广东电网有限责任公司东莞供电局 东莞 450001
摘要：多重信号分类（Multiple Signal Classification，MUSIC）算法是一种估计脉冲到达时间的算法。架空线路局部放电定位时接收到的局部放电信号通常含有大量噪声，为了准确估计放电信号的到达时间以提定位结果的准确性，对MUSIC算法进行了研究。并利用MATLAB软件对MUSIC算法进行仿真，分别在不同脉冲形状、是否染噪以及染噪程度等情况下对MUSIC算法的稳定性与准确性进行分析。最后针对MUSIC算法在架空线路局部放电定位中的应用进行了实验，通过架空线路局部放电定位所测数值和实际数值进行对比，验证了MUSIC算法的稳定性和准确性。
关键词：MUSIC算法；架空线路；局部放电；到达时间；反射波
Application of MUSIC Algorithm in Overhead Line Partial Discharge Location
（Guangdong Power Supply Bureau of Dongguan Power Grid Co.，Ltd.Dongguan 450001 China）
Abstract Multiple signal Classification（Multiple Signal Classification，MUSIC）algorithm is an algorithm to estimate the time of arrival of the pulse.The reflected pulse when overhead line partial discharge detects contain usually a lot of noise.In order to accurately estimate the time of arrival of the reflected pulse to improve the accuracy of the radar level meter MUSIC algorithm is studied.And using MATLAB software MUSIC algorithm simulation is performed at different pulse shapes and different signal-to-noise ratio to analyze the stability and accuracy of the MUSIC algorithm.Finally，application of MUSIC algorithm in radar level meter has been tested，by comparing the value of the radar level meter and the actual value to verify the stability and accuracy of the MUSIC algorithm.
keywords：MUSIC algorithm，overhead line，partial discharge，time of arrival，reflected pulse
1 引言
在我国城市郊区及广大农村地区，配电电网中的架空线路穿行于城市道路旁或树林农田间。线路电杆上的绝缘子劣化、线路与树枝的摩擦和接触等导致架空导线中会逐渐产生异常放电/局部放电，这些放电点会降低线路的绝缘水平，最终导致相间短路、相间对地短路，造成供电中断。如何及时发现并排除线路上的这类隐患，提高配电线路的运行和管理水平，多年来一直是运行维护的难题。
架空线路局部放电检测时会产生对于局部放电发射脉冲到达时间估计不准确的问题，影响了定位精度。因此，准确估计反射波的到达时间一直是人们研究和解决的热点问题之一。
估计反射波的到达时间主要从算法方面解决。文献[1]介绍了用小波变换的方法对信号进行去噪从而更好地识别信号，文献[2]对能量准则法、Akaike信息准则法和质心法进行了介绍，并对以上几种方法对信号到达时间的估计进行了对比，文献[3]介绍了MUSIC算法的原理，并用MUSIC算法估计信号的波达方向，文献[4]对MUSIC算法进行了改进并用之估计信号到达时间从而对电缆的局部放电进行定位，文献[5]提出了实值MUSIC 谐波频谱分析方法，改善了谐波参数的分析精度，文献[6]提出一种改进的MUSIC方法来提取异步电机转子故障特征频率分量，凸显出了故障频率等其他次分量的谱峰，文献[7]提出了用基于滑动窗的阈值去噪算法对信号进行去噪，文献[8]提出用相位差法估计信号的到达时间。目前尚未有文献研究MUSIC算法在架空线路局部放电定位对于反射波到达时刻的判定方面的应用。
本文从算法方面估计反射波的到达时间，提出了准确估计反射波到达时间的MUSIC算法。该算法对反射波的到达时间进行准确估计。本文利用MATLAB软件编制了MUSIC算法的程序，对不同脉冲的到达时间进行了仿真，并与其它算法进行了对比，得到了各个算法对反射波到达时刻的判断。最后通过实验验证了本文所提MUSIC算法的有效性和仿真结果的正确性。
2 MUSIC算法原理
标准 MUSIC 算法的基本原理是将阵列输出数据的协方差矩阵进行特征分解，从而得到与信号分量相对应的信号子空间和与信号分量正交的噪声子空间，然后利用这两个子空间的正交性来估计信号的到达时间。
其中个较大的特征值对应于信号，个较小的特征值对应于噪声。矩阵的属于这些特征值的特征向量也分别对应于信号和噪声，因此，可以把的特征值（特征向量）划分为信号特征值（特征向量）与噪声特征值（特征向量）。
但是信号长度的值如何估计，就要用到相关准则。估计信号长度的准则有两种：AIC准则和MDL准则[11]。理论证明，MDL准则可以产生信号长度的一致估计，而AIC准则产生非一致估计，倾向于对信号长度作出过高估计。因此，采用MDL准则。
3 波前时刻确定算法的仿真研究
对于波前时刻确定算法的仿真主要从脉冲形状对波前时刻的影响和加入不同功率的噪声对波前时刻的影响两个方面进行研究。
3.1 脉冲形状对波前时刻的影响
分别产生正弦脉冲和方波脉冲，脉冲的真实到达时刻为采样点1000处。在MATLAB中采用awgn函数给上述波形注入信噪比为-1dB的高斯白噪声信号，两种脉冲形状各算法提取的波前时刻如表1所示。图2、图3分别为四种波前时刻提取算法对正弦脉冲和方波脉冲的波前时刻提取结果，从图中可见，能量法和MUSIC法受噪声影响较小，精度较高。相比其他几种方法，质心法的计算精度最差。
3.2 加入不同功率的噪声对波前时刻的影响
对于不同的脉冲形状，在噪声水平不高的情况下，上述的算法均具有一定的准确性。但是，在架空线路局部放电检测现场，噪声干扰比较严重。因此向正弦脉冲施加不同的噪声功率，脉冲的真实到达时刻为1000，不同信噪比白噪声波前时刻如表所示。表中波前时刻误差为err=（tx-tr）/ tr，其中：tr为脉冲真实到达时间，tx为相应波前时刻算法计算的时刻。从表2中可见，在信噪比不超过-10dB的情况下，能量法和MUSIC尚且可以计算脉冲的到达时刻，但其他算法的误差已经超出合理范围。当信噪比继续增加，超过-20dB后，只有MUSIC算法能正确提取波前时刻。
4 结论
本文基于对MUSIC算法的原理分析，提出利用MUSIC算法来实际解决架空线路局部放电检测时对反射波到达时刻的判定，从而更精确地判断反射波的到达时刻。经过仿真结果和实验验证，该方法相比其他算法能更准确地判断发射波的到达时刻。该方法通过软件编程实现，算法比较简单，不需要再增加硬件，有效估计了反射波的到达时刻，提高了局部放电定位的准确性。
参考文献
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项目名称：10kV架空线路局部放电在线监测技术研究，项目编号GDZC-031920160302
论文作者:游效昌,魏金渠,钟树基,卢焕初
论文发表刊物:《电力技术》2016年第12期
论文发表时间:2017/3/1
标签：算法论文; 脉冲论文; 信号论文; 时刻论文; 噪声论文; 局部论文; 线路论文; 《电力技术》2016年第12期论文;