基于聲學(xué)可視化的GIS擊穿定位系統(tǒng)研制及應(yīng)用

趙 科，馬徑坦，楊景剛，高 山，劉詠飛，王 梟

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院GIS設(shè)備運維檢修技術(shù)實驗室，江蘇南京 211100 ； 2.上海睿深電子科技有限公司，上海 200237)

0 引言

相比于傳統(tǒng)敞開式開關(guān)，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)憑借其安裝簡單、占地空間小、整體式模塊化、運行安全可靠等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)[1-2]。GIS設(shè)備由于制造工藝參差不齊、運輸過程中存在磕碰、現(xiàn)場安裝操作不當?shù)仍驎?dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)絕緣損傷，若不能及時排除上述缺陷，則缺陷會變?yōu)榉烹娡ǖ?，最終導(dǎo)致設(shè)備擊穿[3]，因而GIS在投入運行前需要對其進行交流耐壓試驗以保證設(shè)備的絕緣強度滿足使用標準。

主要的耐壓定位技術(shù)包括超聲波法、振動法、接地電流法[4]。隨著電壓等級的提升，站內(nèi)GIS設(shè)備的長度隨之增加，上述耐壓定位技術(shù)的接觸式檢測特點使得現(xiàn)場定位工作變得極為繁重；此外，登高作業(yè)也增加了現(xiàn)場安全風(fēng)險[5]。

GIS擊穿時，除絕緣強度發(fā)生變化以外還會輻射聲音信號，因此試驗人員可以聽聲辨位，但這種方法需要大量人力，并且還需要進行多次加壓試驗，通過人耳聽聲定位也極易受到主觀因素的影響，故而難以達到期望的定位效果[6-7]。

可聽聲信號通過空氣傳播，因此基于可聽聲的聲學(xué)定位方法通過非接觸方式布置傳感器，可與被測設(shè)備保持相互獨立，測量方式簡單高效，而基于傳聲器陣列的可視化定位技術(shù)則進一步地克服了單個傳聲器易受外界環(huán)境干擾、分辨率差的缺點，在航空航天、軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的聲學(xué)定位技術(shù)根據(jù)定位原理可將其分為3類[7]：首先是基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù)(Beamforming)[8-9]，它的基本原理是改變各傳聲器接收信號的權(quán)重來引導(dǎo)該波束導(dǎo)向聲源的可能位置，使得傳聲器陣列的輸出功率最大化，則功率最大化的方向即為目標聲源方向[10]。其次是高分辨率譜估計算法[11-15]，該算法對傳聲器陣列采集的信號進行譜估計計算，獲取2個相互獨立的信號子空間和噪聲子空間，利用噪聲子空間與目標聲源方向矢量的正交關(guān)系即可獲取聲源位置。最后是基于時延估計(time different of arrival，T-DOA)的定位算法[16]，根據(jù)傳聲器陣列的空間分布位置獲取聲源到達各陣元的聲延遲T-DOA，并以此計算聲源與各陣元的距離差，反推出期望聲源的位置。相較于T-DOA和Beamforming，譜估計法的定位精度更高，信號失真程度較小。譜估計法需要對數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進行分解獲取子空間，這要求信號是統(tǒng)計平穩(wěn)的，但實際情況下，數(shù)據(jù)包含了期望信號和背景噪聲，影響了聲學(xué)定位的精度。Beamforming包含了自適應(yīng)波束形成和常規(guī)波束形成，相較于前者，常規(guī)波束形成不受先驗知識的局限[17]，在算法穩(wěn)定性、計算效率等方面都表現(xiàn)出更好的性能，而基于常規(guī)波束形成的互功率譜波束形成方法通過求解掃描點的互功率譜，可以有效抑制現(xiàn)場噪聲，進而在低信噪比的情況下實現(xiàn)定位。

本文開展基于傳聲器陣列測試技術(shù)的GIS擊穿定位方法研究，采用互功率譜波束形成方法計算擊穿位置坐標，結(jié)合可見光圖像形成可視化定位結(jié)果，基于上述原理研制了聲學(xué)可視化GIS擊穿定位系統(tǒng)，并在現(xiàn)場進行了測試應(yīng)用，成功識別出了擊穿位置。

1 聲學(xué)可視化擊穿定位原理

1.1 波束形成原理

波束形成的本質(zhì)為空域濾波器，該方法通過設(shè)置一組濾波器加權(quán)向量，利用延時補償?shù)姆椒▽髀暺麝嚵懈麝囋敵鲂盘栠M行加權(quán)運算，形成聚焦方向，當聚焦方向指向?qū)嶋H聲源位置時即可取得最大輸出。由此可根據(jù)尋取輸出最大點的權(quán)重反推出聲源波達方向，獲取聲源位置。波束形成分為平面波和球面波，在實際的GIS擊穿定位檢測中，由于測點與GIS位置較遠，聲場模型為遠場模式，遠場波束形成原理如圖1所示。

圖1 遠場波束形成原理圖

假設(shè)傳聲器陣列中有n個陣元，在遠場有一聲源S，通過平面波的傳播方式，將聲信號輻射至各陣元，則有波束形成的輸出：

(1)

1.2 互功率譜聲學(xué)定位原理

在常規(guī)波束形成中，當陣列的聚焦方法與實際聲源位置保持一致時，輸出最大時形成主瓣，其余則形成旁瓣[18]，而旁瓣的存在對于聲成像結(jié)果影響很大。而互功率譜波束形成聲學(xué)定位可以有效抑制旁瓣，增加定位精度。對波束形成輸出求互功率譜：

(2)

式中Cni為陣元n與陣元i輸出信號的互相關(guān)矩陣，其表達式為

(3)

式(2)可以將互相關(guān)矩陣拆解為自功率譜項和互功率譜項相加的形式：

(4)

傳聲器陣列檢測到的信號包含了期望信號和噪聲信號，由于期望信號的一致性與噪聲信號的差異性，各陣元接收的期望信號具有較大的相關(guān)性，而噪聲信號間保持不相關(guān)性。式(4)中自譜項包含了期望信號與噪聲信號，而互譜項中不相關(guān)的噪聲相互抵消，僅保留期望信號的互功率譜，基于此可以剔除自譜項以減少不相關(guān)噪聲的影響，最終得到去自譜項的互功率譜輸出：

(5)

當延時向量τn與實際波達方向所對應(yīng)的延時向量相重合時，互功率譜波束形成輸出V′(τ,ω)，即達到最大值。

1.3 聲學(xué)可視化定位原理

聲學(xué)可視化定位技術(shù)，通過測量得到麥克風(fēng)陣列中各陣元的相位差異，依據(jù)互功率譜聲學(xué)定位原理，進而得到該空間中的聲源位置及聲壓強度分布，形成待測對象基準發(fā)射面二維波束等高線圖譜，其中等高線的顏色和亮度代表聲源的強弱。同時記錄測量時的可見光圖像，通過坐標系的映射關(guān)系，將二維波束等高線圖譜中的每個坐標點與照片中的像素點相對應(yīng)，進行視聽融合，形成聲學(xué)可視化結(jié)果，如圖2所示。該技術(shù)將一維抽象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像形式，直觀、實時展示出來，更加有效地顯示聲學(xué)信息和檢測對象之間的時空間分布、組合和聯(lián)系，有利于發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律。

圖2 聲學(xué)可視化定位原理圖

2 聲學(xué)可視化擊穿定位系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

GIS聲學(xué)擊穿定位系統(tǒng)由顯示層、通訊總線(光纖交換機、光電轉(zhuǎn)換器及光纖)、子網(wǎng)層(無線網(wǎng)橋、聲學(xué)可視化定位裝置)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，聲學(xué)可視化定位裝置布置在靠近GIS的位置，無需接觸，可以實時監(jiān)測并記錄耐壓試驗過程中GIS設(shè)備發(fā)生擊穿后的可聽聲信號，并快速計算出幅值、特征值、定位坐標等結(jié)果，通過無線或有線傳輸模式將原始數(shù)據(jù)和計算結(jié)果傳輸至子網(wǎng)層的無線網(wǎng)橋。所有測點的數(shù)據(jù)將由無線網(wǎng)橋經(jīng)由通訊總線實時同步上傳至顯示層監(jiān)控平臺。

圖3 聲學(xué)可視化擊穿定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

當前的聲源定位系統(tǒng)具有價格昂貴、操作復(fù)雜、功耗高、安裝難度大等缺點，而基于FPGA的硬件采集系統(tǒng)彌補了這些缺陷，其憑借便于攜帶、低功耗以及成本低等特點，在戶外或某些特定的環(huán)境中展現(xiàn)出了很高的應(yīng)用價值。采用FPGA作為數(shù)據(jù)處理平臺，配合64路同步數(shù)字式采樣電路構(gòu)成了一款集信號采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示的便攜、低功耗、小體積以及易擴展的聲源定位系統(tǒng)。通過64個MEMS傳聲器接收外部的聲音信號，量化后以24位并行的形式傳輸?shù)紽PGA的同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存(synchronous dynamic random-access memory，SDRAM)中，對于這一部分數(shù)據(jù)，可直接存儲到SD卡中供后續(xù)的處理使用，也可由FPGA對其進行聲源定位算法計算，并將計算后得到的定位結(jié)果、頻譜信息通過無線或有線方式傳至監(jiān)控平臺顯示。

聲學(xué)可視化定位裝置采用一體化設(shè)計，如圖4所示，傳聲器陣列、光學(xué)相機、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、電源模塊以及網(wǎng)關(guān)模塊集成在一起，有效提高了裝置的便攜性及穩(wěn)定性。裝置實物如圖5(a)所示，傳聲器陣列上共有64個數(shù)字式傳聲器，傳聲器的測量范圍為20 Hz～24 kHz，采用同心圓結(jié)構(gòu)布置，圖5(b)為陣列在5 000 Hz頻率下的陣列響應(yīng)，其-3 dB瓣寬為4.68°，最大旁瓣級為-23.46 dB，具有較高的分辨率和抗干擾能力。采用MEMS傳聲器采集數(shù)據(jù)，傳聲器采用由基板和封裝蓋組成的空心封裝結(jié)構(gòu)，并在收音孔上覆蓋了一層防水透聲膜，使得最終的定位裝置具有了一定的防水能力，在戶外使用中有了更好的環(huán)境耐受度。

圖4 聲學(xué)可視化定位裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖5 聲學(xué)可視化定位裝置

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

定位系統(tǒng)中控軟件基于JavaScript編程語言開發(fā)，運行在顯示層主機系統(tǒng)上，用于實現(xiàn)定位裝置的遠程操控、擊穿數(shù)據(jù)分析及定位結(jié)果的查看。軟件主程序流程如圖6所示，系統(tǒng)開始工作時，下發(fā)指令連接設(shè)備網(wǎng)口并進行初始采集參數(shù)配置，可采用單獨或統(tǒng)一方式設(shè)置檢測距離、成像頻段、動態(tài)范圍、數(shù)據(jù)記錄模式等，采集參數(shù)設(shè)置完成后即可啟動采集命令，接入相機及聲學(xué)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理單元通過FPGA計算得到聲學(xué)成像結(jié)果，在網(wǎng)關(guān)程序里將相機畫面與聲學(xué)成像畫面合成一路視頻流，用于實時監(jiān)控。網(wǎng)關(guān)程序同時對采集單元傳輸?shù)囊宦吩家纛l數(shù)據(jù)進行瞬時聲壓級的計算，在擊穿發(fā)生后提取出所有定位裝置擊穿瞬間的聲壓級數(shù)據(jù)，并依次進行量級排序，選取出最大聲壓級對應(yīng)的裝置作為擊穿信號捕捉測點，調(diào)取其聲學(xué)可視化數(shù)據(jù)結(jié)果，找到擊穿位置。

圖6 擊穿定位軟件主程序流程圖

考慮到試驗現(xiàn)場的無線局域網(wǎng)可能在擊穿沖擊等情況下發(fā)生中斷，而在中斷后需要等待中控程序與網(wǎng)關(guān)程序能夠建立穩(wěn)定連接的情況下，再把網(wǎng)關(guān)上保存的數(shù)據(jù)文件上報給中控程序，因此網(wǎng)關(guān)模塊在緩存里默認存儲了5 min(最長可調(diào)為30 min)的數(shù)據(jù)，在中控程序重新連接后進行數(shù)據(jù)查詢?？紤]到系統(tǒng)會利用多個定位裝置對擊穿過程進行觀察，為了對來自各個裝置的數(shù)據(jù)進行比對，要求對各相機的時間進行對齊，即指定時間軸上的某個特定時間點，能夠提取當前時刻采集得到的相機畫面與聲學(xué)成像等數(shù)據(jù)幀信息。為此，在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上安裝了NTP客戶端，在中控主機上安裝了NTP服務(wù)端。在每次實施多機聯(lián)合采集之前，對所有網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送命令，要求其進行一次NTP時間校對操作。

定位系統(tǒng)中控軟件監(jiān)控主界面如圖7所示，主要分為定位結(jié)果分析、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測單元選擇3個模塊，監(jiān)測單元選擇部分可以勾選需要查看的定位裝置，參數(shù)設(shè)置模塊內(nèi)可以進行成像頻段、測試距離等采集和分析參數(shù)的設(shè)置，定位結(jié)果分析模塊內(nèi)可以進行不同裝置成像結(jié)果的查詢、回看以及導(dǎo)出。

圖7 擊穿定位軟件監(jiān)控主界面

3 試驗分析

為了驗證系統(tǒng)有效性，并規(guī)范現(xiàn)場測試流程，在實際場地開展了試驗研究，測試對象為一臺550 kV的GIS設(shè)備，如圖8所示，試驗中在擊穿點處導(dǎo)體上設(shè)置尖端放電模型，逐步加壓至該處發(fā)生擊穿，加壓梯度為5 kV，試驗中GIS內(nèi)部未充絕緣氣體，故多次擊穿電壓均在80 kV以下。

(a)試驗方案示意圖

(b)現(xiàn)場布置圖8 試驗布置圖

擊穿聲信號時頻域圖譜如圖9所示，從其時域波形特征可以看出，在擊穿發(fā)生瞬間(7.582 s)出現(xiàn)一個較大的脈沖，聲壓瞬間達到了0.257 8 Pa，隨后立即衰減，整個衰減過程呈現(xiàn)明顯的振蕩特征，與其在GIS內(nèi)部的傳播途徑相關(guān)。時頻域波形特征可以看出該擊穿信號具有寬頻特征，能量在整個測試頻段近似均勻分布，能量顯著高于周圍的背景噪聲。

(a)時域波形

(b)時頻域波形圖9 擊穿聲學(xué)信號時頻特征

3.1 測試頻率對定位的影響

由圖9可知，擊穿聲信號特征頻率覆蓋了整個測試頻段，因此理論上在定位計算時選擇任意頻段均可，但是受限于波束形成原理，成像效果會受到傳聲器陣列拓撲結(jié)果影響，通常低頻定位需要更大尺寸的陣列，而高頻定位需要更高密度的傳感器，經(jīng)過消聲室測驗，本文定位裝置的有效成像定位范圍指標為1～24 kHz。除此之外，成像定位效果會受到特征信號信噪比的影響，現(xiàn)場環(huán)境中的背景噪聲主要來源于加壓裝置的放電聲，如圖10(b)，背景放電信號也是寬頻信號，并且在高頻(大約1.5 kHz以上)更為明顯，故而在該頻段內(nèi)擊穿信號信噪比會變差，如圖10所示，當定位頻段為15～20 kHz時，定位結(jié)果出現(xiàn)了干擾虛像，影響定位精度。因此在現(xiàn)場選擇定位頻率為1～15 kHz，但聲信號隨著頻率增加衰減也變快，現(xiàn)場測試距離通常大于2 m，優(yōu)先選擇1～5 kHz的低頻段。

(a)1～5 kHz定位結(jié)果

(b)15～20 kHz定位結(jié)果圖10 部分頻段定位結(jié)果

3.2 測試方位對定位的影響

3個測點下的定位結(jié)果如圖11所示，均可以較為準確的定位出擊穿位置，但相較于測點1、測點3，測點2由于擊穿點與定位裝置之間有GIS母線遮擋，定位效果并不直接，容易出現(xiàn)誤判。由于聲成像技術(shù)測的是直達聲場，故現(xiàn)場布置測點時應(yīng)避免裝置與被測設(shè)備之間有封閉性遮擋，而對于處于內(nèi)側(cè)的GIS結(jié)構(gòu)，可將測點靠近，或者增加測點從多個角度交叉定位，以免誤判、漏判。綜上，現(xiàn)場測點布置時主要通過裝置上自帶的攝像頭進行選擇，基本準則是最終裝置監(jiān)控畫面內(nèi)能夠覆蓋掉所有試驗段，并且盡量避免遮擋，對于裝置視場難以兼顧的死角位置則可以通過單獨增加定位裝置進行補充。

(a)測點1定位結(jié)果

(b)測點2定位結(jié)果

(c)測點3定位結(jié)果圖11 不同測點定位結(jié)果

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 布置方案

某新建550 kV GIS設(shè)備安裝及常規(guī)試驗合格后，根據(jù)相關(guān)規(guī)定和標準對其進行交流耐壓及局部放電檢測試驗，檢查其絕緣性能是否良好，耐壓試驗中首次采用聲學(xué)可視化擊穿定位系統(tǒng)進行了定位監(jiān)測，現(xiàn)場布置方式如圖12所示，沿著試驗段依次布置了4個定位裝置，裝置距離GIS設(shè)備約8 m，裝置相距15～20 m。

圖12 定位裝置現(xiàn)場布置圖

4.2 定位分析

550 kV GIS A相在升壓至720 kV時發(fā)生擊穿放電，現(xiàn)場布置的聲學(xué)可視化定位裝置迅速且準確地定位了擊穿所在位置——位于出線套管下方的盆式絕緣子處。如圖13所示，通過現(xiàn)場的聲壓級監(jiān)測曲線可以明顯地看出，在發(fā)生擊穿后各測點的聲壓級都有瞬間升高趨勢，其中1號測點的幅值躍升最為明顯，梯度差達到了37.726 dB，通過這個特征可以快速篩選出距離擊穿位置最近的測點為1號，進一步調(diào)取其數(shù)據(jù)進行可視化定位分析。

圖13 各測點聲壓級曲線

對1號測點裝置數(shù)據(jù)進行了定位分析，成像頻段選取1～5 kHz，定位結(jié)果如圖14所示，非常直觀的定位到出現(xiàn)擊穿的盆式絕緣子處。

圖14 可視化擊穿定位結(jié)果

對定位結(jié)構(gòu)進行了解體分析，如圖15所示，拆解下來的盆子上有明顯的擊穿放電痕跡，驗證了系統(tǒng)的定位準確性。

圖15 現(xiàn)場解體照片

5 結(jié)束語

本文采用聲學(xué)可視化技術(shù)，開展了GIS耐壓擊穿定位方法研究，具體研究成果如下：

(1)通過分析可視化擊穿定位原理提出了聲學(xué)可視化擊穿定位系統(tǒng)設(shè)計方案，研制了相應(yīng)的擊穿定位裝置及平臺側(cè)的監(jiān)控軟件，整個系統(tǒng)通過無線方式進行指令交互及數(shù)據(jù)傳輸，并且定位裝置采用非接觸布置，移動方便，極大提高了現(xiàn)場測試效率。

(2)現(xiàn)場應(yīng)用表明該系統(tǒng)可以直觀準確地定位出擊穿位置，有效改善了耐壓試驗定位工作中測點布置難、工作周期長、定位精度差、誤判幾率大等問題。