一種變壓器局部放電的超聲波信號時延估計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種變壓器局部放電的超聲波信號時延估計方法。本發(fā)明根據(jù)超聲波特征量和局部放電的定量及定性關(guān)系、超聲波的傳播規(guī)律以及對超聲波在變壓器內(nèi)部傳播時的聲衰減、聲傳播時間以及波形變化的相關(guān)分析，將雙譜法應(yīng)用于變壓器局部放電時延估計，并在此基礎(chǔ)上，提出了小波改進(jìn)雙譜估計法用于變壓器局部放電超高頻信號的時延估計，此算法放寬了雙譜法對信號與噪聲的假設(shè)條件且在低信噪比下仍能有效估計信號的時延。
【專利說明】一種變壓器局部放電的超聲波信號時延估計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于局部放電檢測領(lǐng)域，特別涉及一種變壓器局部放電的超聲波信號時延 估計方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 局部放電是導(dǎo)致變壓器絕緣過早失效的主要因素，也是變壓器絕緣劣化的標(biāo)志， 對變壓器局部放電在線監(jiān)測的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義與應(yīng)用價值。局部放電發(fā)生時，總 是伴隨著脈沖電流、電磁輻射以及聲、光、熱產(chǎn)生一些低分子物質(zhì)等，局部放電的超聲法檢 測就是針對這個過程產(chǎn)生的超聲波信號而發(fā)展起來的。超聲檢測法的優(yōu)點(diǎn)在于抗干擾能力 強(qiáng)以及便于定位。局部放電超聲定位，可以分為電-聲定位和聲-聲定位，其做法都是將超 聲波傳感器放置在變壓器箱殼上的幾個點(diǎn)，組成聲測陣列，測量由聲源到各傳感器的傳播 時間或傳感器之間的相對時間差。然后將所得到的時間差或相對時間差帶入滿足該陣列幾 何關(guān)系的一組方程組求解或通過其他定位算法計算。在電力系統(tǒng)現(xiàn)場的變壓器局部放電定 位過程中，由于受到電磁干擾等原因，往往無法可靠地得到電氣信號，因此聲-聲定位法成 為局部放電超聲定位研究的重點(diǎn)。聲-聲定位的主要依據(jù)是超聲波傳播到傳感器之間的相 對時間差（時延）。時延估計的精確度直接影響了定位精度，因此超聲信號的時延估計在局 部放電聲-聲定位中是非常重要的研究內(nèi)容。傳統(tǒng)的聲-聲定位時延估計采用硬件的電平 法，該方法受電平大小和信號波形的影響造成時延估計誤差很大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對以上問題，本發(fā)明提出了一種變壓器局部放電的超聲波信號時延估計方法其 特征在于：所述方法包括以下步驟：
[0004] SlOO :利用超聲波傳感器接收變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波信號；
[0005] S200 :利用小波變換對所述接收到的超聲波信號進(jìn)行處理；
[0006] S300 :利用雙譜法對小波變換后的信號進(jìn)行時延估計。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1為基于小波變換的雙譜估計；其中，x(t)，y(t)兩個UHF傳感器上接收的兩 個信號數(shù)學(xué)模型；VxO), VyO)為x(t) ,y(t)的復(fù)小波函數(shù)；Rxyx(m,n)為雙譜互相關(guān)函 數(shù)；
[0008] 圖2為模擬結(jié)果，其中（a)為雙譜估計法時延估計；(b)為小波改進(jìn)雙譜估計法時 延估計；
[0009] 圖3為試驗結(jié)果，其中（a)雙譜估計法時延估計（b)小波改進(jìn)雙譜估計法時延估 計。

【具體實施方式】
[0010] 實施例I
[0011] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠準(zhǔn)確定位變壓器局部放電的時延估計方法。根據(jù) 超聲波特征量和局部放電的定量及定性關(guān)系、超聲波的傳播規(guī)律以及對超聲波在變壓器內(nèi) 部傳播時的聲衰減、聲傳播時間以及波形變化的相關(guān)分析，將雙譜法應(yīng)用于變壓器局部放 電時延估計，并在此基礎(chǔ)上，提出了小波改進(jìn)雙譜估計法用于變壓器局部放電超高頻信號 的時延估計，此算法放寬了雙譜法對信號與噪聲的假設(shè)條件且在低信噪比下仍能有效估計 時延。
[0012] 在本實施例中，本發(fā)明公開了一種變壓器局部放電的超聲波信號時延估計方法， 所述方法包括以下步驟：
[0013] SlOO :利用超聲波傳感器接收變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波信號；
[0014] 超聲波傳感器直接接收到的信號是一種典型的非平穩(wěn)信號，直接對其進(jìn)行時延估 計將會存在較大的誤差。
[0015] S200 :利用小波變換對所述接收到的超聲波信號進(jìn)行處理；
[0016] 選擇合適的小波對所得的超聲波信號進(jìn)行小波變換。對處理后的超聲波信號進(jìn)行 時延估計，可以在很大程度上提高超聲波信號的時延估計精度，從而為提高變壓器局部放 電的定位精度提供一定的條件。小波分析是把時頻分析的頻率域表征為了尺度域，即用聯(lián) 合的時間和尺度平面來描述信號。由于小波的多分辨分析和小波包的多層分解，使它同時 兼顧了短時傅里葉變換和時頻分析的特點(diǎn)，從而它在處理非平穩(wěn)信號中有一定的優(yōu)勢。由 此把小波分析引入雙譜時延估計方法中解決非平穩(wěn)信號的時延估計。
[0017] S300 :利用雙譜法對小波變換后的信號進(jìn)行時延估計。
[0018] 雙譜法采用高階統(tǒng)計量作為時延估計，理論上可以有效抑制高斯噪聲，采用雙譜 統(tǒng)計量分析帶噪聲的超聲信號，對接收的信號做離散化表示，可以得到其雙譜自相關(guān)護(hù)額 雙譜互相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而獲取其雙譜。
[0019] 由于信道的不均勻和環(huán)境影響，接收的信號往往是非高斯過程，而背景噪聲卻是 獨(dú)立的高斯過程，使用互相關(guān)函數(shù)估計時延時可能存在較大偏差。在這種情況下，采用高階 統(tǒng)計量作時延估計更合理，因為高斯噪聲在理論上可以得到完全抑制，故在研究中采用雙 譜方法作時延估計。小波分析是把時頻分析的頻率域表征為了尺度域，即用聯(lián)合的時間和 尺度平面來描述信號。由于小波的多分辨分析和小波包的多層分解，使它同時兼顧了短時 傅里葉變換和時頻分析的特點(diǎn)，從而它在處理非平穩(wěn)信號中有一定的優(yōu)勢。由此把小波分 析引入雙譜時延估計方法中解決非平穩(wěn)信號的時延估計。
[0020] 實施例2
[0021] 基于實施例1，所述步驟SlOO中所述超聲波傳感器為多個，且將所述多個超聲波 傳感器安裝在變壓器的不同位置。
[0022] 進(jìn)一步的，所述超聲波傳感器數(shù)量為至少8個，且均勻的安裝在變壓器不同位置 處。
[0023] 實施例3
[0024] 基于實施例1，所述步驟S200包括以下步驟：
[0025] S210 :對不同超聲波傳感器采集的超聲波信號進(jìn)行小波包的多尺度分解，將超聲 波信號的高頻域和低頻域同時分解；
[0026] S220:將分解后的低頻域信號進(jìn)行傅里葉逆變換，得到處理后的超聲波信號。
[0027] 實施例4
[0028] 基于實施例1，所述步驟S300具體為：
[0029] S310 :將長度為N的信號分成K段；
[0030] S320 :對每段信號進(jìn)行零均值處理；
[0031] 優(yōu)選的，將每段信號中的每個信號均減去該段數(shù)據(jù)的均值，使該段信號的均值為 〇,以便于對所述信號進(jìn)行快速傅里葉變換；
[0032] S330 :估計零均值處理后的每段信號的三階累積量；
[0033] S330 :估計零均值處理后的每段信號的三階累積量；
[0034] 假設(shè)第j段信號表示為：
[0035] {xJ (i)} (i = I, 2, . . . , M ； j = I, 2, . . . , K)；
[0036] 上式中，xj(i)表示第j段信號的第i個數(shù)據(jù)；M表示每段數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；K 表示將信號x(i)分成的信號段的數(shù)量；
[0037] 則該段信號的三階累積量為：

【權(quán)利要求】
1. 一種變壓器局部放電的超聲波信號時延估計方法，其特征在于：所述方法包括以下 步驟： SlOO :利用超聲波傳感器接收變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波信號； S200 :利用小波變換對所述接收到的超聲波信號進(jìn)行處理； S300 :利用雙譜法對小波變換后的信號進(jìn)行時延估計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟SlOO具體為：所述超聲波傳感器為 多個，且將所述多個超聲波傳感器安裝在變壓器的不同位置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S200具體為： S210 :對不同超聲波傳感器采集的超聲波信號進(jìn)行小波包的多尺度分解； S220 :將分解后的低頻域信號進(jìn)行傅里葉逆變換。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：優(yōu)選的，所述步驟 S300具體為： S310 :將長度為N的所述小波變換后的信號分成K段； S320 :對每段信號進(jìn)行零均值處理； S330 :估計零均值處理后的每段信號的三階累積量； 假設(shè)第j段信號表示為： {xJ (i)} (i = I, 2, . . . , M ； j = I, 2, . . . , K)； 上式中，d(i)表示第j段信號的第i個數(shù)據(jù)；M表示每段數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；K表示 將信號x(i)分成的信號段的數(shù)量； 則該段信號的三階累積量為：
上式中，表示第j段信號的三階累積量；m，n為時間常數(shù)，表示信號x(k)的兩 個時延；d(i+m)和d (i+n)表示第j段信號d (i)的兩個時延信號；X (k+m)，X (k+n)表示所 述信號x(k)的兩個時延信號； S340 :計算K組數(shù)據(jù)的三階累積量：
上式中，h 表示K組信號的累積量估計均值； S350 :對三階累積量估計進(jìn)行二維傅里葉變換，得到所述信號的雙譜為： B3x (CO J, CO 2) = E [X (CO j) X (CO 2) X (CO J+ CO 2)] 所述信號互譜為： Bxyx (W1? 2) = EtX(W1) Y(W2)X(W^W2)] = B3x (W1, W2) GXp(JWjt) 上式中，W2丨表示雙譜函數(shù)，Bxn 〇 p O2)為互譜函數(shù)，函數(shù)X，Y分別為不同傳感 器接收到的信號i，表示信號的兩個頻率分量；t表示信號時延的時間量； S360 :根據(jù)所述信號的雙譜和互譜計算時延估計函數(shù)：
上式中，a(t)表示時延估計函數(shù)，5 (t-n)為沖擊函數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于：所述超聲波傳感器數(shù)量為至少8個，且均 勻的安裝在變壓器不同位置處。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S320具體為：將每段信號中的 每個信號均減去該段數(shù)據(jù)的均值，使該段信號的均值為〇。
【文檔編號】G01R31/12GK104360251SQ201410722443
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】郭麗娟, 陶松梅, 趙堅, 張煒, 黎大健, 夏小飛, 羅傳勝, 唐小峰 申請人:廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院