一种多特高频传感器组多样本信号逐次逼近求解方法

1.本发明涉及电力设备局部放电定位技术领域，具体是一种多特高频传感器组多样本信号逐次逼近求解方法，属于变压器局部放电特高频定位法中对定位计算所得多个定位结果的递归逼近处理。


背景技术：

2.局部放电(partial discharge,pd)是电气设备内部发生绝缘缺陷时在局部范围内产生的一种放电现象，如何对局部放电信号实现准确、可靠的故障定位是电力设备状态监测领域的关键问题之一。特高频(ultra high frequency,uhf)检测技术由于具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，近年来在pd的检测与定位工作中得到广泛应用。对于传统的定位方法而言，由于现场强电磁干扰和变压器复杂多层介质结构等不利因素的影响，使得无论采用何种抗干扰技术及时间差提取算法，都很难准确地获取到没有时延误差的pd信号时间差，同时，定位算法求解过程中还可能出现的局部收敛或发散等问题，致使采取单次定位求解出结果后作为pd源空间坐标位置的方法难以对变压器实现准确定位。在当前应用中，通常采用求平均值的方法对定位计算所得多样本pd源估计值进行处理，但该方法仅是简单的对定位结果进行平均，无法解决定位误差大的问题。
3.公开号为cn113092956a的专利文献公开了一种基于梯度逼近式干式电抗器pd源定位算法，对传统网格搜索牛顿迭代法进行了改进，改进后的算法呈阶梯式，包括阶梯1和阶梯2；阶梯1利用网格搜索牛顿迭代法对pd源进行粗略定位；阶梯2对初始定位坐标x、y进行距离和值最小值逼近式寻优，将寻优后的x、y回代到时差定位方程中求出z坐标。该改进算法在一定程度上减少了z坐标的定位误差提高了干式电抗器的pd源定位精度，然而，由于电磁波传播是以稍低于光速的极快速度传播，微小的时延误差都可能会引起较大的定位误差，导致定位失败，而定位方程组的计算对时延的依赖性非常之高，微小的误差都可能会导致较大的定位误差，甚至出现时间差方程组无解、定位失败的情况。
4.公开号为cn113030660a的专利公开了一种基于截断奇异值分解的gis局部放电定位方法，包括以下步骤：s1：建立基于到达时间差局部放电定位的数学模型；s2：通过球面转换方法获得线性定位方程组px＝q；s3：对线性定位方程组px＝q作集中化预处理，得到集中化后的定位方程组px＝q
′
；s4：应用主元三角分解方法对矩阵p实现分解计算，获取矩阵p的等价矩阵p
′
；s5：将矩阵p
′
代入定位方程组px＝q
′
，得到等价线性方程组：p
′
x＝q
′
；s6：对矩阵p
′
作奇异值分解，获得矩阵p
′
的两个正交矩阵u＝(u1,
…
,un)与v＝(v1,
…
,vn)，并设计滤波因子fi；s7：应用截断奇异值分解方法对p
′
x＝q
′
求解。该方法对gis中不同时刻的pd信号进行定位，但是，超声波信号在电气设备内传播时，各种声介质对信号的衰减影响非常严重，因超声波传感器灵敏度不高带来的难以对pd信号的有效检测，致使定位不准或无法定位。


技术实现要素：

5.本发明考虑到单次定位结果精度低而多样本pd源估计值平均法精度也不够的问题，提出了一种多特高频传感器组多样本信号逐次逼近求解方法，基于逐次渐进的思想对由定位所得样本值与传感器阵列建立的寻优目标函数进行递归逼近处理，从而获取更准确的pd源位置。
6.为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种多特高频传感器组多样本信号逐次逼近求解方法，包括以下步骤：
8.s01)、将uhf传感器阵列s0、s1、
…
、sk、
…
、sn(n》4)按每4个一组进行排列组合，共种组合形式；
9.s02)、通过uhf传感器阵列s0、s1
…
、sk、
…
、sn(n》4)对同一位置pd源在不同时刻获取n组pd样本数据；
10.s03)、采用传统tdoa(time difference of arrival,到达时间差)定位算法估算各pd样本数据对应的定位初值p
ij
(x
ij
,y
ij
,z
ij
)，其中：i表示第i种uhf传感器组合形式(i＝1,2,
…
,)，j表示特定传感器组合下获取的第j组pd样本数据(j＝1,2,
…
,n)；
11.s04)、在每种传感器组合下分别给出各样本初值点p
ij
(x
ij
,y
ij
,z
ij
)与四个传感器位置连线段的中点坐标，按照样本顺序对初值点进行分组并建立基于中线长度和的寻优目标函数；
12.s05)、采用卷积神经网络法对每组寻优目标函数进行全局搜索最小值d
min
，将上一步得到的解作为下一次优化的初值，重复s04)和s05)操作直至得到各传感器组合下的最优解pi(xi,yi,zi)，i＝1,2,
…
,
13.s06)、再次重复s04)和s05)操作，对各传感器组合下的最优解pi(xi,yi,zi)再次建立寻优目标函数，并采用卷积神经网络法求得最终全局最优解p(x,y,z)。
14.进一步的，步骤s04)具体为：利用各传感器组合形式在不同时刻捕获的n组pd信号对应的时延信息可计算出n个样本定位初值点，时延误差的存在将导致这n个初值点随机分散在真实pd源的周围。
15.进一步的，各组合形式下4个传感器坐标sk(xk,yk,zk)和初值点p
ij
(x
ij
,y
ij
,z
ij
)连线段的中点坐标为：
16.进一步的，按样本顺序每m(n≥m≥2)个初值点为一组，构建待求pd源位置到样本分组内4m条直线段中点的距离和函数对该组样本值的寻优问题就是对上式进行极小值寻优。
17.步骤s05)具体为包含以下五步操作：
18.s51)对网络进行权值的初始化；
19.s52)输入数据经过卷积层、下采样层、全连接层的向前传播得到输出值；
20.s53)求出网络的输出值与目标值之间的误差；
21.s54)误差大于期望值时，将误差传回网络，依次求得全连接层、下采样层、卷积层的误差，根据求得误差进行权值更新，回到第二步；
22.s55)当误差等于或小于期望值时，结束运算，输出全局最优解，将其视为所求pd源位置。
23.由于电气设备内uhf电磁波传播环境的多样性与复杂性，定位参量的获取易受无线信号传播过程中多种因素干扰。其中，最主要的定位影响因素有两个：一个是复杂的变压器结构使得放电信号传播路径中遇铁芯等障碍物发生绕射，导致无法保证所有传感器接收到的信号都是从pd源经直线传播路径到达的波前反映，甚至可能接收到的是多径传播叠加的信号；另一个是背景噪声干扰，包括现场存在的复杂强电磁干扰，使得传感器接收到的是混杂有背景噪声的pd信号，尤其是混频pd信号，以致无论使用何种抗干扰技术，也很难准确地提取出没有时延误差的时间差。此外，传感器的响应特性，以及不同类型的绝缘缺陷具有不同的pd脉冲上升沿等，这些因素都会使检测到的uhf pd信号特征测量值产生误差，并且会出现误差多级放大的情况，从而严重影响定位精度。现今常用的pd定位误差抑制方法大部分都是先通过对多个时延样本取平均值再进行定位计算或是先通过对多个样本定位出各自的值后再取平均值计算，可都并不能很好的解决定位误差过大的问题。采用平均时间差方法得到的结果并不能够准确的判断出故障点，而采用平均定位结果的方法虽然要比平均时间差方法要好，但由于其仅是对定位结果的简单运算，也并没有从根本上解决定位精度不高的难题。
24.与相关技术相比较，本发明具有如下有益效果：
25.本发明首先对uhf传感器阵列进行排列组合，获取pd样本数据；然后采用传统的tdoa定位算法对样本数据进行初步定位，得到定位初值；利用定位初值与四个传感器位置，建立基于中线长度和的寻优目标函数；采用卷积神经网络法对每组寻优目标函数进行全局搜索最小值，将上一步得到的解作为下一次优化的初值，重复操作直至得到各传感器组合下的最优解，即为pd源位置。在定位初值误差较大的情况下，通过本发明寻优处理后能较准确地对pd源进行定位，寻优处理后的定位精度有了较大的提高。本发明基于逐次渐进的思想对由定位所得样本值与传感器阵列建立的寻优目标函数进行递归逼近处理，从而获取更准确的pd源位置，解决目前定位算法存在的时延误差敏感、易局部收敛或发散与运算速度慢等技术问题，同时，降低了算法的计算复杂度，提高定位效率，达到了准确、快速定位pd源的效果。
附图说明
26.下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
27.图1为本发明卷积神经网络算法的流程图；
28.图2为本发明多特高频传感器局部放电定位系统结构图；
29.图3为本发明基于中线长度和建立寻优目标函数的逐次逼近定位原理示意图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图1-3，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.一种多特高频传感器组多样本信号逐次逼近求解方法，包括以下步骤：
32.s01)、将uhf传感器阵列s0、s1、
…
、sk、
…
、sn(n》4)按每4个一组进行排列组合，共种组合形式；
33.s02)、通过uhf传感器阵列s0、s1
…
、sk、
…
、sn(n》4)对同一位置pd源在不同时刻获取n组pd样本数据；
34.s03)、采用传统tdoa(time difference of arrival,到达时间差)定位算法估算各pd样本数据对应的定位初值p
ij
(x
ij
,y
ij
,z
ij
)，其中：i表示第i种uhf传感器组合形式(i＝1,2,
…
,)，j表示特定传感器组合下获取的第j组pd样本数据(j＝1,2,
…
,n)；
35.s04)、在每种传感器组合下分别给出各样本初值点p
ij
(x
ij
,y
ij
,z
ij
)与四个传感器位置连线段的中点坐标，按照样本顺序对初值点进行分组并建立基于中线长度和的寻优目标函数；利用各传感器组合形式在不同时刻捕获的n组pd信号对应的时延信息可计算出n个样本定位初值点，时延误差的存在将导致这n个初值点随机分散在真实pd源的周围；各组合形式下4个传感器坐标sk(xk,yk,zk)和初值点p
ij
(x
ij
,y
ij
,z
ij
)连线段的中点坐标为：按样本顺序每m(n≥m≥2)个初值点为一组，构建待求pd源位置到样本分组内4m条直线段中点的距离和函数对该组样本值的寻优问题就是对上式进行极小值寻优；
36.s05)、采用卷积神经网络法对每组寻优目标函数进行全局搜索最小值d
min
，将上一步得到的解作为下一次优化的初值，重复s04)和s05)操作直至得到各传感器组合下的最优解pi(xi,yi,zi)，i＝1,2,
…
,
37.步骤s05)具体为包含以下五步操作：
38.s51)对网络进行权值的初始化；
39.s52)输入数据经过卷积层、下采样层、全连接层的向前传播得到输出值；
40.s53)求出网络的输出值与目标值之间的误差；
41.s54)误差大于期望值时，将误差传回网络，依次求得全连接层、下采样层、卷积层的误差，根据求得误差进行权值更新，回到第二步；
42.s55)当误差等于或小于期望值时，结束运算，输出全局最优解，将其视为所求pd源位置；
43.s06)、再次重复s04)和s05)操作，对各传感器组合下的最优解pi(xi,yi,zi)再次建立寻优目标函数，并采用卷积神经网络法求得最终全局最优解p(x,y,z)。
44.实施例
45.本实施例公开一种多特高频传感器组多样本信号逐次逼近求解方法，用于提高变压器局部放电源特高频定位准确性。考虑到单次定位结果精度低而多样本pd源估计值平均法精度也不够的问题，提出了一种多特高频传感器组多样本信号逐次逼近求解方法。
46.设置6路uhf传感器，基于逐次渐进的思想对由定位所得样本值与传感器阵列建立的寻优目标函数进行递归逼近处理，6路特高频传感器局部放电定位系统结构图如图3所示，具体求解具体步骤如下：
47.s01)、将uhf传感器阵列s0、s1、
…
、s5按每4个一组进行排列组合，共种组合形式；
48.s02)、通过uhf传感器阵列s0、s1、
…
、s5对同一位置pd源在不同时刻获取1组pd样本数据；
49.s03)、采用传统tdoa(time difference of arrival,到达时间差)定位算法估算出15种传感器组合下对应的定位初值；
50.s04)、求出15种传感器组合下对应的样本初值点与相应四个传感器位置连线段的中点坐标，按排列顺序每3个初值点为一组建立基于中线长度和的寻优目标函数(基于中线长度和建立寻优目标函数的逐次逼近定位原理如图3所示)；
51.s05)、采用卷积神经网络法对每组寻优目标函数进行全局搜索最小值d
min
，将上一步得到的解作为下一次优化的初值，重复s04)和s05)操作，得到最终全局最优解(分组运算时，不足3个数据则自成一组，分组计算过程如下表1所示)；
52.表1 6个多特高频传感器(15种分组组合)下的分组计算过程
[0053][0054]
最后说明的是，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。