自動定向式變電站局放監(jiān)測定位方法研究

李杰，朱胤宇，沈麗，徐曉琳，胡忠明，普劍輝

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 蒙自 661100）

0 前言

設(shè)備若存在絕緣缺陷且不及時檢修，最終會導(dǎo)致絕緣擊穿、設(shè)備突然斷電從而致使電力中斷，造成較大的損失，且有數(shù)據(jù)表明，90%的電力故障最初就是源于不同原因的絕緣缺陷[1]，而所有緣由的絕緣缺陷都會發(fā)生局部放電，因此對運行設(shè)備進行局部放電監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)局部放電信號，盡早對缺陷進行檢修處理，可以有效避免絕緣擊穿故障的發(fā)生[2]。

近些年來，所提出的局部放電現(xiàn)象的監(jiān)測方法主要有通過光纖傳感器檢測電弧光實現(xiàn)[3]，基于聲發(fā)射（acoustic emission，AE）法實現(xiàn)[4]以及應(yīng)用較多的通過檢測局放輻射的超高頻段（300~3000 MHz）電磁波信號來監(jiān)測局部放電的特高頻（ultra-high frequency, UHF）法[5-8]，且有研究證明其具有較好的監(jiān)測效果[9]。在線監(jiān)測常采用“到達時間差”（Time Difference of Arrival，TDA）法進行局放定位[10]，其主要思路為比較安裝于不同位置的傳感器接收到信號的時間來確定局放發(fā)生的位置，研究的不同點在于其傳感器的安裝以及如何獲得、處理所獲得的時間差信號來定位局放源。相關(guān)學(xué)者提出將四通道的天線陣列作為傳感器，再采用牛頓迭代法、搜格法等方法求解時差方程[11]。其中，通過搜格法與粒子群優(yōu)化算法求解時差方程的實質(zhì)是求解相應(yīng)誤差方程最小值，并在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)搜尋相應(yīng)的坐標(biāo)，但是此種方法計算效率較低[12]。平面相交定位法被提出同樣可用于局放定位：首先通過插值互相關(guān)法獲得天線陣列之間的時差，再通過平面相交法求解時差方程，并通過統(tǒng)計選擇定位結(jié)果中出現(xiàn)概率最高的位置作為最終結(jié)果。但是此方法實現(xiàn)較高精度監(jiān)測需滿足一定限定條件：局放源與天線陣列的間距與夾角均需較小[13]。

上述特高頻法的局放監(jiān)測方法中，傳感器安裝采用的大多為固定的天線陣列，裝置只可實現(xiàn)天線陣列所在平面內(nèi)的監(jiān)測，限制了局放監(jiān)測的監(jiān)測范圍，這也導(dǎo)致一些較優(yōu)質(zhì)的算法需在一定前提下才可實現(xiàn)高精度的局放監(jiān)測。

為此本文提出一種自動定向的局放監(jiān)測定位裝置，由舵機與步進電機實現(xiàn)天線陣列的多維度信號監(jiān)測，并提出裝置適用的UHF信號判別算法與局放源定位算法，實現(xiàn)自定向、高精度、大范圍的局放監(jiān)測及定位，最后通過實驗驗證了所述方法的可行性。

1 局放監(jiān)測裝置設(shè)計

圖1為變電站局放監(jiān)測定位裝置的示意圖，其中t1~t4為局放源發(fā)出的電磁信號被四支天線接收所需的時間，舵機、步進電機與天線陣列是自動定向裝置的主要組成部分。當(dāng)變電站內(nèi)的電氣設(shè)備產(chǎn)生局部放電時，輻射出的UHF信號可被天線陣列的四支天線接收到。信號采集控制器同步采集經(jīng)信號放大、濾波處理后的四通道信號，并將采集所得的電磁波信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字化波形，再進行UHF信號識別，并在識別到缺陷產(chǎn)生的UHF信號時，信號采集控制器控制報警電路發(fā)出警報。根據(jù)同一局放信號到達各天線的時間差，利用局放監(jiān)測定位算法得到傳輸給步進電機與舵機的控制信號，使天線陣列旋轉(zhuǎn)至正對局放源的位置，并利用激光頭指示局放源的方位，實現(xiàn)局放直接定位的功能，裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 變電站局放監(jiān)測定位裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 變電站局放監(jiān)測定位裝置結(jié)構(gòu)框圖

步進電機與舵機是實現(xiàn)天線陣列多方位檢測UHF信號的關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)。步進電機可以實現(xiàn)360°的旋轉(zhuǎn)，固定于步進電機輸出軸的舵機本身可以隨步進電機輸出軸旋轉(zhuǎn)。通過在舵機的擺臂上加接一個機械桿，舵機可以實現(xiàn)縱向180°的轉(zhuǎn)向。此二者的旋轉(zhuǎn)在三維坐標(biāo)系上的體現(xiàn)如圖3所示，步進電機實現(xiàn)xOy平面上α角度的旋轉(zhuǎn)（0°<α<360°），舵機則實現(xiàn)xOz平面上β角度的旋轉(zhuǎn)（0°<β<180°），從而使天線陣列可以指向任意方向。

圖3 步進電機與舵機的旋轉(zhuǎn)效果圖

2 局放監(jiān)測定位算法

系統(tǒng)定位算法流程如圖4所示，信號采集控制器將經(jīng)信號放大與信號濾波處理后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形并對四通道數(shù)字波形的時間差進行分析判斷：若任意兩個數(shù)字波形間的時間差均為零，此處所述的零為理想情況下的時間差，實則控制于誤差允許范圍內(nèi)即可，在此預(yù)設(shè)閾值T，若時間差均在T以內(nèi)，可以說局放信號在誤差允許范圍內(nèi)同時抵達四支天線，則此時打開激光頭，激光所照處即為局放發(fā)生處；若時間差大于T，信號采集控制器傳輸控制信號，令步進電機、舵機分別轉(zhuǎn)動Δα、Δβ角度，驅(qū)使局放源的位置近似正對天線陣列的正中央。經(jīng)過重復(fù)采樣、分析、計算、輸送控制信號直至UHF信號時間差在T以內(nèi)，此時控制激光頭開啟，指向局放所在位置，實現(xiàn)局放源的定位。

圖4 變電站局放監(jiān)測定位裝置工作流程

2.1 UHF信號識別

由于天線陣列采集的脈沖型隨機干擾信號較難區(qū)分消除，在局部放電圖形分析模式下，選擇以圖形的方式充分展現(xiàn)多種干擾信號，并根據(jù)各種干擾和真正局部放電脈沖的特征區(qū)分兩者[14-15]。如圖5所示，信號采集控制器將4支全向天線采集到的電磁波信號轉(zhuǎn)換為各個數(shù)字化波形，通過分析、比較圖形與必要的處理，判斷采集到的脈沖信號是否為局放信號：對于具有固定相位的脈沖干擾，通過分析信號的脈沖幅值在每個正弦周波上的分布，在N-Φ、N-Q-Φ的統(tǒng)計上展現(xiàn)出單個的次數(shù)峰值，在Q-Φ-t上展現(xiàn)出整齊的排列；對于與正波電壓相位有時間相關(guān)規(guī)律的干擾脈沖，分析相位、時間的關(guān)系，在Q-Φ-t三維圖譜上呈現(xiàn)出橢圓形、圓形、S形、斜線型等有規(guī)律的圖形；對于隨機出現(xiàn)的干擾脈沖，由于出現(xiàn)的相位、幅值、次數(shù)的不確定性，圖形往往相位雜亂，可通過N-Q-Φ三維圖譜區(qū)分。

圖5 信號判斷流程

2.2 舵機旋轉(zhuǎn)角度的確定

以舵機旋轉(zhuǎn)角度Δβ的計算為例進行說明，步進電機旋轉(zhuǎn)角度Δα的計算同理。在如圖6所示的縱向投影圖中，實線表示當(dāng)前時刻的投影位置關(guān)系，b為局放源S與天線陣列AB邊的投影距離，a為局放源S距天線陣列CD邊的投影距離；虛線圖表示的是天線陣列縱向旋轉(zhuǎn)θ角度后局放源位于中心時的投影圖，此時局放源與天線陣列中心的連線應(yīng)垂直于陣列投影，且局放源距天線陣列AB邊與CD邊的投影距離m應(yīng)相等，記天線陣列邊長為L，具體計算如下：

圖6 天線陣列與局放源的縱向投影圖

根據(jù)幾何關(guān)系，b、a分別為ΔSAB、ΔSCD的高，可由海倫公式求出SΔSAB、SΔSCD：

其中，c為電磁波的傳播速度，c=3×108m/s。

則a、b可由式（3）表示：

由于a、b的變化率相同，且a+b=2 m，局放源至陣列中心的投影距離h可由式（4）表示：

根據(jù)余弦定理可得式（5）：

將兩式相減即可得轉(zhuǎn)動角度θ的表達式：

角度θ即為舵機順時針方向上所需旋轉(zhuǎn)的角度，即Δβ=β-β0=-θ，其中β0代表舵機當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的角度，β代表舵機旋轉(zhuǎn)后的期望角度。

由此即得到了舵機所需旋轉(zhuǎn)的角度，同理可以得到步進電機所需旋轉(zhuǎn)的角度Δa，從而信號采集控制器可以輸出的控制信號以控制舵機與步進電機運動，并由舵機與步進電機協(xié)同調(diào)節(jié)天線陣列的指向，完成一次自動定位操作。

3 局放監(jiān)測模擬實驗

為了驗證所述局放監(jiān)測裝置與方法的可行性，搭建變電站局放監(jiān)測及定位裝置實驗平臺，包括局放模擬器、電機與天線陣列組成的自定向裝置、高速示波器等。天線陣列為正方形布置方式，輪廓邊長L=4 m，如圖7所示。

圖7 局放監(jiān)測模擬實驗裝置

在天線陣列四周隨意放置局放模擬器，利用示波器采集天線接收到的UHF信號，采樣率設(shè)置為5GHz，可得到以下波形：圖8所示為局放模擬器發(fā)出信號即局放產(chǎn)生且未調(diào)整天線陣列指向時兩支全向天線所接收到的UHF信號，由波形圖可以明顯看出兩個信號之間存在較大的時間差，需要對天線陣列指向進行調(diào)整；在信號采集控制器控制自定向裝置完成天線陣列指向的調(diào)整，即控制信號時間差在預(yù)設(shè)閾值T以內(nèi)后，兩支全向天線所接收的信號波形如圖9所示。通過兩幅圖的對比可以看出，所述定位方法將493.6 ns的時間差縮短至8.0 ns，明顯縮短了信號時間差，實現(xiàn)了使信號的時間差控制在時間閾值T以內(nèi)，從而使局放源正對天線陣列，激光燈的指示可靠，實現(xiàn)了實時準(zhǔn)確定位。

圖8 指向調(diào)整前兩支全向天線接收的信號波形

圖9 指向調(diào)整后兩支全向天線接收的信號波形

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)在變電站局放監(jiān)測定位裝置只可實現(xiàn)一個空間平面內(nèi)的局放監(jiān)測的不足，本文提出了一種可以實現(xiàn)監(jiān)測定位三維空間內(nèi)的局放源的自動定向裝置，裝置通過步進電機與舵機調(diào)節(jié)天線陣列指向，使得陣列可指向三維空間的任意方位，并在調(diào)整后使用激光燈指示局放源所在位置，從而實現(xiàn)局放監(jiān)測及定位。另外本文還提出了適用于該裝置的局放監(jiān)測定位算法，首先對天線所接收到的信號在N-Q-Φ等圖譜中進行判別以得到UHF信號，再根據(jù)空間幾何關(guān)系分別確定舵機與步進電機所需旋轉(zhuǎn)的角度從而輸出相應(yīng)的控制信號，并通過閉環(huán)多次反饋調(diào)節(jié)來提高控制精度。最后在實驗室條件下模擬了局部放電現(xiàn)象，結(jié)果表明所述裝置和方法可以有效監(jiān)測到局放信號并能實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，驗證了此方法實現(xiàn)局放源定位的可行性與可靠性，為局部放電監(jiān)測的發(fā)展提供了一個新思路。