牽引變電所開關設備安全在線監測系統研究

荊 濤，李興華，霍 炎

（北京交通大學 樹華無線感知實驗室，北京 100044 ）

牽引變電所開關設備安全在線監測系統研究

荊 濤，李興華，霍 炎

（北京交通大學 樹華無線感知實驗室，北京 100044 ）

本文主要研究了牽引變電所內GIS設備中SF6氣體濃度及其分解物的在線監測系統，該系統通過檢測分析SF6氣體濃度及分解產物，及時、有效地發現設備內的潛伏性故障，并進行設備故障定位。該系統的研究包括兩個方面：硬件設計和軟件設計。硬件設備是便攜式氣體檢測儀，其中包括光離子檢測、電化學傳感器、多路傳感器等模塊。軟件系統定義了各個模塊之間的算法操作流程。

牽引變電；在線監測 ；SF6氣體；傳感器；系統設計

隨著我國電氣化鐵路的快速發展，對牽引供電設備技術性能方面的要求不斷提高，受環境影響小、高可靠性、集成度高、占地和占空間少及免維護的新型牽引供電設備的需求日益迫切[1]。在客觀上需要發展110 kV及以上電壓等級全金屬封閉組合電器（GIS）及相關技術，進一步研究其在27.5 kV電氣化鐵道牽引變電所的應用[2]。

本文主要研究牽引變電所中GIS設備內SF6氣體濃度及其分解物的在線監測系統，通過采用檢測分析SF6氣體濃度及分解產物，能夠快速、有效地發現設備內的潛伏性故障，并進行設備故障定位[6]。并在此基礎上，通過改進硬件設計及算法設計，提高檢測靈敏度和精度。

1 終端設備設計

在線監測系統的終端硬件是HX-100B型便攜式氣體檢測儀，其主機面板如圖1所示。其工作原理是基于揮發性氣體的電離特性[7]，采用光離子化檢測器（PID）測量混合氣體中甲苯（C6H5CH3）、乙醇（CH3CH2OH）、甲乙酮（CH3COCH2CH3）等的含量；采用電化學傳感器測量混合氣體中氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、環氧乙烷（EO）等氣體的含量。

圖1 HX-100B型便攜式氣體檢測儀

1.1 工作原理

1.1.1 光離子化檢測（PID）

光離子化檢測器是由一個特定的紫外燈和一個電離室組成，通過紫外光能來激發電離室的氣體，激發后的離子則被收集電極采集，最終產生一個與化合物濃度成正比的電流[8]。化合物能否被PID檢測器電離出離子取決于化合物離子化的能量。如果紫外燈的輸出能量高于化合物的電離電位，則PID可以檢出。該便攜式氣體檢測儀的標準紫外燈是10.6eV。PID可以檢測出芳香烴，不飽和烴和氯代烴等有機物。

1.1.2 電化學傳感器

電化學傳感器通過與被測氣體發生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。氣體首先穿過細小的毛管型開孔與傳感器發生反應，然后是疏水屏障層，最終到達電極表面。使用這種方法可以允許適量的氣體與傳感電極發生反應，便于形成充分的電信號，同時能夠有效的防止電解質漏出傳感器[9]。通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。

電化學傳感器對目標氣體擁有良好的選擇性，大多數與電化學反應的氣體都屬于有毒有害氣體，以無機物為主，能夠與PID傳感器形成良好的互補。

1.1.3 多路傳感器

由于PID傳感器和電化學傳感器各有自身的優缺點，如果只使用一種傳感器，在測量氣體種類和測量濃度偏差方面往往會受到檢測方法本身的限制[10]。本文中介紹的便攜式氣體檢測儀采用多路傳感器同時對氣體進行響應，通過多種傳感器之間的交叉干擾能夠幫助判斷化合物的類型以及特征物質的濃度。

1.2 技術指標

便攜式氣體檢測儀的技術指標如表1 所示。

表1 便攜式氣體檢測儀技術指標

2 中心服務器算法

便攜式氣體檢測儀把收集到的數據傳輸到服務器端，服務器對數據進行處理。GIS設備中有害的氣體主要有兩種：SOF2和SO2F2，所以中心服務器主要的工作就是把兩種氣體的濃度及時分析出來，達到及時報警的目的。將便攜式設備得到的數據進行主成分分析，進行去噪降維處理，得到特征向量[11]。將特征向量輸入到SVM進行學習，分類的準確率在95%以上[12]。通過調節便攜式氣體檢測儀的參數，獲得傳感器在不同濃度SOF2、SO2F2和SOF2/SO2F2混合氣體的動態響應曲線，從動態曲線提取特征，利用SVM對SOF2/SO2F2混合氣體進行定量分析，準確地估計出氣體的濃度。系統算法的流程如圖2所示。

圖2 系統算法流程圖

對便攜式氣體檢測儀傳給服務器的數據進行主成分分析，提取主成分的第1和第2主成分，運用支持向量機進行分類。支持向量機采用的核函數是徑向基函數。

6個支持向量機的訓練過程如下：

（1）將兩種氣體的混合體作為一類樣本，訓練模型SVM1。（2）將SOF2和SO2F2分別單獨作為一類樣本，訓練模型SVM2。對于被測氣體為SOF2/ SO2F2混合氣體的情況。將混合氣體中SOF2的實際濃度作為期望值，將傳感器在t時刻的響應值作為一維輸入向量，訓練模型SVM3，利用SVM3估計混合氣體中SOF2的濃度。（3）將混合氣體中SO2F2的實際濃度作為期望值，將SVM3估計的SOF2濃度與傳感器靈敏度S組成二維輸入向量，訓練模型SVM4，利用SVM4估計混合氣體中SO2F2的濃度。

對于被測氣體為單一SO2F2的情況。將SO2F2的實際濃度作為期望值，傳感器靈敏度作S為一維輸入向量，訓練模型SVM5，利用SVM5估計SO2F2的濃度。同理，對被測氣體為單一SOF2的情況。將SOF2的實際濃度作為期望值，傳感器靈敏度作S為一維輸入向量，訓練模型SVM6，利用SVM6估計SOF2的濃度。

3 在線監測系統設計

本文針對在線式檢測設備作研究和改進，采用SVM（支持向量機）、遺傳算法，根據傳感器的動態電離曲線，對SF6氣體分解物進行在線監測分析，從而得到SO2、H2S、CO、HF等氣體成分及含量。根據所得到的SF6氣體分解物的成分、含量，建立GIS設備狀態的數學模型，實現GIS設備狀態的自動檢測。設備采用ARM架構的工業級微處理器實現，實時性好、可靠性高、成本低。設備可以連續對空氣中SF6的含量進行檢測，檢測的結果存到內置的SD卡中，并通過GPRS無線網絡定時上傳到中心服務器，維護人員可在監控室內遠程控制設備的工作狀態，大大降低了故障風險，以及對維護、檢修人員的技術要求和勞動強度。在線監測系統如圖3所示。無線終端設備即便攜式氣體檢測儀將采集到的數據通過無線網絡傳給中心服務器，中心服務器根據特定的算法對氣體進行分析，最后將結果傳遞給管理人員。

圖3 在線監測系統圖

4 結束語

本文根據牽引變電所開關設備安全在線系統的需求，研究設計了牽引變電所內GIS設備對SF6氣體濃度及其分解物的在線監測系統，實現了對SF6的氣體濃度及分解產物進行檢測并分類，快速有效地發現設備內的潛伏性故障，并進行設備故障定位。本文詳細介紹了設備的硬件設計和軟件設計，在線監測系統設計的改進包括使用多路傳感器提高算法準確率和精度，并對數據采用主成分分析及動態曲線特征提取等方法實現中心服務器算法。

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責任編輯 陳 蓉

Online Monitoring System for detecting security of switch device in the traction substation

JING Tao, LI Xinghua, HUO Yan
( Shuhua Wireless Sensor Laboratory, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

This paper mainly studied on the Online Monitoring System for concentration of SF6gas and its decomposition products in the GIS equipment within the traction substation. The latent mulfunction in the machine could be timely and effectively discovered, and located by detecting the concentration of SF6gas and its decomposition products. The study of the System included two aspects, such as hardware design and software design. Hardware device was a portable gas detector, which included photoionization detection module, electrochemical sensors module, multiple sensor modules and so on. Software system def i ned the operational fl ow of algorithms between the various modules.

traction substation; online monitoring; SF6gas; sensor; system design

U224∶TP39

A

1005-8451（2015）04-0005-04

2014-12-26

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題（2013J010-D）。

荊 濤，教授；李興華，副教授。