[发明专利]一种基于任意阵形的自适应局部放电超声监测方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用于变压器局部放电监测的方法，尤其涉及一种基于任意阵形的自适应局部放电超声监测方法，属于监测技术领域。

背景技术：

电力变压器是电力系统的重要组成部分。局部放电是反映变压器绝缘性能降低的重要征兆。局部放电会产生电磁波、声、光、热等物理及化学现象，根据对这些量的分析处理可以得到局部放电源的位置，由此形成的监测方法主要有脉冲电流法、气相色谱法、超声波法、超高频法和光测法。其中，采用传感器阵列的超声波法因具有可以避免电磁干扰的影响、定位方便等优点而得到了广泛应用。

目前较为常用的为矩形、十字形、L形阵列，比如专利201110182613.8提出了一种用于变压器局部放电定位的L形超声阵列传感器及其方法；专利201110182614.2提出了一种用于变压器局部放电定位的十字形超声阵列传感器及方法。上述方法由于阵形固定，对安装位置要求较高，难以适应多变的安装环境。实际工作中，由于监测位置的变化，有时会出现上述超声传感器阵列难以安装的情况。

变压器运行时现场存在多种噪声干扰源，包括周期性干扰、白噪声干扰和脉冲干扰等。局部放电信号通常弱于干扰信号，所以采用干扰抑制算法是必要的。现有的专利多集中于测量精度的提高，如专利201410235567.7采用虚拟阵列的形式提高了放电源的定位精度。上述方法仅适用于特定的几种阵形，灵活性差，且抗干扰的性能较差。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种最大程度地抑制噪声与干扰，降低处理器的输出旁瓣，保证输出信噪比，具有较高的分辨力，保证了在干扰条件下的监测性能，应用范围广，抗干扰能力强的基于任意阵形的自适应局部放电超声监测方法。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种基于任意阵形的自适应局部放电超声监测方法，其特征在于其包括如下步骤：

1）用包含N个超声传感器阵元的阵列接收信号；

2）累积得到N个阵元L个快拍的时域信号；

3）对N个阵元的L个时域快拍信号做快速傅里叶变换，得到一个N*L的频域数据矩阵X；

4）使用傅里叶变换后的快拍数据估计阵列协方差矩阵R

（1）

式中，E为取期望，H为共轭转置；

5）对R进行特征值分解如下

（2）

式中，U为特征矢量矩阵，Σ为由特征值组成的对角阵，表达式如下：

（3）

其中，N为接收阵元的总个数，表示阵列协方差矩阵R的第i个特征值，i表示特征值序号，其取值范围为1～N；

6）根据超声传感器的阵元位置，对空间每个扫描点建模得到期望导向矢量，原理如图2，若第n号阵元的位置坐标为，则扫描点的期望导向矢量为：

（4）

其中，f为信号频率，c为声速；

7）根据期望的导向矢量，寻找最优的导向矢量，最优导向矢量的求解原理如图3，计算公式为：

（5）

其中，I为单位矩阵，为拉格朗日乘子，R为阵列协方差矩阵；

将上式代入约束，可得到满足如下的非线性方程：

（6）

其中，为取二阶范数，为导向矢量误差容限，其精确取值由实际应用的扰动决定，经验取值为；应用牛顿－拉夫森法或二分法求解（6）式，将求得的代入（5）式，即可得到最优导向矢量；

8）根据最优的导向矢量，得到权向量w;

（7）

9）根据权向量采用如下公式得到每个扫描点的输出值P如下式

（8）。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明通过引入自适应波束形成技术，可实现在干扰环境下对微弱局部放电信号的监测。自适应波束形成技术被广泛应用于雷达，声纳，无线通信，医学成像，射电天文学等领域，具有很好地输出信噪比和分辨力。自适应信号处理技术的权系数与数据相关，对每批数据自动调整权系数，使得阵列响应在目标方位具有最优的检测性能，当存在干扰时，能够在干扰方向形成陷零，最大程度地抑制噪声与干扰，降低处理器的输出旁瓣，保证输出信噪比，同时具有较高的分辨力。