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1、(10)申请公布号 CN 103969561 A (43)申请公布日 2014.08.06 CN 103969561 A (21)申请号 201410230466.0 (22)申请日 2014.05.28 G01R 31/12(2006.01) G01S 5/20(2006.01) (71)申请人 上海艾飞能源科技有限公司 地址 200437 上海市崇明县新河镇新申路 921 弄 2 号 A 区 259 室 （上海富盛经济 开发区） 申请人 北达正视 （北京） 科技有限公司 国家电网公司 国网福建省电力有限公司 福建水口发电集团有限公司 (72)发明人 赵文彬 张志平 葛耿民 聂俊胜 (74)。
2、专利代理机构 福州元创专利商标代理有限 公司 35100 代理人 蔡学俊 (54) 发明名称 一种用于局部放电故障检测的可视化超声波 检测方法 (57) 摘要 本发明涉及一种用于局部放电故障检测的可 视化超声波检测方法， 其特征在于 ： 首先采用超 声传感阵列对电力设备出现的超声信号进行采 集， 并进行超声强度空间的分布估计 ； 与此同时 对所在场景进行视频信号采集， 继而基于获取的 超声信号和视频信号， 进行超声强度空间分布的 可视化， 从而直观显示出作为超声源的局部放电 点的空间位置。本发明对电力设备的局部放电故 障检测进行研究， 针对其所产生的超声信号在时 域和频域上的分布特点， 对该可。
3、视化超声检测进 行设计， 可高精度的对电力设备中存在的局部放 电现象进行检测。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103969561 A CN 103969561 A 1/1 页 2 1. 一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法， 其特征在于 ： 首先采用超声 传感阵列对电力设备出现的超声信号进行采集， 并进行超声强度空间的分布估计 ； 与此同 时对所在场景进行视频信号采集， 继而基于获取的超声信号和视频信号， 进行超声强度。
4、空 间分布的可视化， 从而直观显示出作为超声源的局部放电点的空间位置。 2. 根据权利要求 1 所述的用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法， 其特征在 于 ： 所述的超声信号和视频信号的采集是采用一超声、 视频集中采集板采集 ； 所述超声、 视 频集中采集板包括集成于一 PCB 板上的超声传感器阵列、 摄像模块以及为该采集板供电的 电池组 ； 所述的超声波传感器阵列的输出端经一阵列信号放大电路与一多通道数据采集卡 连接。 3. 根据权利要求 2 所述的用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法， 其特征在 于 ： 所述的超声传感器阵列由 16 只摆放在不同位置的超声传感器组成， 每四个传。
5、感器构成 一组线型阵， 以四组线型阵为四边， 形成二维方形阵。 4. 根据权利要求 3 所述的用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法， 其特征在 于 ： 所述的二维方形阵的长边为 30cm， 短边为 20cm。 5. 根据权利要求 3 所述的用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法， 其特征在 于 ： 所述超声强度空间的分布估计是通过超声强度在空间中的分布情况判断超声源位置， 通过对各个通道信号的延时叠加， 得到具有空间指向性的波束信号， 如式 （1） 所示 ： (1) 其中， 表示波束指向的角度，表示指向角度为的波束信号， i 表示通道编号， n 表示延时相关的时刻， N 表示超声信号。
6、采集的通道数，表示第 i 通道指向角度为的延 时 ； 对各个角度的波束信号统计短时能量， 如式 （2） 所示 ： (2) 其中为 T 时刻指向角度为 的波束能量，表示基于 T 时刻的时间变化量 ； 对三维指向性波束而言， 所指向的立体角可分解为垂直角和水平角， 波束能量可以看 作是垂直角指向能量与水平角指向能量之和， 通过这种方式可以得到各个空间角度的能量 分布， 构成以水平角为横坐标以垂直角为纵坐标的二维矩阵， 这里称为空间能量矩阵 ； 对生 成的二维空间能量矩阵取最大值， 作为声源位置， 并以该坐标为中心， 该点强度为幅度， 生 成二维高斯函数， 作为显示矩阵， 与视觉场景共同显示。 权 。
7、利 要 求 书 CN 103969561 A 2 1/4 页 3 一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方法 技术领域 0001 本发明涉及电力设备的故障检测领域， 特别涉及一种用于局部放电故障检测的可 视化超声波检测方法。 背景技术 0002 局部放电是电力设备中需及时进行检测的一种故障现象， 其会造出设备的绝缘劣 化， 加速绝缘损坏的过程。 及时避免和去除局部放电， 从而使设备正常安全运行成为电力设 备维护人员最多考虑的事情， 为了除去这种潜伏性故障现象， 如今出现了很多在线检测局 部放电现象的方法。 0003 局部放电的检测均以其产生的各种物理现象为依据， 估计放电的状态、 特性以及。
8、 位置。 局部放电过程中会产生电脉冲、 电磁辐射、 超声波、 光以及一些新的生成物， 并会引起 局部发热。相应地， 可利用光测法、 化学检测法、 红外检测法、 超高频检测法、 脉冲电流检测 法和超声波检测法等多种方法用于检测局放。光测法最有利于定位， 但也会受障碍物遮挡 影响 ； 化学检测法的在线监测结果可靠性高， 但对突发性故障反应较慢 ； 红外检测法适 用于检测设备外部接线端的过热现象， 但不易监测运行中设备的内部状况 ； 超高频检测法 可避开电晕干扰， 能反映放电的强度， 对突发性故障也能及时反应， 但由于电波波长很长， 难以对放电源定位 ； 脉冲电流检测法的应用最为广泛， 也最为有效，。
9、 但其测量频率低， 不能 避开空气电晕干扰， 不适合在线监测。 0004 变压器出现局部放电时， 会伴随着爆裂状的声发射， 产生超声波信号， 且很快向 四周传播。因此， 可利用超声波信号检测方法对故障点进行定位。目前已有很多国内外科 研院校开展基于超声的局部放电检测研究， 然而已有的研究大多面向于局部放电的自动定 位， 但其定位结果往往会由于各种干扰和障碍而产生误差， 其检测结果也没有以可视化方 式呈现给用户， 且很多是基于单个传感器的超声检测设备， 需要人工搜索声源位置。 发明内容 0005 针对背景技术中所述的缺陷或不足， 本发明的目的是提供一种用于局部放电故障 检测的可视化超声波检测方法。
10、， 检修人员可依据该方法直接精确的观察到超声源的位置， 并判断电力设备的局部放电点。 0006 本发明采用以下方案实现 ： 一种用于局部放电故障检测的可视化超声波检测方 法， 其特征在于 ： 首先采用超声传感阵列对电力设备出现的超声信号进行采集， 并进行超声 强度空间的分布估计 ； 与此同时对所在场景进行视频信号采集， 继而基于获取的超声信号 和视频信号， 进行超声强度空间分布的可视化， 从而直观显示出作为超声源的局部放电点 的空间位置。 0007 在本发明一实施例中， 所述的超声信号和视频信号的采集是采用一超声、 视频集 中采集板采集 ； 所述超声、 视频集中采集板包括集成于一 PCB 板上。
11、的超声传感器阵列、 摄像 模块以及为该采集板供电的电池组 ； 所述的超声波传感器阵列的输出端经一阵列信号放大 说 明 书 CN 103969561 A 3 2/4 页 4 电路与一多通道数据采集卡连接。 0008 在本发明一实施例中， 所述的超声传感器阵列由 16 只摆放在不同位置的超声传 感器组成， 每四个传感器构成一组线型阵， 以四组线型阵为四边， 形成二维方形阵。 0009 在本发明一实施例中， 所述的二维方形阵的长边为 30cm， 短边为 20cm。 0010 在本发明一实施例中， 所述超声强度空间的分布估计是通过超声强度在空间中的 分布情况判断超声源位置， 通过对各个通道信号的延时叠。
12、加， 得到具有空间指向性的波束 信号， 如式 （1） 所示 ： (1) 其中， 表示波束指向的角度，表示指向角度为的波束信号， i 表示通道编号， n 表示延时相关的时刻， N 表示超声信号采集的通道数，表示第 i 通道指向角度为的延 时 ； 对各个角度的波束信号统计短时能量， 如式 （2） 所示 ： (2) 其中为 T 时刻指向角度为 的波束能量，表示基于 T 时刻的时间变化量 ； 对三维指向性波束而言， 所指向的立体角可分解为垂直角和水平角， 波束能量可以看 作是垂直角指向能量与水平角指向能量之和， 通过这种方式可以得到各个空间角度的能量 分布， 构成以水平角为横坐标以垂直角为纵坐标的二维。
13、矩阵， 这里称为空间能量矩阵 ； 对生 成的二维空间能量矩阵取最大值， 作为声源位置， 并以该坐标为中心， 该点强度为幅度， 生 成二维高斯函数， 作为显示矩阵， 与视觉场景共同显示。 0011 本发明具有如下的优点 ： （1） 采用超声传感器阵列采集超声信号， 利用超声源定位技术估计空间中各个方位的 超声强度， 实现高精度超声定位 ； （2） 将检测到的各方位超声强度结合空间视觉场景信息共同显示， 实现了超声源的可 视化检测定位， 极大地方便了检修人员的观测判断 ； （3） 对电力设备的局部放电故障检测进行研究， 针对其所产生的超声信号在时域和频 域上的分布特点， 对该可视化超声检测进行设计。
14、， 可高精度的对电力设备中存在的局部放 电现象进行检测。 附图说明 0012 图 1 为可视化超声检测流程图。 0013 图 2 为可视化超声检测设备的构成示意图。 0014 图 3 为可视化超声检测设备中超声传感器阵列的构成示意图。 0015 图 4 为可视化超声检测设备中阵列信号放大电路图。 具体实施方式 说 明 书 CN 103969561 A 4 3/4 页 5 0016 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。 0017 如附图 1 所示， 本实施例涉及信号采集、 信号处理以及结果可视化三个主要部分， 即 ： 首先采用超声传感阵列对电力设备出现的超声信号进行采集， 并进行超声强度空。
15、间的 分布估计 ； 与此同时对所在场景进行视频信号采集， 继而基于获取的超声信号和视频信号， 进行超声强度空间分布的可视化， 从而直观显示出作为超声源的局部放电点的空间位置。 0018 如附图 2 所示， 本实施例中上述的超声信号和视频信号的采集是采用一超声、 视 频集中采集板采集 ； 所述超声、 视频集中采集板包括集成于一 PCB 板上的超声传感器阵列、 摄像模块以及为该采集板供电的电池组 ； 所述的超声波传感器阵列的输出端经一阵列信号 放大电路与一多通道数据采集卡连接。数字形式的超声信号和视频信息通过 USB 接口输入 计算机， 完成信号处理及显示功能。 其中通过超声传感器阵列实现超声信号。
16、的采集， 通过阵 列信号放大电路实现采集后超声信号的放大， 通过多通道数据采集卡来实现放大后超声信 号的模数转换。该信号采集板上还配置有电池组进行供电。 0019 局部放电所产生的声信号频率覆盖范围很宽， 从可听声范围 （约 10kHz 至 100kHz） 。 在设计中， 需在这一范围内确定合适的频段， 以选择传感器类型。 高频段超声的传 播衰减非常严重， 不适于对其进行远距离采集。 低频段的传播特性良好， 但会受到环境中可 听声的干扰， 影响定位效果， 因而综合考虑 40kHz 左右的超声信号适合于采集和声源定位。 0020 阵元距离和信号频率有关， 阵列尺寸决定空间分辨率。考虑到所选择的超。
17、声频率 在 40kHz， 因此阵元距离应尽量小于超声波长的 1/2， 结合对设备大小的要求， 确定阵列尺 寸在 20cm 至 30cm 之间。 0021 如附图 3 所示， 本实施例所述的超声传感器阵列利用 16 只摆放在不同位置的 超声传感器组成阵列， 每四个传感器构成一组线型阵， 以四组线型阵为四边， 形成二维方 形阵， 方形阵的长边为 30cm， 短边为 20cm， 其中选用的超声传感器为上海尼塞拉公司的 ATR40-10P 型号， 通过该方形阵可对二维空间中的声源进行定位。 0022 如附图 4 所示， 考虑到超声信号经长距离传输衰减很严重， 本实施中设计了双级 放大电路， 每级采用负。
18、反馈放大电路， 放大 100 倍， 两级之间利用电容隔离直流成分， 级联 后的放大增益可达10000倍。 这里采用了双运放芯片AD822， 具有高精度、 低功耗、 轨到轨等 特性， 保证在高增益条件下的高信噪比输出。 利用单电源供电， 电压范围3-36v， 电路元器件 基本选用贴片元件， 保证小型化和低功耗。 16只超声传感器组成阵列， 每四只及相应的放大 电路构成一个模块。四个模块分别安置于采集板四边。对供电电源也需要采取稳压措施， 减小干扰。 0023 放大后的信号输入多通道数据采集卡进行模数转换， 根据超声频率带宽及采样定 律， 每个通道的信号采样频率需达到 100kHz， 通道数达到 。
19、16 个， 选用了中泰研创公司出品 的 USB7646 型数据采集卡， 支持 16 通道并行采集， 每通道采样率达 100kHz， 采样精度 16 比 特， 符合上述要求。 0024 本实施例中摄像头选用罗技 C270 高清集成摄像头， 分辨率达 100 万像素， 内部集 成视频压缩编码器， 摄像头由 USB 供电， 并通过 USB 向计算机传输视频编码数据。 0025 本实施例中， 可将该可视化超声检测设备设计为手持式设备， 采用电池供电方式。 考虑到超声电路供电电压在 3-36v， 数据采集卡供电电压为 5v， 工作总电流为 800mA 左右。 因此系统采用 4 节 1.2v 可充电电池供。
20、电， 每节容量 2500mAh。后接 15w 升压 DC-DC 模块， 保 说 明 书 CN 103969561 A 5 4/4 页 6 持稳定的 5v 输出电压， 为数据采集卡和超声采集与放大电路模块供电。 0026 在超声检测的数据处理中， 利用超声强度空间分布估计算法， 通过超声强度在空 间中的分布情况判断超声源位置。通过对各个通道信号的延时叠加， 可以得到具有空间指 向性的波束信号， 如式 （1） 所示 ： ， N=16 (1) 其中， 表示波束指向的角度，表示指向角度为的波束信号， i 表示通道编号， n 表示延时相关的时刻， N 表示超声信号采集的通道数，表示第 i 通道指向角度为。
21、的延 时。对各个角度的波束信号统计短时能量， 如式 （2） 所示 ： (2) 其中为 T 时刻指向角度为 的波束能量，表示基于 T 时刻的时间变化量。 0027 对三维指向性波束而言， 所指向的立体角可分解为垂直角和水平角， 波束能量可 以看作是垂直角指向能量与水平角指向能量之和。 通过这种方式可以得到各个空间角度的 能量分布， 构成以水平角为横坐标以垂直角为纵坐标的二维矩阵， 这里称为空间能量矩阵。 0028 对生成的二维空间能量矩阵取最大值， 作为声源位置， 并以该坐标为中心， 该点强 度为幅度， 生成二维高斯函数， 作为显示矩阵， 与视觉场景共同显示。 0029 摄像头采集的每帧视频信号。
22、与空间能量矩阵共同显示， 其原理是将视频信号作为 背景， 而能量矩阵作为前景显示， 矩阵中的数值越大， 显示的亮度就越大。 0030 实验中利用电子打火枪作为超声源， 分别置于距离超声局放检测仪 15 米、 18 米和 20 米处， 测试设备的工作情况， 从可视化效果来看， 系统在 20m 范围内可有效检测到超声 源， 并实现准确定位。 0031 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰， 皆应属本发明的涵盖范围。 说 明 书 CN 103969561 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103969561 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103969561 A 8 。