本發(fā)明涉及變壓器局部放電的檢測與定位，具體地說是一種基于節(jié)點數(shù)值模型和粒子群算法的變壓器局部放電超聲定位方法。

背景技術：

變壓器的局部放電在長時間的作用下可以對其絕緣產(chǎn)生破壞甚至使其擊穿，精確的局部放電定位技術對于變壓器的安全可靠運行有著十分重要的意義。近年來，超聲波局放檢測法因其良好的抗電磁干擾特性和方便安裝的優(yōu)勢被廣泛的應用于變壓器局放檢測與定位。然而超聲傳感器對于外界的機械噪聲相對較為敏感，且隨著壓電材料的老化，定位精度也會受到影響。

為了獲得較高的定位精度，研究者們對于超聲定位算法進行了較多的研究。大部分的超聲定位方法都是基于到達時間差法，根據(jù)不同傳感器間信號的到達時間差建立一個超定方程組，并通過簡單的迭代方法進行求解，比如最小二乘法、最速下降法和牛頓拉夫遜法等。但是這些方法很容易因為搜索路徑的單一或初值選擇不合適而造成局部收斂或全局不收斂的情況。

粒子群算法屬于進化算法的一種，該方法從隨機解出發(fā)，通過迭代尋找最優(yōu)解，它也是通過適應度來評價解的品質(zhì)，但它比遺傳算法規(guī)則更為簡單，它沒有遺傳算法的“交叉”和“變異”操作，它通過追隨當前搜索到的最優(yōu)值來尋找全局最優(yōu)。這種算法具備實現(xiàn)容易、精度高、收斂快等優(yōu)點，并且在解決實際問題中展示了其優(yōu)越性。將粒子群算法引入變壓器局部放電定位具有極高的可行性和應用價值。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，提供一種基于節(jié)點數(shù)值模型和粒子群算法的變壓器局部放電超聲定位方法，其根據(jù)實體變壓器結構建立一個變壓器節(jié)點數(shù)值模型，并根據(jù)其所在位置變壓器部件的超聲波傳播特性賦予其特定的參數(shù)，將超聲波的傳播路徑簡化為按序排列的一系列節(jié)點；同時，采用一種傳播時長算法計算模型中超聲波信號的波達時間；在這個變壓器模型的基礎上，采用粒子群算法來對變壓器內(nèi)的局部放電源進行定位。

為此，本發(fā)明采用的技術方案如下：一種變壓器局部放電超聲定位方法，其包括：

a)根據(jù)實體變壓器結構建立一個網(wǎng)格化的變壓器節(jié)點數(shù)值模型，模型中的每一個節(jié)點根據(jù)其所在位置變壓器部件的超聲波傳播特性賦予其特定的參數(shù)，將超聲波的傳播路徑簡化為按序排列的一系列節(jié)點；

b)通過尋路算法確定超聲波信號在變壓器內(nèi)部的傳播路徑，繼而求得超聲波信號在各節(jié)點之間的傳播時間；

c)根據(jù)實驗得到的到達時間差和模型估計的到達時間差，利用粒子群算法進行局部放電定位。

進一步地，步驟a)中，變壓器數(shù)值模型作為一個密閉的空間被分割成整齊排列的20cm邊長的立方體，立方體中的每一個節(jié)點被賦予傳播參數(shù)和速度參數(shù)兩個參數(shù)；當信號在該節(jié)點以油中的波速傳播時，其傳播參數(shù)為1，以繞組中的波速傳播時，其傳播參數(shù)為0；速度參數(shù)被定義為超聲波信號在這一節(jié)點處的傳播速度，如果節(jié)點位置在油中，那么速度參數(shù)的值為1400m/s，當節(jié)點位于繞組上時，速度參數(shù)則為3810m/s。

進一步地，步驟b)中，當傳播路徑并沒有穿過金屬部件而是直接在油中傳播時，采用下式來計算傳播時間，

當聲波穿過金屬時，則采用下式來計算傳播時間，

式中，i1、j1、k1均代表傳播路徑的起始節(jié)點，iend、jend、kend均代表傳播路徑的終點節(jié)點，vel(im,jm,km)為節(jié)點im、jm、km處超聲波的傳播速度，l是這條傳播路徑上所有節(jié)點的個數(shù)，veloil為超聲波在油中的傳播速度。

更進一步地，所述變壓器節(jié)點數(shù)值模型的每個立方體中被隨機的賦予一個節(jié)點作為初始粒子，并根據(jù)下式計算各個粒子的適應度，

式中，pi代表計算適應度的粒子，指的是由傳感器1和傳感器2接收到的超聲波信號波達時間差；而指的是，如果局放源位于pi的位置處，利用步驟b)中的傳播時間算法進行計算，得到的傳感器1和2的波達時間差的估計值。

同理；指的是由傳感器1和傳感器3接收到的超聲信號波達時間差；而指的是，如果局放源位于pi的位置處，利用步驟b)中的傳播時間算法進行計算，得到的傳感器1和3的波達時間差的估計值。指的是由傳感器1和傳感器4接收到的超聲信號波達時間差；而指的是，如果局放源位于pi的位置處，利用步驟b)中的傳播時間算法進行計算，得到的傳感器1和4的波達時間差的估計值。

更進一步地，步驟c)中，選擇擁有最低的適應度值的粒子作為全局最優(yōu)解，同時記錄每一個粒子自身的歷史最優(yōu)解；根據(jù)全局最優(yōu)解和個體歷史最優(yōu)解，將粒子移動至一個新的位置。

再進一步地，步驟c)中，引入慣性系數(shù)，結合粒子的每一次移動與之前的移速進行約束優(yōu)化，當全局最優(yōu)解的適應度小于預設閾值時，全局最優(yōu)解的位置就是局放源在變壓器中的位置；添加慣性系數(shù)后，粒子的運動速度由三項組成：

其中，

式中，代表從pi到全局最優(yōu)解pgopt的單位向量，類似地，指的是從pi到個體歷史最優(yōu)解piopt的單位向量，w、c1和c2作為上述三項的權重，定義如下：

其中，curcount和loopcount代表當前的迭代次數(shù)和總的迭代次數(shù)，maxw和minw是兩個默認的常數(shù)用來限制慣性參數(shù)的范圍，fitness(piopt)和fitness(pi)分別代表pi這一點的歷史最優(yōu)適應度和本次計算的適應度；當粒子非常接近自己的歷史最優(yōu)解piopt的時候，c1的值會趨向于0，參數(shù)m用來控制移動的速度，一般會選擇在1到4之間，為了減少計算時間，c1和c2也可以設置成兩個常數(shù)值。此外需要注意的是，粒子的移動需要有一個限制以防止過快或者過慢的收斂。當粒子移動地很遠很快時，收斂速度很快但是定位精度很低，極容易在移動過程中忽略真正的最優(yōu)解，但是如果粒子移動過慢也會使得計算時間過長。

本發(fā)明提出的基于節(jié)點數(shù)值建模和粒子群算法的變壓器局放超聲定位方法具有很高的定位精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的原理圖；

圖2為本發(fā)明的局部放電針尖模型圖；

圖3為本發(fā)明實際變壓器超聲傳感器正面布置及局放定位結果圖；

圖4為本發(fā)明實際變壓器超聲傳感器側面布置及局放定位結果圖。

具體實施方式

下面以一臺35kv試驗變壓器進行局部放電定位測試為例，結合說明書附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。

測試對象為一臺三相35000/400v，160kva的試驗變壓器，其長寬高分別為166cm、115cm和90cm，以變壓器低壓繞組出線側油箱壁為x軸原點，指向高壓繞組出線側為x軸正方向；c相高壓繞組側油箱壁為y軸原點，指向a相高壓繞組側為y軸正方向；油箱底部為z軸原點，指向油箱上壁為z軸正方向。

為產(chǎn)生局放信號，使用如圖2所示的局部放電針尖模型，該模型由不銹鋼針、接地金屬片和絕緣紙板組成，針尖和地電極之間的距離為6mm。加入絕緣紙板后可以極大程度上防止擊穿。局放源所在的坐標為(28,110,32)，位于ab相的高壓繞組之間。實驗使用的超聲傳感器頻段在100k到400khz之間，每通道的采樣頻率為100ms/s，觸發(fā)閾值設為35db。

針對該變壓器局放缺陷的定位過程如下：

①在變壓器箱體外側布置4個傳感器，具體坐標如表1所示。

表1超聲傳感器坐標

②根據(jù)變壓器結構建立變壓器節(jié)點數(shù)值模型，圖3和圖4分別展示了在兩種傳感器布置下的從局放源到四個傳感器的超聲波傳播路徑。

當傳感器按照表中序號1布置時，四個超聲傳感器被布置在變壓器箱體正面上，從局放源到傳感器間的超聲波傳播路徑上不存在金屬障礙，如圖3所示。但是按照序號2布置時，傳播路徑就變得復雜了起來，從局放源到傳感器1號和3號的路徑上都出現(xiàn)了高壓繞組等金屬遮擋，如圖4所示。

③對模型中的每一個節(jié)點根據(jù)其所在位置變壓器部件的超聲波傳播特性賦予特定的參數(shù)，當信號在該節(jié)點以油中的波速傳播時，其傳播參數(shù)等于1，反之則為0。而速度參數(shù)則是超聲信號在這一節(jié)點處的傳播速度，如果節(jié)點位置在油中，那么速度參數(shù)的值為1400m/s，當節(jié)點位于繞組上時，速度參數(shù)則為3810m/s。將超聲波的傳播路徑簡化為按序排列的一系列節(jié)點。

④通過尋路算法確定超聲信號在變壓器內(nèi)部的傳播路徑，繼而求得超聲波信號在各節(jié)點之間的傳播時間；

⑤根據(jù)實驗得到的到達時間差和模型估計的到達時間差，利用粒子群算法進行局部放電定位，定位結果如圖3、4所示。

將使用上述粒子群算法得到的定位結果與newton–raphson法和chan算法得到的結果進行比較，分析不同算法的定位精度，如表2所示。根據(jù)不同超聲傳感器獲得的信號波形，通過累積能量法或閾值法來計算出波達時刻和時間差，使用不同定位算法來求得局放源的位置坐標，并計算其距離誤差。

表2超聲傳感器坐標

由表可知，當四個超聲傳感器排列在變壓器箱體正面時，計算結果如表2中前兩行所示，在這種條件下，局放源與傳感器直接不存在金屬障礙，粒子群算法所得出的定位誤差與其他方法得到的相差不大；當傳感器被布置在變壓器箱體側面時，計算結果如表2中后兩行所示，由于存在金屬部件的遮擋，使得波達時間差相較于無障礙情況有較大的改變，由于不收斂，牛頓拉夫遜法甚至難以給出局放源的坐標，而粒子群算法卻相較于chan算法有較小的定位誤差。

幾種定位算法的比較可知，本發(fā)明基于節(jié)點數(shù)值模型和粒子群算法的變壓器局部放電超聲定位方法具有更高的定位準確度。