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

背景技術：

小型化、寬頻帶的超高頻天線是天線領域的研究熱點問題之一。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)測的頻帶下限通常為300MHz，頻帶上限可達3GHz，因此，局部放電超高頻監(jiān)測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窗上，變壓器局部放電超高頻監(jiān)測天線的小型化是其工程應用的關鍵問題之一。對于普通的超高頻天線，如果減小天線尺寸，天線導體的長度隨之減小，導致監(jiān)測頻帶下限提高，監(jiān)測頻帶變窄。

分形天線開發(fā)與設計是基于分形曲線能夠在理論上充滿整個平面的思想，分形天線導體在有限尺寸平面上可實現(xiàn)高占空比，從而保證天線在檢測頻帶達到設計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，是實現(xiàn)變壓器局部放電超高頻監(jiān)測傳感器新技術的有效途徑之一。

分形天線的分形階數(shù)、外圍尺寸、導體寬度、饋電點位置等參數(shù)對分形天線諧振頻率及方向性的影響?，F(xiàn)有的天線設計工作中存在三個主要問題：(1)由于分形天線的性能與天線參數(shù)具有緊密關系，天線設計是通過人為設置參數(shù)值進行仿真計算，仿真計算無法自動完成，天線設計參數(shù)與最優(yōu)值具有一定偏差；(2)未考慮天線導體與介質的厚度對天線性能的影響；(3)在仿真計算中天線駐波比的閾值設為5，與通常天線設計的駐波比為2的目標具有一定差距。

技術實現(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)實現(xiàn)了分形天線參數(shù)的自動仿真計算與優(yōu)化選擇，設計出頻帶低限達到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方案來實現(xiàn)的：一種變壓器局部放電超高頻檢測Hilbert分 形天線優(yōu)化方法，包括以下步驟：

S1)根據(jù)超高頻天線的設計目標，確定遺傳算法的適應度函數(shù)，通過計算每一個體的適應度來判斷優(yōu)化結果的好壞，控制算法的搜索方向；

S2)將天線的結構參數(shù)導線寬度a、介質層厚度b、導體厚度c以及饋電點位置(x,y)作為一個整體進行綜合考慮，確定其編碼解碼方案，將天線的結構參數(shù)映射為遺傳算法能夠處理的二進制編碼形式；

S3)將每組超高頻天線的結構參數(shù)作為一個個體，確定一定數(shù)量個體作為遺傳算法的初始種群；

S4)利用公式將每一個體的二進制編碼解碼為超高頻天線的結構參數(shù)，調(diào)用Ansoft Designer軟件來仿真獲得天線的電特性參數(shù)，并將計算得到的駐波比代入適應度函數(shù)中計算該個體的適應度值，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)返回的個體適應度值判斷是否滿足天線的設計要求；若滿足則程序退出循環(huán)并輸出當前個體所代表的超高頻天線的結構參數(shù)組合；若不滿足，則基于該返回的適應度值繼續(xù)進行遺傳算法操作；通過選擇、交叉及變異手段產(chǎn)生新的種群，繼續(xù)進行步驟S4)；每次循環(huán)都將已獲得的最優(yōu)個體進行更新保存，直到程序循環(huán)終止時作為最終結果輸出。

進一步，在步驟S3)中，編碼解碼方案為：a、b轉化的二進制字符串分別為13位，c轉化的二進制字符串為11位，x、y轉化的二進制字符串分別為7位。

由于采用了以上技術方案，本發(fā)明具以下有益技術效果：

傳統(tǒng)的天線設計方法主要依靠設計者的理論水平與經(jīng)驗，通過不斷的調(diào)整天線的各項結構參數(shù)來獲取性能較好的天線，設計過程具有很大的隨意性、盲目性，效率低下，周期長，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優(yōu)化算法，提高天線的設計能力和效率，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、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，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。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應當理解，優(yōu)選實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。該方案適用于對微波無源結構天線進行自動優(yōu)化設計。主要分為以下6個步驟。

(1)根據(jù)本文超高頻天線的設計目標，確定遺傳算法的適應度函數(shù)，通過計算每一個體的適應度來判斷優(yōu)化結果的好壞，控制算法的搜索方向。

(2)將天線的導線寬度、介質層厚度、導體厚度以及饋電點位置等結構參數(shù)作為一個整體進行綜合考慮，確定其編碼解碼方案，將天線的結構參數(shù)映射為智能算法能夠處理的二進制編碼形式。

(3)將每組超高頻天線的結構參數(shù)作為一個個體，確定一定數(shù)量個體作為遺傳算法的初始種群。

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

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

實例：

本實施例為獲得性能更優(yōu)的局部放電超高頻檢測寬頻帶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

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

式中，F(xiàn)_i為目標頻段內(nèi)的抽樣點頻率，N為抽樣點數(shù)目。通過計算每一個體的適應度來判斷優(yōu)化結果的好壞，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分形天線的導線寬度、介質層厚度、導體厚度以及饋電點位置等參數(shù)對超高頻天線的性能具有顯著的影響。本文將以上天線的結構參數(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)將天線的結構參數(shù)a,b,c,(x,y)作為一個整體參數(shù)v進行綜合考慮，采取二進制編碼形式將待優(yōu)化的天線結構參數(shù)v映射為遺傳算法能夠處理的一組51位的二進制的字符串(其中a、b轉化的二進制字符串分別為13位，c轉化的二進制字符串為11位，x、y轉化的二進制字符串分別為7位)。對于待優(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)驗確定。根據(jù)式(3)可以對參數(shù)v進行編碼，構成可行解空間。通過優(yōu)化程序獲取到最優(yōu)解的個體后，將相應位置的二進制代碼解碼為十進制代碼，即為最終得到的相應的天線參數(shù)。

式中，b_i為組成個體的基因值b₁～b₅₁，每個基因值取值為1或0。

(3)將每組超高頻天線的結構參數(shù)作為一個個體，確定一定數(shù)量個體作為遺傳算法的初始種群。

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

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

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寬頻帶Hilbert分形天線。根據(jù)本發(fā)明對遺傳算法的適應度函數(shù)的定義，在目標頻率范圍內(nèi)天線駐波曲線選取了14個抽樣點，均勻分布于目標頻率范圍內(nèi)，間隔為50MHz。當各抽樣頻率處駐波比R的平均值f(x)小于2時，則認為達到了本文的設計目標。利用本文構建的優(yōu)化工程對超高頻天線進行優(yōu)化后，輸出的超高頻天線最優(yōu)結構參數(shù)組合如表2所示。

表2優(yōu)化后的天線參數(shù)

針對表2中優(yōu)化得到的超高頻天線的結構參數(shù)組合，采用Ansoft Designer仿真軟件對天線的電特性進行仿真。圖2-3為計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頻率范圍(300MHz～1GHz)內(nèi)駐波比均小于2，且變化平穩(wěn)，達到了設計要求。圖4中天線的增益曲線表明，在目標頻段內(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兩個頻率點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背面的干擾信號有一定的屏蔽作用，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)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動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)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。