- 頭條特高頻局部放電測向的新方法：誤差小、成本低、應用便捷2021-08-16 作者：吳凡 羅林根 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語局部放電（PD）是變電站電力設備絕緣劣化的主要表征之一。對局部放電的監測與定位是設備絕緣故障預警的重要手段。目前變電站設備局部放電定位主要是基于特高頻電磁波到達時間差法開展的。此方法需要極高采樣率和時間同步精度，裝置成本較高。因此，上海交通大學電氣工程系的研究人員吳凡、羅林根、王輝、盛戈皞、江秀臣，在2020年第12期《電工技術學報》上撰文，提出基于接收信號強度功率和最大似然估計的特高頻局部放電測向方法。實驗測試結果表明，該方法的平均測向誤差小于7°，且成本更低、現場使用更加便捷。
局部放電（Partial Discharge, PD）是造成電力設備電介質老化、絕緣性能下降的重要原因之一，因此對電力設備局部放電的檢測和定位是電力設備狀態檢修和維護的重要組成部分。現階段對于局部放電的檢測和定位，主要是運用特高頻（Ultra-High Frequency, UHF）檢測技術及特高頻電磁波到達時間差法。但是特高頻到達時間差法要求檢測裝置具有非常高的采樣率和時間同步精度，成本居高不下。
近年來，國內外學者提出了基于接收信號強度（Received Signal Strength Indicator, RSSI）的局部放電定位技術。該方法具有成本低、環境適應好等優點，但是已有研究需要預先建立RSSI指紋庫，才能對局部放電進行在線定位，現場實施工作量大，難以推廣應用。
上海交通大學電氣工程系的研究人員保留特高頻檢測和接收信號強度方法的優點，并針對以上問題，采用概率統計中最大似然估計方法，提出了一種基于接收信號強度功率和最大似然估計的局部放電測向方法。
其基本原理是通過特高頻無線傳感器陣列獲取局部放電電磁波信號的功率強度數據，再根據特高頻無線傳感器自身的接收信號模型，結合最大似然估計方法來確定放電方向。最大似然估計是基于統計學中的概率模型，通過觀察樣本數值并利用系統的概率分布函數，來推斷符合當前狀態的最大概率的情況，從而得到測向結果。
不同于傳統變電站局部放電特高頻定位方法，研究人員提出的基于特高頻無線傳感器陣列的測向方法只需同步采集特高頻局部放電信號檢波后的功率，無需對特高頻信號時域波形進行高速采樣。
傳感器結構如圖1所示，其中傳感器上層空間放置信號處理電路，下層空間放置印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）特高頻天線。傳感器下層空間的天線外部用可透電磁波材料封裝，其余所有結構均為金屬以屏蔽電磁信號。
具體地，研究人員將4個特高頻無線傳感器兩兩相背放置在一個平臺上，將可透電磁波的一側朝外，4個傳感器的朝向分別間隔90°，形成如圖2所示的傳感器陣列。
圖1 局部放電特高頻無線傳感器結構
圖2 傳感器陣列示意圖
在局部放電測向之前，需對特高頻無線傳感器陣列建立接收信號模型。以特高頻傳感器陣列為圓心，在傳感器陣列外圍一圈平均劃分18等份，選取18個測試點，入射方位角◆設為10°～350°，每個點方位角相差20°。
圖3 無線傳感器陣列的天線接收信號模型
利用標準放電源在每個點上進行多次放電，對每個傳感器在同一個點上接收到的多個接收信號強度功率數值取平均值，得到傳感器陣列接收功率信號數組◆。對數組◆進行歸一化處理，得到該傳感器陣列的天線接收信號模型，具體如圖3所示。
圖4 局部放電測向流程
圖5 特高頻局部放電測向系統實驗示意圖
圖6 現場實驗
整個局部放電定向過程如圖4所示，測試現場對局部放電進行定向時，根據采集到的局部放電接收信號強度數值，利用最大似然估計和預先建立好的特高頻天線接收信號模型來獲得測向結果。
研究人員最后通過實驗驗證該方法，測試結果表明，該方法的平均測向誤差小于7°，且成本更低、現場使用更加便捷。
研究人員最后指出：
- 1）利用特高頻無線傳感器陣列接收信號強度功率和最大似然估計的局部放電測向方法可實現對局部放電源的測向，實驗室環境測試表明其精度與傳統時差法類似。
- 2）對局部放電特高頻RSSI數據的最大似然估計分析充分利用了特高頻監測數據的統計特性及累積效應，可有效地給出局部放電源的測向結果。而插值和聚類分析的應用進一步提高了測向精度。
- 3）后續工作中將重點開展該系統的現場測試及多源局部放電源定向功能等工作。
以上研究成果發表在2020年第12期《電工技術學報》，論文標題為“基于接收信號強度功率和最大似然估計的特高頻局部放電測向方法”，作者為吳凡、羅林根、王輝、盛戈皞、江秀臣。
