基于超高频定位的时延估计法研究现状

局部放电的定位是根据局部放电过程中产生的电磁波、声、光、热和化学变化等现象，其定位方法有超声波定位、电气定位、光定位、热定位和DGA(DissolveGas Analysis)定位等。目前，国内外研究最多、应用最广泛的是超声波定位法和电气定位法。超声波定位法是根据局部放电产生的超声波传播的方向和时间来确定放电位置的。而电气定位法则是根据局部放电产生的脉冲传播到测量端的特性来确定放电位置的。

①超声波定位法：
当变压器内部发生局部放电时，会产生电磁波、放电脉冲和超声波等信号，超声波在变压器中的不同介质中传播(油纸、绕组和隔板等)，到达固定在变压器油箱壁上的超声传感器。通过多个超声传感器测量不同传感器测量到信号的时间延时，经过定位算法的计算，就能够确定局部放电源的位置。根据基准信号的不同，超声检测定位又可分为以下两类：电一声检测定位和声一声检测定位。

②电气定位法：
电气定位法是根据PD产生的脉冲传播到测量端的特性来确定放电位置的。电气定位法在变压器PD定位中应用较多，对于GIS中的PD定位也是有借鉴意义的。电气定位法可分为行波法、端点电流脉冲频谱分析法及电容分量法等。行波法是根据测量端PD信号的行波分量和电容分量之间的时延确定故障点的位置。端点电流脉冲频谱分析法通过对PD频谱的分析进而对PD放电源进行定位。电容分量法是根据绕组首末端检测的PD放电信号电容分量之比进行定位的。变压器电气定位法的关键问题在于需要严格根据绕组结构对其传输特性进行精确的模拟。近年来，研究人员在变压器绕组建模和传输特性仿真中做了很多有益的工作。文献提出了根据变压器绕组两端脉冲响应信号的频域信息，提出了幅比折线法和能比直线法，并且通过建立集中参数电路的绕组网络模型，初步研究了依据时域信息相关分析的定位方法。

③相控阵定位法：
相控阵定位法是根据相控阵理论，使用天线阵列作为接收PD信号用传感器。具体做法是将PD放电看作超高频和超声波的发射源，用相控阵平面传感器同时接收PD放电的超高频信号和超声波信号，以接收到的超高频PD信号作为时间基准，计算同一方向的超声波信号的传输时延，据此得出PD放电点与传感器的距离，然后再根据相控阵扫描的仰角和方位角即可得出放电点的空间几何位置。

④基于UHF检测的局放定位法：
UHF定位法基本原理与超声定位相同。但所利用的不是超声信号，而是PD信号的UHF信号。利用UHF信号进行局放源定位的基础是电磁波绕射所遵循的费玛最短光程原理，即电磁波沿射线传播，认为传感器接收到的信号是局放信号沿最短光程、历经最小传播时间最先到达的子波的波前反映，示意图如图。UHF法的特点在于：检测频段较高，可以有效地避开常规局部放电测量中的开关操作、电晕等电气干扰；检测频带宽，检测灵敏度高；可依据采集的UHF信号识别故障类型和进行定位；此外，相比其他方法，UHF法测得的信号波形更加符合实际的局放波形，可以较全面的反映局部放电的本质特征。

2003年，L.Yang和M.D. Judd提出了基于最短光程原理采用UHF法对变压器局部放电进行定位的思想。他们在屏蔽室内通过长方体、圆柱体等简单几何形体的金属障碍物验证了最短光程原理的正确性，试验误差仅为数厘米。

在文献中，M.D.Judd课题组把UHF信号能量累积图的“拐点”作为计算时间差的参考点，根据三个不同位置的传感器获得三组时间差进行定位。SanderMeijer等人提出一种用能量衰减来定位的方法，由于电磁波传播过程中要衰减，且其衰减与传播距离有关，测量三个或四个传感器信号的能量，以其中能量最大的传感器能量位置为参考，计算电磁波的传播距离，三个球面的交点即为局放点的位置，最后再用参考传感器校正，最终确定局放源位置。

基于UHF检测的局放定位法定位的主要依据是UHF电磁波传播到传感器之间的相对时间差，时延的基本问题是利用所接收到的目标信号，准确、快速的估计和测定出接收器或接收器阵列之间由于信号传播距离不同而引起的时间差。时延估计的精确度直接影响了定位精度，因此基于超高频检测的局放定位法的时延估计在局部放电定位中是非常重要和基础的研究内容。

时延估计作为局部放电定位研究中基础重要的一环，自1976年，Knapp和Carte：关于广义相关的时延估计的论文发表以来，国内外开展了大量的相关研究，并取得了一定的成果。早期主要使用两类方法进行时延估计。一类方法是通过测量信号某一特征点处的时间，例如以信号起始点或以第一峰值作为参考点，然后直接将不同接收点测得的时间相减，计算时延。另一类方法是根据信号能量与信号电压的平方成正比的关系，将 UHF信号的电压波形转化为累积能量曲线，以确定信号到达的时间差。

传统时延估计采用硬件的电平法，受电平大小和信号波形影响造成时延估计误差很大。随着信号处理技术的进步，目前提出可以进行时延估计的方法有：自适应时延估计、广义相位时延估计和LMS时延估计等，在广义相关时延估计的基础上改进的。它要求信号和噪声互相独立，还要求己知信号和噪声的先验知识，而实际情况并非如此，这就限制了时延估计方法在局部放电定位中的应用。

重庆大学的杜言、廖瑞金等人在电缆局部放电定位直接相关法的基础上，研究了一种基于小波变换的广义相关时延估计算法。此算法放宽了直接互相关法对信号与噪声的假设条件且在低信噪比下仍能有效估计时延；同时为了提高时延估计精度，在广义相关时延估计的基础上又研究出了基于基小波的二次加权法。利用PSCAD/EMTDC仿真分析论证了这两种算法在电缆局部放电定位有效性。

西安交通大学的杨景刚利用信号消噪及插值运算处理后的相关性估计法进行时延估计，精度较高，抗干扰能力强，得出该方法估计的信号时延与理论信号时延的误差可控制在几十皮秒以内，能满足精确定位局部放电的要求。

重庆大学的幸琳、姚陈果等人提出了一种频域时差读取方法，通过傅里叶变换将时域波形转化为频域PD信号进行频域研究。仿真和试验结果表明该算法能有效估计时延，并且具有较强的抗干扰能力。