1. 背景與需求分析

GIS設(shè)備故障特征：氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)內(nèi)部局部放電(PD)或機(jī)械松動(dòng)會(huì)伴隨超聲波信號(hào)(20-200kHz)，但單一傳感器易受電磁干擾、結(jié)構(gòu)反射波影響，定位誤差大。

行業(yè)痛點(diǎn)：

傳統(tǒng)單點(diǎn)超聲檢測(cè)無(wú)法區(qū)分多故障源;

復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致聲波折射/衰減嚴(yán)重;

現(xiàn)場(chǎng)噪聲(電暈、振動(dòng))降低信噪比。

多傳感器融合優(yōu)勢(shì)：通過(guò)空間分布式部署與數(shù)據(jù)協(xié)同處理，提升定位精度與可靠性。

2. 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件層

傳感器陣列：

選型：寬頻帶超聲傳感器(40-300kHz)，6-8個(gè)節(jié)點(diǎn)均勻布置于GIS腔體外壁;

抗干擾設(shè)計(jì)：金屬屏蔽外殼+帶通濾波電路，抑制50Hz工頻干擾。

信號(hào)采集模塊：

同步采樣(精度±0.1μs)，AD采樣率≥1MHz;

動(dòng)態(tài)增益控制(DGC)適應(yīng)不同信號(hào)強(qiáng)度。

變電站GIS設(shè)備超聲故障定位系統(tǒng)的多傳感器融合方案

2.2 數(shù)據(jù)融合層

預(yù)處理：

小波閾值去噪(Db4小波基);

基于Hilbert變換的包絡(luò)提取，消除載波影響。

時(shí)空對(duì)齊：

采用PTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)時(shí)間同步;

傳感器坐標(biāo)標(biāo)定(激光測(cè)距儀輔助)。

2.3 定位算法層

初級(jí)定位：

TDOA(到達(dá)時(shí)間差)：通過(guò)互相關(guān)計(jì)算信號(hào)時(shí)延，建立雙曲面方程組;

改進(jìn)粒子群算法(PSO)：引入自適應(yīng)慣性權(quán)重，解決傳統(tǒng)最小二乘法對(duì)初值敏感問(wèn)題。

次級(jí)校驗(yàn)：

能量衰減模型：根據(jù)聲壓級(jí)衰減曲線排除反射波干擾點(diǎn);

貝葉斯概率融合：綜合TDOA與能量權(quán)重輸出最終坐標(biāo)。

3. 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

混合觸發(fā)機(jī)制：

硬觸發(fā)(閾值超越)+軟觸發(fā)(AI波形識(shí)別)，降低漏報(bào)率;

動(dòng)態(tài)權(quán)重分配：

根據(jù)傳感器信噪比(SNR)實(shí)時(shí)調(diào)整融合權(quán)重，噪聲節(jié)點(diǎn)自動(dòng)降權(quán);

三維可視化：

結(jié)合GIS設(shè)備CAD模型，實(shí)時(shí)標(biāo)注故障點(diǎn)位置(誤差≤10cm)。

4. 挑戰(zhàn)與展望

局限性：

極端濕度環(huán)境下傳感器靈敏度下降;

異形腔體(如T型接頭)聲波建模仍需優(yōu)化。

未來(lái)方向：

引入光纖超聲傳感器提升抗EMI能力;

結(jié)合聲-光聯(lián)合定位進(jìn)一步降低誤差。

該方案通過(guò)多傳感器時(shí)空-能量多維融合，顯著提升GIS故障定位精度，為智能變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供可靠技術(shù)支撐。可根據(jù)具體需求擴(kuò)展硬件選型細(xì)節(jié)或算法代碼實(shí)現(xiàn)部分。