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结合盲信号分离算法的局部放电TDOA/DOA混合定位方法

张泽宇 汤晓君 李晓杉 刘崇智 周佳泓

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结合盲信号分离算法的局部放电TDOA/DOA混合定位方法

张泽宇, 汤晓君, 李晓杉, 刘崇智, 周佳泓

TDOA/DOA hybrid location method of partial discharge combined with blind signal separation algorithm

ZHANG Zeyu, TANG Xiaojun, LI Xiaoshan, LIU Chongzhi, ZHOU Jiahong
Article Text (iFLYTEK Translation)
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  • 针对电力设备局部放电(PD)超声波检测中存在的时间-空域特征解耦、硬件成本高及计算量大的技术瓶颈, 提出基于核主成分分析(KPCA)伪白化的改进型非圆FastICA (mnc-FastICA)提取TDOA/DOA参数的混合定位方法. 该方法通过时间-空域特征联合提取与智能优化机制, 实现了小规模传感器阵列下的高精度定位. 本文首先构建KPCA伪白化预处理框架, 利用多项式核函数映射信号非线性升维再降维, 在保留TDOA与DOA特征关联性的同时抑制环境噪声; 其次通过mnc-FastICA算法盲分离超声信号后, 联合广义互相关法GCC与阵列流型解析技术同步提取TDOA/DOA参数; 最后建立融合双参数的最大似然估计模型, 并引入非洲秃鹫优化算法实现全局最优解快速收敛. 实验表明, 在仅配置2个正交阵列(共8个传感器)的小规模硬件架构下, 本方法TDOA估计误差降至2.34%, DOA估计精度优于2°, 定位误差达1.54 cm. 该方法有效解决了PD检测中时间-空域特征联合、硬件成本与定位精度的矛盾, 为电力设备状态监测提供新方案 .
    To address the technical bottleneck of decoupling spatiotemporal feature, high hardware costs, and high computational complexity in ultrasonic detection of partial discharge (PD) in electrical equipment, this paper proposes a TDOA/DOA hybrid localization method based on kernel principal component analysis (KPCA) and modified noncircular FastICA (mnc-FastICA). By integrating spatiotemporal feature extraction with intelligent optimization mechanisms, this method achieves high-precision localization by using a small-scale sensor array. The key innovations are as follows. First, a KPCA-assisted pseudo-whitening preprocessing framework is constructed by using polynomial kernel mapping for nonlinear signal dimensionality reduction, which preserves the correlation between time delay (TDOA) and direction-of-arrival (DOA) features while suppressing environmental noise. Second, after the blind separation of ultrasonic signals via the mnc-FastICA algorithm, TDOA/DOA parameters are synchronously extracted through a combination of the generalized cross-correlation (GCC) method and array manifold analysis. Finally, a maximum likelihood estimation model integrating dual parameters is established, and the African vulture optimization algorithm (AVOA) is introduced to accelerate global optimal solution convergence. Experimental results demonstrate that with a compact hardware configuration of two orthogonal arrays (8 sensors in total), the proposed method achieves a TDOA estimation error of 2.34%, DOA estimation accuracy better than 2°, and localization errors as low as 1.54 cm. This approach effectively resolves the discrepancies among spatiotemporal feature coupling, hardware cost, and localization accuracy in PD detection, providing a novel solution for condition monitoring of electrical equipment.
  • 图 1  信号混合与盲信号分离算法的过程

    Fig. 1.  The process of signal mixed and blind signal separation.

    图 2  PD信号源与阵列模型图

    Fig. 2.  Model diagram of PD source and sensor arrays.

    图 3  TDOA/DOA混合定位算法步骤

    Fig. 3.  TDOA/DOA hybrid localization algorithm steps.

    图 4  盲信号分离算法提取信号波形对比

    Fig. 4.  Waveform extracted by KPCA-mnc-FastICA compared with original signal.

    图 5  不同数量传感器阵元的DOA估计精度

    Fig. 5.  DOA estimation accuracy versus number of sensor array.

    图 6  NCC与分离信号SNR随输入SNR变化情况

    Fig. 6.  Variation of NCC and SNR of separated signal with different input SNR.

    图 7  不同SNR的TDOA提取方法性能对比

    Fig. 7.  Performance of different TDOA estimation methods with different input SNR.

    图 8  TDOA-chan定位结果

    Fig. 8.  Positioning results of TDOA-chan.

    图 9  不同信噪比的DOA估计精度 (a) 方位角; (b) 俯仰角

    Fig. 9.  DOA estimation accuracy versus SNR: (a) Azimuth; (b) pitch.

    图 10  不同信噪比下的各种方法定位估计精度

    Fig. 10.  RMSE of positioning methods versus SNR.

    图 11  不同阵元数目下的各种方法定位估计精度

    Fig. 11.  RMSE of positioning methods versus number of sensor.

    图 12  不同阵列数目下的各种方法定位估计精度

    Fig. 12.  RMSE of positioning methods versus number of sensor array.

    图 13  2个正交阵列的定位估计

    Fig. 13.  Localization estimation of two orthogonal arrays.

    图 14  试验平台 (a) 示意图; (b) 装置图

    Fig. 14.  Schematic diagram of test platform: (a) Schematic diagram; (b) device diagram.

    图 15  3个传感器阵列接收信号的盲信号分离信号 (a) 阵列1; (b) 阵列2; (c) 阵列3

    Fig. 15.  The extracted signal obtained by blind signal separation of the received signal from the three sensor arrays: (a) Array 1; (b) array 2; (c) array 3.

    表 1  PD源和3路传感器阵列坐标

    Table 1.  Coordinates of Needle-plate model and three sensor array.

    设备类型坐标/cm
    PD源(20, 10, 10)
    传感器阵列1(0, 30, 15)
    传感器阵列2(40, 0, 5)
    传感器阵列3(60, 20, 20)
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    表 2  TDOA估计结果

    Table 2.  Results of TDOA estimation of the test.

    时间差理论时间差/ms试验时间差/ms误差/μs
    t210.15680.1530–3.8
    t310.22750.2221–5.4
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    表 3  DOA估计结果

    Table 3.  Results of DOA estimation of the test.

    阵列 理论方位角/( º) 试验方位角/( º) 方位角误差/( º) 理论俯仰角/( º) 试验俯仰角/( º) 俯仰角误差/( º)
    1 –45 –44 1 –10 –10 0
    2 153 155 2 12 11 1
    3 –165 –166 1 –13 –14 1
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    表 4  局放定位结果

    Table 4.  Localization results of PD source.

    阵列组合阵列序号估计坐标/cm均方根误差/cm
    11和2(20.95, 11.21, 10.09)1.54
    21和3(20.55, 11.79, 9.89)1.88
    32和3(21.25, 12.11, 9.95)2.45
    41, 2和3(21.13, 10.12, 10.14)1.14
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-03-11
  • 修回日期:  2025-03-31
  • 上网日期:  2025-05-10

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