特高频局部放电测向的新方法：误差小、成本低、应用便捷

局部放电（PD）是变电站电力设备绝缘劣化的主要表征之一。对局部放电的监测与定位是设备绝缘故障预警的重要手段。目前变电站设备局部放电定位主要是基于特高频电磁波到达时间差法开展的。此方法需要极高采样率和时间同步精度，装置成本较高。

因此，上海交通大学电气工程系的研究人员吴凡、罗林根、王辉、盛戈皞、江秀臣，在2020年第12期《电工技术学报》上撰文，提出基于接收信号强度功率和最大似然估计的特高频局部放电测向方法。实验测试结果表明，该方法的平均测向误差小于7°，且成本更低、现场使用更加便捷。

局部放电（Partial Discharge, PD）是造成电力设备电介质老化、绝缘性能下降的重要原因之一，因此对电力设备局部放电的检测和定位是电力设备状态检修和维护的重要组成部分。现阶段对于局部放电的检测和定位，主要是运用特高频（Ultra-High Frequency, UHF）检测技术及特高频电磁波到达时间差法。但是特高频到达时间差法要求检测装置具有非常高的采样率和时间同步精度，成本居高不下。

近年来，国内外学者提出了基于接收信号强度（Received Signal Strength Indicator, RSSI）的局部放电定位技术。该方法具有成本低、环境适应好等优点，但是已有研究需要预先建立RSSI指纹库，才能对局部放电进行在线定位，现场实施工作量大，难以推广应用。

上海交通大学电气工程系的研究人员保留特高频检测和接收信号强度方法的优点，并针对以上问题，采用概率统计中最大似然估计方法，提出了一种基于接收信号强度功率和最大似然估计的局部放电测向方法。

其基本原理是通过特高频无线传感器阵列获取局部放电电磁波信号的功率强度数据，再根据特高频无线传感器自身的接收信号模型，结合最大似然估计方法来确定放电方向。最大似然估计是基于统计学中的概率模型，通过观察样本数值并利用系统的概率分布函数，来推断符合当前状态的最大概率的情况，从而得到测向结果。

不同于传统变电站局部放电特高频定位方法，研究人员提出的基于特高频无线传感器阵列的测向方法只需同步采集特高频局部放电信号检波后的功率，无需对特高频信号时域波形进行高速采样。

传感器结构如图1所示，其中传感器上层空间放置信号处理电路，下层空间放置印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）特高频天线。传感器下层空间的天线外部用可透电磁波材料封装，其余所有结构均为金属以屏蔽电磁信号。

具体地，研究人员将4个特高频无线传感器两两相背放置在一个平台上，将可透电磁波的一侧朝外，4个传感器的朝向分别间隔90°，形成如图2所示的传感器阵列。

图1  局部放电特高频无线传感器结构

图2  传感器阵列示意图

在局部放电测向之前，需对特高频无线传感器阵列建立接收信号模型。以特高频传感器阵列为圆心，在传感器阵列外围一圈平均划分18等份，选取18个测试点，入射方位角设为10°～350°，每个点方位角相差20°。

图3  无线传感器阵列的天线接收信号模型

利用标准放电源在每个点上进行多次放电，对每个传感器在同一个点上接收到的多个接收信号强度功率数值取平均值，得到传感器阵列接收功率信号数组。对数组进行归一化处理，得到该传感器阵列的天线接收信号模型，具体如图3所示。

图4  局部放电测向流程

图5  特高频局部放电测向系统实验示意图

图6  现场实验

整个局部放电定向过程如图4所示，测试现场对局部放电进行定向时，根据采集到的局部放电接收信号强度数值，利用最大似然估计和预先建立好的特高频天线接收信号模型来获得测向结果。

研究人员最后通过实验验证该方法，测试结果表明，该方法的平均测向误差小于7°，且成本更低、现场使用更加便捷。

研究人员最后指出：

• 1）利用特高频无线传感器阵列接收信号强度功率和最大似然估计的局部放电测向方法可实现对局部放电源的测向，实验室环境测试表明其精度与传统时差法类似。

• 2）对局部放电特高频RSSI数据的最大似然估计分析充分利用了特高频监测数据的统计特性及累积效应，可有效地给出局部放电源的测向结果。而插值和聚类分析的应用进一步提高了测向精度。

• 3）后续工作中将重点开展该系统的现场测试及多源局部放电源定向功能等工作。

以上研究成果发表在2020年第12期《电工技术学报》，论文标题为“基于接收信号强度功率和最大似然估计的特高频局部放电测向方法”，作者为吴凡、罗林根、王辉、盛戈皞、江秀臣。