基于传播特性与源信号相关性的GIS局放传感器测点优化方法

本发明涉及gis局部放电检测，特别是一种基于传播特性与源信号相关性的gis局放传感器测点优化方法，适用于不同电压等级gis设备的局放监测系统布置。

背景技术：

1、gis设备因结构紧凑、绝缘性能优异被广泛应用于电力系统，但内部金属突出物、自由金属微粒等典型缺陷引发的局部放电会逐步导致绝缘劣化甚至设备故障，而传感器测点位置的合理性直接决定局放信号的采集质量与定位精度，现有测点布置方法存在诸多显著缺陷：

2、1）、传统方法多基于经验在盆式绝缘子附近、设备接头等固定区域布点，未考虑gis设备内部sf6气体、金属外壳、绝缘子的介质差异对信号传播的影响，导致部分区域信号衰减严重、漏检率高。

3、2）、现有仿真技术多采用单一物理场模拟，且以简化脉冲信号替代真实局放信号，无法精准还原信号衰减、反射等传播特性，使得仿真指导的测点与实际最优位置偏差较大。

4、3）、传统方法仅通过信号强度判断测点优劣，未建立壁面接收信号与信号源的量化关联，难以通过接收信号反向追溯源信息，定位误差较大。

5、4）、超声传感器与特高频传感器的信号响应机制不同，但现有方法采用统一布点逻辑，未针对两者特性分别优化，导致检测灵敏度不足。

6、5）、部分内置传感器布置需在gis设备的腔体开孔，不仅安装复杂、成本高，还会破坏设备原有密封结构，增加气体泄漏风险。

7、因此需一种基于信号传播规律与源信号相关性的精准测点优化方法，以解决现有技术的盲目性、不精准性问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种无需破坏gis设备的密封性、兼顾超声-特高频传感器特性、基于传播特性与源信号量化关联的测点优化方法，实现局放信号的高效采集与精准定位，降低漏检率与定位误差。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、基于传播特性与源信号相关性的gis局放传感器测点优化方法，包括以下步骤：

4、s1：对gis设备内部局部放电产生的特高频电磁波信号及超声波信号的传播基本原理进行分析，计算特高频电磁波信号的电场强度以及超声波信号的声压；

5、s2：根据gis设备的电气和结构参数，基于有限元仿真软件，建立gis三维几何模型；gis三维几何模型中主要包括中心导体、绝缘子、外壳和sf6等关键部分，并设置材料属性、边界条件和网格剖分。

6、s3：分别开展gis三维几何模型内部局部放电激发的电磁波传播仿真和超声波传播仿真，分析局部放电电磁波在gis三维几何模型内部的电场强度分布特点及超声波的声压分布特点；

7、s4：基于gis三维几何模型结构的轴对称性，对gis三维几何模型腔体半域进行空间区域划分，对gis三维几何模型腔体采用径向等距、半周向等角度联合布点方式；

8、s5：获取各测点处两类信号的频域频谱分布特征，同时提取各测点处的特高频电磁波信号的电场强度幅值和超声波信号的声压幅值；

9、s6：采用皮尔逊相关系数作为信号相关性的评价指标；

10、s7：使用k-means聚类算法对s6得到的区域各点相关系数进行优化；

11、s8：设定测点布局优化的双重约束条件；采用加权求和的方式对多指标进行融合，构建测点布局优化的适应度函数；

12、s9：基于s8构建的测点布局优化的适应度函数及双约束条件，采用模拟退火算法结合空间离散优化技术，开展最优测点组合的智能迭代寻优。

13、s1中，gis设备内部局部放电产生的快速电流脉冲，激发300mhz～3ghz特高频电磁波，基于gis腔体多层介质电磁场传播理论，特高频电磁波在gis同轴腔体结构内传播遵循麦克斯韦方程组；特高频电磁波信号的强度，计算如下：

14、（1）；

15、式中：为电场强度，为电位移矢量，为相对介电常数，为传导电流密度，为电导率，为磁感应强度，为相对磁导率，为磁场强度，电场强度幅值，、、分别为电场强度沿、、方向分量，为旋度算子；

16、电场强度级转化如下；

17、（2）；

18、式中：为基准电场强度；为电场强度级。

19、s1中，gis设备内部局部放电产生的机械扰动以弹性波形式在sf6气体及腔体介质中传播，依据理想流体弹性介质波动理论，建立超声波信号的声压波动方程：

20、（3）；

21、式中：为拉普拉斯算子；为gis设备内部超声波瞬时声压；为超声波在sf6介质中的传播声速；为传播时间。

22、s2中，基于有限元仿真软件建立gis三维几何模型，包括：依次构建以中心导体、绝缘子、sf6气体域、金属外壳等为主要结构的三维几何模型，并针对各结构部件的物理特性，分别为电磁场仿真与声场仿真配置适配的材料属性及物性参数。

23、物性参数包括电导率、相对磁导率、相对介电常数、介质密度、声波传播速度以及gis设备内部各组件的物理结构尺寸参数。

24、s2中，分别开展gis隔离开关设备局部放电的电磁波传播仿真与超声波传播仿真，其中，电磁波传播仿真的局放源缺陷采用不同阶数高斯脉冲电流波，超声波传播仿真的局放源采用高斯脉冲；同时，设置电磁场边界条件为理想导电边界，声场边界条件为声场硬边界；完成参数配置后，对gis三维几何模型进行网格剖分，依据电磁场与声场的各自物理特性进行差异化网格划分。

25、s3中，开展gis设备内部局部放电激发的电磁波传播仿真，对局部放电电磁波在gis设备内部的电场强度分布特点分析包括：

26、（1）、仿真物理场设置：在有限元仿真软件中选取电磁场模块，选择瞬态求解器进行求解；

27、（2）、激励源设置：采用电点偶极子模拟电磁波局放源，不同缺陷的电磁波局放源产生的电流脉冲近似为不同阶数的高斯函数：

28、（4）；

29、式中：为局部放电电流脉冲随时间变化的函数，表示放电脉冲极值的个数，为波峰的高度，为时间变量，为波峰的横坐标，为波峰的陡度，，，的数据均来自高斯参数表，用来分别代表金属尖端、悬浮电位、自由金属微粒、绝缘子气隙等缺陷。

30、（3）、边界条件定义及网格剖分：

31、gis设备的外壳及中心导体设置为理想导电边界，边界条件满足，为边界法向量；网格剖分最大尺寸小于等于波长的1/8，最小尺寸小于等于波长的1/20。

32、s3中，开展gis设备内部局部放电激发的超声波传播仿真，对局部放电在gis设备内部的超声波声压分布特点分析包括：

33、（1）、仿真物理场设置：在有限元仿真软件中选取压力声学模块，选择瞬态求解器进行求解；

34、（2）、激励源设置：采用单极点源模拟超声波局放源，采用高斯脉冲来模拟实际局部放电信号，建立的超声波局放源时域仿真模型为：

35、（5）；

36、式中：表示声源强度随时间变化的函数，为声源的强度，为脉冲带宽，为脉冲到达峰值所需要的时间，为时间变量；

37、（3）、边界条件定义及网格剖分：仿真设置为声学硬边界条件，边界条件满足，为gis设备内部超声波瞬时声压，表示边界单位外法向量，超声波在外壳壁面反射无能量损耗；网格剖分最大尺寸小于等于波长的1/5，最小尺寸小于等于波长的1/10。

38、s3中，结合gis设备的结构特点及局部放电（简称“局放”）易发生区域，预设多组不同位置的局放源，确保覆盖核心部件及关键绝缘区域，具体包括：

39、外壳区域：外壳靠近绝缘子凸面处、外壳远离绝缘子处、外壳靠近绝缘子凹面处处；

40、盆式绝缘子区域：绝缘子内部、绝缘子表层；

41、中心导体区域：中心导体远离绝缘子处、中心导体靠近绝缘子处；

42、针对gis三维几何模型内部预设的不同位置局放源，逐一开展独立的电磁波传播仿真与超声波传播仿真，精准提取gis三维几何模型各分区的特高频电磁波信号与超声波信号。

43、s4中，基于gis三维几何模型的腔体的轴对称结构特性，首先选取gis三维几何模型的外壳横截面0°～180°半周向区域作为测点布设范围，以避免全周向重复布设；随后以中心导体为基准，沿径向按固定间距均匀布设测点，实现对腔体径向不同位置的全覆盖；并在0°～180°范围内，以45°为分度间隔布设测点，形成0°、45°、90°、135°、180°五个周向位置；最终将径向与周向布点结合，形成二维网格状测点分布，为后续信号采集与优化提供完整的候选测点集合。

44、s5中，将s4中测点接收到的特高频电磁波信号和超声波信号分别进行快速傅里叶变换，以获取两类信号的频域频谱分布特征；频域频谱分布特征指的是时域信号经快速傅里叶变换后，各频率分量的幅值或能量随频率的分布情况，具体可包括主频、频谱峰值、中心频率、有效带宽等参数。，快速傅里叶变换的计算公式为：

45、（6）；

46、式中：表示输入离散时域信号经快速傅里叶变换后，在第个频率分量处的复数频谱值，为长度的输入时域离散信号，为输出的频域离散信号，为时域采样点索引，为频域采样点索引，为虚数单位，为信号的采样点数；

47、s5中，获取各测点处两类信号的频域频谱分布特征，同时提取各测点处的特高频电磁波信号的电场强度幅值和超声波信号的声压幅值。

48、电场强度幅值、声压幅值具体是：对特高频局部放电仿真获得的各gis测点电场强度时域响应信号进行峰值提取，将各测点电场强度时域响应绝对值的最大值确定为对应测点的电场强度幅值；对超声局部放电仿真获得的各gis测点声压时域响应信号进行峰值提取，将各测点声压时域响应绝对值的最大值确定为对应测点的声压幅值。

49、其中，特高频电磁波信号的分析频段聚焦于300mhz～3ghz，超声波信号则重点分析20khz～200khz频段内的频谱分布；在此基础上，筛选出信号能量累计占比不低于80%的频段作为主频段，明确峰值集中的频率区间，为后续信号相关性分析提供依据。

50、s6中，采用皮尔逊相关系数作为信号相关性的评价指标，以主频段信号为分析对象，计算提取壁面测点对局放信号的幅值相关性、频域相关性两类核心特征指标；采用变异系数法对幅值相关性、频域相关性进行客观赋权，明确两项特征指标对测点相关性评价的影响权重，规避人工主观赋权的随意性；

51、具体包括以下过程：

52、（1）、皮尔逊相关系数作为信号相关性的定量评价指标，聚焦筛选出的特高频信号主频段与超声波信号主频段，分别计算gis各分区信号与对应局放源信号的相关性，量化各分区信号对局放源信号的表征能力；

53、特高频电磁波局放和超声波局放的皮尔森相关系数分别定义为：

54、（7）；

55、式中:为各分区特高频电磁波信号与局放源之间的皮尔逊相关系数，为局放源编号；为分区编号；为整数倍频；各分区的特高频电磁波信号频谱序列，局放源对应的特高频参考信号频谱序列，与的协方差，

56、为各个分区点处的特高频电磁波信号幅值；局放源信号处的特高频电磁波信号幅值，

57、为的均值，为的均值；

58、为100mhz的整数倍频；

59、（8）；

60、式中：为各分区超声波信号与局放源之间的皮尔逊相关系数，为局放源编号；为分区编号；为整数倍频；

61、为各分区的超声波信号频谱序列，局放源对应的超声波参考信号频谱序列，与的协方差，

62、为各分区超声波信号；为局放源信号处的超声波信号幅值，

63、为的均值，为的均值

64、为1000hz的整数倍频。

65、（2）、采用变异系数法对幅值相关性、频域相关性两类特征指标进行客观赋权，依据指标自身数据离散程度自动计算权重，避免人工主观赋值干扰，具体实现过程如下：

66、构建各测点特征指标评价数据集，分别计算第

m项评价指标的样本均值，计算公式为：

67、（9）；

68、式中：分别为幅值相关性指标和频域相关性指标的样本均值，分别为每个测点对应的幅值相关性和频域相关性；

m为gis壁面测点样本总数；

69、根据各指标样本分布差异，求解幅值相关性与频域相关性指标的样本标准差:

70、（10）；

71、式中：分别为幅值相关性指标和频域相关性指标的样本标准差；

72、再由指标标准差与样本均值的比值，计算得到对应指标的变异系数：

73、（11）；

74、式中：分别为幅值相关性指标和频域相关性指标的变异系数；

75、最后，对各指标变异系数进行归一化处理，求得各项特征指标的客观权重：

76、（12）；

77、式中：分别为幅值相关性、频域相关性归一化后得到的指标客观权重。

78、s7中，使用k-means聚类算法对s6中得到的区域各点相关系数进行优化，以幅值相关性、频域相关性为聚类特征，优化聚类度量方式与初始聚类中心，完成测点相关性特征的聚类分析；

79、基于客观权重分配与聚类量化结果，建立信号源参数-传播路径-壁面测点相关特征的量化映射关系；

80、具体过程如下：

81、（1）、提取s6中得到的各测点相关系数数据，筛选有效测点的特征参数，剔除异常数据，构建聚类输入数据集；聚类输入数据集记为数据集，为第1个有效测点的特征向量，为第2个有效测点的特征向量，为第

i个有效测点的特征向量，为第

n个有效测点的特征向量，

82、其中，，为第

i个测点的幅值相关性参数，为第

i个测点的频域相关性参数，

n为有效测点总数。

83、（2）、进行k-means聚类算法初始化，确定聚类簇数为6类，采用随机抽样法初始化聚类中心，为第1类聚类中心，为第2类聚类中心，为第6类聚类中心；

84、避免初始中心过于集中导致聚类收敛至局部最优；同时优化聚类度量方式，采用欧氏距离作为相似度度量标准，欧氏距离计算公式为：

85、（13）；

86、式中：为第

i个测点与第

k个聚类中心的欧氏距离，用于衡量测点与聚类中心的相似度。为第类聚类中心，为第类聚类中心在幅值相关性参数维度上的坐标值，为第类聚类中心在频域相关性参数维度上的坐标值。

87、（3）、在完成初始聚类中心和距离度量规则设定基础上，逐一对全部测点样本进行类别归属划分：计算每个测点分别与6个聚类中心的欧氏距离，按照最小距离准则，将测点划分至欧氏距离最近的对应聚类簇中。

88、每完成一轮全部分类归属后，以各簇内所有测点特征均值更新新一轮聚类中心，更新公式为：

89、（14）；

90、式中：为第

k聚类簇所含测点样本数量。

91、反复执行样本归类与聚类中心迭代更新，直至前后两轮6个聚类中心的整体偏移量小于预设收敛阈值0.01，判定聚类结束，得到稳定的6类测点相关性聚类结果。

92、s8中，双重约束条件如下：

93、约束条件1：各测点接收的gis设备内部局部放电激发的特高频电磁波信号的电场强度幅值、超声波信号的声压幅值，均不小于对应信号幅值基准值的60%；

94、约束条件2：壁面各测点采集的频域信号与局放信号源的相关系数不低于0.85，确保测点信号与原始局放信号具备高关联性，保障监测有效性。

95、以gis设备内部局部放电检测灵敏度最大化、测点安装便捷性最优为核心优化目标，整合信号接收强度、抗干扰能力、安装空间冗余度三项评价指标。

96、其中，信号接收强度主要由测点处特高频电场强度幅值和超声波声压幅值表征；抗干扰能力主要由测点采集信号与原始局部放电信号源之间的相关系数表征；安装空间冗余度主要由测点周围可安装空间、结构遮挡程度及传感器布置便利性共同表征。

97、约束条件1为信号幅值约束，对应的量化表达为：

98、（15）；

99、式中：分别为第

i个测点的特高频电场强度幅值、超声波声压幅值；分别为特高频信号的电场强度幅值基准值、超声波信号的声压幅值基准值。

100、约束条件2为信号相关性约束，壁面各测点采集信号与局放信号源的综合相关系数需满足：

101、（16）；

102、式中：为测点信号与局放源信号的综合相关系数，保证测点信号与原始局放信号具有高关联性。

103、s8中，适应度函数为：

104、（17）；

105、式中：

f为测点布局综合适应度值；依次为信号接收强度、抗干扰能力、安装空间冗余度评价指标；为信号接收强度指标权重系数；满为抗干扰能力指标权重系数；为安装空间冗余度指标权重系数，满足。

106、s9中，依托s8构建的适应度函数及双重约束条件，采用模拟退火算法结合空间离散优化技术，对聚类筛选后的候选测点组合开展智能迭代寻优，具体包括：

107、（1）、首先选取满足双重约束的测点组合作为初始解，通过随机扰动生成邻域测点配置方案，校验合规后计算对应适应度值；具体包括：

108、首先选取满足双重约束条件的测点组合作为初始解，记为：

109、；

110、式中：为初始测点布设方案；为第个测点位置；为测点数量。

111、在第次迭代过程中，通过随机扰动当前测点组合生成邻域测点配置方案：

112、；

113、式中：为第次迭代时的当前测点布设方案；为随机扰动后生成的邻域测点布设方案；表示邻域扰动操作。对邻域方案进行双重约束校验，若满足约束条件，则计算其适应度值：

114、；

115、当前方案的适应度值为：

116、；

117、式中：为当前测点组合适应度值；为邻域测点组合适应度值；为 s8 构建的适应度函数。

118、采用metropolis准则判定邻域解接受概率：

119、（18）；

120、式中：

f为当前测点组合适应度值；

f'为邻域测点组合适应度值；为第次迭代时的退火温度；

p为邻域方案接受概率。

121、（2）、按准则更替并迭代更新测点布局，持续保留全局最优配置；具体包括：

122、按 metropolis 准则更替并迭代更新测点布局。生成随机数：

123、；

124、若满足：

125、；

126、则接受邻域方案，并更新当前解：

127、；

128、否则保持原方案不变：

129、同时，持续保留历史迭代过程中的全局最优配置：

130、；

131、式中：为当前已搜索到的全局最优测点布设方案。

132、退火温度按降温函数逐步更新：

133、；

134、式中：为降温系数，通常满足；和分别为第次和第次迭代时的退火温度。

135、当迭代结果趋于稳定、连续多次迭代无更优测点组合更新，退火温度低于设定阈值时，停止运算。停止条件表示为：

136、；

137、式中：为最低退火温度阈值；

138、最终输出满足约束且适应度最优的测点布设方案，完成gis壁面测点布局全局优化。最终输出满足约束条件且适应度最大的测点布设方案：

139、；

140、式中：为最终优化得到的 gis 壁面最优测点布设方案；为满足双重约束条件的可行测点组合集合；为测点布设方案对应的适应度函数。

141、本发明提供基于传播特性与源信号相关性的gis局放传感器测点优化方法，具有以下技术效果：

142、1）、本发明采用变异系数法实现客观赋权，结合k-means聚类优化，替代传统人工经验赋值，同时通过聚类分析区分测点性能差异，有效避免主观因素干扰，确保测点评价、筛选的科学性和可追溯性，解决了现有技术中评价标准模糊、权重分配不合理的问题。

143、2）、本发明通过设定幅值约束、相关性约束双约束条件，结合信号传播规律筛选有效测点，搭配智能寻优算法，可精准捕捉局部放电信号，大幅降低漏检、误检概率，同时通过量化映射关系，进一步提升监测的准确性和稳定性。

144、3）、针对“传统方法基于经验固定区域布点、未考虑介质差异导致信号衰减严重、漏检率高”的问题：本发明通过构建gis三维几何模型，分别开展电磁波传播仿真与超声波传播仿真，全面揭示特高频电磁波和超声波在sf6气体、绝缘子、金属外壳等多层介质中的衰减与反射特性；在此基础上，基于仿真提取的各壁面测点信号幅值分布规律，设定信号幅值不低于基准值60%的约束条件，从物理传播层面有效剔除信号衰减严重区域，大幅降低漏检率，确保所选测点均具备可靠的信号接收强度。

145、4）、针对“现有仿真技术采用单一物理场模拟、简化脉冲信号，无法精准还原信号传播特性导致测点位置偏差”的问题：本发明分别建立电磁场与声场两种物理仿真模型，对特高频信号采用不同阶数高斯脉冲电流波模拟不同缺陷类型的局放源，对超声波信号采用高斯脉冲模拟真实局放源时域特征；同时在电磁场仿真中设置理想导电边界、在声场仿真中设置声场硬边界，并依据电磁波与超声波波长分别差异化设定网格剖分尺寸。通过双物理场精细化建模与差异化参数配置，更真实地还原了局部放电信号在gis腔体内的传播过程，仿真结果与实际工况高度吻合，有效提高了测点定位的准确性。

146、5）、针对“传统方法仅通过信号强度判断测点优劣、未建立壁面接收信号与信号源的量化关联”的问题：本发明采用皮尔逊相关系数，以主频段信号为分析对象，分别计算各壁面测点与局放源信号之间的幅值相关性与频域相关性两类核心特征指标；进一步采用变异系数法对两项指标进行客观赋权，并通过k-means聚类算法对测点相关性特征进行等级划分，最终构建信号源参数—传播路径—壁面测点相关特征的量化映射关系。由此，不仅实现了测点性能的科学分级筛选，更建立了壁面接收信号与局放源之间的可量化追溯机制，大幅提升了通过接收信号反向推断放电源信息的准确性。

147、6）、针对“超声传感器与特高频传感器响应机制不同、现有方法采用统一布点逻辑导致检测灵敏度不足”的问题：本发明分别针对特高频电磁波信号（300mhz～3ghz）和超声波信号（20khz～200khz）的特性，在仿真阶段分别设置电点偶极子激励源与单极点源激励源，在特征提取阶段分别进行fft变换获取各自频域分布，在相关性评价阶段分别计算各自的皮尔逊相关系数。在测点布局优化的双重约束条件中，对特高频信号电场强度幅值和超声波信号声压幅值分别设定幅值约束，对两类信号分别设定相关性约束。通过全流程对两种信号的分立处理与独立约束，确保筛选出的测点对两类传感器均具有高灵敏度，解决了单一布点逻辑无法兼顾双物理量检测需求的问题。

148、7）、针对“内置传感器布置需在腔体开孔、破坏设备密封结构、增加气体泄漏风险”的问题：本发明将测点布设范围限定于gis金属外壳外壁面0°～180°半周向区域，通过径向等距、周向等角度方式在外壁面进行网格化布点，传感器可安装于外壳外壁面而不破坏腔体结构，无需开孔或内置操作。同时，通过适应度函数中引入安装空间冗余度指标，优先选择远离法兰、接地开关等障碍物的测点位置，既保证了安装便捷性，又有效规避了外壁面实际安装中的物理干涉问题，实现非侵入式在线监测。