應用LabVIEW軟件開發的氣體絕緣金屬封閉開關設備聲振聯合檢測系統

王永泉,楊朝旭,周淳,張濤,陶思宇

(1.西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室,710049,西安;2.西安交通大學陜西省先進飛行器服役環境與控制重點實驗室,710049,西安;3.西安交通大學航天航空學院,710049,西安;4.西安子國微科技有限公司,710065,西安)

氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)由斷路器、隔離開關、接地開關和母線等零部件組成,并且封裝在充有SF6高壓絕緣氣體的金屬外殼中[1]。由于GIS設備具有結構緊湊、占地面積小和可靠性高等優點,因此在電力行業得到廣泛應用[2]。但是GIS設備在制造、運輸和投入使用環節中容易產生異物等缺陷,一旦出現故障,將導致整個電力系統發生嚴重故障[3]。為了降低GIS設備故障概率攀升而影響電網的穩定程度,需要定期開展檢修工作。傳統GIS設備檢修工作繁雜,采用拆解GIS設備的檢查方法會造成停電時間長等問題,而且效率較低[4]。目前,國內外針對GIS內部缺陷的檢測方法主要是局部放電檢測法。該方法以檢測GIS局部放電發生時產生的電脈沖、電磁波、超聲波、光及SF6氣體分解化學物質等為基礎,可分為電學檢測法、聲學檢測法、光學檢測法和化學檢測法等。

自20世紀80年代以來,國內外研究機構對常用的局部放電檢測技術,如脈沖電流法、特高頻(UHF)法和超聲波測量法檢測GIS缺陷開展了大量研究[5-8]。脈沖電流法測量頻率低、抗干擾能力較弱,不適宜在現場應用。特高頻法的靈敏度依賴于傳感器的可靠性。對GIS進行特高頻局部放電檢測的傳感器分為內置式和外置式兩種,內置式需要傳感器內置傳感耦合器以保證測量精度,外置式對測量環境要求較高。超聲波測量法抗電磁干擾性強,并且對自由金屬顆粒具有極高的檢測靈敏度。聲發射(AE)是材料局部能量快速釋放過程中釋放瞬態彈性波的現象[9]。聲發射檢測技術屬于超聲波測量法,基本原理是利用傳感器接收聲發射源信號,經過信號放大和數據采集,對采集到的數據進行分析處理,最后獲得材料內部缺陷特性等信息。聲發射檢測技術具有適用高頻段、動態特性好和信號源來自測量對象本身的特點。振動是GIS運行過程中出現缺陷狀態而引發的現象。研究表明,振動現象會導致振動信號幅值增加、頻域分量增多[10]。振動檢測技術通過對振動信號計算分析,可以有效實現GIS帶電檢測,具有抗電磁干擾性強和對低頻信號靈敏度高的特點。

綜上,聲振聯合檢測兼顧低頻和高頻兩種測量方法的優點。本文采用聲發射和振動聯合檢測的方法進行GIS內部異物缺陷檢測,該方法可以在GIS運行或實驗時應用,對GIS內部不會產生任何影響,是一種實時、動態、無損的檢測方法。

目前,GIS故障檢測系統裝置多為單一的聲發射局部放電檢測儀,而且商用系統成本普遍較高,存在體積大、可擴展性弱且不能二次開發的問題。為了滿足GIS設備檢測工作對檢測裝置便攜式的要求以及檢測系統對數據采集、存儲、分析和可擴展性等功能的需求,開發一套便攜式GIS設備檢測系統具有較高的工程應用價值,可為設備缺陷狀態評估和檢修方案提供依據和指導。虛擬儀器技術可以利用計算機實現儀器管理、組織儀器系統,并通過軟件實現部分硬件電路的目標,為測試測量系統提供了一種高效、靈活的開發方案[11]。本文針對電網變電站檢修人員在GIS檢測工作中的實際需求,應用LabVIEW軟件開發了一套適合工程現場應用的GIS設備聲振聯合檢測系統。

1 系統方案設計

GIS設備常見故障有自由金屬顆粒、金屬突起物缺陷等,這些故障在GIS運行時形成高場強區從而導致發生局部放電現象[12-13]。為了提高檢測效率和抗干擾性,系統設計采用聲發射和振動兩款傳感器同時測量局部放電信號,開發了一套GIS聲振聯合檢測系統,包括硬件平臺搭建和軟件程序設計。考慮到變電站現場實際情況,硬件設計采用模塊化并且全部封裝在自制工控機中,軟件設計采用LabVIEW和Matlab混合編程的方法實現,具有數據采集與顯示、信號觸發捕捉、數據分析與評估和數據管理等功能,是系統設計的重點。該設計的優點是:

(1)系統硬件裝置將各個模塊單元全部封裝在自制工控機中,可擴展性強,體積、質量適中,成本低,具有便攜式優點;

(2)聲振聯合檢測法兼顧低頻和高頻兩種測量方法,可檢測頻率范圍寬,靈敏度高且抗干擾性強;

(3)結合GIS異物缺陷識別算法,通過LabVIEW有效地展示了GIS聲振信號時頻圖以及GIS內部自由金屬顆粒飛行圖譜,評估結果有意義;

(4)系統軟件功能全面,并可依據實驗條件靈活設計,可進行二次開發,界面簡潔美觀,易于操作,適合工程現場應用。

2 系統硬件設計

GIS聲振聯合檢測系統硬件設計以工控機為核心,由聲發射、振動、環境類傳感器、信號供電分離單元、恒流電壓單元、高速數據采集卡和供電單元組成。系統硬件結構框圖如圖1所示,其中,除傳感器外其他部件封裝在工控機內。工控機側面板預留有信號輸入接口,可以連接8路模擬量信號。側面板模擬量信號輸入接口通過低噪聲線纜分別與聲發射傳感器、振動傳感器和環境類傳感器信號測量輸出端連接。信號輸入接口如圖2所示。

圖1 GIS聲振聯合檢測系統硬件結構圖Fig.1 Hardware structure of GIS acoustic vibration joint detection system

圖2 傳感器信號輸入接口Fig.2 Sensor signal input interface

(1)工控機采用Intel?酷睿4代高性能i5處理器,配置有信號輸入接口、顯示器、PCI插槽、1路千兆網口、2路USB等輸入/輸出接口,具有體積小、功耗低的特點。作為GIS聲振聯合檢測系統的硬件平臺滿足體積、質量等要求。

(2)聲發射和振動傳感器分別用于檢測GIS設備內部產生的聲發射信號和低頻振動信號。系統采用30～140 kHz的高靈敏度內置前放聲發射傳感器和頻率帶寬為0.5～10 kHz的低阻抗電壓輸出型振動傳感器。本系統使用的聲發射傳感器和振動傳感器如圖3所示。其中,聲發射傳感器型號為PXR04I,諧振頻率為40 kHz,10 dB帶寬為30～140 kHz,靈敏度可達120 dB,內置40 dB放大器;振動傳感器型號為13100,量程5.1 mV/(m·s2),頻率范圍0.5～10 kHz,諧振頻率大于32 kHz。

(3)環境類傳感器用于檢測大氣壓力、空氣質量和溫濕度等環境變量。

(4)信號供電分離單元主要是給聲發射傳感器供電并將信號分離以便數據采集。

(5)恒流電壓單元主要是給振動傳感器供電,同時采用交流耦合方式將傳感器輸出的直流偏置電壓濾掉,從而保留振動測量信號,具有低噪聲的優點。

(6)供電單元用于給整個系統供電,包括變壓器、鋰電池和降壓單元。

(7)數據采集卡是外界采集信號進入計算機的樞紐,包括A/D轉換、數字I/O輸出等功能。根據奈奎斯特采樣定理及GIS設備檢測現場工程應用,為了真實還原模擬信號,取采樣頻率fs為輸入信號最高頻率fmax的5～8倍,采用采樣頻率可達800 kHz的阿爾泰PCI8757高速數據采集卡作為聲發射、振動等信號采集設備[14]。PCI8757高速數據采集卡轉換精度為16位,輸入量程-10～+10 V,具備8 kB的FIFO存儲器,支持32位PCI總線控制DMA數據傳輸方式,模擬量輸入采用4路單端或差分方式。

(a)聲發射傳感器

3 系統軟件設計

系統軟件開發是基于美國國家儀器公司(NI)推出的LabVIEW虛擬儀器以及采集卡接口庫函數實現的。LabVIEW是一種基于圖形開發、調試和運行程序的集成化開發環境,圖像化編程G語言是測量、數據采集和處理系統的理想選擇[15]。本系統軟件程序設計基于LabVIEW 2018編程環境開發,是GIS聲振聯合檢測系統的重要部分。

系統軟件功能模塊如圖4所示,包括參數設置、數據采集與顯示、信號分析與評估和數據管理。其中,參數設置模塊完成系統參數的初始化;數據采集與顯示模塊實現信號波形和結果輸出;信號分析與評估模塊通過后臺數據運算和函數調用實現聲振信號時域分析、頻域分析、特征提取和缺陷評估;數據管理模塊完成數據的存儲和查看等任務。

圖4 系統軟件功能模塊組成框圖Fig.4 Block diagram of system software functional modules

系統軟件主要工作流程如圖5所示。具體為:①啟動程序進入操作界面;②系統初始化,如硬件參數設置和閾值設置等;③開始采集;④信號采集并記錄,此時實現聲振信號的連續測量、記錄和顯示;⑤信號觸發捕捉,實時判斷聲振兩路信號與觸發閾值的大小,滿足條件則捕捉當前信號;⑥對捕捉到的聲振信號進行特征提取和時頻分析等;⑦評估;⑧退出系統。

圖5 軟件主要工作流程圖Fig.5 Main work flow chart of the software

3.1 參數設置

參數設置模塊包括量程設置、采樣率設置、工作模式設置和文件路徑設置等,通過彈出對話框的形式與系統界面共同完成系統采集量程、采樣率、工作模式和文件存儲路徑的配置。參數設置界面中采樣率的范圍是3～800 kHz,輸入量程有±10、±5、±2.5 V,工作模式可配置為110、220、550 kV,文件存儲路徑自定義設置。

3.2 數據采集與處理

3.2.1 數據采集程序設計 數據采集程序主要由設備創建、采樣設置和數據讀取組成。其中設備創建使用邏輯號創建采集卡設備對象,實現軟件系統與外部硬件通信;采樣設置用于初始化配置AD硬件參數,如采集通道、觸發模式、觸發源和時鐘源等,保證采樣過程能夠按照一定周期有序可控地進行;數據讀取用于啟動數據讀取任務并將傳感器采集到的信號轉化為模擬電信號,同時將采集到的AD端口數據進行轉換。本系統數據采集程序中設備創建對象使用的邏輯號取決于高速采集卡邏輯設備(ID)標識號,值為0;采樣設置中觸發模式配置為軟件內觸發,信號源為外部ATR觸發源,觸發類型為邊沿觸發,觸發方向為負向觸發,時鐘源為內部時鐘。

3.2.2 觸發捕捉程序設計 信號觸發捕捉程序的工作原理是系統在采集和記錄聲發射和振動兩路傳感器信號的同時,實時對比兩路傳感器信號的時域最大幅值和觸發閾值的大小。觸發捕捉程序如圖6所示。如果聲發射、振動信號最大幅值均未超過觸發閾值,則系統繼續采集和記錄;反之,當聲發射、振動信號其中任何一路信號達到觸發閾值時,則捕捉該時刻聲發射、振動信號波形,保存的信號波形用于特征提取和頻域分析等。

圖6 信號觸發捕捉程序Fig.6 Signal trigger capture program

3.3 數據分析

系統數據分析程序的主要功能是對來源于數據采集卡的數據進行時域、頻域分析。該部分程序采用LabVIEW和Matlab混合編程的方法,程序如圖7所示。首先,讀取聲發射、振動信號并對其進行時域分析,時域參數分析用于得出信號各種統計參數,如信號的均值、有效值、最大值和最小值等有量綱特征參數;其次,通過Matlab script節點結合Matlab軟件對其進行頻域分析,頻域分析將復雜的時間歷程波形經過傅里葉計算分解為若干單一的諧波分量,分別繪制出兩路信號的幅頻圖并得出信號幅度和峰值頻率;然后,在GIS內部異物缺陷分類識別算法的基礎上,將上一步提取出來的信號時頻特征送給后臺調用的Matlab程序實現GIS設備缺陷檢測評估;最后,將評估結果顯示出來。

圖7 數據分析程序Fig.7 Data analysis program

3.4 數據管理

3.4.1 數據存儲 數據存儲程序是將時間點參數、聲發射、振動傳感器采集到的信號波形數據等合并為數組,以數據形式存儲至計算機中指定位置,可以在日后隨時對其進行查看和相關分析。LabVIEW中的TDMS文件是一種二進制記錄文件,兼顧高速、易存取和方便等優勢[16]。因此,系統采用TDMS文件格式對采集到的聲發射、振動信號進行存儲。數據存儲程序流程為:開啟TDMS,系統開始以流盤的方式將波形數據輸入預先設定的磁盤內;當寫完TDMS文件后,LabVIEW會自動生成*.tdms文件和*.tdms_index文件,前者為數據文件,后者為索引文件。

3.4.2 數據查看 數據查看程序的主要功能是對系統運行過程中存儲的聲發射、振動信號波形進行查看,可以查看的歷史數據包括系統后臺連續采集的波形數據和觸發捕捉的波形數據。

3.4.3 數據顯示 數據顯示程序是將系統運行狀態、傳感器信號強度、采集到的波形數據、數據分析結果等直觀地展示在LabVIEW虛擬面板上。

(1)系統運行狀態提示框。系統運行狀態有:采集和記錄、分析、加載波形、停止等。

(2)傳感器信號強度。信號強度采用圖形化水平進度條展示聲發射、振動信號的大小。該部分顯示控件如圖8所示,將聲振信號的最大幅值通過一系列的公式計算轉化為信號強度顯示在前面板。

圖8 信號強度顯示控件Fig.8 Signal strength display controls

(3)采集到的波形數據。系統前面板通過聲發射、振動信號時域圖展示采集到的波形數據。

(4)數據分析結果。結果包括聲發射、振動信號幅頻圖、時域分析值、頻域分析值、環境變量等。

3.5 環境變量檢測模塊

聲發射和振動傳感器通過接口為BNC或SMA的同軸電纜與系統測量信號輸入接口連接。一方面傳感器對工作環境參數范圍有要求;另一方面信號傳輸受到環境溫度的影響,如溫度太低電纜芯子收縮造成拉斷故障,如溫度太高信號傳輸產生衰減。考慮到GIS聲振聯合檢測系統經常在戶外等環境惡劣的場景中工作,溫度等環境參數變化較大,這些會對傳感器信號傳輸產生衰減等,同時為了方便系統操作人員實時地掌握當前工作環境下的環境參數,設置環境變量檢測模塊。該部分程序用于實現系統實時監測溫度、濕度等環境變量。為保證系統可靠運行,建議設備工作溫度為-25～60 ℃,氣壓為67～101 kPa,濕度為0～95%。通過連接內置探頭的溫濕度變送器、大氣壓力變送器和空氣質量變送器,實時地采集和顯示環境參數值。環境參數類型及測量范圍如表1所示,輸出信號為0～5 V電壓。

表1 環境類傳感器主要參數Table 1 Main parameters of environmental sensors

將測得的氣壓、溫度等環境量顯示在前面板上,環境參數值顯示控件如圖9所示。在某時刻,實驗環境中測得溫度為22.7 ℃,濕度為60.7%,大氣壓力為97 kPa,空氣質量良好。

圖9 環境參數顯示控件Fig.9 Environmental parameter display control

4 系統功能測試

為驗證該系統對GIS設備的聲振聯合檢測能力,搭建了GIS異物缺陷檢測試驗平臺。該試驗平臺模仿了實際GIS運行時的環境狀態,由試驗電源、調壓器、試驗罐體(含高壓電極)等組成。試驗電源為有效值220 V,頻率50 Hz的交流電;調壓器實現升壓作用,變比為1∶50;試驗罐體上的高壓導體電壓可達±110 kV。測試時對GIS腔體充入一定壓力的SF6氣體,將聲發射、傳感器接觸面通過耦合劑與GIS腔體外壁黏接在一起,測量輸出端通過低噪聲線纜直接連接本系統的信號輸入接口。具體布置方式示意圖如圖10所示。

圖10 試驗裝置布置方式示意圖Fig.10 Schematic diagram of the experimental device

系統硬件接口連接完成后,啟動軟件程序。GIS聲振聯合檢測系統軟件界面由啟動界面、測試界面和評估界面三部分組成。其中,啟動界面實現登錄系統和退出系統;測試界面包括數據可視化顯示、信號分析、操作按鈕和運行狀態指示框等控件,直觀地展示系統運行信息,確保系統各個模塊有序進行;評估界面主要展示GIS內部異物缺陷自由金屬顆粒的三維動態仿真和飛行圖圖譜功能。運行系統程序后,首先進入啟動界面,在該界面選擇登錄操作進入測試界面。系統測試界面如圖11所示,由菜單欄、狀態欄、波形顯示界面和文本顯示界面組成,測試界面實時顯示采集到的聲振信號、信號強度以及環境參數,同時在后臺連續記錄波形數據。

圖11 系統測試界面Fig.11 System test interface

(a)聲發射傳感器時域圖

實驗過程中,通過軟件測試界面閾值調節按鈕將聲發射和振動信號觸發閾值均設置為3 V,當其中任何一路信號達到觸發閾值條件被觸發后,聲發射傳感器和振動傳感器時域圖將顯示捕捉到的觸發信號。此時系統測試界面中觸發捕捉的聲振信號如圖12所示。為了提高數據頻譜分析精度,在GIS聲振聯合檢測系統數據分析程序中添加窗口濾波函數選擇設置功能,選擇矩形窗、Hanning窗或Hamming窗進行濾波處理。系統首先對聲振信號采樣序列選擇窗口濾波函數進行濾波處理;其次進行快速傅里葉變換從而得到窗口濾波處理后的序列頻譜;最后將頻域分析后得到的頻域圖顯示在聲發射傳感器和振動傳感器幅頻圖上。圖13～圖15分別為矩形窗、Hamming窗和Hanning窗濾波處理后的頻譜圖。由于Hanning窗運算量適中,并且從圖15中發現幅值精度較高,所以選用Hanning窗口濾波處理后提取頻譜特征值。

自由金屬顆粒在GIS罐體內部受電場力和重力影響做不規則跳躍運動,與罐體內壁碰撞后產生超聲信號,信號傳播介質只有GIS殼體,因此聲發射檢測對自由金屬顆粒具有極高的靈敏度[17]。通過時域和頻域分析,得出聲發射信號波形的時頻特征值如表2所示。已有文獻表明,當有效值和最大值均較大、頻域相關性較差時,幅值圖譜可用于判斷自由顆粒放電缺陷[17-18]。此時與背景值相比,信號變化較為明顯,存在有效值、峰值較大,50 Hz頻率與100 Hz相關性低的明顯特征,故判斷GIS內部存在自由顆粒放電缺陷。

表2 信號時域和頻域特征值Table 2 Time-domain and frequency-domain eigenvalues of signals

在聲振信號其中任何一路最大幅值滿足閾值條件的情況下,對該信號進行時頻分析和特征提取,初步判斷GIS內部是否存在異物微粒。系統功能測試過程采用無異物缺陷、半徑為0.5 mm的球體、半徑為1 mm的球體、半徑為1 mm的均分半球體和片狀微粒為導電微粒,不同類型異物缺陷檢測的實驗結果如表3所示。可以看出,實驗測試中系統對GIS異物缺陷檢測的準確率大于90%。在實際應用中,使用某型號商用局部放電測試儀和該系統對多個變電站110 kV GIS設備區進行聲振聯合缺陷檢測,檢測結果一致,均未發現異物缺陷。

(a)聲發射傳感器頻域圖

(a)聲發射傳感器頻域圖

(a)聲發射傳感器頻域圖

表3 GIS異物缺陷檢測實驗結果Table 3 GIS foreign body defect detection experiment result

飛行圖表明相鄰脈沖發生時間間隔Δt與上一脈沖幅值u之間的關系。研究表明,飛行圖圖譜的特征可以作為GIS缺陷判斷依據,在電力生產過程中可以利用該方法判斷GIS缺陷類型及性質[19]。實驗對該110 kV GIS模型內部異物缺陷產生的聲振信號圖譜進行分析并建立圖譜庫特征,將聲振信號時頻分析提取的特征信息與圖譜庫進行對比,進而分析確定GIS檢測評估結果。系統軟件評估界面可實現GIS內部缺陷自由金屬顆粒的三維動態仿真以及飛行圖圖譜功能。評估界面如圖16所示,左側是通過LabVIEW軟件繪制的缺陷微粒在GIS內部運動的三維動態仿真圖,右側為飛行圖圖譜,橫軸表示顆粒一次飛行的時間,縱軸表示顆粒飛行高度,通過包含大量數據的數組,統計GIS內部自由金屬顆粒的活動狀態。

圖16 系統評估界面Fig.16 System evaluation interface

5 結 論

本文針對GIS在傳統檢測設備缺少可靠易用的在線數據采集、存儲以及評估系統的問題,考慮到現場實際工程應用情況,應用LabVIEW軟件開發了一款GIS聲振聯合檢測系統。該系統可以較大程度省去GIS檢測過程中復雜、繁瑣的人力計算等流程,系統功能全面而強大。采用模塊化硬件并封裝在自制工控機中的設計方案,成本低,攜帶方便;軟件可以方便地進行采樣等硬件參數設置,直觀地展示GIS運行過程中采集到的連續波形數據,同時結合Matlab軟件快速地進行信號源的時域、頻域分析,基于LabVIEW軟件平臺展示GIS異物微粒三維動態和飛行圖圖譜評估結果。通過系統功能測試,本文開發的系統能夠實現聲發射、振動信號的采集與記錄、分析與處理和存儲與查看等功能,總體上避免了商用GIS檢測儀成本高、二次開發難度大的缺點。系統具有很好的適應性、簡單易用性和可擴展性,提高了GIS設備檢測工作的便利性。