輸電線路故障聲源定位系統設計

李建業 李思毛 陳文棟 曹付勇 劉宏光

[摘? ? 要 ]考慮到傳統輸電線路故障聲源定位系統，在開發時沒有設計聲音采集傳感器，導致聲源定位點位與實際故障點位誤差大。為此，進行輸電線路故障聲源定位系統設計。在系統硬件方面，設計聲音采集傳感器，采用superlux ECM666B電容測試麥克風組成的四元麥克風陣列;設計型號為PXI-2589數字采集卡對數據進行采集。通過可視化主機，將數字采集卡采集到的聲音振動信息上傳至平臺，實現系統硬件設計;在系統軟件方面，首先進行輸電線路故障聲源數據的選取，對聲源進行時延估計，將OMS子系統中的告警信息列出;再通過輸電線路故障聲源數據的處理，利用輸電線路故障聲源定位區域判斷計算公式，得出輸電線路故障聲源定位點位，完成系統設計。經實例分析證明，設計的定位系統定位得到的聲源位置與實際故障點位更接近，具有更高的定位精度。

[關鍵詞]輸電線路;故障聲源;定位系統;定位點位

[中圖分類號]U226.8+1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）04–00–03

[Abstract]Considering the traditional fault sound source location system of transmission line， there is no sound acquisition sensor in the development， which leads to the large error between the sound source location and the actual fault point.Therefore， the sound source location system of transmission line fault is designed.In the aspect of system hardware， a sound acquisition sensor is designed， which adopts super lux In the aspect of system software， firstly， the sound source data of transmission line fault is selected， and the time delay of sound source is estimated The alarm information in OMS subsystem is listed; then through the processing of transmission line fault sound source data， using the calculation formula of transmission line fault sound source location area judgment， the transmission line fault sound source location point is obtained， and the system design is completed.The case analysis shows that the location of the sound source obtained by the positioning system is closer to the actual fault point， and has higher positioning accuracy.

[Keywords]transmission line; fault sound source; positioning system; positioning point

本項目針對淄博輸電電網可能出現的故障做提前預判，通過檢測故障發出的聲音的特點，定位故障點，并進行現場拍照，通過監控平臺查看故障情況。另外，通過對故障聲音的頻譜的特點，對故障類型進行確定。針對不同類型故障的聲音音程范圍的研究，對不同故障的聲音進行統計。對室外采集寬音域范圍的采集設備的研究，確保對現場周圍的聲音做好全部采集。研究聲音作為觸發源的設備定位算法，并將定位的位置進行地圖顯示。本文進行輸電線路故障聲源定位系統設計的預期目標是可以存儲各種故障聲音到服務器，作為故障類型判定的依據。在線路發生故障后，通過故障定位系統能盡快定位出產生故障位置，能夠做到迅速處理，減少搜尋故障的位置的時間。對輸電線路的監控更加全面。本文進行輸電線路故障聲源定位系統設計的創新點是增加了采用故障發生時發出的聲音，作為判定故障的一種方法。通過設備定位位置信息以及聲音傳播速度確定故障位置，并將故障位置在地圖上面顯示。

1 輸電線路故障聲源定位系統硬件設計

1.1 聲音采集傳感器

本文設計的輸電線路故障聲源定位系統硬件，通過設計故障聲音的采集設備，考慮在目前監拍裝置基礎上增加聲音采集傳感器。聲音采集傳感器采用superlux ECM666B電容測試麥克風組成的四元麥克風陣列，是一款專業的傳感器設備。頻率響應范圍為20～40Hz;靈敏度為（-30±1）dB，有效溫度范圍為-15～80 ℃，等效聲噪級未35dB，信噪比為105dB，以其自身優秀的性能參數，適用于輸電線路故障聲音采集方面。

1.2 數字采集卡

本文設計的數字采集卡型號為PXI-2589，能夠通過高精度的同步數據采集模塊采集聲音的振動信息。數字采集卡具備8路同步模擬輸入接口，具有6種增益設置，能夠采集225.3kS/s以上的聲音振動信息。與此同時，配置AC/DC耦合及IEPE條例，且支持與superlux ECM666B聲音采集傳感器的同步數據共享。

1.3 可視化主機

將數字采集卡采集到的聲音振動信息上傳至平臺，結合可視化主機的GPS定位位置，確定故障點的位置。在平臺上面，將故障點的位置，標注在地圖上面，并和監拍裝置做聯動拍照和聲光報警操作，當有聲音故障后，監拍裝置進行抓拍和聲光報警。將聲音采集傳感器內置于可視化主機中，采集的聲音數據由可視化主機上傳至系統平臺。對已經發生過故障的區域，做列表或者圖表統計，在地圖上面進行板塊式的標注，做到提醒巡線人員注意關注重點故障區域。

2 輸電線路故障聲源定位系統軟件設計

2.1 輸電線路故障聲源數據的選取

在對輸電線路故障聲源進行定位之前，本文將定位系統當中的OMS子系統結構作為原始聲源，實時發送的告警信息中，找出與輸電線路繼電保護故障聲源信號相關的信息進行匹配，從而對故障點位置的保護裝置內進行初級階段的判斷。通過麥克風陣列采集聲音信息，并對其進行預濾波處理，即利用背景頻譜測量設置閾值，然后開始進行端點檢測。如果系統判定沒有出現端點，則采集的信號在圖表顯示后自動刪除;如果判定有聲音信號端點，則開始執行定位程序：首先對信號進行小波門限降噪，過濾掉部分與可用信號相互混疊的噪聲。對于兩路信號求互功率譜，經過加權和拉普拉斯反變換，得到兩路信號的廣義相關圖，在廣義相關圖中，峰值出現的時間即為兩路信號的延遲。再通過具體故障問題進行分析和調查，當故障發生時，對聲源進行時延估計，此時將OMS子系統中的告警信息列出，并將其與通信告警信號對應的信息一一對應。在完成對定位系統中故障路徑的分析后，更加準確地識別出故障問題發生的具體區域。

2.2 輸電線路故障聲源數據的處理

在完成對輸電線路故障聲源數據的選取后，定位系統中的各個子系統中的數據源還需要進行結構化處理。針對不同的數據信息類型，在設置相應的數據庫時，應當進行統一的存儲和管理，再將多項數據進行統一的建模。對于數據源的結構化處理，首先，需要按照存放數據信息的規則將其進行統一放置，再針對當前數據源中的非結構化數據，應當對其原始文件進行解析，并將原始信息提取展開后續的存儲工作。根據定位系統各個子系統的數據源數據類型按照不同的故障主體進行統一的定位和組織，從而實現對其維度表以及事實表的設置，完成對定位系統輸入聲源數據的結構化處理。

2.3 輸電線路故障聲源定位區域判斷

完成對輸電線路故障聲源數據的處理后，當多條輸電線路的傳輸通道同時發出告警信號時，利用定位系統中的告警信號通道對應的名稱，調出在OMS子系統當中對應的聲源的具體路由走向，并形成一組萬丈的路由連接拓撲結構，利用大數據分析技術，對該路由拓撲進行分析。根據定位系統中各個故障聲源通道的告警信號特征，當輸電線路發生故障問題時，處于故障中的設備會與該傳輸鏈路上與之相關的信息一同發出故障聲源告警信號。根據以聲音作為觸發源的設備定位算法，得出輸電線路故障聲源定位區域判斷計算公式。設輸電線路故障聲源定位區域為C，則其計算公式，如式（1）所示。

在式（1）中，k表示為輸電線路疑似故障的發生概率;t表示為輸電線路故障聲源信息的振動頻率;p表示為輸電線路故障聲源信息的估計時延。通過式（1）得出輸電線路故障聲源定位區域。除此之外，還可以通過找出對應輸電線路中路由連接拓撲結構的最多交匯點，即為輸電線路的具體發生故障位置，利用拓撲結構中的多條鏈路圍繞形成的區域為輸電線路出現故障問題的區域。在實際應用中，輸電線路的故障可能在路由連接拓撲結構的一個站點或一條線路上，所有連接線段表示為能夠實時發出故障聲源告警信號的通道，通常這一系數的選取范圍在0～1之間。在此范圍內進行定位，即可實現輸電線路故障聲源定位。

3 實例分析

3.1 實驗準備

選取某輸電線路作為實驗對象，根據輸電線路實際運行經驗，背景噪聲為30dB。設置輸電線路故障告警事件的時間間隔為5min，根據定位系統故障聲源數據維度獲取數據庫當中有關告警信息維度的所有數據信息，對輸電線路的故障進行定位。本次實驗在Matlab軟件平臺上進行，將本文提出的定位系統與傳統定位系統均采用相同的網絡環境以及設備參數，該實驗平臺在系統內存為IntelCore6-28064GB，操作系統為Windows2020.VS2018CPU，內置X2500中央處理器的實驗環境下進行。在輸電線路中選取坐標不同的6個故障點位，按照上述實驗環境，設置本文設計定位系統為實驗組，傳統定位系統為對照組，實驗內容為測試兩種定位系統下的聲源定位節點與實際故障節點的誤差，從而對比兩種定位系統在實際應用中的性能。

3.2 實驗結果與分析

根據上述設計的實驗步驟，采集6組聲源定位點位，將兩種定位系統下的聲源定位點位進行對比，故障定位點位對比結果，如表1所示。

從表1中可以看出，本文設計的定位系統定位得到的聲源位置與實際故障點位更接近，而對照組定位得到的聲源位置與實際故障點位相差較遠，因此，通過實驗證明，本文提出的定位系統具有更高的定位精度，能夠實現輸電線路故障聲源精準定位。

4 結語

考慮到輸電線路故障聲源定位愈發受到重視，輸電線路故障聲源定位系統經歷了從起步到快速發展的階段。因此，本文對輸電線路故障聲源定位系統的優化設計是十分必要的，通過實例分析證明設計的定位系統是具有現實意義的，能夠為輸電線路故障聲源定位提供理論支持，保證輸電線路的正常運行。但本文唯一不足之處在于，沒有對輸電線路故障聲源定位系統的近場聲源模型進行深入分析，相信這一點，可以作為輸電線路故障聲源定位系統設計領域日后的研究內容之一。

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