基于UHF傳感技術(shù)的局部放電在線監(jiān)測裝置研制

劉逸凡等

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種GIS的局部放電在線監(jiān)測裝置，裝置采用UHF檢測法對GIS的局部放電信號(hào)進(jìn)行在線監(jiān)測。系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，由采集分析模塊、通信模塊和電源模塊組成，軟件設(shè)計(jì)部分由采集分析模塊、IEC61850服務(wù)器和局部放電監(jiān)測后臺(tái)組成。該系統(tǒng)采集分析UHF局放信號(hào)并計(jì)算出局部放電的放電時(shí)間、放電頻次和放電量，并通過放電圖譜數(shù)據(jù)庫對GIS的絕緣情況進(jìn)行分析評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，可顯著提高高壓開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：局部放電；智能高壓開關(guān)；在線監(jiān)測；特高頻法

引言

氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）具有較高的安全可靠性，但在設(shè)備的生產(chǎn)加工、運(yùn)輸、現(xiàn)場裝配等階段，不可避免地會(huì)存在一些微小且隱蔽的絕緣缺陷。在工頻耐壓試驗(yàn)時(shí)這些缺陷往往不足以導(dǎo)致立即擊穿，但投入運(yùn)行后在長時(shí)間正常運(yùn)行工況下會(huì)發(fā)生局部放電，使缺陷逐漸嚴(yán)重，甚至造成放電點(diǎn)附近的閃絡(luò)或絕緣擊穿，威脅設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1，2]。

通過對GIS的局部放電進(jìn)行在線監(jiān)測，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行GIS絕緣狀況的評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣缺陷，避免因絕緣引起的故障發(fā)生，提高GIS的安全運(yùn)行水平，同時(shí)降低維護(hù)成本，提高設(shè)備的檢修針對性，減少停電時(shí)間和節(jié)省維修費(fèi)用[3]。

1 UHF局部放電檢測原理

GIS設(shè)備局部放電的放電持續(xù)時(shí)間一般在10-9-10-7秒，放電點(diǎn)能夠輻射很高頻率的電磁波，其頻率分量可達(dá)GHz。局部放電產(chǎn)生的超高頻（Ultra High Frequency，UHF）電磁波會(huì)沿著GIS的管道傳播，通過安裝在GIS內(nèi)部或外部的UHF傳感器接收輻射的電磁波，局放信號(hào)被局部放電監(jiān)測裝置采集后進(jìn)行分析處理，即可實(shí)現(xiàn)局部放電的在線監(jiān)測[4]。

2局部放電在線監(jiān)測裝置的功能

局部放電在線監(jiān)測裝置主要用于變電站中GIS設(shè)備的局部放電在線監(jiān)測。局部放電在線監(jiān)測裝置采用UHF檢測技術(shù)，通過UHF傳感器檢測GIS內(nèi)部局部放電發(fā)出的電磁波信號(hào)，檢測到的信號(hào)經(jīng)過RF濾波、射頻前置放大器和檢波器后進(jìn)行采樣、存儲(chǔ)、數(shù)字信號(hào)處理，分析并上傳至故障模式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，對GIS的絕緣狀態(tài)進(jìn)行診斷，并以數(shù)據(jù)可視化的方式顯示放電特征數(shù)據(jù)。同時(shí)具有系統(tǒng)后臺(tái)可存儲(chǔ)和展示局部放電的歷史測量數(shù)據(jù)，供工作人員及變電站層的監(jiān)控系統(tǒng)查詢使用。

3 裝置的硬件設(shè)計(jì)

局部放電在線監(jiān)測裝置的硬件由采集分析模塊、通信模塊和電源模塊三部分組成。采集模塊負(fù)責(zé)局放信號(hào)的采集分析處理，通信模塊將處理后的局部放電數(shù)據(jù)以IEC61850規(guī)約的格式上送至系統(tǒng)后臺(tái)，電源模塊負(fù)責(zé)提供5V和±12V的直流電源。各模塊之間相對獨(dú)立，通過以太網(wǎng)進(jìn)行局部放電采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交互。下面對三個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

3.1 采集分析模塊

采集分析模塊由采集分析核心板和UHF信號(hào)調(diào)理單元組成：

采集分析核心板選用ATOM芯片作為核心處理器，由ATOM X86處理器和FPGA構(gòu)成，外擴(kuò)AD采用AD7656的16位高精度AD轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA采用Cyclone系列芯片，通過DMI總線擴(kuò)展接口連接512M DDR RAM、SSD、FPGA等設(shè)備。FPGA邏輯電路控制AD采集和FIFO緩存模塊，接收信號(hào)調(diào)理單元調(diào)理后的UHF信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波及存儲(chǔ)、添加數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)、數(shù)據(jù)包整合等功能。系統(tǒng)具備多通道數(shù)據(jù)采集接口，利用雙緩沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間不間斷的數(shù)據(jù)同步采集與轉(zhuǎn)換。

UHF信號(hào)調(diào)理單元包含RF濾波電路、射頻前置放大器和檢波器，將UHF傳感器的信號(hào)接入經(jīng)預(yù)處理后，輸入由高速ADC+FPGA組成的高速數(shù)據(jù)采集分析模塊進(jìn)行采樣、存儲(chǔ)、數(shù)字信號(hào)處理與分析。

3.2 通信模塊

通訊模塊選用PowerPC MPC8313芯片作為核心處理器，通過LocalBus總線擴(kuò)展出的接口連接Nor Flash、SST NanDriver等設(shè)備，通訊模塊具有豐富的外圍控制接口和通信接口，對外具有1路百兆多模光纖以太網(wǎng)接口和2路RJ45以太網(wǎng)接口，主要負(fù)責(zé)局部放電監(jiān)測IED和系統(tǒng)后臺(tái)以及狀態(tài)接入控制器的通信功能。通過RJ11以太網(wǎng)接口與核心板交換數(shù)據(jù)，更新嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部的IEC61850數(shù)據(jù)模型，并通過報(bào)告服務(wù)將數(shù)據(jù)上送。

通信模塊以太網(wǎng)接口選用DP83460芯片，DP86460是一款帶有IEEE 1588 PTP硬件支持功能的以太網(wǎng)收發(fā)器，可搭配MCU、FPGA、ASIC在同步以太網(wǎng)模式下實(shí)現(xiàn)PTP應(yīng)用中次納秒的精度，同時(shí)確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高度靈活性。

3.3 電源模塊

電源模塊輸入為220V/DC，輸出5V/DC和±12V/DC，該模塊選用合適電源模塊和電源芯片為裝置及裝置內(nèi)各芯片進(jìn)行供電，滿足功率及精度要求。在EMC設(shè)計(jì)上，選用壓敏電阻、氣體放電管、共模電感等元件，配合復(fù)合濾波器，預(yù)防因雷擊浪涌、靜電、射頻干擾、磁場干擾等對裝置造成不可控的影響，保障裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 裝置的軟件設(shè)計(jì)

裝置的軟件部分進(jìn)行局部放電信號(hào)的采集、分析、處理、存儲(chǔ)和后臺(tái)數(shù)據(jù)展示，UHF局部放電信號(hào)的傳導(dǎo)和處理方向依次為UHF信號(hào)調(diào)理單元、采集分析模塊、通信模塊和后臺(tái)。系統(tǒng)軟件主要由三部分組成：信號(hào)的采集和分析模塊、IEC61850通信服務(wù)端和局部放電監(jiān)測后臺(tái)。

4.1 采集分析模塊

首先，由局部放電產(chǎn)生的超高頻電磁波信號(hào)，被安裝在GIS上的內(nèi)置UHF傳感器獲取，通過高頻同軸電纜與UHF信號(hào)調(diào)理單元相連，經(jīng)RF濾波、射頻前置放大器和檢波器后，提取有效的內(nèi)部局放信號(hào)，轉(zhuǎn)換為適于AD采集的電壓信號(hào)輸入采集分析模塊。

然后，調(diào)理后的局放信號(hào)進(jìn)入采集分析模塊。采集分析模塊具有多通道數(shù)據(jù)采集接口，最多可以從6個(gè)UHF信號(hào)調(diào)理單元取得數(shù)據(jù)。模塊上的FPGA邏輯電路控制AD采集和FIFO緩存模塊，接收信號(hào)調(diào)理單元調(diào)理后的UHF信號(hào)，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間不間斷的數(shù)據(jù)同步采集與轉(zhuǎn)換，將采樣的數(shù)字信號(hào)傳送給主處理器。

局放信號(hào)提取后，由使用Power PC處理器的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行濾波、分析和特征提取等處理，計(jì)算出局部放電的放電量、放電頻次，提取放電圖譜特征并對產(chǎn)生的局放信號(hào)進(jìn)行信號(hào)錄波。同時(shí)采用模式識(shí)別算法進(jìn)行局部放電類型識(shí)別和故障診斷。

4.2 IEC61850通信服務(wù)端

在IEC61850通信服務(wù)端中，處理后的局放信息通過以太網(wǎng)進(jìn)入通信模塊。通訊模塊具有信息轉(zhuǎn)換和通訊功能，支持以IEC61850方式上傳狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果，同時(shí)接收來自其他智能組件和主控機(jī)的命令信息，通過過程層網(wǎng)絡(luò)傳送給間隔層測控裝置或通過站控層網(wǎng)絡(luò)傳送到的變電站層的監(jiān)控系統(tǒng)使用。

4.3 模塊間數(shù)據(jù)通信

采集分析模塊和通信模塊通過以太網(wǎng)TPC/IP協(xié)議進(jìn)行通信，上送局部放電的放電量、放電頻次和放電波形至通信模塊。

TCP/IP協(xié)議在嵌入式Linux上使用Socket（套接字）進(jìn)行通信，本設(shè)計(jì)中的Socket通信采用Server/Client模式，服務(wù)器在創(chuàng)建一個(gè)Socket后，接著會(huì)將該Socket與本地地址/端口進(jìn)行綁定，成功后對響應(yīng)的Socket上監(jiān)聽，當(dāng)捕捉到一個(gè)ACCEPT服務(wù)請求時(shí)，即完成一個(gè)新的連接，稍后向客戶端發(fā)送具體通信數(shù)據(jù)。

4.4 局部放電監(jiān)測后臺(tái)

局部放電監(jiān)測后臺(tái)服務(wù)器以IEC61850服務(wù)模式接收局放IED的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將放電量、放電頻次、放電相位在WEB界面上實(shí)時(shí)展示，并將局放波形文件進(jìn)行？漬-q圖、？漬-n圖、灰度、散點(diǎn)圖等二維和三維視圖的展現(xiàn)。

5 結(jié)束語

本產(chǎn)品通過對GIS局部放電的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，記錄并分析GIS的局部放電的放電時(shí)間、放電量和放電頻次，為高壓電氣設(shè)備的工作狀態(tài)和狀態(tài)檢修提供決策依據(jù)。同時(shí)可減少過早或不必要的停電試驗(yàn)和檢修維護(hù)工作量，降低維護(hù)成本，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，顯著提高電力系統(tǒng)可靠性，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：劉逸凡（1988-），男，漢族，河南平頂山人，工程師，主要從事智能變電站智能組件研發(fā)工作。