一种两段式变电站局部放电信号定位方法及系统

摘要

本发明公开了一种两段式变电站局部放电信号定位方法，其包括步骤：(1)构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ；(2)对模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类，得到C个类；(3)当局部放电实际发生时，采用n个特高频传感器采集局部放电信号并获得对应的实测局部放电强度特性向量；(4)对局部放电信号进行初步定位，以缩小定位范围；(5)在被缩小的范围内，采用压缩感知算法对局部放电信号进行精确定位。此外，本发明还公开了一种两段式变电站局部放电信号定位系统。所述的定位方法及系统具有测量难度低，对于设备硬件的要求小，定位精度高的优点，并且保证高定位精度的同时，有效降低电力设备成本。

权利要求

1.一种两段式变电站局部放电信号定位方法，其包括步骤：(1)构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ；

(2)对模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类，得到C个类；

(3)当局部放电实际发生时，采用n个特高频传感器采集局部放电信号并获得对应的实测局部放电强度特性向量(4)对局部放电信号进行初步定位，以缩小定位范围：将实测局部放电强度特性向量rPD输入下式中：其中， 为第g个类中模拟局部放电强度特性

向量的平均值；

求解使得上式中的值最小的类，则这个类中所有的模拟局部放电强度特性向量就构成了缩小的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ′；

(5)在被缩小的范围内，采用压缩感知算法对局部放电信号进行精确定位。

2.如权利要求1所述的两段式变电站局部放电信号定位方法，其特征在于，步骤(1)进一步包括步骤：在被测区域选定N个测量点，将测量点记为RPj(j＝1,2,……,N)，使用模拟局部放电源在每一个测量点进行放电，将n个特高频传感器放置在被测区域周围以测量各测量点的模拟局部放电信号强度，将任意一个特高频传感器记为APi(i＝1,2,3,4……，n)；设特高频传感器APi测得的测量点RPj处的模拟局部放电强度值为 则测量点RPj处的模拟局部放电强度特性向量rj为：则所有测量点的模拟局部放电强度特性向量构成了被测区域的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ：

3.如权利要求2所述的两段式变电站局部放电信号定位方法，其特征在于，在所述步骤(2)中采用K-means聚类算法对所述模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类。

4.如权利要求2所述的两段式变电站局部放电信号定位方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，求取公式rj＝Ψ′S中的S，S即为局部放电信号的精确定位结果。

5.如权利要求4所述的两段式变电站局部放电信号定位方法，其特征在于，求取S的步骤包括：将公式rj＝Ψ′S转变为Φrj＝ΦΨ′S进行下一步求解，其中Φ为测量矩阵，其为随机矩阵；

通过求解最小l1范数模型得到S：

S＝argmin||S||1 s.t.Φrj＝ΦΨ'S。

6.如权利要求5所述的两段式变电站局部放电信号定位方法，其特征在于，采用正交匹配追踪算法求解S＝argmin||S||1 s.t.Φrj＝ΦΨ'S。

7.如权利要求1所述的两段式变电站局部放电信号定位方法，其特征在于，所述n个特高频传感器被设置为4个特高频传感器。

8.一种两段式变电站局部放电信号定位系统，其特征在于，包括：n个特高频传感器以及与该n个特高频传感器数据连接的处理单元；其中：处理单元基于n个特高频传感器传输的模拟局部放电信号构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ；

处理单元对模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类，得到C个类；

当局部放电实际发生时，采用n个特高频传感器采集局部放电信号，处理单元基于这些局部放电信号获得对应的实测局部放电强度特性向量处理单元对局部放电信号进行初步定位，以缩小定位范围：将实测局部放电强度特性向量rPD输入下式中：其中，为第g个类中模拟局部放电强度特性向

量的平均值；

求解使得上式中的值最小的类，则这个类中所有的模拟局部放电强度特性向量就构成了缩小的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ′；

在被缩小的范围内，处理范元采用压缩感知算法对局部放电信号进行精确定位。

9.如权利要求8所述的两段式变电站局部放电信号定位系统，其特征在于，所述处理单元基于n个特高频传感器传输的模拟局部放电信号构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ包括步骤：在被测区域选定N个测量点，将测量点记为RPj(j＝1,2,……,N)，使用模拟局部放电源在每一个测量点进行放电，将n个特高频传感器放置在被测区域周围以测量各测量点的模拟局部放电信号强度，将任意一个特高频传感器记为APi(i＝1,2,3,4……，n)；设特高频传感器APi测得的测量点RPj处的模拟局部放电强度值为 则测量点RPj处的模拟局部放电强度特性向量rj为：则所有测量点的模拟局部放电强度特性向量构成了被测区域的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ：

10.如权利要求8所述的两段式变电站局部放电信号定位系统，其特征在于，所述特高频传感器与处理单元之间连接有路由器。

11.如权利要求8所述的两段式变电站局部放电信号定位系统，其特征在于，所述特高频传感器为特高频无线传感器。

说明书

一种两段式变电站局部放电信号定位方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种定位方法及系统，尤其涉及用于局部放电信号的定位方法及系统。

背景技术

[0002] 可靠性是电力系统的基本要求。但是，电力系统在运行过程中难免会产生一些故障，尤其在电压等级较高的变电站中，由于电力设备的缺陷以及一些外部原因，设备的绝缘性能可能会下降，然后在高电压的作用下，就会造成绝缘击穿，进而产生严重的后果。因此，对变电站电力设备的绝缘性能进行监测是非常重要的，而电力设备绝缘性能的下降往往表现为局部放电的发生，所以有效的局部放电定位可以快速、准确地找出变电站中电力设备的绝缘缺陷，提高检修效率，避免重大事故的发生，是电力系统安全、可靠的有力保证。

[0003] 由于局部放电发生时会产生信号例如热、光、超声波和特高频(Ultra-highfrequency，简称UHF)电磁波信号，由此发展出了多种针对变电站电力设备的局部放电位置定位的方法，其中，通常采用的定位方法包括超声波法以及特高频法。

[0004] 针对超声波信号定位的超声法，其定位精度较高，但是由于超声波信号衰减较快，因此，该方法在测量时较为困难。而针对特高频电磁波信号定位的特高频法，由于特高频电磁波具有良好的抗干扰性、稳定性、灵敏度以及传播速度，因此，特高频法适合用于变电站局部放电的定位。目前，常用的特高频法包括时差法和角度测量法。其中，时差法需要特高频传感器与信号采集系统之间达到高精度的时间同步，因此，硬件开销较大，应用较为困难。而角度测量法容易受到非视距(Non-Line-of-Sight，简称NLOS)的影响，也不适合用于变电站中局部放电的定位。

[0005] 基于此，期望获得一种针对变电站局部放电信号的定位方法，该定位方法测量难度低，对于设备硬件的要求较小，在保证高定位精度的同时，有效降低电力设备定位成本，大大提高电力设备的检测与检修的效率，有力保证了电力系统安全稳定运行。

发明内容

[0006] 本发明的目的之一在于提供一种两段式变电站局部放电信号定位方法，通过该两段式变电站局部放电信号定位方法对局部放电信号进行定位过程中，具有测量难度低，对于设备硬件的要求小的优点，此外，该方法在保证高定位精度的同时，有效降低电力设备定位成本，大大提高电力设备的检测与检修的效率，有力保证了电力系统安全稳定运行。

[0007] 基于上述目的，本发明提出了一种两段式变电站局部放电信号定位方法，其包括步骤：

[0008] (1)构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ；

[0009] (2)对模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类，得到C个类；

[0010] (3)当局部放电实际发生时，采用n个特高频传感器采集局部放电信号并获得对应的实测局部放电强度特性向量

[0011] (4)对局部放电信号进行初步定位，以缩小定位范围：将实测局部放电强度特性向量rPD输入下式中：

[0012] 其中， 为第g个类中模拟局部放电强度特性向量的平均值；

[0013] 求解使得上式中的值最小的类，则这个类中所有的模拟局部放电强度特性向量就构成了缩小的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ′；

[0014] (5)在被缩小的范围内，采用压缩感知算法对局部放电信号进行精确定位。

[0015] 为了在局部放电发生时，能够快速高效地对局部放电信号进行定位，本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法通过构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵，然后依托此模拟局部放电信号强度分布特性矩阵进行聚类，当局部放电实际发生时，采用两段式方法对局部放电点进行定位，也就是说首先通过类识别进行初步定位，以缩小定位范围，随后在被缩小的范围内，采用压缩感知算法对局部放电信号进行精确定位。

[0016] 在步骤(3)中，由于所获得的缩小的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ′所包括的测量点个数远小于模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ所包含的测量点个数，因而，初步定位显著缩小了定位范围。

[0017] 并且由于采用式 求解使得上式中的值最小的类，随后采用压缩感知算法进行精确定位，使得最终定位结果的精度非常高，即在初步定位所获得的结果即使不是正确的类，也是正确的类的相邻位置的类，使得在精确定位所获得的定位结果的误差不至于过大，因而，步骤(3)中的式
还起到了控制定位误差范围的作用。

[0018] 进一步地，在本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法中，步骤(1)进一步包括步骤：

[0019] 在被测区域选定N个测量点，将测量点记为RPj(j＝1,2,……,N)，使用模拟局部放电源在每一个测量点进行放电，将n个特高频传感器放置在被测区域周围以测量各测量点的模拟局部放电信号强度，将任意一个特高频传感器记为APi(i＝1,2,3,4……，n)；设特高频传感器APi测得的测量点RPj处的模拟局部放电强度值为 则测量点RPj处的模拟局部放电强度特性向量rj为：

[0020]

[0021] 则所有测量点的模拟局部放电强度特性向量构成了被测区域的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ：

[0022]

[0023] 进一步地，在本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法中，在所述步骤(2)中采用K-means聚类算法对所述模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类。

[0024] 进一步地，在本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法中，在所述步骤(5)中，求取公式rj＝Ψ′S中的S，S即为局部放电信号的精确定位结果。

[0025] 进一步地，在本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法中，求取S的步骤包括：

[0026] 将公式rj＝Ψ′S转变为Φrj＝ΦΨ′S进行下一步求解，其中Φ为测量矩阵，其为随机矩阵；

[0027] 通过求解最小l1范数模型得到S：

[0028] S＝argmin||S||1s.t.Φrj＝ΦΨ'S。

[0029] 进一步地，在本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法中，采用正交匹配追踪算法求解S＝argmin||S||1s.t.Φrj＝ΦΨ'S。

[0030] 进一步地，在本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法中，所述n个特高频传感器被设置为4个特高频传感器。

[0031] 相应的，本发明的另一目的在于提供一种两段式变电站局部放电信号定位系统，该系统具有测量难度低，对于设备硬件的要求小的优点，在保证高定位精度的同时，有效降低电力设备定位成本，大大提高电力设备的检测与检修的效率，有力保证了电力系统安全稳定运行。

[0032] 基于上述目的，本发明还提出了一种两段式变电站局部放电信号定位系统，其包括：n个特高频传感器以及与该n个特高频传感器数据连接的处理单元；其中：

[0033] 处理单元基于n个特高频传感器传输的模拟局部放电信号构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ；

[0034] 处理单元对模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类，得到C个类；

[0035] 当局部放电实际发生时，采用n个特高频传感器采集局部放电信号，处理单元基于这些局部放电信号获得对应的实测局部放电强度特性向量

[0036] 处理单元对局部放电信号进行初步定位，以缩小定位范围：将实测局部放电强度特性向量rPD输入下式中：

[0037] 其中， 为第g个类中模拟局部放电强度特性向量的平均值；

[0038] 求解使得上式中的值最小的类，则这个类中所有的模拟局部放电强度特性向量就构成了缩小的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ′；

[0039] 在被缩小的范围内，处理范元采用压缩感知算法对局部放电信号进行精确定位。

[0040] 进一步地，在本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位系统中，所述处理单元基于n个特高频传感器传输的模拟局部放电信号构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ包括步骤：

[0041] 在被测区域选定N个测量点，将测量点记为RPj(j＝1,2,……,N)，使用模拟局部放电源在每一个测量点进行放电，将n个特高频传感器放置在被测区域周围以测量各测量点的模拟局部放电信号强度，将任意一个特高频传感器记为APi(i＝1,2,3,4……，n)；设特高频传感器APi测得的测量点RPj处的模拟局部放电强度值为 则测量点RPj处的模拟局部放电强度特性向量rj为：

[0042] 其中T表示向量的转置，其是本领域内的通用符号。

[0043] 则所有测量点的模拟局部放电强度特性向量构成了被测区域的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ：

[0044]

[0045] 进一步地，在本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位系统中，所述特高频传感器与处理单元之间连接有路由器。

[0046] 进一步地，在本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位系统中，所述特高频传感器为特高频无线传感器。

[0047] 需要说明的是，为了便于数据的传输发送，本案中优选的采用无线方式将特高频无线传感器所采集到的局部放电信号进行传输。

[0048] 通过本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法对局部放电信号进行定位过程中，该两段式变电站局部放电信号定位方法具有测量难度低，对于设备硬件的要求小的优点，此外，该两段式变电站局部放电信号定位方法在保证高定位精度的同时，有效降低电力设备定位成本，大大提高电力设备的检测与检修的效率，有力保证了电力系统安全稳定运行。

[0049] 此外，本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位系统同样具有上述优点。

附图说明

[0050] 图1为本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法在一种实施方式下的流程示意图。

[0051] 图2显示了本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位系统在一种实施方式下的排布方式。

[0052] 图3显示了本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位系统在一种实施方式下的聚类处理结果情况。

具体实施方式

[0053] 下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法及系统做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

[0054] 图1为本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法在一种实施方式下的流程示意图。

[0055] 如图1所示，本实施方式中的两段式变电站局部放电信号定位方法首先通过特高频传感器AP1、AP2、AP3以及AP4采集模拟局部放电源产生的局部放电信号从而构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ，随后对模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类，得到C个类，而在实测阶段，通过特高频传感器AP1、AP2、AP3以及AP 4采集 局部放电 信号并 获得对 应的实 测局部放电 强 度特性向 量随后根据类识别，进行初定位，以缩小定位范围，具体为：将实测局部放电强度特性向量rPD输入下式中：

[0056] 其中， 为第g个类中模拟局部放电强度特性向量的平均值；

[0057] 求解使得上式中的值最小的类，则这个类中所有的模拟局部放电强度特性向量就构成了缩小的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ′。

[0058] 最终，在被缩小的范围内，采用压缩感知对局部放电信号进行精确定位，获得定位结果，即确定实际发生局部放电的位置。

[0059] 在构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ时，本实施方式采用4个特高频传感器，在其他实施方式中也可以采用若干个特高频传感器，例如在被测区域选定N个测量点，将测量点记为RPj(j＝1,2,……,N)，使用模拟局部放电源在每一个测量点进行放电，将n个特高频传感器放置在被测区域周围以测量各测量点的模拟局部放电信号强度，将任意一个特高频传感器记为APi(i＝1,2,3,4……，n)；设特高频传感器APi测得的测量点RPj处的模拟局部放电强度值为 则测量点RPj处的模拟局部放电强度特性向量rj为：

[0060]

[0061] 则所有测量点的模拟局部放电强度特性向量构成了被测区域的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ：

[0062]

[0063] 对模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类，可以采用K-means聚类算法对所述模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类。

[0064] 并且在采用压缩感知算法对局部放电信号进行精确定位时，可以求取公式rj＝Ψ′S中的S，S即为局部放电信号的精确定位结果。求取S的步骤包括：

[0065] 将公式rj＝Ψ′S转变为Φrj＝ΦΨ′S进行下一步求解，其中Φ为测量矩阵，其为随机矩阵；

[0066] 通过求解最小l1范数模型得到S：

[0067] S＝argmin||S||1s.t.Φrj＝ΦΨ'S。

[0068] 最终采用正交匹配追踪算法求解S＝argmin||S||1s.t.Φrj＝ΦΨ'S。

[0069] 在本实施方式中，特高频传感器为特高频无线传感器，从而有利于将特高频传感器采集到的局部放电信号传输，而模拟局部放放电源可以通过处理单元例如计算机进行处理模拟。

[0070] 图2显示了本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位系统在一种实施方式下的排布方式。

[0071] 如图2所示，本实施方式中，两段式变电站局部放电信号定位系统包括四个特高频传感器AP1、AP2、AP3、AP4以及与该四个特高频传感器数据连接的处理单元，其中，特高频传感器与处理单元之间连接有路由器以实现数据传输。

[0072] 测试时，测试区域为24m*24m(图中L1表示正方形区域边长，L1＝24m)的正方形区域内，并在正方形四个顶角处设置四个特高频传感器AP1、AP2、AP3以及AP4，为了便于表示方位，建立平面直角坐标系，AP3在坐标系中的坐标为(1,1)，AP4在坐标系中的坐标为(25,1)，AP1在坐标系中的坐标为(25,25)，AP2在坐标系中的坐标为(1,25)，并且在正方形区域内均匀分布有625个测试点P，沿X轴方向或与其平行的直线方向上相邻两个测试点P的间隔L2为1m，而沿Y轴方向或与其平行的直线方向上相邻两个测试点P的间隔L3也为1m。

[0073] 将测量点P记为RPj(j＝1,2,……,N)，本实施方式中N＝625，使用模拟局部放电源在每一个测量点进行放电，将n个特高频传感器放置在被测区域周围以测量各测量点的模拟局部放电信号强度，将任意一个特高频传感器记为APi(i＝1,2,3,4……，n)，本实施方式中n＝4；设特高频传感器APi测得的测量点RPj处的模拟局部放电强度值为 则测量点RPj处的模拟局部放电强度特性向量rj为：

[0074]

[0075] 则所有测量点的模拟局部放电强度特性向量构成了被测区域的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ：

[0076]

[0077] 随后处理单元对模拟局部放电信号强度分布特性矩阵中的模拟局部放电强度特性向量进行聚类，得到C个类，聚类处理结果可以参考图3。图3显示了本发明所述的两段式变电站局部放电信号定位方法在一种实施方式下的聚类处理结果情况。

[0078] 如图3所示，在本实施方式中，分为了21个类(即C＝21)，而每个类平均包括30个模拟局部放电强度特性向量，由图3可以看出大部分类都是非常紧凑的，从而说明空间位置较近的测量点P，相应的特性向量也较为类似。需要说明的是，图3中的X、Y表示与图2的X轴以及Y轴对应的X轴和Y轴，图3中的5、10、15、20、25也是与图2中的坐标点对应的测量点的坐标。

[0079] 当局部放电实际发生时，采用n个特高频传感器采集局部放电信号，处理单元基于这些局部放电信号获得对应的实测局部放电强度特性向量

[0080] 处理单元对局部放电信号进行初步定位，以缩小定位范围：将实测局部放电强度特性向量rPD输入下式中：

[0081] 其中， 为第g个类中模拟局部放电强度特性向量的平均值；

[0082] 求解使得上式中的值最小的类，则这个类中所有的模拟局部放电强度特性向量就构成了缩小的模拟局部放电信号强度分布特性矩阵Ψ′；

[0083] 在被缩小的范围内，处理范元采用压缩感知算法对局部放电信号进行精确定位。

[0084] 为了验证采用两段式变电站局部放电信号定位系统的定位效果，对测试区域中每一个测试点分别采用本案的两段式变电站局部放电信号定位方法以及现有技术的时差法以及角度测量法进行测量，将测量所获得的数值与实际发生局部放电的坐标数据进行误差统计，结果如表1所示。

[0085] 表1.

[0086]

[0087]

[0088] 由表1可以看出，本案的两段式变电站局部放电信号方法，平均定位误差为1.35米，误差小于3m的百分比为83.1％，远远优于采用现有技术的时差法以及角度测量法所进行的测量，说明了本案的两段式变电站局部放电信号方法进行测量，其定位精度完全满足实际应用要求，这是因为本案通过构建模拟局部放电信号强度分布特性矩阵，然后依托此模拟局部放电信号强度分布特性矩阵进行聚类，当局部放电实际发生时，采用两段式方法对局部放电点进行定位，也就是说首先通过类识别进行初步定位，以缩小定位范围，随后在被缩小的范围内，采用压缩感知算法对局部放电信号进行精确定位，因而，现有技术的的时差法、角度测量法相比，本案定位精度更高，硬件成本更低，有效地提高了变电站电力设备监测与检修的效率，为电力系统安全稳定运行提供了保障。另外，由于特高频传感器以及处理单元的数据传输通过无线方式，这不仅使得局部放电定位过程更加简洁，也为变电站电力设备监测的智能化提供了一种方案。

[0089] 需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

[0090] 此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

[0091] 还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。