基于BP網(wǎng)絡(luò)的聲電聯(lián)合檢測在GIS局部放電的定位研究

白宇峰，何業(yè)慎，張翼英

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司 營銷部，陜西 西安 710048； 2.深圳市國電科技通信有限公司 安全質(zhì)量部，廣東 深圳 518031； 3.天津科技大學(xué) 計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院，天津 300457)

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基于BP網(wǎng)絡(luò)的聲電聯(lián)合檢測在GIS局部放電的定位研究

白宇峰1，何業(yè)慎2，張翼英3

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司 營銷部，陜西 西安 710048； 2.深圳市國電科技通信有限公司 安全質(zhì)量部，廣東 深圳 518031； 3.天津科技大學(xué) 計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院，天津 300457)

隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和組合電器設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)供電可靠性得到很大提升，但一直以來GIS組合電器局部放電故障問題比較突出，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。如何快速定位GIS放電位置，是局部放電在線檢測的關(guān)鍵?；赥DOA法的電聲電聯(lián)合定位檢測方法，采用到達(dá)時間差，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對超聲波和超高頻的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行融合，構(gòu)造局部放電仿真測試系統(tǒng)。分析了組合電器典型局部放電故障的信號特征，闡述了基于特高頻和超聲波技術(shù)的聲電聯(lián)合檢測法的機理和實現(xiàn)方法，并通過現(xiàn)場實例驗證了聯(lián)合檢測法的可行性和有效性。

組合電器；局部放電；聯(lián)合檢測法

局部放電(Partial Discharge，PD)是指發(fā)生在電極之間但未貫穿電極的放電現(xiàn)象[1]。局部放電的累積效應(yīng)將使絕緣物質(zhì)的介電性能不斷劣化，最終導(dǎo)致絕緣擊穿事故的發(fā)生[2-3]。氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Substation，GIS)是電力系統(tǒng)中輸送電能的重要設(shè)備，具有很高的供電可靠性，目前已廣泛應(yīng)用于110 kV和220 kV變電設(shè)備中。但在實際運行中GIS局部放電問題卻一直比較突出。而造成局部放電的主要因素是設(shè)備內(nèi)部的自由金屬微粒、電極表面的毛刺突起、螺絲松動或接觸不良造成的懸浮電位、絕緣件缺陷以及安裝過程中的遺留物等因素[4]。這些因素不斷劣化GIS內(nèi)部絕緣介質(zhì)及絕緣部件的性能，腐蝕導(dǎo)電部件，導(dǎo)致GIS絕緣事故發(fā)生。長期的局部放電會導(dǎo)致設(shè)備絕緣劣化局部擴(kuò)大，甚至引起組合電器絕緣擊穿或沿面閃絡(luò)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)運行的安全與穩(wěn)定。目前局部放電檢測方法很多，如特高頻法、超聲波法、氣相色譜法、震蕩波法等，但單一方法檢測效果比較有限，目前利用多種方法互補性的聯(lián)合檢測法成為當(dāng)前發(fā)展的主要趨勢。

針對目前存在的GIS局部放電檢測故障定位困難的問題，研究了典型局部放電信號特征和常用的局部放電檢測技術(shù)，分析了不同GIS局部放電檢測技術(shù)的優(yōu)缺點，提出了基于BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聲電聯(lián)合定位法，通過超聲波局放檢測法與特高頻測試法相結(jié)合，采用到達(dá)時間差(Time Different of Arrival，TDOA)法，運用MATLAB6.5構(gòu)建了聲電聯(lián)合定位仿真測試系統(tǒng)，并通過實驗驗證了該方法的有效性。

1 聲電聯(lián)合GIS檢測法

1.1 超聲波局放檢測法

GIS局部放電檢測方法中最成熟的檢測法是超聲波局放檢測法。局放源發(fā)出的超聲波信號，抗干擾能力強，不受外界噪聲影響，通過超聲傳感器即可捕獲信號，實現(xiàn)放電源的定位，但是超聲波信號在固體盆式絕緣子內(nèi)部傳播時衰減較大，對于絕緣子內(nèi)部以及表面放電靈敏度不夠，無法完成全部檢測任務(wù)。超聲波法在局部放電檢測定位中的工作原理如圖1所示：

圖1 超聲波法測量局部放電原理

1.2 特高頻測試法

在電力線纜的局部放電檢測中，特高頻電流法是目前最常用的檢測方法，當(dāng)電纜發(fā)生局部放電時，會有部分電流流入大地。因此，通過在外屏蔽層套接高頻電流傳感器，感應(yīng)接地線上的電流，激發(fā)數(shù)GHz的電磁波，脈沖電流上升很快，即可用實現(xiàn)局部放電的判斷。但該法無法準(zhǔn)確定位故障點，檢測原理如圖2所示。

圖2 高頻電流法測量局部放電原理

1.3 兩種檢測方法分析

超聲波和超高頻檢測方法采用傳感器接收放電源信號，利用同一信號到達(dá)不同傳感器的時間差、振幅變化，根據(jù)超聲波及電磁波傳播速度，即可以求出放電源距多個傳感器的距離。但是在實際應(yīng)用中，受環(huán)境、噪聲、速度、距離等多個因素影響，同時信號在GIS內(nèi)部傳輸過程中衰減較快，相應(yīng)的精確捕獲的時間差非常困難，這些都增加了信號采集及濾波分析的難度。

1.4 聲電聯(lián)合局部放電測試法

將特高頻測試法與超聲波測試法相結(jié)合，讓超聲波測試法與超高頻測試法在GIS局部放電檢測中優(yōu)勢互補，超聲波測試法具有傳感器布置靈活、適應(yīng)電磁環(huán)境、高靈敏度、高精確等優(yōu)點，但是也有信號衰減快、機械干擾、定位困難等缺點。而超高頻測試法具有信號衰減慢、靈敏度高、機械干擾小等優(yōu)點，恰能彌補超聲波測試法。因此將兩種方法有機結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

聲電聯(lián)合檢測技術(shù)通過檢測信號的相關(guān)性及時間差，提高局部放電檢測準(zhǔn)確性，有利于發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運行。聲電聯(lián)合檢測法實施步驟如下：

1)如果存在電頻、聲音雙重信號，則使用特高頻法確定電信號來源，利用超聲波法進(jìn)行精確定位。

2)如果沒有捕獲超聲波信號，只測量到特高頻電磁波信號，則改變傳感器的位量、方向，停放在接收信號最強的節(jié)點。則基本確定該節(jié)點腔體內(nèi)存在放電性缺陷。

3)如果特高頻法沒有測量到電磁波信號而超聲波法測量到聲信號，則用超聲法逐點檢測，找到接收信號最大的節(jié)點，再根據(jù)信號圖譜特征判斷信號是否由振動引起，確定局部放電源。

4)如果超聲波法與特高頻法都沒有檢測到任何異常信號，則不存在明顯GIS局部放電。

2 聲電聯(lián)合定位仿真測試系統(tǒng)

2.1 TDOA定位原理

TDOA(Time Difference of Arrival，到達(dá)時間差)定位是一種利用同一放電源到達(dá)不同傳感器時間差進(jìn)行放電源定位的應(yīng)用方法[5]。通過不同的傳感器捕獲信號的時間，利用速度(光速)、路程間的關(guān)系即可確定信號源距離每個傳感器的直線距離。以監(jiān)測站為中心，直線距離為半徑作圓，就可以確定信號源位置。TDOA定位方法繪制圖形如圖3所示：

圖3 TDOA定位方法

假定GIS內(nèi)有n個傳感器，局部放電源的空間坐標(biāo)為(x，y，z) ，傳感器的空間坐標(biāo)為(xi，yi，zi)，其中i=0，1，…，n-1。如果在t0時刻某個特高頻傳感器捕獲到局放電磁波信號，假設(shè)其坐標(biāo)為(x0，y0，z0)。則各個超聲探頭傳感器捕獲的超聲信號時刻tn與t0均存在不同的時間差，放電源與各傳感器之間的直線距離用ri表示; 放電源信號到達(dá)第i個傳感器與特高頻傳感器探頭的時差用ti表示；聲波傳播速度用v表示，則根據(jù)路程、時間、速度三者關(guān)系，則有：

ri=v*ti=1，2，…n-1

(1)

根據(jù)空間距離表示方法，可建立n-1個方程。

(2)

i=1,2,…,n-1

2.2 基于BP網(wǎng)絡(luò)的局放定位算法

BP算法(Back Propagation，反向傳播算法)由正向和反向兩個傳播過程組成[4]。整箱傳播過程是指輸入層神經(jīng)元接收信息，傳遞給中間神經(jīng)元，中間神經(jīng)元進(jìn)行信息變換，通過隱層傳遞到輸出層神經(jīng)元，完成正向?qū)W習(xí)處理過程，由輸出層輸出處理結(jié)果。當(dāng)輸出結(jié)果與期望不符時，進(jìn)入反向傳播階段。通過輸出層按誤差設(shè)定梯度修正權(quán)值，向隱層、輸入層逐層傳遞、反傳。正向傳播和誤差反向傳播過程的周而復(fù)始進(jìn)行，也是權(quán)值不斷調(diào)整的過程，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)過程，直到輸出誤差滿足接受程度為止。BP網(wǎng)絡(luò)信息融合算法分為數(shù)據(jù)初始化、前向計算、反向誤差調(diào)節(jié)等步驟。

1)數(shù)據(jù)初始化

選擇BP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置輸入層、中間層、隱層和出層的各層權(quán)值，確定最大循環(huán)次數(shù)，確保無死循環(huán)發(fā)生，選擇學(xué)習(xí)因子。函數(shù)模型關(guān)系為：

(3)

其中，xi為輸入節(jié)點；y為輸出節(jié)點；n0為節(jié)點數(shù)目；f為激活函數(shù)；W為權(quán)值矩陣；X為輸入矩陣，其中W=[w1，w2，…，wn0]，X=[x1，x2，…，xn0]。

2) 前向計算

(4)

3)反向誤差調(diào)節(jié)

BP算法采用基于梯度最速下降法來計算輸出層、隱含層、輸入層等反向誤差信號，計算權(quán)值調(diào)整模式，等效誤差計算公式為：

(5)

4) 完成計算后，判斷誤差是否滿足精度要求，若不能滿足則調(diào)節(jié)權(quán)值，返回到步驟2)繼續(xù)進(jìn)行，直到滿足精度要求則輸出結(jié)果為止。算法流程如圖4所示：

圖4 BP網(wǎng)絡(luò)的局放定位算法流程

2.3 聲電聯(lián)合仿真檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GIS聲電聯(lián)合局部放電仿真檢測系統(tǒng)由信息采集傳感器、信息融合模塊、PD故障定位模塊三個部分組成[5]。信息采集傳感器由超聲波、超高頻兩種不同類型的傳感器構(gòu)成；信息融合模塊負(fù)責(zé)將傳感器采集到的放電超聲波和電磁波信息進(jìn)行基本預(yù)處理之后，對同質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的功能；PD故障定位模塊則采用TDOA法對超聲波和超高頻法采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，計算局部放電故障位置。聲電聯(lián)合仿真檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 聲電聯(lián)合仿真檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 聲電聯(lián)合局部放電檢測法在GIS的應(yīng)用

案例1:發(fā)現(xiàn)GIS罐體內(nèi)金屬顆粒及雜質(zhì)

某220 kV變電站GIS罐體內(nèi)存在雜質(zhì)及金屬顆粒，導(dǎo)致罐體內(nèi)部產(chǎn)生懸浮放電。采用聲電聯(lián)合檢測法，成功地發(fā)現(xiàn)并解決了上述GIS放電問題，如圖6所示：

案例2：某PT氣室疑似放電故障分析

在對某組合電器間隔線路PT氣室進(jìn)行超聲波檢測過程中，檢測到無規(guī)則、幅值不等的PD圖譜，如圖7所示，而在進(jìn)行特高頻檢測時發(fā)現(xiàn)頻譜平穩(wěn)、無異常信號，如圖8所示。

圖6 GIS罐體內(nèi)的雜質(zhì)及金屬顆粒放電

圖7 超聲波PD圖譜

圖8 特高頻PD圖譜

根據(jù)以上特征試驗人員進(jìn)一步對該PT氣室進(jìn)行復(fù)查，經(jīng)復(fù)查發(fā)現(xiàn)該氣室的接地線振動較為嚴(yán)重，導(dǎo)致超聲波傳感器無法與氣室表面良好接觸，造成局部放電信號圖譜不規(guī)則，有效避免了盲目對組合電器解體造成的經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)損失。

案例3：某隔離開關(guān)氣室內(nèi)局部放電故障

在對某組合電器隔離開關(guān)氣室進(jìn)行超聲波檢測發(fā)現(xiàn)異常信號，表現(xiàn)出明顯的相位相關(guān)性，50 Hz相關(guān)性明顯大于100 Hz相關(guān)性，如圖9所示。采用特高頻檢測同樣發(fā)現(xiàn)異常尖峰信號，如圖10所示。通過與典型局部放電特征信號比較發(fā)現(xiàn)，該信號具有較為明顯的固定金屬體懸浮放電信號特征。并利用時差定位法比較兩通道信號到達(dá)時間，將故障定位在隔離開關(guān)觸頭附近，試驗人員判斷隔離開關(guān)觸頭附近存在嚴(yán)重的固定金屬體懸浮放電故障，需要進(jìn)行解體處理。

通過解體檢查發(fā)現(xiàn)該隔離開關(guān)操作連桿下部金屬撥叉與動觸頭軸銷之間的等電位彈簧缺失，造成接觸不良懸浮放電，通過重新加裝等電位彈簧后局部放電信號消失。由于故障發(fā)現(xiàn)及時、判斷準(zhǔn)確，避免了嚴(yán)重的組合電器絕緣擊穿事故。

圖9 超聲波PD圖譜

圖10 特高頻PD圖譜

4 結(jié) 語

由于GIS局部放電定位檢測受電磁干擾及現(xiàn)場噪聲等多個因素影響，放電信號在傳輸過程中不斷衰減，超聲波、特高壓等單一檢測方法已經(jīng)不能滿足復(fù)雜環(huán)境下GIS局部放電檢測定位要求。提出了借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合到達(dá)時間差TDOA法，對超聲波和超高頻法傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合、智能合成，最終實現(xiàn)快速準(zhǔn)確放電檢測定位，該法可以作為局部放電輔助判斷和故障點定位的重要手段。最終通過MATLAB6.5構(gòu)建了聲電聯(lián)合定位仿真測試系統(tǒng)檢測驗證，實驗結(jié)果表明基于特高頻和超聲波技術(shù)的聲電聯(lián)合檢測法可以快速、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)故障，并且能夠判斷故障類型和進(jìn)行故障定位，在組合電器局部放電檢測領(lǐng)域具有良好的實際應(yīng)用效果。

[1]周 倩， 唐 炬， 唐 銘，等.GIS內(nèi)4種典型缺陷的局部放電超高頻數(shù)學(xué)模型構(gòu)建[J].中國電機工程學(xué)報， 2006 (8):99-105.

[2]金立軍，張明銳，劉衛(wèi)東.GIS局部放電故障診斷試驗研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2005，20(11):88-92.

[3]高 陽，張 博，許傲然，等.TEV檢測原理在斷路器機械特性研究中的應(yīng)用[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2016，12(4):332-335.

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(責(zé)任編輯魏靜敏校對張凱)

ApplicationofAcoustic-ElectricCombinedMethodBasedonBPNetworksintheDetectionofPartialDischargeinGIS

BAI Yu-feng1,HE Ye-shen2，ZHANG Yi-ying3

(1.Information Communications Branch,State Grid Shaanxi Electric Power Company,Xian 710048,Shaanxi Province;2.Safety and quality ensurance department,State Grid Shenzhen Technology Communication Co.,Ltd,Shenzhen 518031,Guangdong Province; 3.College of Computer Science and Information Engineering,Tianjin University Science & Technology,Tianjing 300457)

With the wide application of GIS and the development of grid technology,the power supply reliability of power system is improved greatly.But the prominent partial discharge faults in GIS are always seriously affecting the safe and stable operation of power grids.Rapid positioning of GIS discharge location is the key point in the partial discharge online test.The acoustic-electric combined method based on TDOA constructs the simulation monitoring system by distinguishing the arrival time difference of various signals and blending the data from UHF and ultrasonic wave with BP network.On the basis of the analysis of the signal characteristics of typical partial discharge fault in GIS,the mechanism of acoustic electric combined detection method based on UHF and ultrasonic technology and implementation method were expounded,and the feasibility and effectiveness of the detection method were verified by the field examples.

GIS; partial discharge; united detection method

2017-05-22

白宇峰(1974-)，男，陜西渭南人，高級工程師，碩士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.012

TM595

： A

： 1673-1603(2017)03-0259-06