基于超聲波傳感器的局部放電無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉達偉，喬亞興，劉劍青，黃文燾

(1.上海市電力公司 市南供電公司，上海 201100；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

基于超聲波傳感器的局部放電無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉達偉1，喬亞興1，劉劍青2，黃文燾2

(1.上海市電力公司 市南供電公司，上海 201100；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

針對目前高壓變配電站中電氣設(shè)備眾多，數(shù)據(jù)傳輸難度大以及缺乏有效的絕緣在線監(jiān)測方法等問題，研發(fā)新型局部放電無線監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計系統(tǒng)的整體硬件架構(gòu)，并提出基于Zigbee協(xié)議的無線傳輸方案和超聲波無線傳感器設(shè)計方案，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸和處理功能；搭建在線監(jiān)測平臺，開發(fā)數(shù)據(jù)濾波技術(shù)、數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)以及準確可靠的告警算法。變電站實際安裝測試表明，該系統(tǒng)能夠有效地監(jiān)測電氣設(shè)備的局部放電情況，并及時準確地告警，有助于保證變配電站的穩(wěn)定可靠運行。

局部放電；在線監(jiān)測；超聲波傳感器；無線傳輸；告警算法

隨著中國電力工業(yè)的突飛猛進，現(xiàn)代電力系統(tǒng)正向大電網(wǎng)、大機組、超高壓、大容量的方向發(fā)展，對電力設(shè)備的絕緣水平也提出了更高要求[1-2]。變配電站作為智能電網(wǎng)輸電、配電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對其各類電氣設(shè)備實施絕緣狀態(tài)監(jiān)測并進行早期預(yù)警，可以有效地提高變配電站電氣設(shè)備的運行可靠性，減少設(shè)備的運行維護成本，延長設(shè)備的使用壽命，降低事故發(fā)生率。

局部放電是反映變配電站關(guān)鍵設(shè)備絕緣性能的重要數(shù)據(jù)之一，能夠提前反映電氣設(shè)備內(nèi)部運行工況和絕緣狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部絕緣可能存在的安全隱患或缺陷，便于工作人員采取有針對性的處理措施，預(yù)防潛伏性、突發(fā)性惡劣事故的發(fā)生。因此，局部放電監(jiān)測作為絕緣診斷的重要手段得到了越來越廣泛的應(yīng)用[3-6]。目前，局部放電的監(jiān)測方法主要有化學(xué)監(jiān)測法、脈沖電流法、射頻監(jiān)測法、超聲波監(jiān)測法、超高頻監(jiān)測法等[7-10]。其中，超聲波監(jiān)測法采集電氣設(shè)備內(nèi)部缺陷引起放電時電子間相互碰撞產(chǎn)生的超聲波信號，對設(shè)備的運行沒有任何影響，更適用于在線監(jiān)測。

在變配電站中被測設(shè)備較多，需要大量的數(shù)據(jù)傳輸線路，再加上站內(nèi)復(fù)雜的實際工況，有線傳輸已經(jīng)難以保證監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。鑒此，筆者設(shè)計一種新型局部放電無線監(jiān)測系統(tǒng)，包括系統(tǒng)硬件架構(gòu)方案、超聲波無線傳感器以及基于Zigbee協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸方案結(jié)合設(shè)計，同時，提出合理有效的數(shù)據(jù)處理及存儲方法和局部放電告警算法，并在此基礎(chǔ)上成功搭建系統(tǒng)軟件平臺。通過現(xiàn)場實際測試，驗證該系統(tǒng)對設(shè)備局部放電情況監(jiān)測的有效性以及及時告警功能的準確可靠性。

1 局部放電無線監(jiān)測系統(tǒng)方案

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

新型的局部放電無線監(jiān)測系統(tǒng)由局放監(jiān)測元件(傳感器)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、通信總線、工控機以及遠程監(jiān)控機等組成。具體的硬件配置結(jié)構(gòu)如圖1所示，從而可以看出，監(jiān)測系統(tǒng)硬件架構(gòu)的實現(xiàn)，需要：

1)超聲波傳感器。分別安裝于被測設(shè)備的表面，對相應(yīng)的局部放電信號進行采集，并與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的發(fā)射端相連。

2)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。用于實現(xiàn)傳感器與工控機之間的無線通訊，其中發(fā)射端集成在傳感器中，接收端則是數(shù)據(jù)集中器，實時收集所在范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3)通信總線。采用MODBUS通信協(xié)議，完成數(shù)據(jù)集中器和工控機之間的通訊應(yīng)答。

4)工控機。安裝于變電站控制室中，運行具有數(shù)據(jù)處理及存儲、局放信號的實時監(jiān)測及危險告警等功能的監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺。

5)遠程監(jiān)控機。以工控機為服務(wù)器，進行遠程監(jiān)控。

圖1 局部放電無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件配置

1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸方案

為滿足圖1所示架構(gòu)設(shè)計的通訊需要，同時保證系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和可拓展性，該文將數(shù)據(jù)傳輸作為一個單獨模塊進行設(shè)計，提出如圖2所示的監(jiān)測系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸方案。

該方案數(shù)據(jù)傳輸基于Zigbee協(xié)議，Zigbee是基于IEEE 802.15.4標準的個域網(wǎng)協(xié)議[11]，基于Zigbee協(xié)議的通訊技術(shù)是一種功耗低、距離較近且簡單易實現(xiàn)的無線通訊技術(shù)，能夠很好地應(yīng)用于變配電站內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。

在圖2所示無線數(shù)據(jù)傳輸模塊中，發(fā)射端集成在傳感器中，從監(jiān)測終端接收局放信號的數(shù)據(jù)；接收端實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器的功能，接收、上傳、管理、轉(zhuǎn)換其所在范圍內(nèi)局放傳感模塊的數(shù)據(jù)，從而實時、可靠地收集范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)。該模塊采用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，具有較強的可擴展性，從而實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)中的通信功能。

圖2 無線傳輸模塊

2 超聲波無線傳感器

當設(shè)備發(fā)生局部放電時，在放電區(qū)域中分子間產(chǎn)生劇烈撞擊，會伴隨存在超聲波能量的釋放[12]。超聲波傳感器正是基于該原理，實時監(jiān)測設(shè)備的局部放電信號。

超聲波傳感器硬件裝置主要包括超聲傳感裝置、濾波放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換器，同時為了滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，也集成了無線傳輸模塊。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器硬件結(jié)構(gòu)

1)前置放大電路。

該設(shè)計選用可以調(diào)節(jié)增益系數(shù)的AD620運算放大器，考慮增益與頻率的關(guān)系，實現(xiàn)信號放大處理，電路原理如圖4所示。

圖4 前置放大電路

2)濾波電路。

該設(shè)計采用帶通濾波器實現(xiàn)檢波功能，其中低通與高通相互獨立。濾波電路選用AD826運算放大器，將2個二階高通濾波器與1個二階低通濾波器級聯(lián)構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 濾波電路

3)微控制器單元與無線傳輸模塊。

微控制器單元由計算機直接進行編程設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及相應(yīng)的預(yù)處理，并與無線傳輸裝置連接，通過與數(shù)據(jù)集中器配合，實現(xiàn)局放信號采集數(shù)據(jù)的實時傳輸，從而達到系統(tǒng)在線監(jiān)測的目的。

3 數(shù)據(jù)處理與告警機制

3.1 軟件抗干擾技術(shù)

由于變配電站中實際工況的復(fù)雜性以及局部放電信號中干擾的多樣性，經(jīng)過硬件濾波后可能仍存在一些周期性的干擾信號。因此，在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中引入軟件濾波技術(shù)，進一步增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

局放信號具有明顯的時變性和非平穩(wěn)性，因此運用短時傅里葉變換(STFT)對其時頻特性進行分析。設(shè)x(τ)是連續(xù)時間信號，其短時傅里葉變換定義為

(1)

其中，ω(t)是一個時間寬度極短的窗函數(shù)，該式的意義為信號x(τ)在時刻t的STFT變換，即信號x(τ)乘以一個以t為中心的窗函數(shù)，ω*(τ-t)再作傅里葉變換。

對多組局放信號進行分析可以得出，各信號均具有明顯且相似的時頻特性。一組局部放電信號的波形與STFT分析分別如圖6，7所示，可以看出，其放電時間多集中于300～450 μs，且放電時的幅值較大；而圖7(b)頻譜顯示，放電信號頻率多集中于45～55 kHz之間，其中50 kHz左右出現(xiàn)峰值。同時，幅值最大值出現(xiàn)在50 kHz左右并向兩側(cè)逐漸遞減，總體上存在一定的對稱性。

圖6 局部放電信號波形

圖7 局部放電信號STFT分析

在STFT分析的基礎(chǔ)上，可以對局放信號進行特征提取。實際系統(tǒng)中選取多組具有典型時頻特征的局放信號作為基準，提取對應(yīng)的頻率值與幅值作為特征參數(shù)，以此對采集的信號是否包含局放信號進行判斷，形成軟件抗干擾技術(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)經(jīng)過采集模塊預(yù)處理后，存儲機制如圖8所示。采集到工控機系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，首先存儲在工控機系統(tǒng)的內(nèi)存庫(實時數(shù)據(jù)庫)中。使用SCADA mdl數(shù)據(jù)平臺可以快速訪問當前內(nèi)存庫中的數(shù)據(jù)，便于后臺維護、修訂、研究和后續(xù)擴展。

系統(tǒng)每隔一個固定周期(通常為5 s)會讀取一次內(nèi)存庫，并將內(nèi)存庫中的全部數(shù)據(jù)拷貝到ORACLE數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)表中。系統(tǒng)在存儲ORACLE實時數(shù)據(jù)表的同時，會對內(nèi)存庫數(shù)據(jù)進行判斷處理，觀察當前數(shù)據(jù)是否已經(jīng)寫入歷史數(shù)據(jù)庫。如果沒有寫入歷史數(shù)據(jù)庫，則進行拷貝，將數(shù)據(jù)存儲進入歷史數(shù)據(jù)庫年月表，方便進行日后的數(shù)據(jù)查詢以及相應(yīng)的后續(xù)維護和擴展。

圖8 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲機制

3.3 告警算法

通過實時監(jiān)測預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，當有危險數(shù)據(jù)出現(xiàn)而且其持續(xù)時間超過規(guī)定范圍時，系統(tǒng)將給出報警信號。告警算法采用施密特觸發(fā)器的原理，針對每個傳感器進行告警，通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與所給定的閾值進行比較判斷。具體邏輯如圖9所示，當狀態(tài)處于正常時，監(jiān)測到數(shù)據(jù)突然超出允許波動范圍時，記錄該時刻并計時；當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過波動范圍時間持續(xù)達到時間閾值時，產(chǎn)生告警信息并發(fā)出告警信號；當超過允許波動范圍的信號重新下降并恢

圖9 告警算法流程

復(fù)到允許范圍內(nèi)時，記錄新的時刻值，當降落的信號超過時間閾值后，記錄新的信息，并結(jié)束告警信號，同時將此次告警信息存儲在告警數(shù)據(jù)庫中。

4 監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測試

筆者搭建新型局部放電無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)以及軟件平臺，為驗證該系統(tǒng)在實際工況下關(guān)鍵功能的可靠性以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在上海市某變電站進行安裝測試，站內(nèi)溫度為25 ℃，站內(nèi)濕度為50%。測試采用380 V的閘刀作為局放源，并置于鐵柜中來模擬電氣設(shè)備外殼，通過開合操作產(chǎn)生局部放電信號，從而實際地模擬開關(guān)柜、GIS等關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生局部放電時產(chǎn)生的超聲波信號。

1)傳感器性能測試。

通過改變局放源與傳感器之間的距離，觀察傳感器的有效監(jiān)測范圍， 傳感器性能測試如表1所示，可知即使局放源距傳感器位置較遠時，依然能夠準確采集到相應(yīng)信號，因此，傳感器性能良好，能夠可靠監(jiān)測電氣設(shè)備的局部放電情況。

表1 傳感器性能測試結(jié)果

2)無局放監(jiān)測測試。

在沒有局部放電信號的情況下進行測試，觀察系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)是否正常，無局放信號監(jiān)測結(jié)果如圖10所示，可知在沒有局部放電發(fā)生時，系統(tǒng)能夠可靠不告警，即便在變電站內(nèi)存在各種復(fù)雜的干擾，硬件濾波與軟件抗干擾技術(shù)的配合仍起到了很好地抗干擾效果。

圖10 無局放信號監(jiān)測結(jié)果

3)單次局放監(jiān)測測試。

單次局放信號監(jiān)測結(jié)果如圖11所示，可以看出，系統(tǒng)對于出現(xiàn)的單次局放信號能夠準確可靠地進行有效監(jiān)測并告警。

圖11 單次局放信號監(jiān)測結(jié)果

4)多次局放監(jiān)測測試。

多次局放信號監(jiān)測結(jié)果如圖12所示，可知即使短時間內(nèi)出現(xiàn)多次間斷性局部放電信號，監(jiān)測系統(tǒng)也能夠進行有效監(jiān)測并及時預(yù)警，對復(fù)雜的局放工況有較強的適應(yīng)性。

圖12 多次局放信號監(jiān)測結(jié)果

5)連續(xù)性局放監(jiān)測測試。

連續(xù)性局放信號監(jiān)測結(jié)果如圖13所示，可知當設(shè)備出現(xiàn)連續(xù)性局部放電現(xiàn)象時，監(jiān)測系統(tǒng)同樣能夠敏感捕捉相應(yīng)信號并將數(shù)據(jù)記錄，同時合理地判斷局放持續(xù)時間，進而準確可靠地進行告警。

圖13 連續(xù)性局放信號監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

筆者設(shè)計了基于超聲波的局部放電無線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感器、無線傳輸、軟件監(jiān)控相結(jié)合的完整架構(gòu)。超聲波傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計，增強了系統(tǒng)的靈活性與可擴展性，從而更好地適應(yīng)變配電站被測設(shè)備眾多等復(fù)雜工況。同時建立監(jiān)測平臺，提出軟硬件結(jié)合的濾波技術(shù)以及高效的數(shù)據(jù)存儲機制，實現(xiàn)對局放信號的實時監(jiān)測和及時告警功能?，F(xiàn)場測試表明該系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測變配電站設(shè)備的局部放電情況，并實現(xiàn)監(jiān)測和告警功能的智能化，對于保證變配電站高效穩(wěn)定的工作效率具有重要意義。

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Design of partial discharge wireless monitoring system with ultrasonic sensor

LIU Da-wei1, QIAO Ya-xing1, LIU Jian-qing2, HUANG Wen-tao2

(1.Shinan Power Supply Co., SMEPC, Shanghai 201100, China; 2.School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Aiming at the large number of electrical equipment in high voltage distribution substation, the difficulty of data transmission and the lack of effective on-line monitoring methods for equipment insulation, a new type of partial discharge wireless monitoring system was developed in this paper. Firstly, the overall hardware architecture of the system was designed. Moreover, the wireless transmission scheme based on Zigbee protocol and the design of ultrasonic wireless sensor were presented, which can realize the function of data acquisition, transmission and processing. In addition, an on-line monitoring platform was built in the background server, including data filtering technology, storage technology based on database and accurate and reliable alarm algorithm. The actual installation testing results show that the system can effectively monitor the partial discharge of the electrical equipment and timely warning, and it is helpful to ensure the stable and reliable operation of the substation.

partial discharge; on-line monitoring; ultrasonic sensor; wireless transmission; alarm algorithm

2016-03-10

劉劍青(1994—)，男，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)在線監(jiān)測與保護的研究；E-mail：xhxljq@163.com

TM835

A

1673-9140(2016)04-0161-07