A combined algorithm approach for PD location estimation using RF antennas

J. M. Fresno, G. Robles, J. M. Martínez-Tarifa and B. G. Stewart, “A combined algorithm approach for PD location estimation using RF antennas,” 2017 IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), Baltimore, MD, USA, 2017, pp. 384-387.
doi: 10.1109/EIC.2017.8004695
URL: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=8004695&isnumber=8004594

Abstract— To locate the positions of partial discharge sources in free space at least four RF antennas are arranged in a suitable
spatial geometry to detect the radiated electromagnet energy from the discharge. The time-difference-of-arrival (TDOA) between the signals from each antenna are then used within multi-lateration equations to determine the position of the source. The iterative Hyperbolic Least Squares (HLS) method and the non-iterative Maximum Likelihood Estimator (MLE) method are two common techniques used in the literature to solve the multi-lateration equations. This paper investigates the ability of combining MLE and HLS to improve location accuracy and maintain fast location computation time. To this end HLS, MLE and the combined MLEHLS method are evaluated in terms of location accuracy and computation performance for three spatial antenna configurations, namely Square, Pyramidal and Trapezoidal arrangements. The location accuracies for each method are evaluated for theoretical TDOA values and also for the case when a finite sampling rate of 10G samples-per-second is considered; the latter is implemented through appropriate rounding up of TDOA values by one sample time. It is shown that MLE-HLS produces improved location accuracy compared with HLS and MLE for both theoretical and finite sampled TDOA values. In addition, it is shown that MLE-HLS improves significantly the computation time over the iterative HLS method.

Keywords— Antenna theory; Mathematical model; Maximum likelihood estimation; Partial discharges; Position measurement; location algorithms; partial discharges; radio-frequency localization

Localización de Fuentes de Descargas Parciales en Instalaciones Eléctricas

CIGRÉ WORKSHOP: MONTORIZACIÓN DE LÍNEAS – COMITÉS DE ESTUDIO B1 y B2

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA – 27 de abril de 2017

José Manuel Fresno, Guillermo Robles, y Juan Manuel Martínez-Tarifa.  E-Mails: jfresno@ing.uc3m.es, grobles@ing.uc3m.es y jmmtarif@ing.uc3m.es.

Departamento de Ingeniería Eléctrica. Universidad Carlos III de Madrid, Avda. Universidad, 30, 28911, Leganés, Madrid, España

Enlace al póster.

Motivación

  • La medida de descargas parciales (DP) permite llevar a cabo un mantenimiento predictivo en instalaciones eléctricas.
  • Las DP emiten una radiación electromagnética que puede ser medida con antenas para la localización de la fuente sin interrumpir el servicio de la instalación.

Método

  • Actualmente, se usan al menos cuatro antenas situadas en distintos puntos para la localización de la fuente de DP.
  • Calculando la diferencia de los tiempos de llegada \tau_{ij} de la emisión a las antenas, y minimizando la función objetivo F se puede estimar la posición \hat{P}_s de la fuente de DP.

Planteamiento

  • Se puede localizar fuentes de DP con sólo dos antenas siguiendo el procedimiento propuesto en este póster:
  • Para calcular la dirección (azimut y elevación) de la fuente de DP se deben orientar las antenas maximizando \tau_{12} y tomar datos en varias posiciones.Imagen4.pngImagen3
  • La distancia entre antenas se mantiene contante e igual a 2 m. Como la velocidad de propagación es c=3\times10^8 m/s, el máximo \tau_{12} es TDoA=2/c =6,67 µs.
  • La posición de la fuente de DP se define como la intersección de las direcciones calculadas en las posiciones donde se realizan las medidas.

Imagen5.png

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Instrumentación

  • Sistema de adquisición de señales de dos canales basado en una FPGA con un ADC de bajo coste.
  • Antenas monopolo omnidireccionales adaptadas para medir en la banda de frecuencias de las DP.

Discusión

  • La nueva metodología permite localizar fuentes de DP con un sistema de adquisición de dos canales en lugar de cuatro.
  • La reducción de canales de adquisición reduce el precio y el peso del sistema de adquisición.

Conclusiones

  • Es posible localizar fuentes de DP con un sistema de adquisición de dos canales.
  • Ubicando este equipo y las dos antenas en un vehículo aéreo no tripulado, se podría mejorar la exactitud de las medidas y por tanto de la localización.