基于UHF 傳感器與以太網(wǎng)的GIS 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

汪 沨，申 晨，何榮濤

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙410082;2.許繼(廈門)智能電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門361000)

0 引 言

氣體絕緣開關(guān)［1］(gas insulated switch－gear，GIS)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造質(zhì)量要求高，雖然其較少發(fā)生故障，但故障一旦發(fā)生，檢修工作繁雜，檢修時間長，停電影響范圍大［2］。研究表明，局部放電是引起高壓GIS 絕緣事故的主要誘因［3］，因此，局部放電在線監(jiān)測是GIS 狀態(tài)監(jiān)測的重要內(nèi)容，對GIS的安全穩(wěn)定運行具有重要意義［4～7］。

現(xiàn)有的GIS 局部放電監(jiān)測設(shè)備有以下幾個缺點:1)脈沖電流法不適合在線監(jiān)測且易受干擾，超聲波法監(jiān)測范圍小，需人工手持探測;2)已有的監(jiān)測設(shè)備使用RS—485 通信速度慢，而一些無線通信為了節(jié)能而間歇工作，不能實時監(jiān)測;3)高速示波器或采樣率500MHz 以上的數(shù)據(jù)采集卡方案，成本高昂，大面積推廣使用困難。

近年來，隨著工業(yè)以太網(wǎng)交換機的普及，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、通信速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富、應(yīng)用廣泛以及支持技術(shù)成熟等優(yōu)點，已成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一［8～13］。由國際電工委提出的IEC 61850 提供了一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，使用以太網(wǎng)作為物理層，具有較高的通信速度。

本文針對GIS 局部放電監(jiān)測，設(shè)計了一種基于以太網(wǎng)的GIS 局部放電監(jiān)測系統(tǒng)，由超高頻(UHF)傳感器模塊采集局部放電信號，經(jīng)SDRAM 緩存后通過以太網(wǎng)發(fā)送至管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對GIS 局部放電的高速、實時在線監(jiān)測。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計的局部放電監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示，由UHF 傳感器模塊和主控采集系統(tǒng)兩部分組成。傳感器模塊采集UHF電磁波信號，將其降頻至2～10 MHz，通過同軸電纜發(fā)送給主控采集系統(tǒng)。主控采集系統(tǒng)對傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)進行A/D 轉(zhuǎn)換，按照一定的監(jiān)測任務(wù)安排將結(jié)果通過以太網(wǎng)發(fā)送給管理中心。一旦后臺專家系統(tǒng)分析認(rèn)為發(fā)生局部放電，還可通過以太網(wǎng)控制主控采集系統(tǒng)進行故障錄波，波形數(shù)據(jù)由SDRAM 緩存后通過以太網(wǎng)上傳。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Overall structure diagram of system

1.2 傳感器模塊硬件設(shè)計

傳感器模塊由UHF 傳感器、阻抗匹配電路、對數(shù)檢波器、電源組成。UHF 傳感器接收局部放電產(chǎn)生的電磁波信號，通過匹配電路將信號耦合至對數(shù)檢波器，由于對數(shù)檢波器能夠提取信號的包絡(luò)功率，因此，輸出波形頻率僅為原始信號的包絡(luò)頻率，約2～10 MHz，且保留了需要的幅值和相位信息，對數(shù)檢波器的輸出通過同軸電纜連接至主控采集系統(tǒng)。傳感器模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖2(a)所示，實物圖如圖2(b)所示。

1.3 主控采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

主控采集系統(tǒng)由信號復(fù)用模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、FPGA處理系統(tǒng)、以太網(wǎng)通信模塊以及電源管理模塊組成。

圖2 傳感器模塊Fig 2 Sensor module

通過信號復(fù)用模塊將多通道數(shù)據(jù)選通一個通道傳輸至后續(xù)電路，使多傳感器只需使用一個A/D 轉(zhuǎn)換模塊，降低整套系統(tǒng)的成本。A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號后由FPGA 處理系統(tǒng)處理，通過以太網(wǎng)通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至GIS 站管理員。主控采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 主控采集系統(tǒng)硬件框圖Fig 3 Hardware block diagram of master collection system

以太網(wǎng)通信模塊使用W5100 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片，它是硬件化TCP/IP 協(xié)議集成芯片;支持10/100 Mbps 的傳輸速率;采用TCP 客戶端的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸速度高，傳輸穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

本套系統(tǒng)采集局部放電的模擬信號，因此，具有多樣靈活的故障判斷方式，本文主要設(shè)計了兩種工作方式:監(jiān)測方式和故障錄波方式，如圖4。

圖4 采集系統(tǒng)軟件流程圖Fig 4 Software flowchart of acquisition system

軟件默認(rèn)以監(jiān)測方式運行，故障錄播標(biāo)志為FALSE，通過冒泡法選擇50 μs 內(nèi)的信號最大值保存，則一個工頻周期將保存400 個數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的時間間隔向服務(wù)器發(fā)送保存的數(shù)據(jù)，服務(wù)器可通過這些數(shù)據(jù)生成火焰圖、幅值相位圖、三維圖、放電趨勢圖等分析圖譜對局部放電發(fā)生與否進行診斷。

當(dāng)服務(wù)器的專家系統(tǒng)判斷有局部放電發(fā)生時，可發(fā)出控制信號使故障錄播標(biāo)志為TRUE，此時軟件以故障錄播方式運行。信號錄播模式將保存連續(xù)20 ms 的全部波形信號，根據(jù)以太網(wǎng)芯片的緩存大小，每次讀取一定量的數(shù)據(jù)向服務(wù)器發(fā)送，當(dāng)發(fā)送完全部4 Mbytes 數(shù)據(jù)后結(jié)束信號錄播。

每次數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，記錄監(jiān)測日志，并更新故障錄波標(biāo)志。

2.2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送首先需要根據(jù)變電站網(wǎng)絡(luò)要求初始化網(wǎng)絡(luò)地址配置，包括:網(wǎng)關(guān)、物理地址、子網(wǎng)掩碼、IP 地址。W5100 網(wǎng)絡(luò)芯片支持ICP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP 和PPPoE 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在變電站局域網(wǎng)中UDP 和TCP 為適用方式，UDP 協(xié)議不提供差錯恢復(fù)，不能提供數(shù)據(jù)重傳，因此，該協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)安全性差。本設(shè)備采用TCP 協(xié)議作為通信協(xié)議，變電站管理員的計算機作為服務(wù)器處于監(jiān)聽狀態(tài)，主控采集系統(tǒng)作為客戶端，發(fā)出鏈接請求，服務(wù)器收到請求后，創(chuàng)建鏈接與客戶端通信，實時進行數(shù)據(jù)傳輸，如圖5 所示，鏈接成功后先接收管理員發(fā)來的控制指令，然后發(fā)送需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后斷開連接。如果未能建立連接則產(chǎn)生建立連接超時警報，若成功收發(fā)數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生數(shù)據(jù)收發(fā)成功信息。

3 系統(tǒng)性能評價

3.1 傳輸速度評價

為了評價傳輸速度，在主控采集系統(tǒng)上設(shè)計了基于傳統(tǒng)RS—485 工業(yè)總線的通信接口和基于以太網(wǎng)的通信接口。通過傳統(tǒng)RS—485 總線以57 600 bps 波特率(實際上距離遠時無法達到此速度)與以10/100 M 以太網(wǎng)分別傳輸一定大小文件進行實驗，實驗結(jié)果如表1 所示。

圖5 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖Fig 5 Flowchart of Ethernet data sending program

表1 數(shù)據(jù)傳輸耗時Tab 1 Time consuming data transmission

由于上位機定時精度原因，以太網(wǎng)發(fā)送20 kB 文件耗時數(shù)據(jù)0.05 s 不準(zhǔn)確，但速度測試不影響軟件使用。從表1可以看出10/100 M 以太網(wǎng)已經(jīng)較傳統(tǒng)RS—485 工業(yè)總線有了巨大的速度提升，20 kB 文件為進行1 s 局部放電監(jiān)測的數(shù)據(jù)量，通過RS—485 總線傳送該數(shù)據(jù)需要4 s，說明采用RS—485 總線不能保證數(shù)據(jù)高實時性。采用以太網(wǎng)通信方式，通信速度高于采集速度，可以靈活設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送方式，設(shè)計局放判定方法，更有利于后續(xù)分析處理。

3.2 監(jiān)測模式測試

為測試本系統(tǒng)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，在許繼(廈門)智能電力設(shè)備股份有限公司進行測試，采用150 kV 無局放電源，通過升壓變壓器、耦合電容、測量阻抗、保護電阻和110 kV 三相共筒式GIS 腔體，構(gòu)成測試系統(tǒng)裝置，如圖6 所示。

圖6 三相共筒式GIS 實驗裝置Fig 6 Experimental device of three-phase drum GIS

在GIS 母線管右端內(nèi)導(dǎo)體表面放置一個9.61 mm 長的金屬尖端模擬缺陷(如圖7)，后充入0.4 MPa 的SF6氣體。

圖7 模擬缺陷和缺陷長度Fig 7 Simulated defect and length of defect

當(dāng)外加電壓逐漸升高至15 kV 時，由圖8(a)可以看出放電區(qū)間主要集中在45°～90°和225°～270°之間;由圖8 可知，隨著電壓的升高，在工頻周期內(nèi)局部放電儀測得的放電次數(shù)逐漸增多，最大視在放電量也出現(xiàn)大幅增加，并且最大放電量相位靠近90°和270°，放電相位成對稱分布。

圖8 監(jiān)測模式監(jiān)測結(jié)果Fig 8 Monitoring result of monitoring mode

監(jiān)測模式可獲得較詳細的局部放電圖譜，通過局放圖譜對局部放電進行判定，相比通過電壓比較器設(shè)置閾值有更高的準(zhǔn)確性和靈活性。

3.3 故障錄波模式測試

為檢測錄波模式大文件傳輸功能，在上述系統(tǒng)中使升壓變壓器升壓至85 kV，使能故障錄播標(biāo)志使軟件工作于錄波模式。通過計算機接收數(shù)據(jù)，生成信號波形如圖9 所示。觀察信號波形，采樣率為200 MHz，局部放電持續(xù)120 個點，即局放持續(xù)時間為600 ns，符合局部放電規(guī)律。

圖9 故障錄波波形Fig 9 Waveform of fault recording

4 結(jié) 論

1)GIS 變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)，使用以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)了高速實時靈活的數(shù)據(jù)傳送，較以往RS—485 現(xiàn)場總線方式通信速度提高90 倍以上;

2)無更換電池，可不間斷工作，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔可設(shè)置，實時性高;

3)多傳感器節(jié)點通過多路復(fù)用技術(shù)共用一套主控采集系統(tǒng)，能有效降低成本。

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