本發(fā)明涉及變壓器等電力設(shè)備的局部放電在線或離線檢測(cè)技術(shù)，具體涉及一種變壓器局部放電超高頻檢測(cè)Hilbert分形天線優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

小型化、寬頻帶的超高頻天線是天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題之一。為避開電暈脈沖干擾并具有足夠的靈敏度，局部放電超高頻監(jiān)測(cè)的頻帶下限通常為300MHz，頻帶上限可達(dá)3GHz，因此，局部放電超高頻監(jiān)測(cè)天線是一種寬頻帶天線。為便于安裝于變壓器內(nèi)部或者變壓器箱體上的介質(zhì)窗上，變壓器局部放電超高頻監(jiān)測(cè)天線的小型化是其工程應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。對(duì)于普通的超高頻天線，如果減小天線尺寸，天線導(dǎo)體的長(zhǎng)度隨之減小，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)頻帶下限提高，監(jiān)測(cè)頻帶變窄。

分形天線開發(fā)與設(shè)計(jì)是基于分形曲線能夠在理論上充滿整個(gè)平面的思想，分形天線導(dǎo)體在有限尺寸平面上可實(shí)現(xiàn)高占空比，從而保證天線在檢測(cè)頻帶達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下具有最小的尺寸。研究小型化、寬頻帶的超高頻分形天線，是實(shí)現(xiàn)變壓器局部放電超高頻監(jiān)測(cè)傳感器新技術(shù)的有效途徑之一。

分形天線的分形階數(shù)、外圍尺寸、導(dǎo)體寬度、饋電點(diǎn)位置等參數(shù)對(duì)分形天線諧振頻率及方向性的影響?，F(xiàn)有的天線設(shè)計(jì)工作中存在三個(gè)主要問題：(1)由于分形天線的性能與天線參數(shù)具有緊密關(guān)系，天線設(shè)計(jì)是通過人為設(shè)置參數(shù)值進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真計(jì)算無法自動(dòng)完成，天線設(shè)計(jì)參數(shù)與最優(yōu)值具有一定偏差；(2)未考慮天線導(dǎo)體與介質(zhì)的厚度對(duì)天線性能的影響；(3)在仿真計(jì)算中天線駐波比的閾值設(shè)為5，與通常天線設(shè)計(jì)的駐波比為2的目標(biāo)具有一定差距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明公開了一種變壓器局部放電超高頻檢測(cè)Hilbert分形天線優(yōu)化方法。本發(fā)明通過建立仿真模型，采用智能算法(遺傳算法、粒子群算法等)實(shí)現(xiàn)了分形天線參數(shù)的自動(dòng)仿真計(jì)算與優(yōu)化選擇，設(shè)計(jì)出頻帶低限達(dá)到300MHz、頻帶高限超過1GHz的具有良好方向性的寬頻帶四階分形天線。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種變壓器局部放電超高頻檢測(cè)Hilbert分 形天線優(yōu)化方法，包括以下步驟：

S1)根據(jù)超高頻天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，通過計(jì)算每一個(gè)體的適應(yīng)度來判斷優(yōu)化結(jié)果的好壞，控制算法的搜索方向；

S2)將天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)線寬度a、介質(zhì)層厚度b、導(dǎo)體厚度c以及饋電點(diǎn)位置(x,y)作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合考慮，確定其編碼解碼方案，將天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)映射為遺傳算法能夠處理的二進(jìn)制編碼形式；

S3)將每組超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為一個(gè)個(gè)體，確定一定數(shù)量個(gè)體作為遺傳算法的初始種群；

S4)利用公式將每一個(gè)體的二進(jìn)制編碼解碼為超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)用Ansoft Designer軟件來仿真獲得天線的電特性參數(shù)，并將計(jì)算得到的駐波比代入適應(yīng)度函數(shù)中計(jì)算該個(gè)體的適應(yīng)度值，其中，δ為參數(shù)的優(yōu)化精度，v_min和v_max為待優(yōu)化參數(shù)v的范圍；

S5)根據(jù)返回的個(gè)體適應(yīng)度值判斷是否滿足天線的設(shè)計(jì)要求；若滿足則程序退出循環(huán)并輸出當(dāng)前個(gè)體所代表的超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合；若不滿足，則基于該返回的適應(yīng)度值繼續(xù)進(jìn)行遺傳算法操作；通過選擇、交叉及變異手段產(chǎn)生新的種群，繼續(xù)進(jìn)行步驟S4)；每次循環(huán)都將已獲得的最優(yōu)個(gè)體進(jìn)行更新保存，直到程序循環(huán)終止時(shí)作為最終結(jié)果輸出。

進(jìn)一步，在步驟S3)中，編碼解碼方案為：a、b轉(zhuǎn)化的二進(jìn)制字符串分別為13位，c轉(zhuǎn)化的二進(jìn)制字符串為11位，x、y轉(zhuǎn)化的二進(jìn)制字符串分別為7位。

由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具以下有益技術(shù)效果：

傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)方法主要依靠設(shè)計(jì)者的理論水平與經(jīng)驗(yàn)，通過不斷的調(diào)整天線的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)來獲取性能較好的天線，設(shè)計(jì)過程具有很大的隨意性、盲目性，效率低下，周期長(zhǎng)，而且最終制作出來的天線也不一定是性能最優(yōu)的天線。本發(fā)明提供了一種分析天線自動(dòng)優(yōu)化算法，提高天線的設(shè)計(jì)能力和效率，獲得性能優(yōu)異的局部放電超高頻Hilbert天線。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1分形天線優(yōu)化工程基本思路；

圖2優(yōu)化后分形天線的駐波比；

圖3優(yōu)化后分形天線的增益；

圖4優(yōu)化后天線的二維方向圖和增益；

圖5優(yōu)化后天線的三維方向圖和增益。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

超高頻Hilbert分形天線優(yōu)化工程的基本思路如圖2所示。該方案適用于對(duì)微波無源結(jié)構(gòu)天線進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要分為以下6個(gè)步驟。

(1)根據(jù)本文超高頻天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，通過計(jì)算每一個(gè)體的適應(yīng)度來判斷優(yōu)化結(jié)果的好壞，控制算法的搜索方向。

(2)將天線的導(dǎo)線寬度、介質(zhì)層厚度、導(dǎo)體厚度以及饋電點(diǎn)位置等結(jié)構(gòu)參數(shù)作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合考慮，確定其編碼解碼方案，將天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)映射為智能算法能夠處理的二進(jìn)制編碼形式。

(3)將每組超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為一個(gè)個(gè)體，確定一定數(shù)量個(gè)體作為遺傳算法的初始種群。

(4)利用公式(2)將每一個(gè)體的二進(jìn)制編碼解碼為超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)用Ansoft Designer軟件來仿真獲得天線的電特性參數(shù)，并將計(jì)算得到的駐波比代入適應(yīng)度函數(shù)中計(jì)算該個(gè)體的適應(yīng)度值。

(5)根據(jù)返回的個(gè)體適應(yīng)度值判斷是否滿足天線的設(shè)計(jì)要求。若滿足則程序退出循環(huán)并輸出當(dāng)前個(gè)體所代表的超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。若不滿足，則基于該返回的適應(yīng)度值繼續(xù)進(jìn)行遺傳算法操作。通過選擇、交叉及變異手段產(chǎn)生新的種群，繼續(xù)進(jìn)行步驟(4)。每次循環(huán)都將已獲得的最優(yōu)個(gè)體進(jìn)行更新保存，直到程序循環(huán)終止時(shí)作為最終結(jié)果輸出。

實(shí)例：

本實(shí)施例為獲得性能更優(yōu)的局部放電超高頻檢測(cè)寬頻帶Hilbert分形天線。因此要求經(jīng)過優(yōu)化工程優(yōu)化后的超高頻天線的工作頻段范圍為300MHz～1GHz，即要求在該頻率范圍內(nèi)天線的駐波比小于2。

1、優(yōu)化目標(biāo)

將目標(biāo)頻率范圍內(nèi)天線駐波比R的平均值作為適應(yīng)度函數(shù)，即：

式中，F(xiàn)_i為目標(biāo)頻段內(nèi)的抽樣點(diǎn)頻率，N為抽樣點(diǎn)數(shù)目。通過計(jì)算每一個(gè)體的適應(yīng)度來判斷優(yōu)化結(jié)果的好壞，控制算法的搜索方向。

2、優(yōu)化過程

(1)待優(yōu)化參數(shù)。局部放電超高頻Hilbert分形天線的導(dǎo)線寬度、介質(zhì)層厚度、導(dǎo)體厚度以及饋電點(diǎn)位置等參數(shù)對(duì)超高頻天線的性能具有顯著的影響。本文將以上天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)選為待優(yōu)化的變量并定義其取值范圍如下表1所示。

表1待優(yōu)化的天線參數(shù)

(2)將天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)a,b,c,(x,y)作為一個(gè)整體參數(shù)v進(jìn)行綜合考慮，采取二進(jìn)制編碼形式將待優(yōu)化的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)v映射為遺傳算法能夠處理的一組51位的二進(jìn)制的字符串(其中a、b轉(zhuǎn)化的二進(jìn)制字符串分別為13位，c轉(zhuǎn)化的二進(jìn)制字符串為11位，x、y轉(zhuǎn)化的二進(jìn)制字符串分別為7位)。對(duì)于待優(yōu)化的參數(shù)v，參數(shù)的優(yōu)化精度δ可以由下式計(jì)算獲得：

式中，v_min和v_max為待優(yōu)化參數(shù)v的范圍，該范圍可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。根據(jù)式(3)可以對(duì)參數(shù)v進(jìn)行編碼，構(gòu)成可行解空間。通過優(yōu)化程序獲取到最優(yōu)解的個(gè)體后，將相應(yīng)位置的二進(jìn)制代碼解碼為十進(jìn)制代碼，即為最終得到的相應(yīng)的天線參數(shù)。

式中，b_i為組成個(gè)體的基因值b₁～b₅₁，每個(gè)基因值取值為1或0。

(3)將每組超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為一個(gè)個(gè)體，確定一定數(shù)量個(gè)體作為遺傳算法的初始種群。

(4)將每一個(gè)體的二進(jìn)制編碼解碼為超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)用Ansoft Designer軟件來仿真獲得天線的電特性參數(shù)，并將計(jì)算得到的駐波比代入適應(yīng)度函數(shù)中計(jì)算該個(gè)體的適應(yīng)度值。

(5)根據(jù)返回的個(gè)體適應(yīng)度值判斷是否滿足天線的設(shè)計(jì)要求。若滿足則程序退出循環(huán)并輸出當(dāng)前個(gè)體所代表的超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。若不滿足，則基于該返回的適應(yīng)度值繼續(xù)進(jìn)行遺傳算法操作。通過選擇、交叉及變異手段產(chǎn)生新的種群，繼續(xù)進(jìn)行步驟(4)。每次循環(huán)都將已獲得的最優(yōu)個(gè)體進(jìn)行更新保存，直到程序循環(huán)終止時(shí)作為最終結(jié)果輸出。

本發(fā)明的目的是通過優(yōu)化工程獲得性能更優(yōu)的局部放電超高頻檢測(cè)寬頻帶Hilbert分形天線。根據(jù)本發(fā)明對(duì)遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)的定義，在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)天線駐波曲線選取了14個(gè)抽樣點(diǎn)，均勻分布于目標(biāo)頻率范圍內(nèi)，間隔為50MHz。當(dāng)各抽樣頻率處駐波比R的平均值f(x)小于2時(shí)，則認(rèn)為達(dá)到了本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)。利用本文構(gòu)建的優(yōu)化工程對(duì)超高頻天線進(jìn)行優(yōu)化后，輸出的超高頻天線最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合如表2所示。

表2優(yōu)化后的天線參數(shù)

針對(duì)表2中優(yōu)化得到的超高頻天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，采用Ansoft Designer仿真軟件對(duì)天線的電特性進(jìn)行仿真。圖2-3為計(jì)算得到的超高頻天線在100MHz～1GHz內(nèi)的駐波比和增益的變化情況。由圖2可知，優(yōu)化后的超高頻天線在目標(biāo)頻率范圍(300MHz～1GHz)內(nèi)駐波比均小于2，且變化平穩(wěn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。圖4中天線的增益曲線表明，在目標(biāo)頻段內(nèi)，天線增益＞-25dB，500MHz以上的頻段內(nèi)，天線增益＞-15dB。圖4為天線在400MHz和700MHz兩個(gè)頻率點(diǎn)的二維和三維方向圖，可知經(jīng)優(yōu)化后的天線具有非常好的方向性，可以接收天線正前方各方向的電磁波并對(duì)背面的干擾信號(hào)有一定的屏蔽作用，其接收面上各方向的增益很穩(wěn)定。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。