基于空间谱估计的变压器局放超声阵列定位方法研究

电力变压器是电力系统的关键设备,其运行可靠性直接影响电力系统整体安全。局部放电(简称局放)是引起变压器绝缘损坏的主要原因之一,局放定位检测是变压器绝缘机理研究与质量监控的关键项目,是状态维修的重要基础,一直受到电力研究和运行部门的关注。采用超声阵列传感器进行变压器局放定位,可以有效提高定位精度。 本论文在中央高校基本科研业务费专项资金项目“基于超声相控阵的大型变压器局放定位研究”(No.09MG09)和河北省自然科学基金项目“基于超声阵列传感器的电力变压器局部放电在线定位研究”(No.E2010001703)共同资助下,研究了基于空间谱估计的变压器局放超声阵列定位方法,主要研究内容及成果如下： 提出了一种基于Fast Direction Of Arrival (FDOA)的局放超声窄带阵列信号波达方向估计算法。研究了局放超声窄带阵列信号的测向原理和常见算法,建立了局放超声窄带阵列信号及阵列传感器仿真模型,基于FDOA进行了局放超声窄带阵列信号波达方向估计的仿真研究,并与Root Multiple Signal Classification (Root-MUSIC)测向仿真结果进行了对比,结果表明,FastDOA算法优于其他波达方向估计算法,实现了变压器局放超声窄带阵列信号的高精度测向。 提出了一种基于Rotation Signal Subspace (RSS)的变压器局放宽带超声阵列信号聚焦处理算法。研究了变压器局放宽带超声阵列信号聚焦处理的必要性、基本原理和常见算法,基于RSS与FDOA算法进行了局放宽带超声阵列信号聚焦处理及测向的仿真研究,并与Consistent Focusing (CF)仿真结果进行了对比,结果表明,RSS算法具有更好的聚焦处理效果,最大限度地保留了原始信号的宽频空域信息,实现了空间方位信息的累积,解决了FDOA不能直接进行局放宽带超声阵列信号测向的问题。 提出了一种基于多平台测向定位原理及云优化全局搜索的变压器局放超声阵列定位新方法。以空间中到测向线距离和的最小值对应的点为局放源,根据多次测向方位角、俯仰角结果及传感器位置,推导得到局放源的坐标方程,然后采用云优化算法进行全局搜索,获得局放源的空间几何坐标,并进行了仿真研究,仿真结果验证了该定位方法的正确性,保证了变压器局放超声阵列定位的精度。 搭建了一套完整的局放超声阵列定位实验系统。设计、研制了4×4的超声平面阵列传感器,搭建了包括超声阵列传感器、16通道同步数采装置和计算机的局放定位实验平台,开发了基于Lab VIEW的阵列定位软件系统。 研究了阵列传感器的安装及耦合性能测试方法,并开展了大量实验研究,实验结果表明定位成功率高,定位误差小于10cm,满足工程实际要求。