基于可控响应功率算法的电力设备检测的研究及应用

基于可控响应功率算法的电力设备检测的研究及应用

吴栋 李靖 李志立 胡芳芳 毕永龄

(国网河南省电力公司濮阳供电公司，河南 濮阳 457000)

摘要：本文通过项目研究的基于可控响应功率算法的电力设备检测的研究及应用，通过麦克风传感器阵列的波束形成测量技术，结合可控响应功率算法，能够准确得到声源位置，并以图像的方式显示声源在空间的分布，即取得空间声场分布云图－声像图，从而利于可控响应功率算法技术提高了变电站设备异响查找工作效率，提高濮阳电网供电可靠性，实现变电站安全、环保、绿色运行。

关键词：可控响应功率算法；多声源定位；麦克风阵列

0引言

声波虽然肉眼不可见，但是存在于生活的各个角落。蝙蝠运用超声波进行定位飞行；人们运用超声波震碎体内结石；利用次声波确定火箭发射和着落点的位置。而电力设备机械振动时会发出声波信号，该信号本质上是一种电力设备机械波由振动向传声介质辐射能量，声信号中蕴含着大量的振动信息。设备在正常运行时，机身与固件、零件之间、零件本身的相互运动的不同状态对应设备发出的声音也不同，运行状态发生变化时电力设备产生的声音也随之改变。因此，电力设备的声信号中包含着丰富的振动和放电等信息，是分析设备运行状态的一项重要指标。

1现状

基于声波的设备状态检测与电力系统之间没有直接的电气联系，不仅能够实现非接触式测量，而且不易受电磁干扰，受到了广泛的研究。然而在电力系统中不止一个监测装置，需麦克风阵列的辅助继续声源定位。根据麦克风阵列对声源数据的处理方式划分，定位算法一般分为三种类型：基于空间谱估计、基于时间到达差以及基于波束形成法。

（1）基于空间谱估计算法

在空间谱估计中的典型代表算法有基于噪声子空间分解的多路信号划分法、基于信号子空间分解的旋转不变子空间法以及基于极大近似估计的子空间拟合法。某文献提供了一种基于独立成份分析的定位计算方法，其优于原有的子空间算法之处在于其将混合信号分离成各个独立的声源信号，而潜在的声源数量可以等于阵列的麦克风数量，并且给出了封闭式的计算公式，可以分辨出相距更近的声源。但此类技术算法实现计算量大，复杂度高，而且对噪声敏感，不适于实际使用。

（2）基于时间到达差算法

在时间到达差算法中一般首先通过使用广义互相关函数或者最小均方估计来求解同一音频声波与各个麦克风之间的时间到达差，然后再根据这个时间到达差使用几何数学模型求解双曲线或者双曲面的相交点，从而得到潜在声源的位置方向信息。此类技术算法实现计算量小，复杂度低，在只拥有单个潜在声源的声场环境中被广泛使用并且效果良好，但其不适用于在声场环境中同时存在多个潜在声源的情况。

（3）基于波束形成算法

在波束形成算法中，某文献给出了此类技术的理论算法基础，并将其运用在只有单个潜在声源的定位场景中，然后再由将其推广到存在多个潜在声源的定位场景。此类技术算法通过扫描阵列的整个或者某个方向上的音频接收空间，计算其声学能量值并提取出其中超过某个门限阈值的局部极大值来作为声场环境中的潜在声源的位置方向信息。此类技术算法一般通过增大阵列孔径和增加麦克风数量来取得更优的声学定位分析结果，同时也导致其算法实现计算量倍增。基于波束形成算法又称相位变换加权的可控响应功率，目前采用最多的就是波束形成技术。

2研究内容

该项目采用64路同步采集的声波传感器用来采集不同位置的声音；同时利用高清摄像头进行拍照。这些声音经过放大器、滤波器等声音处理器，对声音进行增强、去噪，进入数据同步采集装置。摄像机采集图像信息经过USB进入数据同步采集装置，经过同步处理后；随后进入系统服务器，利于基于麦克风传声器阵列的波束形成测量技术，依据相控阵原理确定声源的位置，测量声源的幅值，并以图像的方式显示声源在空间的分布，就是找出声音异常部位，从而实现电力系统的检测。

该系统设计有数据采集、数据传输、数据处理三大模块。数据采集模块由两部分组成，一是64路同步采集的声波传感器构成的声波传感器阵列，采集声音信号；另一个是高清摄像头，采集图像和视频。数据传输模块有两种形式，声音信号可以通过空气中的介质进行传播，不需要光纤等方式传输；而摄像头所采集的数据信息通过USB线进行传输；最终数据同步采集装置里经过同步的数据经过2.4G网络到达后端服务器。数据处理模块将采集的声音数据先经过放大器和滤波器进行声音预处理，进行声音增强和去噪处理，随后经过数据同步采集装置进行同步处理，利用可控响应功率算法，对声波信号成像，然后将摄像头获取的视频信号叠加在形成的声场图像上，并且对声波谱进行搜索，取得最大值对应的位置作为定位地址。生成“有温度梯度”的图像，直观显示可视区域内声音大小分布，红色为声音最大处，黄色、绿色、蓝色依次减小、透明则表示声音足够小，手持方便。

3工作过程

首先，工作人员检查设备。麦克风阵列是否能正常工作（同步收集声音）；摄像头是否能正常拍照、录像。然后，将设备装置放置在想要测量的地点，打开设备，控制装置去采集声音信号和图像信号。在计算机里观察数据，麦克风阵列采集的数据形成的图像是否与摄像头采集的图像同步。如果同步，此时观察图像中是否有温度异常的地方，进行人工定位；如果不同步，则去查看麦克风阵列、摄像头、数据同步采集装置，是否是那个装置出现异常，导致数据不同步。最后，在使用完毕后，将这些设备拆卸后放在指定的位置。

4问题与改进

在河南的濮阳县的某某线路进行试验，发现了一些问题，针对这些问题提出改进方案。问题和方案如下：

（1）勘察的地方绝大部分在室外，噪音很多而且比较杂乱，给正常检测带来很大影响，导致采集的数据出现错误。最好将采集到的声音信号进行多次滤波，减少干扰。

（2）计算机上显示的图像最开始的时候不太同步，在经过几分钟的采集处理后，逐渐同步。声音信号在空气中以每秒340米的速度传播，而且还要经过放大器和滤波器的处理，才能到数据同步装置中；而摄像机成像速度很快并且通过USB直接输入到数据同步采集装置。这就导致数据同步很困难。因此，数据同步采集装置的工作量很大，后面检测选用处理数据更快，性能更好地数据同步采集装置。

（3）勘测的距离有限，他只能检测十米以内的电缆，在测量一段距离后就得带着设备换下一个地方，不太方便。如果可以，将这个便携式设备搭载在无人机上，进行自动巡检，。工作人员可以远程遥控无人机进行检测。

（4）该设备时间延长很大，声音信号传播速度慢且需要经过多次处理。

5结语

通过该设备在河南濮阳县的试用，得出结论：本设计利用声传感器阵列，通过逼真、准确和快速的声学虚拟成像的技术能够精确定位声源，将采集的声音以彩色等高线图谱的方式实时呈现在屏幕上；显示声源的方位和距离，能直观分析噪声状态；通过精准定位，了解和掌握电气设备产生异常噪声的部位、声场分布及原因，从而帮助人们直观地认识声源、声波和声场，明确电气设备产生异响噪声的部位，协助分析异响噪声产生的原因，进而寻找到合理有效的消除异响以及引起异响的设备故障的检修措施。

参考文献：

［1]汤捷 基于可控功率响应的声源定位快速算法研究[D].2013-03-04（东南大学）

［2]赵博.基于124个麦克风阵列声学成像检测技术的风电场输变电设备故障诊断实践

［3]邵宇鹰、王枭、彭鹏、袁国刚、柯楠.基于声成像技术的电力设备缺陷检测方法研究[J].中国测试,2021,47(7)