Page 67 - 《应用声学》2022年第3期
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第 41 卷 第 3 期 季怡萍等： 基于压缩感知估计的 GIS 击穿放电定位方法研究 389
法，如多重信号分离 (Multiple signal classification
0 引言
MUSIC) 算法等拓展至不同的应用场景 [12−14] 。然
气体绝缘金属封闭开关设备 (Gas insulated 而，子空间方法通常对噪声敏感，难以在低信噪比环
switchgear, GIS) 由于易于安装、模块化、占地面积 境中实现 DOA 估计，这使得现有的 DOA 估计方法
少、受环境影响小等一系列优点得到了广泛使用，但 难以在复杂环境中实现对 GIS 故障点的准确检测。
其封闭式的结构特点也为检修带来了许多困难，一 压缩感知(Compressive sensing, CS) 理论为现代信
旦运行出现故障，其后果往往非常严重 [1−2] 。交流 号处理提供了一种更为高效、准确的方法，成为了
耐压试验是 GIS 设备现场交接试验中必不可少的 近些年来的研究热点 [15−16] 。CS理论采用将高维稀
检测项目，主要在新设备安装后开展，能够真实有效 疏信号随机线性投影到低维空间的方式，进行压缩
地发现 GIS 设备在包装、运输、安装调试过程中出 测量；采用稀疏重构算法由压缩测量数据重构原稀
现的绝缘缺陷。由于GIS 设备庞大的体积且封闭式 疏信号，通过压缩测量实现了稀疏信号的低维 (低
的结构特点，耐压试验中一旦出现放电击穿，如何快 速) 表示，使得低采样率情况下仍能完整地重构信
速准确定位出击穿位置是长期困扰现场试验单位 号，CS 与 DOA 估计相结合的 CS-DOA 算法逐渐成
的难题 [3−4] 。传统的定位方法如低频振动监测法、 为研究热点。传统的CS-DOA需要先将连续参数空
超高频监测法、超声波监测法均属于接触式方法，因 间离散化后划分为有限个网格，再进行 DOA 估计，
此存在测点布置困难、现场工作量大的问题，并且 但信号的实际参数很可能恰好没落在网格上，即出
有仪器成本高、测试精度差等不同程度的缺点 [5−6] 。 现基的失配，进而导致定位误差的出现。
早期的人工监听法是在试验过程中安排工作人员 本文针对复杂环境中 GIS 击穿定位问题进行
在不同位置进行听声定位，这种方法极易受到测试 了研究，基于故障点个数的稀疏假设，针对传声器阵
人员的主观因素影响，定位误差大 [7] ，但这种方法 列接收的声波信号，建立了多测量矢量的稀疏表示
为采用可听声定位实现击穿位置的非接触式检测 模型，结合极化内插方法，提出了一种基于极化内插
提供了思路，基于声学传感器的测试必然能够比人 的压缩感知 DOA 估计方法 CSP-DOA，并将该算法
耳更为准确客观地定位出击穿位置。文献 [8] 基于 应用于GIS击穿位置的确定。
可听声定位技术提出了峰值-阂值法，用以确定声波
信号到达不同传感器的时延，并应用于330 kV GIS 1 算法原理
现场试验，结果表明该方法能够定位 GIS击穿位置。
文献 [9] 进一步考虑到定位环境的复杂性，基于综 1.1 信号模型
合完备总体平均经验模态分解(Complete ensemble 设置场景中有 K 个声波信号和 M(M > K) 个
empirical node decomposition with adaptive noise, 传声器，第 k 个声波信号的 DOA为θ k (1 6 k 6 K)，
CEEMDAN) 和小波阈值算法，研究了针对击穿现 到达信号为 ˜ s k (t)。为简化表示，本文方法基于线
场背景噪声的去噪方法，进一步采用时延估计方法 性阵列进行表述，可拓展至其他形状阵列。设置传
实现了击穿位置的确定。但上述可听声定位方法均 声器的间距为 d(d 6 λ/2)，其中 λ 表示声波信号的
采用单个传声器来采集信号并进行时延估计，其抗 波长。
干扰检测能力差并易受遮挡物影响，现场测点布置 定义在观测时间 T 内的采样信号 R，则可以得
e
要求高且测量精度不足，推广价值有限 [10] 。 到表达式：
传声器阵列基于多个传声器按一定空间几何
˜
R = A(θ 1 , · · · , θ K ) · S + N, (1)
f
e
e
规律排列组成，阵列测试技术采用传声器阵列同步
T
采集声音信号，其良好的空间聚焦能力能更好地实 式 (1) 中，S = [˜ s[1], ˜ s[2], · · · , ˜ s[N]] 为采样后的声
e
T
现 GIS 击穿声源定位。其中，基于传声器阵列测试 波信号，N = [˜ n[1], ˜ n[2], · · · , ˜ n[N]] 为采样后的噪
f
的波达方向 (Direction of arrival, DOA) 定位技术 声信号，A(θ 1 , · · · , θ K ) ∈ C M×K 为关于 K 个声源
e
是一种高效的定位方法，在军事、通讯、天文等领域 的导向矢量矩阵。式(1)基于单频信号模型，对于宽
被广泛应用 [11] 。但在电气领域的研究应用还处于 带信号模型，可将信号先转换至频域再进行单频信
刚刚起步阶段，现有的研究大多将经典的子空间方 号处理。
