基于UHF傳感技術的局部放電在線監測裝置研制

劉逸凡等

摘 要：文章設計了一種GIS的局部放電在線監測裝置，裝置采用UHF檢測法對GIS的局部放電信號進行在線監測。系統硬件采用模塊化設計，由采集分析模塊、通信模塊和電源模塊組成，軟件設計部分由采集分析模塊、IEC61850服務器和局部放電監測后臺組成。該系統采集分析UHF局放信號并計算出局部放電的放電時間、放電頻次和放電量，并通過放電圖譜數據庫對GIS的絕緣情況進行分析評估，及時發現絕緣缺陷，可顯著提高高壓開關設備的運行可靠性。

關鍵詞：局部放電；智能高壓開關；在線監測；特高頻法

引言

氣體絕緣封閉開關設備（GIS）具有較高的安全可靠性，但在設備的生產加工、運輸、現場裝配等階段，不可避免地會存在一些微小且隱蔽的絕緣缺陷。在工頻耐壓試驗時這些缺陷往往不足以導致立即擊穿，但投入運行后在長時間正常運行工況下會發生局部放電，使缺陷逐漸嚴重，甚至造成放電點附近的閃絡或絕緣擊穿，威脅設備的安全穩定運行[1，2]。

通過對GIS的局部放電進行在線監測，能夠實時進行GIS絕緣狀況的評估，及時發現設備絕緣缺陷，避免因絕緣引起的故障發生，提高GIS的安全運行水平，同時降低維護成本，提高設備的檢修針對性，減少停電時間和節省維修費用[3]。

1 UHF局部放電檢測原理

GIS設備局部放電的放電持續時間一般在10-9-10-7秒，放電點能夠輻射很高頻率的電磁波，其頻率分量可達GHz。局部放電產生的超高頻（Ultra High Frequency，UHF）電磁波會沿著GIS的管道傳播，通過安裝在GIS內部或外部的UHF傳感器接收輻射的電磁波，局放信號被局部放電監測裝置采集后進行分析處理，即可實現局部放電的在線監測[4]。

2局部放電在線監測裝置的功能

局部放電在線監測裝置主要用于變電站中GIS設備的局部放電在線監測。局部放電在線監測裝置采用UHF檢測技術，通過UHF傳感器檢測GIS內部局部放電發出的電磁波信號，檢測到的信號經過RF濾波、射頻前置放大器和檢波器后進行采樣、存儲、數字信號處理，分析并上傳至故障模式數據庫進行匹配，對GIS的絕緣狀態進行診斷，并以數據可視化的方式顯示放電特征數據。同時具有系統后臺可存儲和展示局部放電的歷史測量數據，供工作人員及變電站層的監控系統查詢使用。

3 裝置的硬件設計

局部放電在線監測裝置的硬件由采集分析模塊、通信模塊和電源模塊三部分組成。采集模塊負責局放信號的采集分析處理，通信模塊將處理后的局部放電數據以IEC61850規約的格式上送至系統后臺，電源模塊負責提供5V和±12V的直流電源。各模塊之間相對獨立，通過以太網進行局部放電采集數據的數據交互。下面對三個模塊的硬件設計進行說明。

3.1 采集分析模塊

采集分析模塊由采集分析核心板和UHF信號調理單元組成：

采集分析核心板選用ATOM芯片作為核心處理器，由ATOM X86處理器和FPGA構成，外擴AD采用AD7656的16位高精度AD轉換器，FPGA采用Cyclone系列芯片，通過DMI總線擴展接口連接512M DDR RAM、SSD、FPGA等設備。FPGA邏輯電路控制AD采集和FIFO緩存模塊，接收信號調理單元調理后的UHF信號，實現數據濾波及存儲、添加數據時標、數據包整合等功能。系統具備多通道數據采集接口，利用雙緩沖技術，實現長時間不間斷的數據同步采集與轉換。

UHF信號調理單元包含RF濾波電路、射頻前置放大器和檢波器，將UHF傳感器的信號接入經預處理后，輸入由高速ADC+FPGA組成的高速數據采集分析模塊進行采樣、存儲、數字信號處理與分析。

3.2 通信模塊

通訊模塊選用PowerPC MPC8313芯片作為核心處理器，通過LocalBus總線擴展出的接口連接Nor Flash、SST NanDriver等設備，通訊模塊具有豐富的外圍控制接口和通信接口，對外具有1路百兆多模光纖以太網接口和2路RJ45以太網接口，主要負責局部放電監測IED和系統后臺以及狀態接入控制器的通信功能。通過RJ11以太網接口與核心板交換數據，更新嵌入式系統內部的IEC61850數據模型，并通過報告服務將數據上送。

通信模塊以太網接口選用DP83460芯片，DP86460是一款帶有IEEE 1588 PTP硬件支持功能的以太網收發器，可搭配MCU、FPGA、ASIC在同步以太網模式下實現PTP應用中次納秒的精度，同時確保系統設計的高度靈活性。

3.3 電源模塊

電源模塊輸入為220V/DC，輸出5V/DC和±12V/DC，該模塊選用合適電源模塊和電源芯片為裝置及裝置內各芯片進行供電，滿足功率及精度要求。在EMC設計上，選用壓敏電阻、氣體放電管、共模電感等元件，配合復合濾波器，預防因雷擊浪涌、靜電、射頻干擾、磁場干擾等對裝置造成不可控的影響，保障裝置的安全穩定運行。

4 裝置的軟件設計

裝置的軟件部分進行局部放電信號的采集、分析、處理、存儲和后臺數據展示，UHF局部放電信號的傳導和處理方向依次為UHF信號調理單元、采集分析模塊、通信模塊和后臺。系統軟件主要由三部分組成：信號的采集和分析模塊、IEC61850通信服務端和局部放電監測后臺。

4.1 采集分析模塊

首先，由局部放電產生的超高頻電磁波信號，被安裝在GIS上的內置UHF傳感器獲取，通過高頻同軸電纜與UHF信號調理單元相連，經RF濾波、射頻前置放大器和檢波器后，提取有效的內部局放信號，轉換為適于AD采集的電壓信號輸入采集分析模塊。

然后，調理后的局放信號進入采集分析模塊。采集分析模塊具有多通道數據采集接口，最多可以從6個UHF信號調理單元取得數據。模塊上的FPGA邏輯電路控制AD采集和FIFO緩存模塊，接收信號調理單元調理后的UHF信號，實現長時間不間斷的數據同步采集與轉換，將采樣的數字信號傳送給主處理器。

局放信號提取后，由使用Power PC處理器的嵌入式系統進行濾波、分析和特征提取等處理，計算出局部放電的放電量、放電頻次，提取放電圖譜特征并對產生的局放信號進行信號錄波。同時采用模式識別算法進行局部放電類型識別和故障診斷。

4.2 IEC61850通信服務端

在IEC61850通信服務端中，處理后的局放信息通過以太網進入通信模塊。通訊模塊具有信息轉換和通訊功能，支持以IEC61850方式上傳狀態監測結果，同時接收來自其他智能組件和主控機的命令信息，通過過程層網絡傳送給間隔層測控裝置或通過站控層網絡傳送到的變電站層的監控系統使用。

4.3 模塊間數據通信

采集分析模塊和通信模塊通過以太網TPC/IP協議進行通信，上送局部放電的放電量、放電頻次和放電波形至通信模塊。

TCP/IP協議在嵌入式Linux上使用Socket（套接字）進行通信，本設計中的Socket通信采用Server/Client模式，服務器在創建一個Socket后，接著會將該Socket與本地地址/端口進行綁定，成功后對響應的Socket上監聽，當捕捉到一個ACCEPT服務請求時，即完成一個新的連接，稍后向客戶端發送具體通信數據。

4.4 局部放電監測后臺

局部放電監測后臺服務器以IEC61850服務模式接收局放IED的監測數據，將放電量、放電頻次、放電相位在WEB界面上實時展示，并將局放波形文件進行？漬-q圖、？漬-n圖、灰度、散點圖等二維和三維視圖的展現。

5 結束語

本產品通過對GIS局部放電的實時在線監測，記錄并分析GIS的局部放電的放電時間、放電量和放電頻次，為高壓電氣設備的工作狀態和狀態檢修提供決策依據。同時可減少過早或不必要的停電試驗和檢修維護工作量，降低維護成本，提高電網運行的安全性，顯著提高電力系統可靠性，具有重要的社會經濟效益。

參考文獻

[1]Dengwei D，Wensheng G，Weidong L，et al.Insulation Defects Discrimination in GIS by Fisher Discriminant Analysis of Partial Discharge[J].高電壓技術，2013，39（4）.

[2]郭俊，吳廣寧，張血琴，等.局部放電檢測技術的現狀和發展[J].電工技術學報，2005，20（2）.

[3]姚陳果，周電波，陳攀，等.采用超高頻法監測變電站設備局放水平及其早期預警[J].高電壓技術，2011，37（7）.

[4]UHF-based Monitoring for Equipment PD Within the Substation and Early Warning[J].2011，37（7）.

[5]Zhenquan S，Xuefeng Z，Jisheng L I，et al.Interpretation on Partial Discharge of Typical Insulation Model Under Oscillating Impulse Voltage[J].高電壓技術，2012，38（8）.

作者簡介：劉逸凡（1988-），男，漢族，河南平頂山人，工程師，主要從事智能變電站智能組件研發工作。