基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測研究

趙普志，李洪淵

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司，烏魯木齊830063；2.塔里木大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，阿拉爾843300）

多種高壓系統(tǒng)的長期運行經(jīng)驗表明，系統(tǒng)中高壓設(shè)備的絕緣性能是影響系統(tǒng)可靠性與安全性的關(guān)鍵因素。一般來說，高壓設(shè)備很難做到徹底絕緣，因此，電力系統(tǒng)中的各高壓設(shè)備始終影響著系統(tǒng)的平穩(wěn)、安全運行[1]。

高壓套管在高壓設(shè)備中起連接絕緣與支撐作用，是變壓器連接外部的裝置與重要構(gòu)成部件，對高壓設(shè)備的絕緣性能起決定性作用，因此也是維護高壓系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運行的主要影響因素[2]。高壓設(shè)備故障數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果表明，高壓套管發(fā)生故障是造成電抗器與變壓器突然停運的主因。加之高壓電力系統(tǒng)和高壓電力設(shè)備的不斷擴充與迅速發(fā)展，高壓套管隨著容量的擴展與變壓器的持續(xù)老化必將承受更大的負(fù)載與熱應(yīng)力[3]。高壓套管的種類繁多，目前應(yīng)用最為廣泛的是GOE 型高壓套管，多數(shù)變壓器中都使用了GOE 型高壓套管。故在此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測方法。

1 監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集與處理

在基于物聯(lián)網(wǎng)對GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測過程中，需要使用數(shù)字示波器對GOE 型高壓套管運行數(shù)據(jù)進行采集。數(shù)字示波器具體設(shè)置見表1。

利用數(shù)字示波器中的正常觸發(fā)功能，實現(xiàn)對GOE型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，觸發(fā)信號會對波形進行自動存儲[4]。利用衰減器處理油箱中的傳感器天線輸出信號對示波器的兩端端口進行保護，衰減器的頻率為-20 dB，并通過外置傳感器在特定外部位置對數(shù)據(jù)進行采集，采集數(shù)據(jù)大于30 組[5]。

表1 數(shù)字示波器的具體設(shè)置Tab.1 Specific settings of digital oscilloscope

在此基礎(chǔ)上，對采集到的GOE 型高壓套管運行數(shù)據(jù)進行處理。利用小波去噪方式進行數(shù)據(jù)去噪處理[6]，主要是利用MatLab 內(nèi)的小波wden 去噪函數(shù)，對數(shù)據(jù)中的特高頻局放信號實施去噪處理。具體的處理方式如下：對采集到的GOE 型高壓套管運行數(shù)據(jù)中的PD 信號進行檢測，通過小波變換對檢測信號實施多分辨率分析，對檢測信號內(nèi)含有的頻率成分不同的信號進行分解，將其分解至多種小波尺度上，根據(jù)各種小波尺度的具體分量對PD 信號里的各種頻率成分進行分析，從而對PD 信號實施降噪處理與分析[7]。

然后，對數(shù)據(jù)實施頻譜轉(zhuǎn)換處理，即通過Mat-Lab 內(nèi)的FFT 算法，實施采集信號的頻譜分析處理，獲取信號的實際頻譜分布狀況，并對其實施歸一化處理，得到對應(yīng)的頻譜歸一化圖，再對歸一化結(jié)果實現(xiàn)平方運算，得到對應(yīng)的信號能量譜圖，利用極小值與極大值的提取來獲取信號能量譜圖的對應(yīng)峰值頻點，實現(xiàn)頻譜轉(zhuǎn)換[8]。

1.2 構(gòu)建Debye 模型

在完成數(shù)據(jù)采集與處理的基礎(chǔ)上構(gòu)建Debye模型，并利用Debye 模型對絕緣油紙產(chǎn)生的極化進行等效模擬。在此共構(gòu)建7 條模型支路，以更好地展現(xiàn)絕緣油紙產(chǎn)生的極化響應(yīng)。絕緣油紙結(jié)構(gòu)為5層[9]。具體模型參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 模型參數(shù)設(shè)置Tab.2 Model parameter settings

在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建Debye 模型，Debye 模型可體現(xiàn)損耗介質(zhì)因數(shù)介電譜頻域曲線與電容量曲線。具體如圖1，圖2 所示。

圖1 電容量曲線Fig.1 Capacitance curve

圖2 介質(zhì)損耗因數(shù)介電譜頻域曲線Fig.2 Frequency domain curve of ldielectric loss factor dielectric spectrum

1.3 多元狀態(tài)監(jiān)測

以所構(gòu)建的Debye 模型為依據(jù)，獲取絕緣紙實際聚合度倒數(shù)差與GOE 型高壓套管實際FDS 曲線的具體關(guān)系[10]。從而，利用FDS 曲線獲取絕緣紙聚合度，再利用聚合度判斷GOE 型高壓套管的狀態(tài)，實現(xiàn)對GOE 型高壓套管多元狀態(tài)的有效監(jiān)測。

對絕緣紙實施聚合度進行測試時，所用絕緣紙的最初聚合度為1025，在其各個絕緣老化時期對實際聚合度值進行測試。測試結(jié)果見表3。

表3 獲取測試結(jié)果Tab.3 Obtaining test results

對表3 測試結(jié)果實施聚合度分析，獲取聚合度的絕緣老化時間與倒數(shù)差的函數(shù)關(guān)系。聚合度的絕緣老化時間與倒數(shù)差呈現(xiàn)反比例關(guān)系，即

式中：t 為老化時間；Pt為絕緣紙t 時刻的具體聚合度；P0為絕緣紙最初聚合度；k 為聚合度倒數(shù)差。

根據(jù)式（1），獲得聚合度絕緣老化時間與倒數(shù)差的實際擬合曲線，如圖3 所示。

圖3 聚合度絕緣老化時間與倒數(shù)差的實際擬合曲線Fig.3 Actual fitting curve of polymerization aging time and reciprocal difference

GOE 型高壓套管的絕緣老化時間與FDS 曲線之間的函數(shù)關(guān)系需要通過電容量測試獲取。利用IDAX-300 在10-3～103Hz 激勵掃頻頻率范圍內(nèi)，對各個絕緣老化時期GOE 型高壓套管的具體FDS 曲線進行測量。對該測量結(jié)果進行分析，分析結(jié)果為GOE 型高壓套管的絕緣老化時間與FDS 曲線之間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系。

在此基礎(chǔ)上，將絕緣老化時間作為中間變量，獲取絕緣紙實際聚合度倒數(shù)差與GOE 型高壓套管實際FDS 曲線的具體關(guān)系，且對二者進行擬合。發(fā)現(xiàn)二者擬合優(yōu)度很高，且呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系。由此表明，通過測量GOE 型高壓套管的FDS 曲線能夠獲取實際絕緣紙聚合度，也就是只需獲取GOE 型高壓套管絕緣紙的最初聚合度或更換的新絕緣紙的具體聚合度，即可通過GOE 型高壓套管的實際FDS曲線評估其具體絕緣狀態(tài)，實現(xiàn)對GOE 型高壓套管多元狀態(tài)的監(jiān)測。

2 試驗測試與結(jié)果分析

2.1 試驗設(shè)計

為驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測方法的有效性，設(shè)計了仿真測試試驗。選擇3個相同的GOE 型高壓套管作為試驗對象，對其實施FDS 曲線測量，并利用測量的FDS 曲線獲取實際絕緣紙聚合度，對其實施多元狀態(tài)監(jiān)測。測量試驗高壓套管的FDS 曲線需要通過響應(yīng)頻率分析儀來完成，選用型號IDAX-350 的響應(yīng)頻率分析儀。該分析儀實物如圖4 所示，相關(guān)參數(shù)見表4。

圖4 IDAX-350 響應(yīng)頻率分析儀Fig.4 IDAX-350 response frequency analyzer

表4 IDAX-350 響應(yīng)頻率分析儀的相關(guān)參數(shù)Tab.4 Relevant parameters of IDAX-350 response frequency analyzer

響應(yīng)頻率分析儀的電壓掃頻激勵可以利用電纜線向被試品施加，然后采集其內(nèi)部電壓信號的相角與幅值，利用USB 將數(shù)據(jù)向上位機傳輸，通過內(nèi)部軟件進行分析計算。試驗設(shè)定的電壓施加激勵為200 V，掃頻范圍為10-3～103Hz。測定現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 測定現(xiàn)場Fig.5 Measurement site

為保證試驗結(jié)果的有效性，將文獻[11]基于數(shù)據(jù)分析變壓器套管在線監(jiān)測預(yù)警的方法和文獻[12]基于內(nèi)部壓強響應(yīng)變壓器套管在線監(jiān)測的方法，作為對比方案，不同方法的聚合度測試準(zhǔn)確性以及隱藏信息關(guān)聯(lián)識別率。

2.2 結(jié)果與分析

測試不同方法的聚合度測試準(zhǔn)確性，聚合度測試準(zhǔn)確性越高，說明監(jiān)測結(jié)果可靠性越強，試驗結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同方法的聚合度測試準(zhǔn)確性試驗結(jié)果Fig.6 Accuracy test results of polymerization degree test of different methods

由圖可見，隨著試驗時間的增加，只有所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測方法的聚合度測試準(zhǔn)確性在穩(wěn)步上升，最高的有效抗攻擊效率可達到97%，而另外2 種對比方法的分流過程的聚合度測試準(zhǔn)確性不僅沒有明顯的變化規(guī)律，且聚合度測試準(zhǔn)確性的數(shù)值均低于本文方法。由此可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測方法的監(jiān)測結(jié)果可靠性更強。

在此基礎(chǔ)上，還測試了不同方法的隱藏信息關(guān)聯(lián)識別率，試驗結(jié)果如圖7 所示。隱藏信息關(guān)聯(lián)識別率越高，說明監(jiān)測方法對絕緣紙實際聚合度倒數(shù)差與套管實際FDS 曲線間具體關(guān)系的識別能力越強。

圖7 不同方法的隱藏信息關(guān)聯(lián)識別率試驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of hidden information association recognition rate of different methods

由圖可見，與2 種傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測方法相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測方法可以大大提高隱藏信息關(guān)聯(lián)識別率，隱藏信息關(guān)聯(lián)識別率最高可達94.5%，最低為92%，明顯高于另外2 種對比方法。

綜上，本文方法對絕緣紙實際聚合度倒數(shù)差與套管實際FDS 曲線間具體關(guān)系的識別效果更好，從而提高了最終監(jiān)測結(jié)果的有效性。

3 結(jié)語

所研究設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測方法，實現(xiàn)了聚合度測試準(zhǔn)確性的提升，并且能夠?qū)㈦[藏信息關(guān)聯(lián)識別率保持在一個較高的水準(zhǔn)內(nèi)，能夠有效實現(xiàn)對GOE 型高壓套管的無損監(jiān)測，對于維護變壓器和其他高壓電力設(shè)備的穩(wěn)定和安全具有重要意義。