基于时频域分析变压器局部放电信号接收器位置设计方法

技术领域

本发明涉及电气设备状态监测技术领域，尤其是涉及一种基于时频域分析变压器局部放电信号接收器位置设计方法。

背景技术

电力是国计民生的基础产业，电力的可靠供应事关国家安全战略和经济社会发展全局，“十四五”时期，电力工业将坚持以推动电力高质量发展为主题，而变压器是高压变电站电力系统中至关重要的设备,变压器是否能够稳定的工作决定着电力的稳定可靠传输。因此确保变电站中的电力变压器的安全稳定运行、及时发现并检测定位变压器的内部安全隐患具有十分重要的意义。

局部放电的发生伴随着电荷的中和，并产生电流脉冲，从而激发电磁辐射。近年来，国内外多家科研机构和厂商对变压器局部放电技术展开了深入的研究，并取得了较大的进展。根据局部放电所表现出来的特征，局部放电的检测定位方法主要有脉冲电流法、超声波分析定位法、油色谱法和特高频分析定位法、红外热成像定位法等。超高频法的检测频带通常在300MHz-3GHz，它是通过微波天线来接收局部放电激发出的超高频电磁波信号，从而对放电进行检测和定位的。由于外部电晕等脉冲干扰的频率一般不超过300MHz，而且超高频天线大多安装在变压器箱体的内部，因此局部放电超高频检测法能够有效屏蔽变电站内电晕以及外界其他电磁干扰的影响，使这一方法具有较高的检测灵敏度和抗干扰能力。国际电工委员会于2016年制定了局部放电超高频法的检测标准IEC62478，该方法被越来越广泛地应用于变压器局部放电的在线监测。

然而，目前基于真型变压器的局部放电超高频信号传播特性研究较少，对电磁波在变压器中的传播特性和规律了解得不够充分；局部放电电磁传播仿真建模方法较为单一且没有得到充分的验证；信号接收端的安装位置缺乏参考依据。这些问题制约了超高频局部放电检测技术在变压器上的良好应用。

基于此，本发明提供了一种基于时频域分析的变压器局部放电信号接收器位置设计方法。针对变压器局部放电超高频信号的传播特性、电磁传播仿真建模以及进行了深入的研究。通过仿真软件HFSS，尽可能模拟电磁波在箱体内的传播路径，对信号接收端的放置位置提供理论优化依据，对实际运行中变压器超高频电磁信号的在线状态监测以及局部放电源的定位具有重要指导意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于时频域分析变压器局部放电信号接收器位置设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于时频域分析变压器局部放电信号接收器位置设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：于仿真软件中构建变压器模型，并进行自适应网格划分；

步骤2：设置局部放电信号源和积分线后进行频域仿真；

步骤3：根据频域仿真结果，进行第一步选择，设置信号接收端位置；

步骤4：设置信号源相关参数后进行时域仿真；

步骤5：根据时域仿真结果，再次优化并最终得到信号接收端位置方位。

进一步地，所述的步骤1中的变压器模型根据不同等级的变压器搭建，其箱体以及有源部分的物理尺寸，依据各个部分的材质对应进行设置，其中，所述有源部分包括铁芯和绕组。

进一步地，所述的步骤2中的局部放电信号源，根据实际局部放电可能发生的位置来设置模拟放电源的类型、位置、脉冲宽度及频率范围。

进一步地，所述的步骤2中的积分线设置于变压器模型对应箱体的箱侧壁上两两互相垂直的方向位置处。

进一步地，所述的步骤3包括以下分步骤：

步骤301：由频域仿真所得到的电磁波信号图，通过信号幅值、电场强度、磁通密度以及累积功率曲线，得到信号首波到达时间，分析同一局部放电源在不同位置下电磁波的衰减程度，或接收不同频段信号时的有效程度，或不同位置的局部放电源在同一位置下电磁波的衰减程度，接收不同频段信号时的有效程度；

步骤302：根据步骤301中频域结果分析，选择信号接收装置并设置于能够包含更多电磁波传输路径的位置，作为信号接收端位置。

进一步地，所述的步骤302中的信号接收装置为天线或传感器。

进一步地，所述的步骤4具体包括：设置频率范围、预设误差和预设仿真时间后进行时域仿真，得到所放置的信号接收端接收到的电磁波信号波形图。

进一步地，所述的步骤5具体包括：时域仿真结束后，比较接收到电磁波信号的振幅归一化后的大小以及接收信号时间，根据振幅越大，接收电磁波相隔的时间越明显，越适合放置信号接收端的原则对信号接收端位置和数量进行优化。

进一步地，所述的步骤1中的仿真软件采用CST软件或HFSS软件。

进一步地，所述的步骤2中的频域仿真所采用的方法为FEM频域有限元法，所述步骤4中的时域仿真所采用的方法为DGTD时域间断伽辽金法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)HFSS软件仿真平台，模拟变压器内电磁环境，应用FEM法求解，直接求得频域下电磁场的各项特性，相比其他用FFT转换时域结果，更具直接性和真实性；

(2)相比其他实验方法，直接自己选定信号接收端的位置，既有一定的随机性，或者在设置三维网格，在节点上设置几十的天线或传感器，也增加了仿真的难度，消耗计算机的内存；本发明通过先研究电磁波在不同方向的积分线上的变化，初步选择合适的信号接收端位置和数量，可以更加准确，并减少计算机工作量。

(3)本发明将时域和频域分析方法相结合，使得优化结果更为全面，准确，对提高定位精度会有一定的帮助。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一种基于时频域分析的变压器局部放电信号接收器位置设计方法的研究流程图；

图2为本发明一种基于时频域分析的变压器局部放电信号接收器位置设计方法的实施例1的流程框架图；

图3为本发明一种基于时频域分析的变压器局部放电信号接收器位置设计方法的在两两垂直的三个方向上设置距离间隔的示意图；

图4为本发明一种基于时频域分析的变压器局部放电信号接收器位置设计方法的设置信号接收端位置的俯视示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明所要解决的技术问题是针对目前对局部放电源的监测模块不够全面，信号接收端的位置放置没有理论支撑或不够优化，提出一种基于时频域分析的变压器局部放电信号接收器位置设计方法。基于HFSS中FEM以及FDTD两种求解模式，对时域和频域进行综合分析，得到变压器内部局部放电源的电磁波传播规律，对信号接收端方位进行优化，提高局部放电源的定位精度。

如图1所示，为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于时频域分析的变压器局部放电信号接收器位置设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据变压器内部结构，以及电磁波的传播特性，构建变压器模型，进行自适应网格划分；

步骤二：对仿真中的局部放电信号源进行设置，在箱体上，两两互相垂直的三个方向上划分距离间隔，设置积分线，应用频域有限元分析法运行仿真。

步骤三：获得变压器箱体内部电磁场分布图，得到积分线上电磁波能量随距离变化的曲线，对放置信号接收端进行第一步选择。

步骤四：设置信号源上升时间，进行时域仿真，到达预设仿真时间要求后得到各个信号接收端接收到的电磁波信号波形图；

步骤五：分析不同位置、方向下所得到的信号波形图，再次优化信号接收端的放置方位；

在步骤一中还包括如下步骤：

仿真时域以及频域求解器中进行，根据不同等级的变压器搭建模型，需要注意其箱体以及有源部分的物理尺寸，并依据各个部分的材质对应进行设置。考虑计算机的性能以及计算时间，对模型进行适当的简化。忽略绝缘纸等及一些细小的结构，考虑变压器内部有源部分的物理尺寸以及位置的影响，即铁芯和绕组。

在步骤二中对局部放电信号源的模拟，需要注意的是根据实际局部放电可能发生的位置来设置模拟放电源的类型、位置、脉冲宽度、频率范围。在箱侧壁上，在两两互相垂直的三个方向上，设置积分线。这样可以得到电磁波能量归一化后在积分线上随距离的变化。

在步骤三中，由于电磁波包含电场和磁场两个方面，分别用电场强度E和磁通密度B来表示其特性，依据麦克斯韦的电磁场理论，这两部分紧密相依。电磁场的场源随时间变化时，其电场和磁场互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波，且电磁波的行进伴随着功率的输送。由频域仿真所得到的的电磁波信号图，故通过信号幅值、电场强度、磁通密度以及累积功率曲线，得到信号首波到达时间，分析同一局部放电源在不同位置下电磁波的衰减程度，或接收不同频段信号时的有效程度。或不同位置的局部放电源在同一位置下电磁波的衰减程度，接收不同频段信号时的有效程度。

在步骤三中并根据以上频域中的结果分析，从而选择设置天线或传感器，能够包含越多电磁波传输路径的位置越好。

在步骤四中，得到所放置的信号接收端接收到的电磁波信号波形图之前，设置频率范围，预设误差，预设仿真时间。

在步骤五中，时域仿真结束后，比较接收到电磁波信号的振幅归一化后的大小以及接收信号时间，振幅越大，接收电磁波相隔的时间越明显，越适合放置信号接收端；对其的位置进行优化，选取恰当的数量以及位置。

一种基于时频域分析的变压器局部放电信号接收器位置设计方法：包括模型搭建、自适应网格划分、局放源以及仿真环境的设置、信号接收端方位的选择；还包括数据分析，总结出变压器内部局部放电源电磁波的传播特性；还包括优化信号接收端的位置和数量。

经过试用证明，采用本发明的方法后，可以有效地获得变压器内部电磁波的传播规律。对现场监测时监测位置的选取具有指导意义。并且一定程度上提高了定位的精度。

实施例1：

参见图2所示，为本发明研究变压器内部局部放电的电磁波传播路径的方法的实施例流程示意图，如图2所示，该实施例中的变压器局部放电的电磁波传播特性仿真方法包括以下步骤：

步骤S201：构建变压器的结构模型，现在常用的软件大多是CST(CST MICROWAVESTUDIO)或者HFSS来对变压器内部电磁环境进行仿真，在本例中，为HFSS。设置变压器的箱体部分和有源部分，例如铁芯、绕组部分，考虑其物理尺寸的同时选择相应的材料，即铁、铜以及设置相应的电导率等电气参数，并且设置边界条件。

步骤S202：以对偶极子天线作为模拟放电源为例，设置工作频率、脉宽、幅值等。并依照实际中局部放电可能发生的位置，来设置模拟放电源的位置。HFSS软件中频域分析法为频域有限元法(Finite Element Method，FEM)，它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中，它会将待求解区域行分割，离散成有限个元素的集合。元素(单元)的形状原则上是任意的。二维问题一般采用三角形单元或矩形单元，三维空间可采用四面体或多面体等，每个单元的顶点称为节点(或结点)。之后要进行单元分析，最后将求解近似变分方程，有限元法十分有效、通用性强、应用广泛，已有许多大型或专用程序系统供工程设计使用。

在两两垂直的三个方向上，一般采用xyz方向，设置积分线，比如每隔10cm、30cm、……等，如图3所示。

步骤S203：频域仿真结束后，可以对积分线上的电场强度、磁场强度的变化进行观察分析。开始仿真，得到局放源在变压器内部的电磁场分布情况，电场强度和磁通密度的大小随着距离的变化而变化的波形图，各个频率段的电磁波能量分布等，总结分析变压器内部电磁波的传播情况。

步骤S204：根据频域下的分析情况，对信号接收端，在此以天线为例，对天线的设置个数以及放置的位置进行第一步的选择，类似图4所示。

步骤S205：然后将此模型置于时域分析中，其中，时域有限差分法(FDTD)的基本思想是用中心差商代替场量对时间和空间的一阶偏微商,通过在时域的递推模拟波的传播过程,从而得出场分布；

时域间断伽辽金法(DGTD)，时域有限元法在求解每一个时间步时，都需要求解一个全局的方程组，因此有限元多用于求解频域问题。DGTD无须在每一个时间步求解全局方程组，可单独在每个单元中对麦克斯韦方程组积分，通过分界面上的数值通量来耦合相邻单元中的场。

两者均可，但在HFSS软件中，应用的是后者DGTD法。因此使用后者进行时域仿真。

步骤S206：达到预设仿真时间之后，可以得到各个天线获得的依据时间变化的电磁波波形，比较接收到电磁波信号的振幅归一化后的大小以及接收信号时间，优化天线或传感器位置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。