电气设备局部放电超声阵列定位

《电气设备局部放电超声阵列定位》可供电力行业或其他行业的动力部门从事电力设备、运行、维护及试验人员阅读，也可作为高等学校电气工程及其自动化等专业本科生或研究生的选修课教材。 

电气设备局部放电超声阵列定位是高压电器设备故障检测的重要手段。采用超声阵列传感器接收局部放电所产生的超声信号，对接收到的信号采用阵列处理技术可以实现对局部放电超声信号的去噪、聚焦、局部放电源个数估计、信号波达方向估计以及局部放电源的定位等。该方法的检测成功率和定位精度较高，具有很好的发展前景。本书共分为6章，主要内容包括单局部放电源的测向与定位、多局部放电源的测向与定位、超声阵列信号的去噪、实验研究、传感器阵列的优化设计等。本书全面介绍局部放电超声阵列定位经典理论的同时，引入了*的科研成果（如FastDOA测向方法、基追踪去噪等），同时介绍了阵列传感器的研制及阵列的稀疏优化设计等内容。

谢庆，现担任华北电力大学电力工程系电工教研室副主任、党支部书记、硕士研究生导师，新能源与电力系统国家重点实验室、输变电设备及防御河北省重点实验室、电工实验河北省示范中心青年骨干成员。

前言第1章 概述 11.1 电气设备局部放电定位检测的重要意义 1 1.2 电气设备局部放电定位的主要方法 2 1.2.1 电气定位法 21.2.2 光定位法 31.2.3 X射线激励定位法 31.2.4 红外检测法 31.2.5 无线电干扰电压法 41.2.6 化学检测法 41.2.7 超高频定位法 41.2.8 超声波定位法 51.3 阵列信号处理技术 7 1.3.1 阵列信号处理技术的兴起与发展 71.3.2 阵列信号的数学模型 81.3.3 阵列传感器简介 101.3.4 阵列信号处理算法 14第 2 章 单局放源的超声阵列测向与定位方法 162.1 窄带阵列信号测向原理及基本算法 16 2.1.1 测向原理 162.1.2延迟—相加法 172.1.3 Capon小方差法 182.1.4 MUSIC算法 192.1.5求根MUSIC算法 202.1.6 ESPRIT算法 21 2.1.7 基于稀疏分解的DOA估计算法 222.1.8 FastDOA算法 242.1.9改进FastDOA算法 252.2 基于圆环阵的窄带局放超声阵列信号测向 26 2.2.1 相位模式激励算法的原理 262.2.2 基于改进FastDOA的圆环局放超声信号测向仿真研究 272.3 宽带局放超声阵列信号聚焦 30 2.3.1 聚焦的必要性分析 302.3.2 聚焦处理的原理及算法 302.3.3 RSS算法应用于宽带局放超声阵列信号测向研究 382.3.4 CF算法应用于宽带局放超声阵列信号测向研究 402.4 单局放源的超声阵列定位方法 42 2.4.1 基于双平台测向线交叉原理的局放超声几何定位算法 422.4.2 基于双平台异面直线公垂线中点原理的局放超声几何定位算法 452.4.3 基于多平台全局搜索原理的局放超声几何定位算法 462.4.4 基于测向线小切球球心原理的局放超声几何定位算法 482.4.5 仿真研究 49第 3 章 多局放源的超声阵列测向定位方法 513.1 局放源的个数辨识方法 51 3.1.1 必要性分析 513.1.2 信号源个数辨识方法 513.1.3 仿真研究 573.2 多局放源定位方法 59 3.2.1 定位原理 593.2.2 仿真研究 60第 4 章 局部放电超声阵列信号去噪方法 624.1 局部放电信号去噪的研究现状 62 4.1.1 单通道局部放电超声信号的去噪方法研究现状 624.1.2 局部放电超声阵列信号的去噪方法研究现状 634.2 局部放电超声波信号的去噪性能评价 64 4.2.1 基于源信号波形相似性的评价方法 64 4.2.2 基于阵列流型相位差畸变的评价方法 654.2.3 基于阵列观测信号信噪比的评价方法 664.3 基于独立分量分析的局部放电超声阵列信号去噪方法 67 4.3.1 独立分量分析的基本理论 674.3.2 基于快速独立分量分析的去噪仿真研究 694.3.3 基于参考独立分量分析的去噪仿真研究 764.4 基于稀疏分解理论的局部放电超声阵列信号去噪方法 82 4.4.1 稀疏分解理论基本知识 824.4.2 过完备原子库 844.4.3 基于基追踪算法的去噪仿真研究 854.4.4 基于匹配追踪算法的去噪仿真研究 904.5 分析比较 95 第 5 章 基于圆环形超声阵列的局放定位实验系统及实验研究 975.1 圆环形超声阵列传感器阵元的设计、研制与性能测试 97 5.1.1 圆环形局部放电超声阵列传感器阵元的设计与研制 975.1.2 局部放电超声阵列传感器阵元的性能测试 1025.2 超声阵列传感器装配体的设计与研制 105 5.2.1 超声阵列传感器装配体的原理及优点 1065.2.2 圆环形超声阵列传感器装配体的设计与研制 1065.3 圆环形超声阵列传感器 108 5.4 实验系统简介 108 5.4.1 硬件系统 1085.4.2 软件系统 1115.5 实验研究 114 5.5.1 单局部放电源超声阵列定位实验 1145.5.2 多局部放电源超声阵列定位实验 1245.5.3 误差分析 131第 6 章 局部放电超声阵列传感器的优化设计 1326.1简介132 6.1.1 局部放电超声阵列传感器优化设计的目的及意义 1326.1.2 局部放电超声阵列传感器稀疏设计的可行性分析 133 6.2 局部放电超声阵列传感器声学性能定量评价方法 134 6.2.1 多类型阵列传感器指向性函数的推导 1346.2.2 三维指向性图的定性分析 1376.2.3 局部放电超声阵列传感器声学性能的定量评价 1396.2.4 仿真研究 1436.2.5 实验验证 1466.3 基于声学性能定量评价的局部放电超声阵列传感器稀疏设计 154 6.3.1 各种阵列传感器在不同稀疏结构下的指向性函数表达式 1546.3.2 混沌猴群算法原理简介 1556.3.3 局部放电超声阵列传感器的稀疏设计方法步骤 1576.3.4 不同阵列结构相同阵元个数下稀疏结构的确定 1576.3.5 仿真研究 1596.3.6 实验验证 163参考文献 169索引

局部放电是造成电气设备绝缘劣化的主要原因。绝缘劣化程度不仅取决于局部放电类型、放电源个数、放电能量大小，而且还与放电位置密切相关，因此十分有必要对其内部的放电源位置进行检测。电气设备局部放电定位可以有效防止因设备停电而造成的巨大损失，具有重大理论意义与工程实用价值。局部放电超声阵列定位检测方法是将阵列传感器与阵列信号处理技术应用于局部放电超声检测中的一种新方法，其基本原理是利用阵列传感器接收电气设备局部放电超声信号，采用阵列信号处理技术实现波达方向估计和空间定位，该方法的检测成功率和定位精度较高，具有很好的发展前景。本书作者从事电气设备局部放电超声检测的研究有二十余年，从事电气设备局部放电超声阵列检测的研究有十余年，全书内容是多年来研究工作的总结与提升。本书较为全面、系统地介绍了电气设备局部放电超声阵列检测的相关理论和方法，详细介绍了当前领域的研究现状及典型算法，给出了大量的定性分析及定量计算。全书分为6章，第1章概述，回顾了传统局部放电定位的主要方法，在此基础上引出了超声阵列定位方法，并详细介绍了超声阵列定位的原理与算法。第2章侧重于单个局部放电源的定位方法研究。首先介绍了传统窄带阵列信号测向原理及基本算法（如MUSIC算法、FastDOA算法等），并基于圆环阵采用改进FastDOA算法对窄带信号进行测向的仿真研究。然后介绍了宽带信号的聚焦必要性及常用的聚焦方法，后详细给出了几种超声阵列几何定位方法并进行了仿真分析。第3章将局部放电源的超声阵列定位从单局部放电源延伸到多局部放电源。首先介绍了多种局部放电超声阵列信号个数辨识的方法，然后开展了多局部放电源的测向及定位研究。第4章介绍了局部放电超声阵列信号的去噪方法。首先简述了超声阵列信号去噪方法的研究现状，然后介绍了多种去噪性能定量评价指标。后具体介绍了基于独立分量分析和基于稀疏分解理论的两种去噪方法，并进行了仿真分析。第5章介绍了电气设备局部放电超声阵列定位实验平台并对定位方法进行了实验研究。首先研制了圆环形超声阵列传感器用于接收局部放电超声信号，然后分别对单局部放电源和多局部放电源的情况进行了定位实验研究。第6章是局放超声阵列传感器的优化设计。简述了稀疏设计的必要性及可行性，同时提出了局放阵列传感器的声学性能评价方法，研究了稀疏优化设计的方法并开展了相应的实验研究。本书集中介绍了电气设备局部放电超声阵列定位研究有关成果，汇集了目前该领域内的研究成果与进展。书中的许多理论及方法仅散见于各类文献，是编著者近年的科研成果，在公开出版的书籍中较少提及。此外，本书紧紧围绕局部放电超声阵列检测所涉及的领域进行了详细的理论分析和仿真与实验研究，文中所述方法都经过实验考证，可直接用于工程实践。本书主要由律方成教授、谢庆副教授负责撰写，李燕青教授、刘云鹏教授参与了部分工作，具体分工如下：律方成教授主要撰写了第1、6章，谢庆副教授主要撰写了第2、5章，李燕青教授主要撰写了第4章，刘云鹏教授主要撰写了第3章。本书出版得到了国家自然科学基金资助项目（51307060）、河北省自然科学基金项目（E2010001703）、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（09MG09、2014MS84）、新能源电力系统国家重点实验室开放基金资助项目（LAPS14011）、国家电网公司科技项目（kj2013-065）的资助，特此致谢。另外本书从构思到成稿的整个过程得到了中国电力科学研究院教授级高工阎春雨，保定天威集团有限公司教授级高工张喜乐的帮助与指导，在此表示由衷的感谢。感谢华北电力大学高压研究所的各位同仁对课题研究提供的支持与帮助。同时感谢华北电力大学程述一博士，李通、陶珺函、刘丹等研究生在相关研究以及书稿的整理中做出的努力。书中吸纳了课题组的研究成果，并参考了诸多专家学者的成果，不能一一列举，在此一并致谢。由于超声阵列定位检测技术发展迅速，加上作者水平有限，书中难免存在不妥与不足之处，敬请各位读者批评指正！