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CN108333480A - 一种变电站局部放电定位系统的定位方法 - Google Patents

一种变电站局部放电定位系统的定位方法 Download PDF

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CN108333480A
CN108333480A CN201810007287.9A CN201810007287A CN108333480A CN 108333480 A CN108333480 A CN 108333480A CN 201810007287 A CN201810007287 A CN 201810007287A CN 108333480 A CN108333480 A CN 108333480A
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uwb positioning
substation
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刘溟
罗志宏
邹建明
周文俊
喻剑辉
张锡洋
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Abstract

一种变电站局部放电定位系统的定位方法，包括以下步骤：S1、将该定位系统移动至某一测量点处，通过UWB定位装置确定该测量点在变电站中的坐标；S2、通过程控步进电机(6)控制旋转天线连杆(4)进行旋转，通过信号采集及处理装置(7)求解一个三维方向向量；S3、另外选取多个测量点，将该多个测量点重复进行步骤一和步骤二过程得到多个测量点坐标及三维方向向量；S4、信号采集及处理装置(7)将各个测量点局部放电源三维方向向量结合各检测点坐标，依据各个方向向量的联合误差概率的最大值确定局部放电源的位置。提高了定位精度，且能获得准确的局部放电三维坐标。

Description

一种变电站局部放电定位系统的定位方法
技术领域
本发明涉及一种定位方法，更具体的说涉及一种变电站局部放电定位系统的定位方法，属于电力设备检测技术领域。
背景技术
电力设备绝缘内部不可避免的存有缺陷(如固体绝缘中的气隙，液体绝缘中的气泡)，在设备运行过程中工频电压的作用下，缺陷处的电压超出缺陷处的绝缘强度发生击穿，这种在缺陷处形成的微小放电称之为局部放电。利用定位技术对局部放电产生信号的相关信息定位变电站内局部放电的准确位置，为进一步的检修提供方案，能够及早的排除设备的绝缘隐患，提高检修效率。
局部放电可通过超声波、电气参数常量和特高频电磁波等多种方法检测。特高频法由于检测频率远高于正常检测方法，可以很好的规避环境的干扰信号，具有检测灵敏度高，抗低频干扰能力强等优点；但是，目前利用特高频方法进行设备内局部放电缺陷具体位置的定位仍处于探索阶段。
当前变电站全站局部放电定位方法应用较多的是四天线定位方法，该方法采用四支全向天线，测量放电信号到达各天线的时间，设计未知数，由计算机进行局部放电源坐标计算；但是，由于全向天线易受变电站各个方向噪声的干扰，局部放电信号失真严重，该方法仅能实现二维方向定位和二维坐标定位。同时，当前变电站定位系统及设备安装复杂，便携性较差，自动化程度低，不便于变电站巡检。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的变电站全站局部放电定位系统及方法存在的自动化程度低、仅能实现二维方向定位和二维坐标定位等缺陷，提供一种变电站局部放电定位系统的定位方法。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种变电站局部放电定位系统的定位方法，该定位系统包括两组定向阵列天线、旋转天线连杆、信号采集及处理装置和UWB定位基站，所述的两组定向阵列天线并列安装在旋转天线连杆两端并与其垂直，该两组定向阵列天线组成天线阵列，所述的旋转天线连杆上安装有三维电子罗盘、UWB定位锚点和程控步进电机，所述的两组定向阵列天线、UWB定位锚点、三维电子罗盘和程控步进电机分别与信号处理装置相连，所述的UWB定位基站位于变电站内，并UWB定位基站与UWB定位锚点放置高度相同，UWB定位锚点与UWB定位基站组成UWB定位装置，包括以下步骤：
S1、将该定位系统移动至某一测量点处，假定检测点的坐标为(x，y)，旋转天线连杆中心为O，xOy所在平面为水平面，旋转天线连杆在水平面内，使旋转天线连杆中心O与局部放电源P径向距离为L1、PO连线与O所在水平面夹角为φ、PO在水平面上的投影P′O与旋转天线连杆夹角为θ，天线阵列旋转前与旋转后之间夹角为αj，一组定向阵列天线与局部放电源P之间的距离为djA，另一组定向阵列天线与局部放电源P之间的距离为djB，通过UWB定位装置确定该测量点在变电站中的坐标；
S2、通过程控步进电机控制旋转天线连杆进行旋转，通过信号采集及处理装置实时记录接收到的局部放电信号在三个不同旋转角度下两组定向阵列天线接收局部放电源P信号的时间差Δtj，根据天线阵列与局部放电源P的几何关系建立如下方程组：
djA-djB＝c·Δtj
通过信号采集及处理装置求解上述方程组可得到PO连线与O所在水平面夹角为φ、PO在水平面上的投影P’O与旋转天线连杆夹角为θ，即一个三维方向向量；
S3、另外选取多个测量点，将该多个测量点重复进行步骤一和步骤二过程得到多个测量点坐标及三维方向向量；
S4、信号采集及处理装置将各个测量点局部放电源三维方向向量结合各检测点坐标，依据各个方向向量的联合误差概率的最大值确定局部放电源的位置。
所述的步骤一具体包括以下步骤：
S11、信号采集及处理装置通过控制程控步进电机进而控制天线阵列进行360°旋转，并进行三维电子罗盘的校准；
S12、信号采集及处理装置读取三维电子罗盘的倾角，并对天线阵列进行水平度调整；
S13、信号采集及处理装置控制旋转天线连杆360°旋转，UWB定位锚点距离旋转天线连杆中心O的距离为r，利用三维电子罗盘实时测量天线阵列旋转过程中天线阵列与正北向夹角β，同时读取UWB定位锚点输出距离L2，则满足公式：
通过设定程控步进电机的速度以匹配UWB定位模块的距离测量速度和三维电子罗盘的方位角测量速度，在不同旋转角度下获得多组距离L2，获得多个上式的方程，建立方程组，通过求解该方程组获得局部放电定位系统所在检测点坐标。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明在变电站内选取单个检测点进行局部放电三维方向定位，另外选取多个检测点进行检测获取多个局部放电源的三维方向，利用UWB定位模块确定检测点坐标，结合误差概率的定位方法计算得到局部放电源的三维坐标。与现有局部放电定位方法相比，提高了定位精度，且能获得准确的局部放电三维坐标；整套系统自动化程度较高，通过信号采集及处理装置对硬件进行控制以及对局部放电源坐标和检测点坐标进行计算，大大减小了手动调整以及计算带来的误差，并且大大提高了变电站现场的检测效率。
附图说明
图1是本发明中定位系统结构示意图。
图2是本发明中基于UWB定位模块的检测点坐标测量原理示意图。
图3是本发明中确定局部放电源坐标示意图。
图中，定向阵列天线1，UWB定位锚点2，三位电子罗盘3，旋转天线连杆4，UWB定位基站5，程控步进电机6，信号处理装置7。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参见图1，一种变电站局部放电定位系统的定位方法，涉及信号检测及定位的方法；其中的定位系统包括两组定向阵列天线1、旋转天线连杆4、信号采集及处理装置7和UWB定位基站5。所述的两组定向阵列天线1并列安装在旋转天线连杆4两端并与其垂直，两组定向阵列天线1组成天线阵列用于检测局部放电信号。
参见图1，所述的旋转天线连杆4上安装有三维电子罗盘3、UWB定位锚点2和程控步进电机6，旋转天线连杆4中心下方安装有轴承使其能够围绕中心旋转；具体的，所述的三维电子罗盘3安装在旋转天线连杆4中心上方，用于实时测量天线阵列的水平度和方位角；所述的UWB定位锚点2安装在旋转天线连杆4一侧中央；所述的程控步进电机6安装于旋转天线连杆4下方，通过齿轮带动旋转天线连杆4旋转。
参见图1，所述的两组定向阵列天线1、UWB定位锚点2、三位电子罗盘3和程控步进电机6分别与信号处理装置7相连；具体的，两组定向阵列天线1通过同轴电缆与信号处理装置7相连，程控步进电机6与上位机通过RS232串行口进行通信，三维电子罗盘3与上位机通过RS232串行口进行通信，UWB定位锚点2与上位机通过RS232串行口进行通信。所述的信号采集及处理装置7包括高采样率示波器和上位机，高采样率示波器用于存储与显示来自两组定向阵列天线1局部放电特高频信号；上位机搭载局部放电定位软件，上位机用于与程控步进电机6、三维电子罗盘3、UWB定位锚点2通信，上位机通过以太网实时读取高采样率示波器记录的局部放电UHF信号，且上位机通过实时接收程控步进电机6、三维电子罗盘3、UWB定位锚点2、高采样率示波器传来的数据计算局部放电源坐标。
参见图1，所述的UWB定位基站5位于变电站内合适的地点，通常为变电站巡检通道的交叉路口处，UWB定位基站5在变电站中固定不动；并UWB定位基站5与UWB定位锚点2放置高度相同，UWB定位锚点2与UWB定位基站5组成UWB定位装置，该UWB定位装置用于定位两组定向阵列天线自身坐标的测量。
参见图1，本定位系统还包括有巡检车，两组定向阵列天线1、旋转天线连杆4、信号采集及处理装置7均放置于巡检车上。
参见图1至图3，一种变电站局部放电定位系统的定位方法，具体包括以下步骤：
S1、将该定位系统移动至某一测量点处，假定检测点的坐标为(x，y)，旋转天线连杆4中心为O，xOy所在平面为水平面，旋转天线连杆4在水平面内。使旋转天线连杆4中心O(即天线阵列中心O)与局部放电源P径向距离为L1，PO连线与O所在水平面夹角为φ、PO在水平面上的投影P′O与旋转天线连杆4夹角为θ，旋转天线连杆4与局部放电源P空间关系具体参见图2；天线阵列旋转前与旋转后之间夹角为αj(即天线阵列旋转角度为αj)，一组定向阵列天线1与局部放电源P之间的距离为djA，另一组定向阵列天线1与局部放电源P之间的距离为djB，通过UWB定位装置确定该测量点在变电站中的坐标。
S2、通过程控步进电机6控制旋转天线连杆4进行旋转，通过信号采集及处理装置7中的高采样率示波器实时记录接收到的局部放电UHF信号在三个不同旋转角度下两组定向阵列天线1接收局部放电源P信号的时间差Δtj，根据天线阵列与局部放电源P的几何关系建立如下方程组：
djA-djB＝c·Δtj
通过信号采集及处理装置7的上位机求解上述方程组可得到φ角和θ角，即一个三维方向向量。
S3、另外选取多个测量点，将该多个测量点重复进行步骤一和步骤二过程得到多个测量点坐标及三维方向向量。
S4、信号采集及处理装置7将各个测量点局部放电源三维方向向量结合各检测点坐标，理论上各方向向量相交于局部放电源位置，但实际检测中各方向向量很可能异面，故需结合各检测点坐标，依据各个方向向量的联合误差概率的最大值确定局部放电源的位置。
具体的，所述的步骤一具体包括以下步骤：
S11、信号采集及处理装置7通过控制程控步进电机6进而控制天线阵列以一定速度进行360°旋转，并进行三维电子罗盘3的校准。
S12、信号采集及处理装置7读取三维电子罗盘3的倾角，并对天线阵列进行水平度调整。
S13、信号采集及处理装置7控制旋转天线连杆4进行360°旋转，UWB定位锚点2距离旋转天线连杆4中心O的距离为r，具体参见图2，利用三维电子罗盘3实时测量天线阵列旋转过程中天线阵列与正北向夹角β，同时读取UWB定位锚点输出距离L2，则满足公式：
通过设定程控步进电机6的速度以匹配UWB定位模块的距离测量速度和三维电子罗盘3的方位角测量速度，在不同旋转角度下获得多组距离L2，获得多个上式的方程，建立方程组，通过求解该方程组获得局部放电定位系统所在检测点坐标。
实施例一：参见图1至图3，一种变电站局部放电定位系统的定位方法，其在变电站巡检通道内选取若干检测点进行检测，通过提高测量点数大大提高故障设备定位精度，从而有效实现三维定位。具体包括以下步骤：
S1、在变电站内选取一个检测点O1布置该定位系统，在相距5米左右位置布置UWB定位基站5，通过上位机计算检测点在变电站中的坐标。具体包含以下步骤：S11、上位机通过控制程控步进电机6控制旋转天线连杆4以一定速度进行360°旋转，并进行所述三维电子罗盘3的校准；S12、读取三维电子罗盘3的倾角，对天线阵列进行水平度调整。S13、信号采集及处理装置7的上位机控制天线阵列360°旋转，实时记录旋转天线连杆4上的UWB定位锚点2与UWB定位基站5之间的距离L2以及旋转天线连杆4的方向角β，通过计算若干以下方程组得到检测点坐标(x，y)：
S2、通过程控步进电机6控制旋转天线连杆4进行旋转，通过信号采集及处理装置7中的高采样率示波器实时记录接收到的局部放电UHF信号在三个不同旋转角度下天线阵列中两组定向阵列天线1接收局部放电源P信号的时间差Δtj；每个角度记录不小于100组信号，通过上位机求解方程组得到旋转天线连杆4中心到局部放电源P的三维方向向量。
S3、在第一个检测点附近选取另外多个测量点O2、O3...On，将将该多个测量点重复进行步骤一和步骤二过程得到多个测量点坐标及三维方向向量。
S4、上位机利用各个测量点的坐标以及三维方向向量，结合误差概率定位方法确定局部放电源坐标(x，y，z)。
参见图1至图3，本定位方法将局部放电定位系统移动至某一测量点处，通过UWB定位系统确定单个测量点坐标；再通过程控步进电机6控制天线阵列进行旋转，信号采集及处理装置7实时记录接收到的UHF信号，在三个不同旋转角度下记录天线接收的局部放电信号；然后选取另外多个测量点，将该多个测量点替换所述一个测量点并重复所述确定一个测量点坐标及所述记录UHF信号；信号采集及处理装置7中的上位机通过以太网实时读取采集装置记录的UHF信号，计算在不同旋转角度下局部放电信号到达两组定向阵列天线1的时间差，通过求解方程组得到各个测量点与局部放电源P的方向角与俯仰角，利用各测量点的方向向量确定局部放电源的位置。因此，本定位方法采用多测点检测和误差概率定位方法实现了局部放电的三维坐标定位，同时还可以获得定位结果的误差范围，提升了定位精度；且整套系统实现了半自动化，组装及操作方便，大大提高了变电站现场局部放电检测效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种变电站局部放电定位系统的定位方法，该定位系统包括两组定向阵列天线(1)、旋转天线连杆(4)、信号采集及处理装置(7)和UWB定位基站(5)，所述的两组定向阵列天线(1)并列安装在旋转天线连杆(4)两端并与其垂直，该两组定向阵列天线(1)组成天线阵列，所述的旋转天线连杆(4)上安装有三维电子罗盘(3)、UWB定位锚点(2)和程控步进电机(6)，所述的两组定向阵列天线(1)、UWB定位锚点(2)、三维电子罗盘(3)和程控步进电机(6)分别与信号处理装置(7)相连，所述的UWB定位基站(5)位于变电站内，并UWB定位基站(5)与UWB定位锚点(2)放置高度相同，UWB定位锚点(2)与UWB定位基站(5)组成UWB定位装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将该定位系统移动至某一测量点处，假定检测点的坐标为(x，y)，旋转天线连杆(4)中心为O，xOy所在平面为水平面，旋转天线连杆(4)在水平面内，使旋转天线连杆(4)中心O与局部放电源P径向距离为L1、PO连线与O所在水平面夹角为φ、PO在水平面上的投影P′O与旋转天线连杆(4)夹角为θ，天线阵列旋转前与旋转后之间夹角为αj，一组定向阵列天线与局部放电源P之间的距离为djA，另一组定向阵列天线与局部放电源P之间的距离为djB，通过UWB定位装置确定该测量点在变电站中的坐标；
S2、通过程控步进电机(6)控制旋转天线连杆(4)进行旋转，通过信号采集及处理装置(7)实时记录接收到的局部放电信号在三个不同旋转角度下两组定向阵列天线(1)接收局部放电源P信号的时间差Δtj，根据天线阵列与局部放电源P的几何关系建立如下方程组：
djA-djB＝c·Δtj
通过信号采集及处理装置(7)求解上述方程组可得到φ角和θ角，即一个三维方向向量；
S3、另外选取多个测量点，将该多个测量点重复进行步骤一和步骤二过程得到多个测量点坐标及三维方向向量；
S4、信号采集及处理装置(7)将各个测量点局部放电源三维方向向量结合各检测点坐标，依据各个方向向量的联合误差概率的最大值确定局部放电源的位置。
2.根据权利要求1所述的一种变电站局部放电定位系统的定位方法，其特征在于，所述的步骤一具体包括以下步骤：
S11、信号采集及处理装置(7)通过控制程控步进电机(6)进而控制天线阵列进行360°旋转，并进行三维电子罗盘(3)的校准；
S12、信号采集及处理装置(7)读取三维电子罗盘(3)的倾角，并对天线阵列进行水平度调整；
S13、信号采集及处理装置(7)控制旋转天线连杆(4)360°旋转，UWB定位锚点(2)距离旋转天线连杆(4)中心O的距离为r，利用三维电子罗盘(3)实时测量天线阵列旋转过程中天线阵列与正北向夹角β，同时读取UWB定位锚点输出距离L2，则满足公式：
通过设定程控步进电机(6)的速度以匹配UWB定位模块的距离测量速度和三维电子罗盘(3)的方位角测量速度，在不同旋转角度下获得多组距离L2，获得多个上式的方程，建立方程组，通过求解该方程组获得局部放电定位系统所在检测点坐标。
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