GIS中SO2氣體紫外光譜檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理

陳 鵬，王先培，張 軍，鄧 楊，肖 偉，胡明宇，周 瑋

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072；2.中國電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074)

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GIS中SO2氣體紫外光譜檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理

陳 鵬1，王先培1，張 軍2，鄧 楊1，肖 偉1，胡明宇1，周 瑋2

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072；2.中國電力科學(xué)研究院，湖北武漢 430074)

氣體絕緣組合電器(GIS)設(shè)備內(nèi)發(fā)生的局部放電會(huì)使絕緣氣體SF6分解，從而導(dǎo)致設(shè)備安全性下降。針對(duì)此問題選取SO2作為局放檢測(cè)的特征標(biāo)識(shí)物，依據(jù)紫外光譜檢測(cè)法對(duì)SO2進(jìn)行定量檢測(cè)并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該方法便于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。為提高設(shè)備精度，首先利用奇異值分解原理對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，為減小系統(tǒng)誤差選取3個(gè)特定波長點(diǎn)的吸光度作為SO2檢測(cè)依據(jù)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用紫外檢測(cè)SO2體積分?jǐn)?shù)誤差率在5%以內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。

紫外光譜；二氧化硫；快速檢測(cè)；信號(hào)去噪；奇異值分解

0 引言

氣體絕緣開關(guān)裝置(gas insulated switchgear,GIS)因其具有密閉性好，可靠性高等特點(diǎn)被廣泛用于電力行業(yè)中[1-2]。其內(nèi)SF6氣體具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，電絕緣性以及優(yōu)異的滅弧性能，但GIS內(nèi)部發(fā)生的局部放電，火花放電等會(huì)使SF6與其他雜質(zhì)氣體發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生活性氣體，進(jìn)而腐蝕金屬表面降低其絕緣性能，危害電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此對(duì)GIS內(nèi)的放電現(xiàn)象進(jìn)行快速檢測(cè)具有重要的意義。SO2是SF6在放電條件下產(chǎn)生的穩(wěn)定氣體衍生物，對(duì)GIS內(nèi)SO2的檢測(cè)可以直觀地反映出SF6氣體的異常狀況，以此判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，可以為電力檢修人員的后續(xù)工作提供一定的參考意見。目前對(duì)GIS氣體衍生物檢測(cè)主要有氣相色譜法[3]、電化學(xué)傳感器法[4]，紅外光譜吸收法[5]等。氣相色譜法能檢測(cè)多種分解產(chǎn)物，但需要定時(shí)清理，檢測(cè)時(shí)間過長，無法做到實(shí)時(shí)快速檢測(cè)；電化學(xué)傳感器具有快速檢測(cè)能力，但多種氣體檢測(cè)特征接近，容易產(chǎn)生交叉干擾；相比于以上2種方法，光譜檢測(cè)法具有易于維護(hù)，能夠快速檢測(cè)，壽命長，體積小，不需消耗被測(cè)氣體和載氣等優(yōu)點(diǎn)，其中紅外光譜對(duì)于各氣體的吸收峰值十分接近，影響氣體定性以及定量檢測(cè)，而紫外光譜造價(jià)低廉對(duì)于SO2的吸收峰附近不存在其他衍生物的吸收，相比于其他方法具有明顯優(yōu)勢(shì)[6]，因此本工作選用紫外檢測(cè)SO2作為GIS內(nèi)部放電評(píng)估的快速檢測(cè)方法。

紫外光譜數(shù)據(jù)容易常受到低頻基線以及高頻噪聲的干擾，系統(tǒng)受到現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)、光譜熱噪聲等因素的影響產(chǎn)生一定的噪聲信號(hào)[7]，因此首先需要對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行去噪。紫外光譜檢測(cè)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)、光譜熱噪聲等因素的影響產(chǎn)生一定的噪聲信號(hào)，因此首先需要對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行去噪。現(xiàn)有的光譜信號(hào)去噪方法有小波變換，小波包變換，Savitzky-Golay濾波等，但這些方法都需要人工選取相關(guān)濾波參數(shù)，不適用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。作為一種自適應(yīng)的，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)式信號(hào)處理技術(shù)，奇異值分解理論(Singular Valu Decomposition,SVD)對(duì)信號(hào)的識(shí)別和描述采用時(shí)域性的頻域分析方式，它無需對(duì)信號(hào)和噪聲特性做出先驗(yàn)假設(shè)，對(duì)非線性、非平穩(wěn)的信號(hào)也具有較好的去噪效果[8-9]，基于此本工作選用奇異值分解作為現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的去噪方法。

1 SO2產(chǎn)生原理與檢測(cè)原理

GIS中SF6在常溫常壓下具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，正常的電弧現(xiàn)象下，由于滅弧室的存在，SF6分解后會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)復(fù)原，而在發(fā)生故障時(shí)，故障電流及其產(chǎn)生的高溫環(huán)境會(huì)使SF6，與設(shè)備內(nèi)少量的H2O，O2發(fā)生反應(yīng)生成各種分解產(chǎn)物。放電會(huì)使設(shè)備內(nèi)部分SF6，H2O，O2發(fā)生電離產(chǎn)生氟離子，各種低氟硫化物，氫離子，氧離子以及氫氧離子等，這些離子相互之間會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成SOF2，SO2F2，HF，SO2等分解產(chǎn)物，其中部分離子會(huì)與設(shè)備內(nèi)有機(jī)絕緣介質(zhì)以及金屬反應(yīng)生成CF4，CO，CO2等。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知SO2F2，SOF2，SO2，HF是SF6的主要衍生物，由于HF具有腐蝕性，對(duì)于檢測(cè)設(shè)備要求高，不適合快速檢測(cè)，SO2F2，SOF2快速檢測(cè)設(shè)備成本過高，紫外設(shè)備價(jià)格低廉[10]，而SO2作為主要衍生物之一，能夠直觀反映設(shè)備內(nèi)SF6純凈度，因此選用SO2作為檢測(cè)對(duì)象。

SF6衍生物中SO2在紫外光區(qū)200～400 nm之間存在特定的吸收區(qū)域，而其它衍生物在此區(qū)域內(nèi)不存在特征吸收，因此紫外吸收光的波長和強(qiáng)度，可以直接表征SO2體積分?jǐn)?shù)。由朗伯-比爾定律

I(λ)=I0(λ)exp(σ(λ)cL)

(1)

式中：I(λ)為透射光強(qiáng)；I0(λ)為入射光強(qiáng)；σ(λ)為吸收系數(shù)由環(huán)境因素(溫度，壓力)決定；c為吸收氣體在單位體積內(nèi)體積分?jǐn)?shù)；L為光程長度。

環(huán)境條件確定后σ(λ)可以視為定值，光程L以及入射光強(qiáng)均可確定，則吸光度與氣體體積分?jǐn)?shù)關(guān)系如式(2)所示。

(2)

由此可知吸光度A(λ)與氣體體積分?jǐn)?shù)c成線性關(guān)系，此為SO2定量檢測(cè)的理論依據(jù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

紫外光譜檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，根據(jù)待測(cè)氣體下的紫外光譜數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)SO2定量檢測(cè)，整個(gè)裝置包括氣體采樣池，紫外光源，紫外光譜儀，壓力傳感器，溫度傳感器，待測(cè)氣體，氣泵以及上位機(jī)。

圖1 紫外檢測(cè)SO2系統(tǒng)框圖

紫外光源，光纖，光譜儀，準(zhǔn)直鏡均由Avantes提供，在氣體采樣池上的兩個(gè)準(zhǔn)直鏡，具有維持紫外光的準(zhǔn)直性的作用，利于減少系統(tǒng)噪聲。氣體采樣池全長1 m，容積為35 mL，具有抗震性，耐腐蝕性等特點(diǎn)，不銹鋼材料制成，內(nèi)壁附有聚四氟乙烯，能夠較好的避免氣體吸附，同時(shí)采樣池的圓柱形構(gòu)造減小了光線在傳播過程中的損耗。

由于氣體測(cè)量易受到環(huán)境干擾，實(shí)驗(yàn)過程中將溫度維持在25 ℃，壓強(qiáng)維持在104±5 kPa。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，在每次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前采樣池需要用氮?dú)夥磸?fù)進(jìn)行沖洗，每次沖洗后再用氣泵對(duì)其抽真空。將待測(cè)氣體經(jīng)進(jìn)氣口充入采樣池，當(dāng)采樣池內(nèi)壓強(qiáng)在104 kPa左右時(shí)，停止充氣，采集光譜數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪及后續(xù)處理。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 信號(hào)去噪

奇異值分解理論是指對(duì)于任意一個(gè)m×n維實(shí)矩陣A，存在有m×m維正交矩陣U以及n×n維正交矩陣V使得

A=USVT

(3)

式中：U，V分別為A的左右奇異矩陣；而S是A的奇異值矩陣。

矩陣S的秩rank(S)與矩陣A的秩rank(A)存在等價(jià)關(guān)系即rank(S)=rank(A)=k，且矩陣S可以表示為

(4)

式中Sk=diag(σ1,σ2,……,σk)，其對(duì)角線元素σ1>σ2>σ3……>σk。

對(duì)于含噪信號(hào)X(N)，首先需要對(duì)其進(jìn)行相空間重構(gòu)，構(gòu)造Hankle矩陣Am×n：

(5)

(6)

式中：Sk為有效信號(hào)的奇異值；Sω為噪聲信號(hào)的奇異值。

將噪聲信號(hào)奇異值均改為0，即得達(dá)到去噪效果,此處對(duì)有效奇異值即奇異譜階數(shù)選擇關(guān)系到奇異譜去噪效果的好壞，當(dāng)所選階數(shù)過小，會(huì)使信號(hào)不夠完整丟失部分有效信號(hào)，當(dāng)所選階數(shù)過大，則會(huì)將噪聲信號(hào)包含進(jìn)濾波信號(hào)中達(dá)不到去噪效果。奇異值大小與信號(hào)相關(guān)性成正比，由于有效信號(hào)信息與噪聲信號(hào)之間存在則差異性，因此反映有效信號(hào)的奇異值與噪聲信號(hào)的奇異值必存在突變，基于此本工作采用最大差分原理來完成階數(shù)選擇。令δi=|σi+1-σi|(i=1,2,…n)，利用δi構(gòu)成差分譜，其最大峰值所對(duì)應(yīng)的階次則是有效奇異值點(diǎn)，令其后奇異值均為0得到新對(duì)角矩陣S′,根據(jù)S′重構(gòu)得出新的Hankel矩陣A′，最后利用A′得出去噪信號(hào)。

由于光譜信號(hào)的原始信號(hào)以及噪聲未知，無法充分說明奇異譜去噪原理，因此構(gòu)造信號(hào)x(t)=sin(13πt)+cos(15πt)，對(duì)其加入SNR為9的高斯白噪聲，原始信號(hào)以及含噪信號(hào)分別如圖2、圖3所示。

圖2 原始信號(hào)

圖3 含噪信號(hào)

圖4 奇異值曲線圖

分別構(gòu)造含噪信號(hào)與原始信號(hào)的Hankel矩陣，并對(duì)其進(jìn)行奇異譜分解，提取奇異值構(gòu)造如圖4所示的奇異值曲線，由圖4可知兩曲線有效奇異值主要集中在前面部分且在同一點(diǎn)處產(chǎn)生突變，突變后原始信號(hào)奇異值全為0，含噪信號(hào)奇異值快速減小且非0。因此選取前50個(gè)奇異值進(jìn)行一階差分運(yùn)算，奇異差分譜曲線如圖5所示。選取差分譜中峰值最高點(diǎn)處為奇異值去噪階次。

圖5 奇異值一階差分譜曲線

依據(jù)奇異譜去噪處理后的消噪信號(hào)與原始信號(hào)如圖6所示?？芍罁?jù)最大差分原理選取的奇異譜階次所作信號(hào)截?cái)嘀?，重?gòu)得到的消噪信號(hào)與原始信號(hào)基本吻合，具有良好的去噪效果。

圖6 消噪信號(hào)與原始信號(hào)對(duì)比圖

選取含有5 μL/L SO2的SF6氣體特征吸收波290～310 nm差分吸收譜為例，對(duì)其進(jìn)行奇異譜去噪，原始信號(hào)與去噪信號(hào)分別如圖7、圖8所示。

圖7 光譜信號(hào)差分圖

圖8 光譜去噪圖

3.2 SO2定量檢測(cè)

選取99.99%純凈SF6，以及分別含有20 μL/L，40 μL/L，60 μL/L，70 μL/L SO2的SF6氣體，在25 ℃，104 kPa環(huán)境下進(jìn)行光譜定量實(shí)驗(yàn)，選取200～330 nm之間的光譜圖如圖9所示。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)氣體紫外光譜圖

由圖中可以看出純凈SF6在紫外波段光譜曲線接近平滑，且其吸光度趨近于零，即作為背景氣體的SF6對(duì)SO2吸光度不存在影響。SO2在紫外波段存在兩個(gè)特征吸收區(qū)域，在209～219 nm及295～305 nm波段內(nèi)SO2呈現(xiàn)出明顯的吸收峰谷特性且SO2吸光度隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，符合上述朗伯-比爾定律。在環(huán)境條件一定的情況下，對(duì)于不同體積分?jǐn)?shù)的SO2，不同的波段處的吸光度為定值，通過SO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，可以得出不同波段SO2吸光度與體積分?jǐn)?shù)相互對(duì)應(yīng)的樣本集，通過樣本集可對(duì)SO2定量檢測(cè)。

SO2快速檢測(cè)的作用是對(duì)GIS內(nèi)的故障作早期預(yù)警，對(duì)于體積分?jǐn)?shù)低于100 μL/LSO2測(cè)量要求較高，因此選用SO2含量在100 μL/L以下標(biāo)準(zhǔn)氣體8組以及200 μL/L，300 μL/L標(biāo)氣各一組進(jìn)行多次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，首先對(duì)所得到的吸光度數(shù)據(jù)截取特征吸收區(qū)290～310 nm之間的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行奇異譜去噪預(yù)處理；其次為防止偶然因素對(duì)單一測(cè)點(diǎn)造成干擾，選取具有代表性的299.0 nm，300.0 nm，302.1 nm 3個(gè)測(cè)點(diǎn)處的吸光度作為SO2定量檢測(cè)的特征點(diǎn)。對(duì)同一體積分?jǐn)?shù)標(biāo)氣實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)取平均，在扣除背景干擾前提下，將3個(gè)特征點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)與吸光度數(shù)據(jù)線性擬合，擬合曲線如圖10中曲線1，曲線2，曲線3所示。

圖10 線性擬合曲線圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選取10組不同體積分?jǐn)?shù)標(biāo)氣進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)裝置得到氣體吸光度譜圖并利用奇異譜進(jìn)行信號(hào)去噪，選取3個(gè)特征點(diǎn)出的吸光度后，帶入各自對(duì)應(yīng)的擬合曲線，經(jīng)計(jì)算后得出樣品體積分?jǐn)?shù)并對(duì)其取平均，最終結(jié)果即為系統(tǒng)最終實(shí)測(cè)體積分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，紫外光譜檢測(cè)SO2體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到10-6級(jí)具有較高精度，且檢測(cè)誤差在±5%范圍內(nèi)，滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)要求。紫外光譜測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)易受到溫度壓強(qiáng)變化的干擾，因此快速檢測(cè)時(shí)首先要扣除背景氣體以及暗室吸光度，并保持環(huán)境條件恒定。

表1 SO2實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與誤差

標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)/(μL·L-1)測(cè)量值/(μL·L-1)299.0nm300.0nm302.1nm平均值相對(duì)誤差/%1010.929.5310.5910.353.52021.6519.4620.3320.482.44042.4438.2642.9541.223.06062.3159.2964.5762.063.47074.3668.5273.2172.032.908081.3575.2378.3978.322.109095.4692.3193.6393.804.22100103.62102.53104.32104.394.39200209.51212.43205.69209.214.61300312.37314.61310.74312.574.19

5 結(jié)束語

依據(jù)SO2在紫外光波段內(nèi)的特征吸收以及瑯伯-比爾定律構(gòu)建了紫外光譜SO2檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，根據(jù)奇異譜分解理論對(duì)吸光度數(shù)據(jù)去噪，分別對(duì)299.0 nm，300.0 nm，302.1 nm 3個(gè)測(cè)點(diǎn)處吸光度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，確定擬合系數(shù)。系統(tǒng)對(duì)3個(gè)不同測(cè)點(diǎn)聯(lián)合檢測(cè)SO2，減小偶然誤差，通過標(biāo)氣實(shí)驗(yàn)證明檢測(cè)系統(tǒng)具有良好效果，滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)GIS內(nèi)SO2體積分?jǐn)?shù)的要求。

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Ultraviolet Spectrum Detection of SO2Gas in GIS and Data Processing

CHEN Peng1,WANG Xian-pei1,ZHANG Jun2,DENG Yang1，XIAO Wei1，HU Ming-yu1,ZHOU Wei2

(1.School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China；2.China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074,China)

Partial discharge of Gas Insulated Switchgear (GIS) brings SF6decomposition,and then the safety of the device declines.To address this problem,the SO2was selected as the feature label of partial discharge detection,then quantitatively the SO2was detected and the experimental platform based on the ultraviolet spectrum detection method was set up.This method was easy to realize rapid on-site test.In order to improve the accuracy of the equipment,firstly,the principle of singular value decomposition (SVD) was used to filter spectral data,then the absorbencies of three special wavelength were chosen as basis of SO2detection to jointly detect the SO2volume fraction to avoid error.The experimental results show that the error of SO2volume fraction is within 5 percent,so it can satisfy the requirements of on-site test.

ultraviolet spectrum;sulfur dioxide;rapid detection;signal denoising;singular value decomposition

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50677047)；湖北省科學(xué)條件專項(xiàng)(2013BEC010)；中國南方電網(wǎng)科技項(xiàng)目(K-GX2011-019)；湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BCE074)

2015-05-26 收修改稿日期：2015-08-27

TN23

A

1002-1841(2015)12-0042-04

陳鵬(1991—)，碩士研究生，研究方向?yàn)楣庾V法測(cè)氣體濃度。 E-mail：chenpeng0903@whu.edu.cn