（1. 国网安徽省电力公司电力科学研究院 安徽合肥 230022；2.国网安徽省电力公司 安徽合肥 230022）
摘要：某些类型的局部放电发生时，伴随超声波信号的产生，本文对GIS内超声波的传播规律进行论述，建立多通道定位模型和算法，并通过对局放所产生的超声波信号计时点算法的研究，实现自动搜索计时点并进行较精确的三维定位的目标。
关键词：GIS，超声波，三维定位
1.引言
局放发生时，在GIS内会产生电磁波、超声波、声、光、热等物理、化学现象，在设备运行状态下对局放进行检测、诊断时主要采用特高频法和超声波法[1-3]。若能够在检测到两种方法异常时，对信号源进行较精确的定位，将会增加对异常信号判断的准确率，并在进行计划停电时，做到有的放矢，达到缩短故障查找时间，提高检修效率的目的。
对于不同类型绝缘缺陷所产生的局放信号所呈现的特高频信号和超声波信号敏感度不同，且同时出现异常的情况比较少，因此，我们在进行定位时，最好的方法是利用多路传感器，采集其中一种信号进行三维定位，两种信号同时出现时可以分别定位相互印证。
本文将重点论述基于超声波信号的TDOA算法在GIS三维定位中的应用。
2. GIS内局放所引起的超声波信号的传播规律及定位过程
本文将以一个GIS罐体为目标对其内部的超声信号传播规律进行分析。局部放电发生时，因放电区域内分子间的剧烈撞击，会产生弹性应力波，我们可将局部放电源看作点脉冲声源，其以球面波的形式向四周传播，在柜内空气当中传播时，以纵波形式传播，而当超声波到达GIS金属外壳后，则会以纵波和横波形式传播。
1）进行定位时，一般采用4个及以上传感器放置在GIS某个罐体的一个面上，所采集到的局放信号由于包含干扰信息，因此首先需要对信号进行处理，通过带通滤波算法滤除存在的干扰信号；
2）然后，利用合适的时间窗对符合要求的脉冲信号进行选择，选择出各通道用于进行定位计算的信号；
3）接下来通过能量法或信息准则法对波形进行处理，找到局放脉冲信号的起始时刻，并获得最早到达信号与其它信号之间的时间差；
最后，将时间差输入到三维定位方程中进行计算，获得局放源所在的位置。
3.基于超声波信号的多通道局放源定位算法介绍
多点定位技术在算法实现上分为基于到达时间（TOA）的定位和基于到达时间差（TDOA）的定位。
基于到达时间（TOA）的定位算法在GIS定位时，一般采用一个传感器所获得的时间作为计时起点，再采用4个及以上超声波传感器获得超声波信号的到达时间，设局放点F（x,y,z），4个超声波传感器放置坐标分别
为A(xi,yi,zi)，其中i=1,2,3,4，可列方程： （1）
用泰勒级数最小二乘法解此方程即可得到定位结果，由于在实际应用中局放产生时，暂态地电压和超声波信号同时出现的数量非常少，因此，此方法使用的机会很少。
TDOA算法在电信业移动设备三维定位方面被广泛应用，该算法是一种比较成熟的算法，其构成的非线性方程有很多成熟高效的算法，包括直接泰勒级数展开、Chan算法等。
在进行TDOA定位时，以最先到达的传感器为参考，计算它与其它3个传感器之间信号到达的时间差，设各传感器的空间位置坐标为A(xi,yi,zi)，i=1,2,3,4，未知的局放源坐标为F(x,y,z)。若放电源到各传感器的传播时间为ti，则：
ti=/v （2）
以信号最先到达的传感器为基准，则其它参考传感器与参考传感器之间的时间差为：t1i=ti-t1。
进一步得到方程组：
-=vt1i （3）
上述方程是一个非线性方程，可通过泰勒级数最小二乘法即可求解。使用Matlab仿真结果如下表1：
由上述分析可以看出，能量法和信息准则法均具有较好的选择性。
5.定位效果分析
本文所采用的三维定位算法，其误差主要来源于以下几个部分：
1）超声波信号在GIS内以及在GIS金属外壳上进行传播时，由于在金属外壳上的传播速度远大于空气中的传播速度，而通过计算得出θc分别为3.26度、5.93度，因此在进行定位时不可避免的会存在等值速度方面的误差，该误差可以通过修正复合速度进行一定的修正。
2）进行超声波信号采集时，不可避免的会存在干扰信号，当出现较强干扰时上述两种计时点的算法均有可能影响计时的准确性。
3）TDOA三维定位方程在进行求解时，因所采用的计算方法不同，也存在不同程度的误差。
在进行超声波三维定位时，可采用更多通道相互映证或4通道不同位置进行综合定位，并对定位结果进行综合分析的方式来减小定位误差；同时，也可采用调整传感器位置、采用多次计算，对结果进行聚类分析、进行时间延迟补偿等方法可以在一定程度上减小误差。
6.总结
综上所述，由于在GIS小空间中对局放所产生的超声波信号进行定位，在采用较高采样率的情况下，基于TDOA的定位误差能够满足现场工程应用的要求。
参考文献：
[1]刘化龙，变压器局放超声检测和定位技术现状及发展.2014,(7):71-78.
论文作者:杨为1,李宾宾1,柯艳国2,田宇2,朱胜龙1
论文发表刊物:《电力设备》2016年第18期
论文发表时间:2016/11/29
标签：信号论文; 超声波论文; 算法论文; 传感器论文; 误差论文; 时间差论文; 方程论文; 《电力设备》2016年第18期论文;