基于RSSI指纹库的变压器局部放电定位

2022-04-16宋文

科技创新与应用 2022年9期

宋文

（上海电力大学电子与信息工程学院，上海 201306）

目前，常用变压器局部放电定位方法主要有电气法、超声波法和特高频法（Ultra High Frequency，UHF）[1]。电气定位法只能给出局部放电源电气位置，而不能给出其空间位置，不便于检修[2]。超声波法利用变压器局部放电时产生的超声波信号，而超声信号在变压器内经过纸板、绕组等结构时会发生严重衰减，因此难以对变压器绕组、铁心等位置发生的局部放电进行定位[1]。变压器局部放电产生的特高频电磁波具有抗干扰能力强、灵敏度高和传播速度快等优点，因此特高频定位法成为国内外研究热点[3]。

基于RSSI的指纹定位法是通过实际测量的信息特征量即特高频电磁波信号强度来建立关于坐标的特征信息库，然后输入被测点特征信息进行模式匹配，从而获得局部放电源位置，这种方法能够较好地克服空间环境对于定位结果的影响[4]。本文首先陈述了RSSI指纹法在变压器局部放电定位中的应用，以及基于广义回归神经网络算法实现局部放电定位。然后利用设计的特高频电磁波信号强度采集电路板和实验室搭建的变压器局部放电实验平台进行实验，建立了实验条件下的指纹库。最后通过广义回归神经网络（General Regression Neural Network，GRNN）算法进行定位，验证了该方法的准确性。

1 算法概述

RSSI指纹法是一种场景分析法，其特征信息库中包含了环境信息，因此可以减小环境对于定位精度的影响[4-5]。该方法主要分为离线采集阶段和在线定位阶段，在离线采集阶段，通过设备采集到相应数据，建立包含信息特征的指纹库，在线阶段输入被测点信息特征，进行模式匹配即可实现定位[5]。在离线阶段，假设被测点Pi处发生局部放电，通过传感器Aj测量到的特高频电磁波信号强度可以表示为

其中：φij（t）表示第t次测量的特高频电磁波信号强度，k表示测量次数。这样通过m个传感器测量n个局放电特高频电磁波信号强度可生成被测区域RSSI指纹库。

式中：ψ为第i个行向量ψi=[φi1，φi2，...，φim]就是m个传感器测到的关于局放点Pi的RSSI指纹，即当Pi点发生局部放电时各个传感器测到的特高频电磁波信号强度。在离线阶段建立了被测区域指纹库后即可在线实现局部放电源定位。

当点Pi'处发生局部放电时，可以通过传感器阵列测到相应特高频电磁波信号的RSSI值ψi'=[φi1'，φi2'，...，φim']，即形成一组RSSI指纹。将该指纹与离线阶段所建立的RSSI指纹库ψ进行模式匹配，指纹库中与ψi'最为接近的一组指纹所对应的位置坐标即为局放点Pi'坐标。

在上文所叙述的RSSI指纹基础上，本文将采用广义回归神经网络（GRNN）对变压器局部放电进行定位。在离线阶段利用采集到各测试点RSSI指纹和各测试点空间坐标对GRNN进行训练，在线阶段将测得的需要定位的局放源RSSI指纹输入训练好的GRNN，则可得到需要定位局放源坐标。

在线定位时，输入测量到的4个RSSI数据后得到放电源坐标，整个定位过程如图1所示。

图1 定位流程图

2 实验验证

2.1 RSSI指纹库的建立

针对本文所提出的基于RSSI指纹库变压器局部放电定位方法，设计了一款用于采集特高频电磁波信号强度的硬件电路板，如图2所示。该电路板共有2个通道，可以同时接2个传感器，利用FPGA采集传感器接收到的特高频电磁波信号，外扩2个SRAM作为数据存储，通过FSMC并口连接STM32H750作为信号处理，再通过串口与上位机进行通信。对于特高频信号前级处理部分主要包括带通滤波、前级放大以及检波3个部分。前级处理之后，信号经过阻抗匹配、单端转双端、程控放大之后，由AD9288进行采样，并由并口输出到FPGA中。

图2 采集电路实物图

实验室模拟测试装置如图3所示，将变压器绕组铁心放置于不锈钢箱体内部用于模拟变压器内部复杂环境。整个箱体尺寸为：长43.6 cm，宽32.5 cm，高25 cm。将特高频传感器阵列安装在箱体内壁，并在其内部均匀选取若干测试点进行局部放电模拟实验，采集各局放点产生的特高频电磁波信号强度。

图3 模拟变压器测试装置

具体测试方案为：以箱体一个顶点为坐标原点建立直角坐标系，将4个特高频传感器分别布置在箱壁内侧，在箱体内部均匀选取若干个测试点进行局部放电模拟实验。使用模拟局部放电源在每个测试点放电10次，则4个传感器所接收到的特高频电磁波信号强度可以通过上文中RSSI采集电路板采集到并发送给上位机。整个信号采集系统如图4所示，该系统由传感器、RSSI采集电路板和上位机组成。由于每块RSSI采集电路板只能连接两路UHF传感器，实际测试中需要2块RSSI采集电路板。

图4 信号采集系统

在图3所示测试装置中，选择下部左上方顶点为坐标原点，建立直角坐标系，各传感器位置坐标分别为（16，0，5）、（32.5，22，10）、（16，43.6，15）、（0，22，20）。在箱体内部无绕组区域均匀选取70个测试点，在箱体内放置的绕组匝间缝隙处选取9个测试点进行模拟局部放电实验，每个测试点进行10次模拟局部放电实验，各个传感器得到RSSI并对其进行归一化处理，其中1个传感器获得的电磁波信号强度构建出的RSSI指纹库，如图5所示。