基于能量积累的变电站局部放电定位算法研究

基于能量积累的变电站局部放电定位算法研究

0局部放电定位方法局部放电监测是及时发现设备绝缘缺陷的有效方法，可以防止绝缘电压损失。局部放电定位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。目前对变电站设备的局部放电检测和定位主要是针对气体绝缘组合开关(gasinsulatedswitchgear,GIS)、变压器、容性设备等具体单一设备进行。而变电站中的任意高压电力设备均可能发生局部放电故障,要想对全站的一次电气设备实施监测,需要在所有设备上都安装局部放电监测装置,成本极高,监测系统的使用效率也较低,而且众多在线监测装置本身的维护工作量也很大。因此,目前的超高频等局放在线监测技术虽然性能已经得到认可,但因为成本较高,并没有得到广泛应用。局部放电的检测定位可通过超声波、电气参数测量、超高频电磁波等方法实现。但超声波在空间衰减快,且波速不稳定,所以只适用于几十cm内小范围准确定位;电气参数法检测局部放电操作复杂、通用性差、受现场电磁干扰的影响较大,因而不适合用于在线监测;超高频电磁波法通过天线传感器接收局部放电过程辐射的超高频电磁波,来实现局部放电的检测。超高频电磁波检测的优点为: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,因而其检测灵敏度很高,且电磁波在空气中的传播速度稳定,近似光速,可利用时差法进行局放定位。目前该方法也主要用于变压器、GIS等单个设备的内部定位,但电磁波在设备内部传播距离较短,定位的相对误差较大。本系统改变以往对单个设备安装在线监测装置的常规做法,在全站的空间内安装一组超宽带超高频(ultrahighfrequency,UHF)传感器阵列接收局部放电发出的电磁波信号,用一套装置对全站设备进行局部放电的监测和预警,获取并分析整个变电站站域的放电情况。首先利用该装置粗选有缺陷的设备或设备部件,确定设备或设备部件有了缺陷和故障风险后再进行深入分析和定位,成本低,效率高。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,但仅能得到放电源的大致方向,要得到准确的放电位置需进行多次测量。本文主要阐述了利用4个天线接收超高频电磁波进行局放空间定位的实现方法。重点研究了能量积累法计算信号起始时刻和基于时延序列实现定位算法的原理,并结合Newton迭代和逐层网格搜索给出了求解以局放点位置为未知数的非线性方程组的方法。实验室和现场测试均验证了上述定位算法的准确性。1充放电定位原理常规变电站中各类输变电一次设备,包括GIS出线套管、变压器高压套管、SF6断路器、互感器、电容器、避雷器、绝缘子等出现绝缘故障前会产生局部放电,该局放信号产生的电磁波信号通过没有屏蔽效果的绝缘气体、油、套管等物体向变电站空间传输。对于变压器和GIS内部放电,一方面可通过套管向外传播,另一方面电磁波在传播的过程中碰到障碍物或孔的尺寸与电磁波波长λ相近,或<λ时,会发生明显的衍射现象。由于衍射的存在,电磁波可以离开直线传播的路径而绕到障碍物背后。研究表明,设备内部局部放电信号的上升沿很陡,脉宽多为ns级,其激发的电磁波为频域范围内分布很广的各种波长不等的波构成。因此,局部放电时所发射出的电磁波在通过箱体夹缝或者GIS绝缘缝隙传播时,高频段的电磁波会发生衍射,传播到设备外面的空气中。本系统利用全向天线阵列采集局放发生的电磁波信号实现变电站局部放电的定位。在变电站内设置4个天线,并连接放大器,利用带存储功能的高速示波器作为信号采集系统,来同步采集并存储天线阵列接收到的同一放电源辐射的超高频电磁波。通过测量它们接收到同一放电源的超高频信号的时间差,基于放电信号时延序列分析和空间分析实现放电信号准确定位。其系统结构示意图如图1所示。局放信号从输变电设备某一点传播到超高频(UHF)天线阵列的第i个天线的时刻记为ti,i=1,2,…,n,设第i个天线的三维坐标为(xi,yi,zi),局放源的三维坐标为(xs,ys,zs),第1个天线接收到局放信号的时间和第i个天线接收到局放信号的时间差为t1i,此处i=2,3,…,n,由空间几何分析,可知式中,di为放电源到第i个天线的距离,c为电磁波传播速度,c=3.0×108m/s。式(1)中任意3个方程联立即可确定局放源的位置,多个方程可以有效提高检测准确度。系统使用的全向天线如图2所示。全向天线的带宽为0.2~6GHz,并配有相同带宽、增益为30dB的放大器,示波器的带宽为6GHz、最高采样频率为25GHz。计算系统4个天线同步接收到同一放电源辐射出超高频信号的起始时刻,基于信号的时间差,列出方程组,求解放电信号的位置,系统实现框图见图3。2系统定位算法的原理2.1局部放电结果示波器同步采集到的4路信号波形如图4所示,本系统定位算法基于4个传感器接收到超高频信号的时间差。故寻找信号的起始时刻,即计算图4中的t1、t2、t3、t4时刻是算法的关键点之一。累积能量X的计算公式为其中,ul为信号波形上第l个点的电压值;m为每路波形记录的点数。当局部放电发生时,放电源将辐射出1个脉冲,该脉冲的幅值远大于背景噪声,经过能量积累,局部放电起始点将在信号累积能量图上对应为一个拐点,如图5所示。图中td1~td4为对应曲线的拐点时刻,由能量积累原理,该拐点时刻近似为信号的起始时刻t1~t4,即超高频电磁波传播至传感器的时刻。由于示波器采集到的超高频信号中包含各种噪声信号,所以在信号到达之前,能量积累曲线也会出现拐点,将引起拐点时刻的误判断。故在计算拐点之前,需要对能量积累函数进行平滑处理。2.2m阶滑动平均滤波器和加权滤波器的特性本文使用滑动平均滤波器和指数加权滤波器对能量积累函数进行平滑处理。假设E(n)为原能量积累函数,Es(n)为平滑处理以后的能量积累函数,M阶滑动平均滤波器和加权系数为α(0<α<1)的指数加权滤波器公式分别为:图6为平滑滤波前后的能量积累函数曲线对比,由图6可见,滤波后更容易通过计算机方法得到曲线的拐点。2.3建立基于时间差的非线性方程组拐点对应的时刻可以认为是超高频信号的起始时刻,因此信号到达的时间差为由第1章定义,假设4个天线的空间位置坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4),局放源位置为(xs,ys,zs),局放源到天线1~4的距离分别为d1、d2、d3、d4,建立基于时间差的非线性方程组如下式中,v=c=3.0×108m/s,为电磁波传播速度。3新顿重复法与网格搜索法的结合求解非线性方程组3.1生长向量[xk关于放电位置(x,y,z)的非线性方程组(4)可写成F(X)=0的形式(其中X=[x,y,z]T),即有设Xk=[xk,yk,zk]T为方程组的一个近似解,k为迭代次数,则对h=1、2、3,有写成向量形式为式中,F′(Xk)为F的Jacobi矩阵在Xk处的值。若X取值为方程组(4)的根X*,即F(X*)=0,故把使得式(8)右端为0的向量X作为新的近似值,记为Xk+1,即有式(9)即为Newton法求解非线性方程组的迭代公式。3.2逐步形成迭代目标Newton法求解非线性方程组迭代收敛的条件较强,即算法要求F(X)在X*的开邻域上连续可导,且F′(X*)可逆。而在实际的放电测量计算中,由于各种干扰噪声、测量误差等因素的影响,导致方程组(5)的解不存在或者不唯一,此时利用Newton法迭代不能收敛。在这种情况下,迭代初值的选取对迭代的收敛也有一定的影响,用逐层网络搜索法选取该初值,在Newton法迭代仍然不收敛的情况下,认为网格搜索的结果即为方程组的解。逐层网格搜索分为粗网搜索和细网搜索2步,思路如下:首先在(x,y,z)∈[-30m,30m]×[-30m,30m]×[-5m,20m]范围内,以1m为间隔搜索‖F(X)‖的最小值,最小值点的位置坐标(x1,y1,z1),即粗网搜索结果。在粗网搜索结果的±1m邻域范围内以2cm(因为实际应用中,使用采样频率为25GHz的高速示波器进行信号采集,所以最小分辨率为1.2cm,为便于计算,最小间隔选为2cm)为间隔搜索‖F(X)‖的最小值。该步骤即为细网搜索。定位算法的流程图如图7所示,图中t12、t13、t14分别为拐点时刻2、3、4与拐点1时刻的时延,即第1个天线接收局放信号时间与第2~4个天线接收到局放信号的时间差。4试验结果表明4.1放电脉冲上升时间将系统用4个射频天线传感器安置在空间4个固定点上,并记下天线坐标。采用的局部放电模拟器在不同的位置模拟局部放电,局部放电模拟器可以模拟不同放电量的针尖之间及针尖-板局部放电,其主要性能指标为:模拟接触放电和空气放电电压为500~16500V,误差<5%;放电脉冲上升时间0.8ns,误差<25%,极性可正、负,连续放电最高可达20Hz,产生的放电信号频谱在0~2GHz范围。利用带宽为6GHz、采样频率为25GHz的带存储功能的示波器进行信号采集。最后利用上述算法计算局部放电模拟器的位置,分析计算结果,并与真实位置比较。4.2定位算法的验证实验室测试验证定位算法天线摆放空间位置如图8中的坐标点A、B、C、D所示,第1种位置为天线在同一平面,摆放在长方形的4个顶点上;第2种情况为天线A垫高0.26m,B、C、D位置不变。模拟放电源P点位置为(0.35m,3.86m,2.28m),应用上述定位算法,得到的定位结果如表1和表2所示。考虑天线的半径和测量误差,表1中6组定位结果的平均位置为(0.32m,4.08m,-2.44m),定位结果在误差可接受范围内的与放电源P点位置关于xoy平面对称的位置。P点关于xoy平面的对称点记为P′,从几何上分析,这2点到4天线A、B、C、D的直线距离对应相等,故信号源在P和P′点,超高频信号传播到达同一天线所需的时间相同,即到达2个天线的时差也相同,故当4个天线放在同一平面时,定位结果有可能在放电源关于这个平面的对称点附近。表2中6组定位结果的平均位置为(0.35m,4.02m,2.43m),而实际的模拟放电源P点位置为(0.35m,3.86m,2.28m),定位位置绝对误差为(0,0.16m,0.15m),考虑天线半径、背景噪声、已知位置测量时差计算等误差产生原因,定位结果在误差允许范围以内。4.3实际放电源验证为验证系统在现场强干扰环境下运行的效果,在某500kV变电站进行了系统的测试试验,现场测试场景如图9所示,UHF天线安装在可移动支架上,安装后天线的坐标如图10所示,并制造模拟放电源进行验证。示波器采集到放电源发出的超高频电磁波信号数据,经系统处理分析和定位算法计算,对于测试位置1,实际模拟放电源的真实位置在(5.3m,0.7m,0.6m)时,定位算法计算结果的平均位置坐标为(5.46m,0.68m,0.58m);对于测试位置2,模拟放电源位置在(0.1m,9.5m,0)时,定位算法计算结果的平均位置在(0.26m,9.34m,-0.18m),故放电源在10m范围内的定位结果误差<20cm,满足变电站全站局部放电定位准确度的要求。5超高频能量波速检测算法在变电站的应用本文主要应用