足 

|v·ΔT₄₃|≈L₄₃

或|v·ΔT₂₃|≈L₂₃(14) 

时，会导致b₄₃＝0或b₂₃＝0，此时直接确定放电源的一个坐标值，进而代入方程确定其位置，如果时间差不满足(14)所述关系，则直接求解方程组； 

在求解(7)与(8)两个非线性方程组时，采用牛顿迭代法进行求解，如将(7)方程组写成向量方程的形式，其中X＝(x,y)^T，有 

设X_k＝(x_k,y_k)^T为方程组的一个近似解，则对i＝1,2有 

写成向量形式为 

其中为的Jacobi矩阵在X_k处的值。若X取值为方程组(4-23)的根X^*，即把使得式(17)右端为0的向量X作为新的近似值，记为X_k+1，即有： 

式(18)即为牛顿求解非线性方程组的迭代公式。