一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法技术

技术编号：42847316 阅读：9 留言：0更新日期：2024-09-27 17:16

本发明专利技术公开了一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，首先将原有的麦克风阵列随机分为同等数量的两部分，各自成像后进行相关性系数矩阵的计算；再将所有麦克风数据计算出的图像与相关性系数矩阵对应相乘得到去除伪影后的图像，从图像中可以大致看出声源的数量和位置，之后针对放电位置，加密划分网格后再次计算。这样可以加大声源处的计算精度，可以精确定位声源位置与声源的强度，同时相比于全局的高密度计算，减少了计算量，完成了快速的高分辨率的局部放电超声成像。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种结合超声技术检测电气设备局部放电的方法，具体是一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，属于电力信息数据处理。

技术介绍

1、绝缘缺陷是引起输电线路、变电站以及电缆接头等电气设备故障的主要原因之一。在电介质中的缺陷往往会导致局部放电(partial discharge，pd)现象，这可能引发火灾和断电等严重事故。因此，及时检测pd对于降低电力系统的维护成本和确保其稳定运行至关重要。

2、pd过程通常伴随着多种物理和化学现象，包括电磁波辐射、超声波发射和臭氧气体的释放等。研究和实验表明，pd产生的超声波与其电学过程密切相关。设备正常工作时，发射的超声波信号通常呈现为类似于加在设备上的交变电压的正弦波形，而当设备的绝缘性能下降时，pd的产生会导致发射的超声信号出现突变和异常峰值。超声信号的特征与局部放电的类型密切相关，可以利用超声波来检测并定位局部放电。

3、超声波是在20000hz以上频率的声波，超声波可以用于成像，超声成像有许多用途，比如：在机械中，对于飞机等精密的物体进行微小裂纹检测，可以寻找其中的缺陷；在医学中，可以实时观测体内血液的流动等。在局部放电检测的领域，为实现对于放电位置形状大小的精确测量，需要对于声源定位算法进行优化以实现高分辨率的声源定位。

4、对于局部放电位置精确定位需要在空间划分网格后，逐点进行波束合成(beamforming)算法，波束合成是通过对不同麦克风接收到的信号进行延时补偿，从而减少能量浪费，提升信号强度，精确计算出该点的声强大小。</p>

5、相比于红外检测和超高频电磁波检测等方法，通过超声波检测并定位pd具有非侵入性和抗电磁干扰等优点。这是通过波束合成(beamforming)算法实现的。然而，常规的检测方法受限于计算的速度，只能采取低密度的网格，同时存在伪影的影响，所以只能对于放电位置进行大致估计，无法实现对于放电位置和强度的精确测量，同时由于计算量大，无法实现实时成像。

技术实现思路

1、针对以上问题，本专利技术提出了一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，来提高在局部放电时对于放电位置及其强度的精确检测，同时减少了计算量，为实时成像提供了可能。

2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其包括如下步骤：

3、s1，进行一次局部放电超声信号的采集；

4、s2，将麦克风阵列接收到的数据随机分为两部分，分别以其中一半麦克风采集到的数据由mvdr波束成形算法进行稀疏网格的低分辨率成像，得到两张包含噪声和伪影的半阵列数据低分辨率声压分布图；

5、s3，将两张半阵列数据低分辨率声压分布图结合阈值函数进行相关性系数矩阵的计算；

6、s4，利用全部的麦克风收集到的数据由mvdr波束成形算法与低密度网格成像，得到夹杂了噪声和伪影的全阵列数据成像的低分辨率声压分布图；

7、s5，将夹杂了噪声和伪影的全阵列数据成像的低分辨率声压分布图与步骤s3计算获得的相关性系数矩阵逐点相乘得到去除噪声和伪影后的全阵列低分辨率声压分布图；

8、s6，利用去除噪声和伪影后的低分辨率声压分布图判断真实声源的位置后，针对声源位置处增加网格密度进行全阵列成像，即可准确判断出声源的个数、位置以及强度大小。

9、进一步的，所述步骤s1中，采集超声信号时，麦克风阵列与存在局部放电装置的位置之间的距离要满足远场近似，设麦克风阵列的阵列孔径为d，声源最高频率所对应的最小波长为λmin，l为声源到阵列中心的距离，当l>2d2/λmin时满足远场近似条件。

10、进一步的，所述步骤s1中，采集超声信号时，麦克风阵列与待测位置之间的距离大于远场距离，即l>lf,其中lf为远场距离，ltotal为麦克风阵列长度，λ为波长。

11、进一步的，所述步骤s2中，随机将麦克风阵列分为两部分并分别进行成像，采用低密度网格计算，即减少图片中波束合成的点数，以加快计算速度。

12、进一步的，所述步骤s3中，在处理间距小的声源时，更关注声源的位置和数量，相关性矩阵的构建采用门控的方式进行，以准确分辨声源的位置以及数量；当声源只有一个或间距大时，采用缓变的方式构建，保证声压分布图中声源的完整性。

13、更进一步的，相关性系数矩阵存在缓变和门控两种描绘方式：

14、

15、x＝|w1/(ε+|(w1-w2)|)

16、或

17、

18、其中，c为相关性系数矩阵，w1和w2为对应的声压值矩阵；ε为一个为保证计算稳定性的微小量，取10-30即可；在实际问题中，根据不同情况，选择不同的相关性系数矩阵的计算方式即可。

19、进一步的，所述步骤s6中，针对去除噪声和伪影后的低分辨率声压分布图中声强大的部分增大网格密度进行计算，保证计算速度的同时，分辨率也会得到提升，可以看出放电的精确位置和强度。

20、本专利技术的有益效果是：本专利技术的核心理念在于运用一次粗略扫描，一次精准扫描来精确定位放电位置的超声成像技术，同时结合两部分麦克风阵列的相关性系数矩阵，以减小伪影同时优化成像的速度，从而提高局部放电检测的准确性和稳定性。该方法的主要优势体现在可以去除伪影，精确又快速的寻找到局部放电的数量，同时得到放电位置及其强度。

21、本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。

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【技术保护点】

1.一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，采集超声信号时，麦克风阵列与存在局部放电装置的位置之间的距离要满足远场近似，设麦克风阵列的阵列孔径为D，声源最高频率所对应的最小波长为λmin，L为声源到阵列中心的距离，当L>2D2/λmin时满足远场近似条件。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，采集超声信号时，麦克风阵列与待测位置之间的距离大于远场距离，即其中lf为远场距离，ltotal为麦克风阵列长度，λ为波长。

4.根据权利要求1所述的一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，随机将麦克风阵列分为两部分并分别进行成像，采用低密度网格计算，即减少图片中波束合成的点数，以加快计算速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于，所述步骤

6.根据权利要求5所述的一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于，相关性系数矩阵存在缓变和门控两种描绘方式：

7.根据权利要求1所述的一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于，所述步骤S6中，针对去除噪声和伪影后的低分辨率声压分布图中声强大的部分增大网格密度进行计算，保证计算速度的同时，分辨率也会得到提升，可以看出放电的精确位置和强度。

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【技术特征摘要】

1.一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于，所述步骤s1中，采集超声信号时，麦克风阵列与存在局部放电装置的位置之间的距离要满足远场近似，设麦克风阵列的阵列孔径为d，声源最高频率所对应的最小波长为λmin，l为声源到阵列中心的距离，当l>2d2/λmin时满足远场近似条件。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于，所述步骤s1中，采集超声信号时，麦克风阵列与待测位置之间的距离大于远场距离，即其中lf为远场距离，ltotal为麦克风阵列长度，λ为波长。

4.根据权利要求1所述的一种基于阈值函数与变密度网格的局部放电超声检测方法，其特征在于，所述步骤s2中，随机将麦克风阵列分为两...

【专利技术属性】
技术研发人员：屠娟，李从奥，陈双辉，薛洪惠，章东，张一，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：

全部详细技术资料下载我是这个专利的主人