一种基于麦克风阵列的GIS局部放电源定位系统

一种基于麦克风阵列的gis局部放电源定位系统
技术领域
1.本发明涉及gis局部放电故障诊断技术领域，涉及一种gis局部放电源定位系统和gis局部放电源定位方法。


背景技术：

2.局部放电是引起变压器绝缘故障的主要因素之一。确定局部放电性质是判断其绝缘故障严重程度的依据。因此，有效地在线识别局部放电模式对判断局部放电对变压器的危害程度是有帮助的。目前局部放电模式识别多数采用电脉冲法和气相色谱法。在电脉冲法中，由于现场存在的大量电磁干扰，使得电脉冲信号检测和处理都有困难，通常是在停电状态下采取大量的防干扰措施后进行，在线检测目前还很难进行。气相色谱法虽无电磁干扰问题，但该方法存在严重的滞后，只有在放电量达到一定程度、且放电一定时间以后才可以检测到所需信号。超声波法测量局部放电在目前技术条件下，有望实现在线检测及在线模式识别。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提出一种基于麦克风阵列的gis局部放电源定位系统和gis局部放电故障诊断方法，以解决如何准确快速地确定gis局部放电发生位置的问题。
4.本发明采取的技术方案如下：基于麦克风阵列的gis局部放电源定位系统，包含一套完备的信号采集装置，信号处理装置和一种gis局部放电故障诊断算法。信号采集装置包含由八个麦克风构成的圆形阵列，所述圆形阵列中心设有至少一个麦克风。麦克风阵列板安装于gis箱体外部，用于获取发生局部放电是的超声信号。优选地，其中所述麦克风阵列选用微机电系统(mems)麦克风，高度集成在pcb板上，可以节约成本并节省空间。信号处理装置包含若干模数转换(ad)模块，将所述麦克风阵列划分为两组麦克风，各麦克风组所采集的信号分别通过模数转换模块处理后输入信号处理装置中；滤波模块，用以对麦克风阵列采集的信号进行滤波，滤去低频噪声、高频噪声；信号增益模块，用以对麦克风阵列采集的信号进行放大。所述麦克风组，每组四个麦克风由一片pcm1864控制进行滤波、放大、模数转换。所述gis局部放电故障诊断算法，采用改进的uca-rn-music算法，相比于传统的uca-rb-music算法，改进uca-rb-music对于接受数据的协方差矩阵加权处理，其中权矢量的选取与期望信号的波达方向的角度有关。对加权处理后的矩阵toeplitz重构，再特征值分解，通过谱峰搜索估计信源的方位角与俯仰角。
附图说明
图1为本发明的原理结构示意图；
图2为本发明的声音采集装置的结构示意图。图3为本发明所选用的软件控制的滤波器的结构示意图。图4为本发明所选用的软件控制的混合器的原理示意图。图5为本发明的一种基于麦克风阵列的gis局部放电源定位系统的电源电路示意图。图6为本发明的一种基于麦克风阵列的gis局部放电源定位系统的变压电路示意图。图7 为本发明的改进算法流程图。图 8为本发明使用方法示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。如图1所示，在一具体实例中，一种基于麦克风阵列的gis局部放电源定位系统，包括信号采集装置、信号处理装置和一种gis局部放电故障诊断算法。所述信号采集装置，采用mems麦克风高度集成于麦克风板上，其频率响应为20-200khz，可以采集到gis发生局部放电时产生的超声波信号。麦克风阵列上麦克风分为两组，如图2所示，每组四个麦克风采集的数据分别由一个音频芯片pcm1864进行初步处理(滤波，放大，ad)后输入信号处理装置，转换后的数据经由ch1、ch2、ch3、ch4四adc通道传输。所述麦克风组，其时钟由板上一块大小为24.576mhz的晶振提供，其中一个芯片为主模式，另一个芯片为从模式，从模式的芯片时钟由主模式芯片提供。为获得还原度更高的声音信号，两片芯片的采样率设定为192khz，其中主模式芯片采样率由晶振直接分频而来，并且输出采样率、位时钟(bck)、左右时钟(lrck)至从模式芯片及处理器中。所述主从模式，要分别设置主从模式，主模式芯片寄存器32的值要设为00010001，从模式芯片设为00000001，即主模式为(p0，reg32，0x11)，从模式为(p0,reg32，0x01)。所述位时钟bck设置主模式芯片其与主时钟比值为1，即(p0,reg38，0x00)。所述采样率及lrck可由bck分频而来，设置主模式芯片为(p0,reg39，0xff)。所述滤波处理，pcm1864上有dsp1和dsp2两个不可定制可编程的固定功能处理器，如图3所示，可对其代码控制用于执行多种滤波、混合功能、信号检测和内务管理功能。设置该滤波器的通带范围为20khz至700khz，即滤去频率为20khz以下以及700khz以上的噪声声波。启用滤波器，且选择四通道处理模式，即(p0,reg113，0x10)。音频芯片pcm1864输出数字
信号到cpu使用i2s协议，为节约成本，节省麦克风阵列板上空间，如图4所示，开启dsp2的混合功能，将每个pcm1864芯片的四通道输出与i2s左右始终混合通过dout输出。为每个通道开启混合功能，寄存器2对应四个通道，即(p1，reg2，0x00)、(p1，reg2，0x01)、(p1，reg2，0x02)、(p1，reg2，0x03)分别设置寄存器4-6的值为101000000000000000000000，即(p1，reg4，0xa0)、(p1，reg5，0x00)、(p1，reg6，0x00)，重复此操作为四个通道分别开启混合功能。所述放大处理，pcm1864有一个两级可编程增益放大器(pga)，可以对采集的声音信号在模拟域进行粗略增益调整，在数字域进行精细增益调整，利用该配置，能够以更低的成本实现更智能的功能。其中模拟域增益设置为32db，数字域增益设置为4db，即寄存器1-4均设置为00100000单通道模拟域增益：(p0,reg1，0x40)、(p0,reg2，0x40)、(p0,reg3，0x40)、(p0,reg4，0x40)；寄存器15、22-24均设置为00110000单通道数字域增益：(p0,reg15，0x50)、(p0,reg22，0x50)、(p0,reg23，0x50)、(p0,reg24，0x50)。所述ad模块，选用四通道以tdm模式传输数据，启用两个数据引脚分别为dout1：ch1[l]、ch2[l]、ch1[r]、ch2[r]；dout2：ch1[l]、ch2[l]、ch1[r]、ch2[r]，配置寄存器12为00000001，即(p0，reg12，0x01)。所述信号处理装置，信号处理芯片选用tms320c6748芯片，该dsp为低功耗的32位处理器，作为cpu拥有高数字信号处理性能和精简指令计算机(risc)技术，其主频为456mhz。麦克风阵列板发送给cpu的数据通过i2s协议传输，cpu对麦克风阵列板的控制通过i2c协议传输。麦克风阵列板采集到的数据输入到数据处理系统中进行处理，数据处理系统的电源电路如图5所示，在为主芯片供电之前设置过压保护电路(ovp)保护芯片，ovp电路由一个三端并联稳压器和led灯组成，如果接入电压高于5.52v，led1会亮起并且两个p沟道mos管截止，起到保护芯片的作用。其中芯片工作电压为3.3v，故设置了变压电路如图6所示，由芯片tlv62565dbvt构成。所述gis局部放电故障诊断算法，本实例采用改进的uca-rb-music算法进行定位计算。相比于传统的uca-rb-music算法，在求得模式空间变换后的接收数据矩阵之后直接进行谱峰搜索，改进的uca-rb-music算法对其接受数据矩阵求得的协方差矩阵乘以与阵元期望信号波达方向的角度有关的权矢量，再对得到的矩阵进行toeplitz重构后谱峰搜索。引入波束空间权矢量w＝[w-k
,...,w0,...,wk]
t
(1)其中k为n为均匀圆阵中阵元的个数，为向下取整函数。其选取与期望信号波达方向角度θ有关，可以表示为w＝[e-jkθ
,e-j(k-1)θ
,...,1,...,e
j(k-1)θ
,e
jkθ
]
t
(2)将w作为权矢量，将其共轭转置之后与数据协方差矩阵r
l
相乘，得对行矢量rw进行toeplitz变换，得
此时再对矩阵进行特征分解得到的噪声子空间中的特征矢量，代入空间谱函数中，估计方位角和俯仰角，对于信号源的估计会更加准确。算法流程图如图7所示。本实例为模拟运行中的变压器放电系统，使用焊接的钢板模拟变压器箱体外壁，使用电火花发生器模拟变压器内部局部放电，模拟实验时，将麦克风阵列安装在钢板箱体外壁，为保证获得信噪比较高的超声声音信号，就要保证麦克风阵列与箱体外壁紧密耦合，避免出现空气间隙。安装麦克风阵列前，在箱体外壁和麦克风阵列上抹上优质黄油，再将阵列紧贴在箱体外壁上以保证耦合良好，如图8所示。实验中多次改变模拟局部放电源的位置，运用uca-rb-music算法计算局部放电源发生位置，实验结果显示定位效果良好。上述实例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种基于麦克风阵列的gis局部放电源定位系统，能够实现获取gis金属屏蔽箱内部的局部放电超声信号并确定发生局部放电的位置。上述局部放电源定位系统包括：信号采集装置，用于获取gis内部局部放电产生的超声信号，并转换为数字信号；信号处理装置，用于处理声音信号，计算产生局部放电的位置信息。2.根据权利要求1所述的信号采集装置，采用七个麦克风作均匀圆形，原点一个麦克风的八麦克风圆形阵列，麦克风阵列板上有两块音频芯片，每块芯片分别拥有四路音频adc接口，可采集四通道音频信号。3.一种gis局部放电故障诊断算法，相较于传统uca-rn-music算法，改进算法对信号源波达方向角度的估计更加准确。

技术总结
本发明提供了一种基于麦克风阵列的GIS局部放电源定位系统，能够实现获取GIS金属屏蔽箱内部的局部放电超声信号并确定发生局部放电的位置。上述局部放电源定位系统包括：信号采集装置，用于获取GIS内部局部放电产生的超声信号，并转换为数字信号；信号处理装置，用于处理声音信号，通过改进UCA-RB-MUSIC算法确定产生局部放电的位置信息(俯仰角、方位角)。方位角)。方位角)。


技术研发人员：吕艳玲 邵钰淳
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/10/8