基于RSSI指紋庫的變壓器局部放電定位

宋 文

（上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 201306）

目前，常用變壓器局部放電定位方法主要有電氣法、超聲波法和特高頻法（Ultra High Frequency，UHF）[1]。電氣定位法只能給出局部放電源電氣位置，而不能給出其空間位置，不便于檢修[2]。超聲波法利用變壓器局部放電時產生的超聲波信號，而超聲信號在變壓器內經過紙板、繞組等結構時會發生嚴重衰減，因此難以對變壓器繞組、鐵心等位置發生的局部放電進行定位[1]。變壓器局部放電產生的特高頻電磁波具有抗干擾能力強、靈敏度高和傳播速度快等優點，因此特高頻定位法成為國內外研究熱點[3]。

基于RSSI的指紋定位法是通過實際測量的信息特征量即特高頻電磁波信號強度來建立關于坐標的特征信息庫，然后輸入被測點特征信息進行模式匹配，從而獲得局部放電源位置，這種方法能夠較好地克服空間環境對于定位結果的影響[4]。本文首先陳述了RSSI指紋法在變壓器局部放電定位中的應用，以及基于廣義回歸神經網絡算法實現局部放電定位。然后利用設計的特高頻電磁波信號強度采集電路板和實驗室搭建的變壓器局部放電實驗平臺進行實驗，建立了實驗條件下的指紋庫。最后通過廣義回歸神經網絡（General Regression Neural Network，GRNN）算法進行定位，驗證了該方法的準確性。

1 算法概述

RSSI指紋法是一種場景分析法，其特征信息庫中包含了環境信息，因此可以減小環境對于定位精度的影響[4-5]。該方法主要分為離線采集階段和在線定位階段，在離線采集階段，通過設備采集到相應數據，建立包含信息特征的指紋庫，在線階段輸入被測點信息特征，進行模式匹配即可實現定位[5]。在離線階段，假設被測點Pi處發生局部放電，通過傳感器Aj測量到的特高頻電磁波信號強度可以表示為

其中：φij（t）表示第t次測量的特高頻電磁波信號強度，k表示測量次數。這樣通過m個傳感器測量n個局放電特高頻電磁波信號強度可生成被測區域RSSI指紋庫。

式中：ψ為第i個行向量ψi=[φi1，φi2，...，φim]就是m個傳感器測到的關于局放點Pi的RSSI指紋，即當Pi點發生局部放電時各個傳感器測到的特高頻電磁波信號強度。在離線階段建立了被測區域指紋庫后即可在線實現局部放電源定位。

當點Pi'處發生局部放電時，可以通過傳感器陣列測到相應特高頻電磁波信號的RSSI值ψi'=[φi1'，φi2'，...，φim']，即形成一組RSSI指紋。將該指紋與離線階段所建立的RSSI指紋庫ψ進行模式匹配，指紋庫中與ψi'最為接近的一組指紋所對應的位置坐標即為局放點Pi'坐標。

在上文所敘述的RSSI指紋基礎上，本文將采用廣義回歸神經網絡（GRNN）對變壓器局部放電進行定位。在離線階段利用采集到各測試點RSSI指紋和各測試點空間坐標對GRNN進行訓練，在線階段將測得的需要定位的局放源RSSI指紋輸入訓練好的GRNN，則可得到需要定位局放源坐標。

在線定位時，輸入測量到的4個RSSI數據后得到放電源坐標，整個定位過程如圖1所示。

圖1 定位流程圖

2 實驗驗證

2.1 RSSI指紋庫的建立

針對本文所提出的基于RSSI指紋庫變壓器局部放電定位方法，設計了一款用于采集特高頻電磁波信號強度的硬件電路板，如圖2所示。該電路板共有2個通道，可以同時接2個傳感器，利用FPGA采集傳感器接收到的特高頻電磁波信號，外擴2個SRAM作為數據存儲，通過FSMC并口連接STM32H750作為信號處理，再通過串口與上位機進行通信。對于特高頻信號前級處理部分主要包括帶通濾波、前級放大以及檢波3個部分。前級處理之后，信號經過阻抗匹配、單端轉雙端、程控放大之后，由AD9288進行采樣，并由并口輸出到FPGA中。

圖2 采集電路實物圖

實驗室模擬測試裝置如圖3所示，將變壓器繞組鐵心放置于不銹鋼箱體內部用于模擬變壓器內部復雜環境。整個箱體尺寸為：長43.6 cm，寬32.5 cm，高25 cm。將特高頻傳感器陣列安裝在箱體內壁，并在其內部均勻選取若干測試點進行局部放電模擬實驗，采集各局放點產生的特高頻電磁波信號強度。

圖3 模擬變壓器測試裝置

具體測試方案為：以箱體一個頂點為坐標原點建立直角坐標系，將4個特高頻傳感器分別布置在箱壁內側，在箱體內部均勻選取若干個測試點進行局部放電模擬實驗。使用模擬局部放電源在每個測試點放電10次，則4個傳感器所接收到的特高頻電磁波信號強度可以通過上文中RSSI采集電路板采集到并發送給上位機。整個信號采集系統如圖4所示，該系統由傳感器、RSSI采集電路板和上位機組成。由于每塊RSSI采集電路板只能連接兩路UHF傳感器，實際測試中需要2塊RSSI采集電路板。

圖4 信號采集系統

在圖3所示測試裝置中，選擇下部左上方頂點為坐標原點，建立直角坐標系，各傳感器位置坐標分別為（16，0，5）、（32.5，22，10）、（16，43.6，15）、（0，22，20）。在箱體內部無繞組區域均勻選取70個測試點，在箱體內放置的繞組匝間縫隙處選取9個測試點進行模擬局部放電實驗，每個測試點進行10次模擬局部放電實驗，各個傳感器得到RSSI并對其進行歸一化處理，其中1個傳感器獲得的電磁波信號強度構建出的RSSI指紋庫，如圖5所示。

圖5 RSSI指紋庫

2.2 定位結果

為了驗證上文所建立RSSI指紋庫有效性，在模擬測試裝置內部選取8個測試點進行定位實驗，所得各坐標定位結果如圖6所示。

圖6 定位結果

3 結論

本文提出了基于RSSI指紋庫的變壓器局部放電定位方法，設計了一款用于采集變壓器局部放電特高頻電磁波信號強度的電路板并構建了一套完整的信號采集系統，通過實驗室搭建的模擬變壓器局部放電實驗平臺驗證了該方法的有效性，從實驗結果得到以下結論：

（1）通過RSSI建立的指紋庫能夠較好地描述變壓器內部復雜的電磁環境；

（2）基于RSSI指紋庫的變壓器局部放電定位方法能夠較好地克服變壓器內部復雜環境的影響，實現變壓器局部放電源的準確定位。