输电线路故障声源定位系统设计

李建业 李思毛 陈文栋 曹付勇 刘宏光

[摘    要 ]考虑到传统输电线路故障声源定位系统，在开发时没有设计声音采集传感器，导致声源定位点位与实际故障点位误差大。为此，进行输电线路故障声源定位系统设计。在系统硬件方面，设计声音采集传感器，采用superlux ECM666B电容测试麦克风组成的四元麦克风阵列;设计型号为PXI-2589数字采集卡对数据进行采集。通过可视化主机，将数字采集卡采集到的声音振动信息上传至平台，实现系统硬件设计;在系统软件方面，首先进行输电线路故障声源数据的选取，对声源进行时延估计，将OMS子系统中的告警信息列出;再通过输电线路故障声源数据的处理，利用输电线路故障声源定位区域判断计算公式，得出输电线路故障声源定位点位，完成系统设计。经实例分析证明，设计的定位系统定位得到的声源位置与实际故障点位更接近，具有更高的定位精度。

[关键词]输电线路;故障声源;定位系统;定位点位

[中图分类号]U226.8+1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）04–00–03

[Abstract]Considering the traditional fault sound source location system of transmission line， there is no sound acquisition sensor in the development， which leads to the large error between the sound source location and the actual fault point.Therefore， the sound source location system of transmission line fault is designed.In the aspect of system hardware， a sound acquisition sensor is designed， which adopts super lux In the aspect of system software， firstly， the sound source data of transmission line fault is selected， and the time delay of sound source is estimated The alarm information in OMS subsystem is listed; then through the processing of transmission line fault sound source data， using the calculation formula of transmission line fault sound source location area judgment， the transmission line fault sound source location point is obtained， and the system design is completed.The case analysis shows that the location of the sound source obtained by the positioning system is closer to the actual fault point， and has higher positioning accuracy.

[Keywords]transmission line; fault sound source; positioning system; positioning point

本项目针对淄博输电电网可能出现的故障做提前预判，通过检测故障发出的声音的特点，定位故障点，并进行现场拍照，通过监控平台查看故障情况。另外，通过对故障声音的频谱的特点，对故障类型进行确定。针对不同类型故障的声音音程范围的研究，对不同故障的声音进行统计。对室外采集宽音域范围的采集设备的研究，确保对现场周围的声音做好全部采集。研究声音作为触发源的设备定位算法，并将定位的位置进行地图显示。本文进行输电线路故障声源定位系统设计的预期目标是可以存储各种故障声音到服务器，作为故障类型判定的依据。在线路发生故障后，通过故障定位系统能尽快定位出产生故障位置，能够做到迅速处理，减少搜寻故障的位置的时间。对输电线路的监控更加全面。本文进行输电线路故障声源定位系统设计的创新点是增加了采用故障发生时发出的声音，作为判定故障的一種方法。通过设备定位位置信息以及声音传播速度确定故障位置，并将故障位置在地图上面显示。

1 输电线路故障声源定位系统硬件设计

1.1 声音采集传感器

本文设计的输电线路故障声源定位系统硬件，通过设计故障声音的采集设备，考虑在目前监拍装置基础上增加声音采集传感器。声音采集传感器采用superlux ECM666B电容测试麦克风组成的四元麦克风阵列，是一款专业的传感器设备。频率响应范围为20～40Hz;灵敏度为（-30±1）dB，有效温度范围为-15～80 ℃，等效声噪级未35dB，信噪比为105dB，以其自身优秀的性能参数，适用于输电线路故障声音采集方面。

1.2 数字采集卡

本文设计的数字采集卡型号为PXI-2589，能够通过高精度的同步数据采集模块采集声音的振动信息。数字采集卡具备8路同步模拟输入接口，具有6种增益设置，能够采集225.3kS/s以上的声音振动信息。与此同时，配置AC/DC耦合及IEPE条例，且支持与superlux ECM666B声音采集传感器的同步数据共享。

1.3 可视化主机

将数字采集卡采集到的声音振动信息上传至平台，结合可视化主机的GPS定位位置，确定故障点的位置。在平台上面，将故障点的位置，标注在地图上面，并和监拍装置做联动拍照和声光报警操作，当有声音故障后，监拍装置进行抓拍和声光报警。将声音采集传感器内置于可视化主机中，采集的声音数据由可视化主机上传至系统平台。对已经发生过故障的区域，做列表或者图表统计，在地图上面进行板块式的标注，做到提醒巡线人员注意关注重点故障区域。

2 输电线路故障声源定位系统软件设计

2.1 输电线路故障声源数据的选取

在对输电线路故障声源进行定位之前，本文将定位系统当中的OMS子系统结构作为原始声源，实时发送的告警信息中，找出与输电线路继电保护故障声源信号相关的信息进行匹配，从而对故障点位置的保护装置内进行初级阶段的判断。通过麦克风阵列采集声音信息，并对其进行预滤波处理，即利用背景频谱测量设置阈值，然后开始进行端点检测。如果系统判定没有出现端点，则采集的信号在图表显示后自动删除;如果判定有声音信号端点，则开始执行定位程序：首先对信号进行小波门限降噪，过滤掉部分与可用信号相互混叠的噪声。对于两路信号求互功率谱，经过加权和拉普拉斯反变换，得到两路信号的广义相关图，在广义相关图中，峰值出现的时间即为两路信号的延迟。再通过具体故障问题进行分析和调查，当故障发生时，对声源进行时延估计，此时将OMS子系统中的告警信息列出，并将其与通信告警信号对应的信息一一对应。在完成对定位系统中故障路径的分析后，更加准确地识别出故障问题发生的具体区域。

2.2 输电线路故障声源数据的处理

在完成对输电线路故障声源数据的选取后，定位系统中的各个子系统中的数据源还需要进行结构化处理。针对不同的数据信息类型，在设置相应的数据库时，应当进行统一的存储和管理，再将多项数据进行统一的建模。对于数据源的结构化处理，首先，需要按照存放数据信息的规则将其进行统一放置，再针对当前数据源中的非结构化数据，应当对其原始文件进行解析，并将原始信息提取展开后续的存储工作。根据定位系统各个子系统的数据源数据类型按照不同的故障主体进行统一的定位和组织，从而实现对其维度表以及事实表的设置，完成对定位系统输入声源数据的结构化处理。

2.3 输电线路故障声源定位区域判断

完成对输电线路故障声源数据的处理后，当多条输电线路的传输通道同时发出告警信号时，利用定位系统中的告警信号通道对应的名称，调出在OMS子系统当中对应的声源的具体路由走向，并形成一组万丈的路由连接拓扑结构，利用大数据分析技术，对该路由拓扑进行分析。根据定位系统中各个故障声源通道的告警信号特征，当输电线路发生故障问题时，处于故障中的设备会与该传输链路上与之相关的信息一同发出故障声源告警信号。根据以声音作为触发源的设备定位算法，得出输电线路故障声源定位区域判断计算公式。设输电线路故障声源定位区域为C，则其计算公式，如式（1）所示。

在式（1）中，k表示为输电线路疑似故障的发生概率;t表示为输电线路故障声源信息的振动频率;p表示为输电线路故障声源信息的估计时延。通过式（1）得出输电线路故障声源定位区域。除此之外，还可以通過找出对应输电线路中路由连接拓扑结构的最多交汇点，即为输电线路的具体发生故障位置，利用拓扑结构中的多条链路围绕形成的区域为输电线路出现故障问题的区域。在实际应用中，输电线路的故障可能在路由连接拓扑结构的一个站点或一条线路上，所有连接线段表示为能够实时发出故障声源告警信号的通道，通常这一系数的选取范围在0～1之间。在此范围内进行定位，即可实现输电线路故障声源定位。

3 实例分析

3.1 实验准备

选取某输电线路作为实验对象，根据输电线路实际运行经验，背景噪声为30dB。设置输电线路故障告警事件的时间间隔为5min，根据定位系统故障声源数据维度获取数据库当中有关告警信息维度的所有数据信息，对输电线路的故障进行定位。本次实验在Matlab软件平台上进行，将本文提出的定位系统与传统定位系统均采用相同的网络环境以及设备参数，该实验平台在系统内存为IntelCore6-28064GB，操作系统为Windows2020.VS2018CPU，内置X2500中央处理器的实验环境下进行。在输电线路中选取坐标不同的6个故障点位，按照上述实验环境，设置本文设计定位系统为实验组，传统定位系统为对照组，实验内容为测试两种定位系统下的声源定位节点与实际故障节点的误差，从而对比两种定位系统在实际应用中的性能。

3.2 实验结果与分析

根据上述设计的实验步骤，采集6组声源定位点位，将两种定位系统下的声源定位点位进行对比，故障定位点位对比结果，如表1所示。

从表1中可以看出，本文设计的定位系统定位得到的声源位置与实际故障点位更接近，而对照组定位得到的声源位置与实际故障点位相差较远，因此，通过实验证明，本文提出的定位系统具有更高的定位精度，能够实现输电线路故障声源精准定位。

4 结语

考虑到输电线路故障声源定位愈发受到重视，输电线路故障声源定位系统经历了从起步到快速发展的阶段。因此，本文对输电线路故障声源定位系统的优化设计是十分必要的，通过实例分析证明设计的定位系统是具有现实意义的，能够为输电线路故障声源定位提供理论支持，保证输电线路的正常运行。但本文唯一不足之处在于，没有对输电线路故障声源定位系统的近场声源模型进行深入分析，相信这一点，可以作为输电线路故障声源定位系统设计领域日后的研究内容之一。

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