1. 背景與需求分析

GIS設備故障特征：氣體絕緣開關設備(GIS)內部局部放電(PD)或機械松動會伴隨超聲波信號(20-200kHz)，但單一傳感器易受電磁干擾、結構反射波影響，定位誤差大。

行業痛點：

傳統單點超聲檢測無法區分多故障源;

復雜腔體結構導致聲波折射/衰減嚴重;

現場噪聲(電暈、振動)降低信噪比。

多傳感器融合優勢：通過空間分布式部署與數據協同處理，提升定位精度與可靠性。

2. 系統架構設計

2.1 硬件層

傳感器陣列：

選型：寬頻帶超聲傳感器(40-300kHz)，6-8個節點均勻布置于GIS腔體外壁;

抗干擾設計：金屬屏蔽外殼+帶通濾波電路，抑制50Hz工頻干擾。

信號采集模塊：

同步采樣(精度±0.1μs)，AD采樣率≥1MHz;

動態增益控制(DGC)適應不同信號強度。

變電站GIS設備超聲故障定位系統的多傳感器融合方案

2.2 數據融合層

預處理：

小波閾值去噪(Db4小波基);

基于Hilbert變換的包絡提取，消除載波影響。

時空對齊：

采用PTP協議實現微秒級時間同步;

傳感器坐標標定(激光測距儀輔助)。

2.3 定位算法層

初級定位：

TDOA(到達時間差)：通過互相關計算信號時延，建立雙曲面方程組;

改進粒子群算法(PSO)：引入自適應慣性權重，解決傳統最小二乘法對初值敏感問題。

次級校驗：

能量衰減模型：根據聲壓級衰減曲線排除反射波干擾點;

貝葉斯概率融合：綜合TDOA與能量權重輸出最終坐標。

3. 關鍵技術創新

混合觸發機制：

硬觸發(閾值超越)+軟觸發(AI波形識別)，降低漏報率;

動態權重分配：

根據傳感器信噪比(SNR)實時調整融合權重，噪聲節點自動降權;

三維可視化：

結合GIS設備CAD模型，實時標注故障點位置(誤差≤10cm)。

4. 挑戰與展望

局限性：

極端濕度環境下傳感器靈敏度下降;

異形腔體(如T型接頭)聲波建模仍需優化。

未來方向：

引入光纖超聲傳感器提升抗EMI能力;

結合聲-光聯合定位進一步降低誤差。

該方案通過多傳感器時空-能量多維融合，顯著提升GIS故障定位精度，為智能變電站狀態監測提供可靠技術支撐。可根據具體需求擴展硬件選型細節或算法代碼實現部分。