基于特高頻技術(shù)的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪海泉

摘? 要：特高頻技術(shù)的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)GIS局部放電故障的有效方式，該文對(duì)系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行了介紹，并對(duì)組成部分中比較重要的單元進(jìn)行了詳細(xì)的原理和實(shí)現(xiàn)描述，最后闡述了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：特高頻;GIS;局部放電;在線監(jiān)測(cè);故障定位

中圖分類號(hào)：TM835? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

GIS是六氟化硫封閉式組合電器的簡(jiǎn)稱，由于其具有小型化、可靠性高、安全性好、安裝周期短和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在變電站得到廣泛應(yīng)用。GIS的大部分故障都會(huì)伴隨著局部放電現(xiàn)象的發(fā)生，通過在線監(jiān)測(cè)GIS局部放電，可以有效預(yù)測(cè)和判斷GIS設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，這是保證該設(shè)備正常運(yùn)行的一個(gè)重要手段，也為GIS設(shè)備維護(hù)提供一個(gè)有效的參考依據(jù)。GIS局部放電監(jiān)測(cè)原理有很多種，例如超聲波、地電波、特高頻等，該系統(tǒng)是基于特高頻技術(shù)原理并結(jié)合人工智能技術(shù)進(jìn)行研發(fā)的。

1 系統(tǒng)功能

1.1 局放檢測(cè)

具有較高的靈敏度，能夠檢測(cè)GIS內(nèi)部產(chǎn)生的各種局部放電情況。

1.2 信號(hào)采集存儲(chǔ)

系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)程序定時(shí)采集和存儲(chǔ)GIS局部放電數(shù)據(jù)的功能。

1.3 參數(shù)設(shè)置

可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體有采樣間隔、報(bào)警閾值、報(bào)警等級(jí)上下限具體值、是否報(bào)警、放電類型參數(shù)和4檔報(bào)警幅值設(shè)置等。

1.4 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)診斷服務(wù)器具有按照IEC 61850規(guī)約向外傳輸診斷結(jié)果、譜圖文件、報(bào)警信息、設(shè)備信息等功能。并且具備向總服務(wù)器直播指定通道在線局放數(shù)據(jù)的功能。

1.5 數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)對(duì)多個(gè)診斷結(jié)果進(jìn)行顯示，具體有幅值、頻次、相位特征、三維PRPS圖、三維PRPD圖、二維圖（∮-q圖、∮-n圖和q-n圖）。可以同時(shí)進(jìn)行9個(gè)通道的數(shù)據(jù)顯示。

1.6 系統(tǒng)報(bào)警

報(bào)警包含2個(gè)內(nèi)容。1）是局放數(shù)值報(bào)警，系統(tǒng)設(shè)置4檔報(bào)警等級(jí)區(qū)間，通過4種顏色表示不同的報(bào)警等級(jí)，并且可以通過短信通知負(fù)責(zé)人。2） 是如果發(fā)生通信中斷或者模塊掉電等故障時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)后向上級(jí)進(jìn)行報(bào)警。

1.7 智能診斷

專家診斷服務(wù)器能自動(dòng)判斷出沿面放電、尖端放電、顆粒放電、懸浮放電、氣隙放電、干擾（通信干擾等）、正常、其他等不同類型，并自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的概率。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，系統(tǒng)由UHF傳感器、噪聲傳感器、采集IED和專家系統(tǒng)服務(wù)器組成。

2.1 UHF傳感器

UHF傳感器主要是用來采集GIS內(nèi)部發(fā)生局放時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)，分為外置式UHF傳感器和內(nèi)置式UHF傳感器2種。

UHF傳感器采用特高頻原理，UHF傳感器接收局部放電過程的電磁波無線信號(hào)，然后將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電的檢測(cè)。傳感器可以接收頻率在300 MHz～3 000 MHz的電磁波信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，通過同軸電纜線傳給采集IED[1]。

2.2 噪聲傳感器

噪聲傳感器主要是采集環(huán)境噪聲，例如馬達(dá)、雷達(dá)、電弧等產(chǎn)生的高頻電磁波信號(hào)。UHF傳感器在采集數(shù)據(jù)時(shí)，不僅采集了局放信號(hào)，而且也采集了該頻段的噪聲信號(hào)。數(shù)據(jù)診斷服務(wù)器在計(jì)算UHF傳感器采集信號(hào)時(shí)，結(jié)合噪聲傳感器的采集信號(hào)，通過對(duì)應(yīng)算法去掉UHF傳感器信號(hào)的噪聲部分，達(dá)到防治外界干擾的作用。

2.3 采集IED

采集IED通過同軸電纜接收≤8路的超高頻傳感器所采集的局部放電信號(hào)。并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波、檢波、脈沖提取、數(shù)字濾波、局部放電特征量計(jì)算等數(shù)字化處理。處理后的收據(jù)上傳到專家診斷服務(wù)器。

GIS在放電時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)，首先經(jīng)過濾波、低噪放大、寬動(dòng)態(tài)范圍檢波、高速采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，之后再經(jīng)過CPU讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)300 MHz～3 000 MHz的GIS局部放電信號(hào)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.3.1 放大電路

GIS放電產(chǎn)生的放電信號(hào)很小，在電站現(xiàn)場(chǎng)的磁場(chǎng)很強(qiáng)，空氣中會(huì)產(chǎn)生很大噪聲，由于信號(hào)的頻帶很寬，這就要求前端放電電路需具有低噪聲、高增益、動(dòng)態(tài)范圍寬等特點(diǎn)。在信號(hào)傳輸過程中輸入輸出阻抗必須匹配，以達(dá)到信號(hào)傳輸?shù)淖罴研阅堋Ｇ岸朔糯笃鬟x用了日本NEC公司的UPC8211TK，增益可達(dá)18.5 dB，特征噪聲1.3 dB，放大電路如圖2所示。

2.3.2 濾波電路

該濾波電路采用的是選頻濾波器，對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行有效處理，過濾掉現(xiàn)場(chǎng)噪聲，提取有效的真實(shí)信號(hào)，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下。

通帶中心頻率600 MHz，帶內(nèi)衰減<2 dB，起伏<1 dB。300 MHz時(shí)，衰減>-5 dB。端口反射系數(shù)>500 MHz時(shí)，衰減<-10 dB，輸入輸出阻抗為50 ?。

微波檢波單元的最終目的是降低UHF局放信號(hào)頻率，當(dāng)局放信號(hào)的頻率被檢波電路處理降低后，就便于進(jìn)行采集電路數(shù)據(jù)處理。

2.3.3 峰值檢波電路

檢波電路選用的是AD公司生產(chǎn)的AD8313ARM芯片，工作頻率覆蓋設(shè)計(jì)需求，具有動(dòng)態(tài)范圍寬、低功耗等特點(diǎn)，快速響應(yīng)時(shí)間為40 ns，該芯片在RF發(fā)射器和接收器的測(cè)量中得到大量應(yīng)用，電路設(shè)計(jì)外圍器件少、精度高，封裝為8-Lead MSOP。

2.3.4 鎖相放大器設(shè)計(jì)

該鎖相放電器采用AD630芯片，該芯片可以從100 dB的噪聲中恢復(fù)信號(hào)，帶寬2 MHz，壓擺率45 V/us。該芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減，規(guī)范化求和平均，對(duì)無用信號(hào)進(jìn)行中和，從而檢測(cè)出有用且真實(shí)的直流信號(hào)，將其輸出送到后端。

2.3.5 電源電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)輸入電壓為220 V/50 Hz，電路電源為+3VDC、+5VDC、+10VDC，下面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)前級(jí)電源采用開關(guān)電源輸入220 V/50 Hz，輸出為+10VDC。+3VDC主要是給低噪聲集成芯片UPC8211TK和微波檢波集成芯片AD8313器件供電，這一過程由集成芯片AD584來實(shí)現(xiàn)。+5VDC主要是給放大器AD8009、EL8202供電，+10VDC主要給模擬處理部分OP07、AD542和AD630元器件供電。

2.4 專家系統(tǒng)服務(wù)器

專家診斷服務(wù)器接收采集IED上傳的信號(hào)值，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后調(diào)用診斷算法，并完成局部放電可視化操作、局放判斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上送等功能。

服務(wù)器軟件架構(gòu)如圖3所示，分為數(shù)據(jù)采集軟件及管理平臺(tái)軟件2個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集軟件負(fù)責(zé)接收管理平臺(tái)指令，根據(jù)需求設(shè)置采集器及采集傳感器數(shù)據(jù)，并回寫到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)采集軟件是一個(gè)沒有操作界面的軟件，以系統(tǒng)服務(wù)的方式在系統(tǒng)中運(yùn)行，具備自動(dòng)恢復(fù)功能，同時(shí)負(fù)責(zé)按IEC 61850規(guī)范，將其上傳到總平臺(tái)管理平臺(tái)，完成一般的系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、展示及報(bào)警等功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 特高頻（UHF）定位方法

服務(wù)器端對(duì)IED發(fā)來的各個(gè)信號(hào)通道的PRPS數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，如果某個(gè)或某些信號(hào)通道的診斷結(jié)果為異常，那么服務(wù)器端需要根據(jù)定制的規(guī)則，自動(dòng)地對(duì)這些信號(hào)通道進(jìn)行處理，進(jìn)行自動(dòng)定位操作。

該系統(tǒng)采用在服務(wù)器端進(jìn)行幅值定位的方式進(jìn)行通道篩選，通過將篩選通道下放給IED端進(jìn)行時(shí)間差定位的方法來進(jìn)行。

具體包括2個(gè)步驟。1） 由服務(wù)器端進(jìn)行各個(gè)IED下各個(gè)通道的故障診斷。2）對(duì)各個(gè)IED的診斷結(jié)果進(jìn)行綜合處理，篩選定位通道。①如果通道無異常，則不進(jìn)行定位操作。②如果采集IED中僅有一個(gè)通道結(jié)果異常，那么自動(dòng)設(shè)定該通道為定位結(jié)果。③如果采集IED中有2個(gè)或3個(gè)通道結(jié)果異常，那么將這2個(gè)或3個(gè)通道的標(biāo)識(shí)直接下放給IED進(jìn)行定位操作。④如果采集IED中有3個(gè)以上通道結(jié)果異常，那么需要進(jìn)行幅值比較，篩選出3個(gè)定位通道，并將標(biāo)識(shí)下放給采集IED進(jìn)行定位操作。具體的幅值比較方法如下。首先，計(jì)算異常信號(hào)通道的PRPS圖譜中的每個(gè)周波最大幅值的平均值，通過橫向分析來排列各個(gè)異常通道。其次，如果出現(xiàn)2個(gè)通道比較結(jié)果一樣的情況，可以考慮再通過比較這2個(gè)通道PRPS圖譜的幅值的最大值來確定。

3.2 高頻采樣信號(hào)處理中電路板的實(shí)現(xiàn)

高速采集電路主要包括高速A/D、FPGA、DSP 3個(gè)部分。高速A/D采用LTC2107芯片，數(shù)據(jù)精度16位，速率210 MSPS，80 dB的SNR性能，98 dB的SFDR，信號(hào)孔徑抖動(dòng)延遲時(shí)間僅為45 fs RMS，通信接口為SPI標(biāo)準(zhǔn)接口，器件為48QFN封裝，該器件主要在高端接收器中應(yīng)用。FPGA采用Xilinx公司的Virtex-4 SX55芯片，該芯片為四代Virtex產(chǎn)品，采用了ASMBL架構(gòu)，超越了原有的ASIC技術(shù)，提供了突破性的性能和功能，該芯片功能主要為實(shí)時(shí)控制ADC芯片，讀取采集到的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到內(nèi)部RAM中。DSP部分的功能主要是完成采集數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)控制和系統(tǒng)通信。由于采集的數(shù)據(jù)速率高，因此必須要經(jīng)過數(shù)據(jù)變頻、抽取、濾波等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)地提取及傳輸[2]。

3.3 數(shù)據(jù)診斷和故障與預(yù)判的實(shí)現(xiàn)

該部分主要采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和指紋庫相結(jié)合的方式完成。系統(tǒng)首先采集各種GIS故障情況下局部放電的原始數(shù)據(jù)作為指紋庫，然后用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)海量的指紋庫進(jìn)行學(xué)習(xí)，最后對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判斷。

指紋庫的建立可以采用實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的方式進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室中模擬各種任意組合的放電類型，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。現(xiàn)場(chǎng)則是通過對(duì)實(shí)際故障進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣作為繼器學(xué)習(xí)的指紋庫。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是按照誤差逆?zhèn)鞑サ姆绞絹碛?xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而且BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以將問題的輸入輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性的優(yōu)化問題。比如最速下降算法，用迭代運(yùn)算不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)輸出與期望輸出的均方根誤差值達(dá)到最小。在前向計(jì)算過程中，輸入信息由輸入層經(jīng)隱層傳向輸出層，如果在輸出層沒有得到期望輸出則進(jìn)行反向傳播。

4 結(jié)論

采用特高頻技術(shù)的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以有效監(jiān)測(cè)GIS局部放電的發(fā)生，通過PRPS和PRPD譜圖的分析，可以更進(jìn)一步得到GIS的放電類型，為GIS的日常維護(hù)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]楊景剛.局部放檢測(cè)用超高頻天線的設(shè)計(jì)與性能對(duì)比[J].電測(cè)與儀表，2016，53（18）：22-24.

[2]蘇永芝.基于FPGA+DSP的高速中頻采樣信號(hào)處理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（7）：35-36.