電力傳輸線異常放電紫外光檢測定位仿真與模擬驗證

宋鵬，白曉晨，林曉煥，郭華，張利劍

電力傳輸線異常放電紫外光檢測定位仿真與模擬驗證

宋鵬*，白曉晨，林曉煥，郭華，張利劍

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

輸電線路異常放電檢測對電網(wǎng)安全運行有重要意義。為了實現(xiàn)對輸電線、絕緣子等電力設(shè)備異常放電的探測與定位，首先，基于遍歷微元法建立了電暈放電紫外探測模型，研究了紫外光在大氣信道的傳輸特性，給出不同電暈放電朝向條件下路徑損耗與檢測設(shè)備位置之間的關(guān)系。其次，考慮檢測裝置與放電點之間的相對位置關(guān)系，基于檢測裝置運動速度和接收紫外光功率極大值時的轉(zhuǎn)向角度給出電暈放電點定位方法；基于檢測距離和接收紫外光功率給出反演模擬放電功率的方法，進(jìn)而判定模擬放電是否異常。最后，搭建實驗平臺，在戶外對算法進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，在巡檢距離分別為15 m、20 m、25 m和30 m時，該算法對放電點的定位誤差小于8%，反演的模擬放電功率誤差小于10%，證明了該算法的有效性。

異常放電；紫外探測；遍歷微元法；定位

1 引　言

隨著我國特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，遠(yuǎn)距離輸電線路不斷增加，輸電線路因絕緣問題導(dǎo)致的故障也相應(yīng)增加，國內(nèi)外曾多次發(fā)生線路故障事故，給工業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來嚴(yán)重的影響［1］。因此，及時發(fā)現(xiàn)輸電線路放電故障對電網(wǎng)安全運行具有重要意義。

輸電導(dǎo)線、絕緣子等電力設(shè)備長期受光照、濕度、污染及惡劣天氣的影響，出現(xiàn)導(dǎo)線斷股、散股、絕緣子裂化、導(dǎo)線與桿塔連接金具處污垢等問題，導(dǎo)致絕緣性能下降，產(chǎn)生放電現(xiàn)象［2］。放電伴隨有光信號、熱能、電磁波等物理信號，光譜主要分布在紫外波段（100～400 nm），可以將紫外光作為探測對象，判斷是否有異常放電發(fā)生［3-4］。目前紫外檢測技術(shù)有紫外脈沖檢測與紫外成像檢測技術(shù)，王燦林等［5-6］對電暈紫外光脈沖與電暈電流脈沖進(jìn)行了研究，結(jié)果表明兩者幅值特性對應(yīng)較好。汪金剛等［7］提出一種非接觸式紫外驗電方法，對高壓設(shè)備放電時紫外脈沖數(shù)量進(jìn)行了實時檢測。韓旭濤等［8］通過建立仿真模型研究了氣體絕緣組合電器（Gas Insulator Switchgear， GIS）局部放電光信號的傳播特性，不同距離、不同放電源位置條件下接收光子數(shù)與光通量的規(guī)律變化。Saiful Mohammad Iezham Suhaimi等［9］研究了受污染絕緣子和老化絕緣子在不同污染和老化程度下紫外信號的時間和頻率分量。王欣等［10］將小波變換算法應(yīng)用到紫外成像電暈檢測中，提高了系統(tǒng)的定位精度。劉建卓等［11］設(shè)計了紫外、可見光、紅外三波段電暈檢測系統(tǒng)。Wang Shenghui等［12］提出了一種考慮觀測距離和成像儀增益兩個因素確定復(fù)合絕緣子表觀放電量的方法。張志勁等［13］采用紫外成像儀對不同故障類型下導(dǎo)線的電暈放電光子數(shù)進(jìn)行測量。隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，彭向陽等［14］提出了以無人機（Unmanned Aerial Vehicle ，UAV）搭載紫外傳感器對輸電線路絕緣子進(jìn)行拍攝，根據(jù)電暈放電的光譜特征和紫外成像的形態(tài)特征自動檢測放電位置的方法。

路徑損耗（Pass Loss，PL）是衡量通信系統(tǒng)信號衰減的重要指標(biāo)，在已知發(fā)射端功率時，可以宏觀反映接收端功率的大小。Xu Zhengyuan等［15］建立了適用于任意指向的非共面幾何閉合模型，提出了單次散射路徑損耗表達(dá)式，當(dāng)仰角與發(fā)散角較小時，該表達(dá)式比蒙特卡洛模型更容易計算。Zhang Hailiang等［16］基于蒙特卡洛方法建立了三維紫外光通信模型，并且搭建室外實驗平臺，研究了不同收發(fā)端仰角和通信距離下系統(tǒng)的路徑損耗。Ma Jianshe等［17］提出了一種球面坐標(biāo)系下近距離紫外光通信的球冠模型，研究了該模型下紫外光通信系統(tǒng)的路徑損耗與誤碼率，結(jié)果表明該模型比現(xiàn)有模型的精度高，為近距離紫外光通信路徑損耗的估計提供了新方法。宋鵬等［18］基于紫外光單次散射傳輸模型，采用遍歷微元法對移動場景下紫外光通信單次散射路徑損耗進(jìn)行了研究。

2 研究思路

2.1　探測方法

本文以“干”字型鐵塔為研究對象，對鐵塔上的絕緣子以及導(dǎo)線與鐵塔連接金具處等可能發(fā)生放電的部位進(jìn)行探測。探測示意圖如圖1所示，具體探測步驟如下：

圖1　無人機巡檢探測示意圖

（1）無人機沿預(yù)設(shè)航跡進(jìn)行巡檢，無人機位置信息由GPS獲取，輸電線路地理位置由電力公司提供，探測視場角覆蓋電力線及輸電鐵塔，當(dāng)巡檢至輸電鐵塔時，無人機沿垂直于地面方向上下探測，判斷圖中1、2、3點具體哪個點發(fā)生了放電；

（2）假設(shè)1點發(fā)生了放電，無人機小幅度上下探測，探測到功率最大值時，通過無人機的飛行高度確定放電點的軸坐標(biāo)；

（3）此時將三維空間轉(zhuǎn)化為二維平面，即軸坐標(biāo)不再變化，無人機搭載的光電倍增管的探測窗口朝向與軸垂直，無人機通過沿與地面平行的水平面左右探測對放電點進(jìn)行定位，圖2中點為放電點，點為無人機初始探測位置，無人機以恒定速率沿軸正方向探測，探測端的功率先增大后減小，無人機探測到點時探測功率最大，記錄此時從點到點無人機的移動時間；無人機繼續(xù)沿軸正方向探測，探測功率逐漸減小，到達(dá)點的探測功率與點相等；

圖2　定位方法示意圖

2.2　關(guān)鍵技術(shù)問題

（a）無人機對電力鐵塔進(jìn)行垂直探測，找到接收功率最大時無人機的高度，確定空間中軸坐標(biāo)；

（b）考慮無人機與放電點之間的相對位置關(guān)系，基于接收光信號強度實現(xiàn)對放電點的精確定位；

（c）基于檢測距離和接收紫外光功率反演模擬放電點功率，判定放電是否異常。

3 理論分析

3.1　遍歷微元法

放電產(chǎn)生的紫外光在大氣中傳播時，由于氣體分子和氣溶膠粒子的散射和吸收作用，使得無人機探測不需要直視放電點就可以探測到紫外光信號。遍歷微元法具有運算簡單、計算速度快、收發(fā)端可以任意指向等優(yōu)點，基本思想［19］是在球坐標(biāo)系下，把包含公共散射體的某個封閉的自由空間分割成許多有確定邊界的小單元，對這個邊界確定的小單元進(jìn)行三重積分，求出放電點產(chǎn)生的紫外光經(jīng)過這個單元散射到達(dá)探測端的能量。遍歷所有的小單元，對所有求出的經(jīng)小單元散射到達(dá)探測端的能量累加求和，最終得到經(jīng)公共散射體單次散射到達(dá)探測端的總能量，進(jìn)而求出放電點到探測端的路徑損耗。

圖3　非直視紫外光單次散射傳播模型

經(jīng)過公共散射體中的一個小微元散射到達(dá)探測端的能量為：

探測端接收的總能量為：

根據(jù)遍歷微元法，電力設(shè)備放電點與探測端的路徑損耗為：

3.2　放電探測模型

本文提出基于遍歷微元法的電力設(shè)備放電紫外探測模型。由于放電產(chǎn)生的紫外光信號在某一方向的強度最強且方向具有隨機性，此外，探測時紫外光信號可能被桿塔、絕緣子等設(shè)備遮擋，對放電點的定位與強度估算造成一定的影響，因此放電探測模型考慮了放電端在不同仰角與偏轉(zhuǎn)角時的放電情況。模型如圖4所示。

圖4　放電紫外探測模型

3.3　仿真分析

固定放電端與探測端幾何參數(shù)，放電端坐標(biāo)為（0，0，0），探測端在（12，0，0）垂直與水平探測，分析放電端不同仰角、不同偏轉(zhuǎn)角、放電端與探測端相對位置變化對路徑損耗的影響。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1。

表1系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

Tab.1　System parameter settings

放電端不同仰角、不同偏轉(zhuǎn)角，無人機垂直探測、水平探測相對位置變化對路徑損耗的影響結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5　無人機垂直探測位置與路徑損耗關(guān)系

圖6　無人機水平探測位置與路徑損耗關(guān)系

由仿真結(jié)果可以看出，放電端在仰角為0°、30°、60°，偏轉(zhuǎn)角為0°、30°、60°等不同情況下，無人機垂直、水平探測時，隨著軸、軸坐標(biāo)的增大，路徑損耗先減小后增大，會出現(xiàn)路徑損耗最小值，路徑損耗最小即探測功率最大。

圖7　旋轉(zhuǎn)光電倍增管角度對路徑損耗的影響

探測位置為（12，5，0）和（12，8，0）時，對旋轉(zhuǎn)光電倍增管角度與放電點之間路徑損耗進(jìn)行仿真分析，仿真數(shù)據(jù)如圖7所示，光電倍增管逆時針旋轉(zhuǎn)時，路徑損耗隨著轉(zhuǎn)過角度的增大先減小后增大，會出現(xiàn)路徑損耗最小值，即探測功率最大值。

4 實驗分析

4.1　紫外探測原理

無人機巡檢電力設(shè)備，考慮放電產(chǎn)生的紫外光信號在大氣中的衰減，當(dāng)探測器與放電點處于直視鏈路時，無人機探測到的光功率［20］為：

化簡為：

探測時以光電倍增管作為探測器件，可通過其輸出信號推算探測到光功率的大小，其以電流信號輸出，為了便于計算，通過-轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，電壓與探測到光功率之間表達(dá)式［21］為：

綜合式（5）和（6）可得放電點產(chǎn)生的紫外光功率為：

由式（7）可知只要知道探測器探測到光功率的電壓值和探測點距放電點的距離便可求出放電產(chǎn)生的紫外光信號功率的大小。

4.2　實驗結(jié)果分析

根據(jù)提出的探測與定位方法，設(shè)計實驗進(jìn)行驗證。使用紫外LED模擬放電源，LED中心波長為365 nm，輸出光功率為0.6 mW，額定工作電流為20 mA，單個紫外LED功率小，在實驗中采用4顆LED矩形陣列來增大輸出功率，可以通過調(diào)節(jié)LED兩端電流改變輸出光功率。光電倍增管選用濱松CR293-01側(cè)窗型，光譜響應(yīng)為185～650 nm。選用對365 nm紫外光通過率為80%的ZWB2型濾光片以及搭建的紫外光通信裝置完成對放電紫外光的探測。

實驗時間為2020年6月20日20：00-22：30，實驗地點為西安工程大學(xué)臨潼校區(qū)圖書館前，實驗天氣晴朗，溫度22 ℃，風(fēng)速3 m/s，相對濕度77%，氣壓954 hPa。實驗時調(diào)節(jié)LED額定電流，使其輸出光功率分別為2 mW和2.5 mW，來模擬不同放電強度下的探測與定位。實驗方案如圖8所示，放電端與探測端仰角均為0°，放電點為原點，探測端分別從圖8中點（15，12，0）、點（20，12，0）、點（25，12，0）、D點（30，15，0）四個不同位置開始沿著軸正半軸進(jìn)行探測。軸坐標(biāo)代表放電端與探測端的探測距離。

圖8　實驗方案示意圖

探測到軸坐標(biāo)為0時達(dá)到探測功率的最大值，此時采用所提出的定位方法，探測設(shè)備移動的速度恒定，根據(jù)每次記錄的時間計算探測設(shè)備的移動距離，探測設(shè)備裝有指南針模塊，在不同距離情況下可以準(zhǔn)確測出探測功率最大時轉(zhuǎn)過的角度。

不同放電強度下，探測距離與探測電壓的關(guān)系如圖9所示。不同放電強度時隨著探測距離的增大探測電壓逐漸減小，軸坐標(biāo)15 m～20 m時隨著探測距離變大，電壓變化較大；20 m～30 m時電壓變化較小，基本趨勢保持一致。

圖9　探測距離對探測電壓的影響

探測設(shè)備在軸移動不同距離，光電倍增管達(dá)到探測功率最大值時轉(zhuǎn)過角度與在軸移動的距離之間關(guān)系如圖10所示。軸移動的距離相同時，隨著探測距離的增大，功率最大值時轉(zhuǎn)過的角度逐漸減小；探測距離相同時，隨著在軸移動距離的增大，功率最大值時轉(zhuǎn)過的角度逐漸增大。

圖10　不同探測位置最大功率與角度之間關(guān)系

利用探測設(shè)備在軸移動的距離與轉(zhuǎn)動探測設(shè)備角度達(dá)到最大探測功率時轉(zhuǎn)過的角度對放電點到探測設(shè)備之間的直視距離進(jìn)行定位，根據(jù)定位方法求出的直視距離以及在軸坐標(biāo)為0時探測電壓的最大值估算放電點的放電強度。已知模擬放電點的功率與定位方法推算的功率如圖11所示，模擬放電功率為2.5 mW時，在不同直視距離下推算所得模擬放電點的功率值在真實功率值上下浮動，平均相對誤差為3.825%；模擬放電功率為2 mW時推算的功率值比真實功率值偏大，相對誤差最大時為9.5%，平均相對誤差為5.25%。因為放電點與探測設(shè)備之間距離采用估算而來，用估算的距離再根據(jù)紫外光在大氣中的衰減系數(shù)求出的放電功率無法避免有誤差，但均在合理誤差范圍內(nèi)。

圖11　已知模擬放電功率與推算功率比較

圖12　定位結(jié)果

圖13　定位誤差

根據(jù)探測到功率最大值時的位置坐標(biāo)以及所提出的定位方法推算放電點的位置信息。在探測距離相同時，5個不同軸移動距離與轉(zhuǎn)過角度推算出的距離求平均值，用定位方法推斷出的位置信息與真實位置信息如圖12所示，推斷的位置與真實位置之間的誤差如圖13所示，在直視距離分別為15 m、20 m、25 m、30 m時，求出的位置信息與真實位置信息相比，平均相對誤差分別為0.1%、7.8%、0.6%、2.5%，相對誤差最大不超過8%。

5 結(jié)　論

本文根據(jù)電力行業(yè)提出的智能化巡檢目標(biāo)，提出了基于光電倍增管的紫外探測與定位算法，對電力線路中異常放電進(jìn)行檢測與定位研究。首先分析了異常放電產(chǎn)生的原因與放電特性，根據(jù)放電產(chǎn)生的紫外光信號設(shè)計了紫外探測模型與定位算法。然后采用遍歷微元法仿真分析了放電端在不同仰角、偏轉(zhuǎn)角時，放電端與探測端之間的路徑損耗。最后搭建模擬放電實驗平臺對不同放電強度、不同巡檢距離時的放電點進(jìn)行定位與放電強度估算。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對放電點的定位誤差不超過8%，對模擬放電強度的估算誤差小于10%。需要說明的是LED光源與高壓傳輸線電暈放電并不相同，電暈放電的波長范圍更寬，但本模擬實驗所選用LED的中心波長在電暈放電的波長范圍之內(nèi)，因此反演LED功率的方法仍具有參考價值。

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Simulation and verification of ultraviolet detection and location of abnormal discharge in power transmission line

SONG Peng*，BAI Xiaochen，LIN Xiaohuan，GUO Hua，ZHANG Lijian

（，’，710048，），：916126

Detecting abnormal discharge from transmission lines is crucial to the safe operation of power grids. To detect and locate the abnormal discharge of power equipment such as transmission lines and insulators， first， a corona discharge ultraviolet detection model is established based on the traversing tiny unit method； the ultraviolet transmission characteristics in the atmospheric channel are studied； and the relationship between the path loss and position of the detection equipment under different corona discharge directions is obtained. Second， by considering the relative position relationship between the detection device and discharge point， the corona discharge point location method is obtained based on the moving speed of the detection device and steering angle when receiving the maximum ultraviolet power. In addition， according to the detection distance and

ultraviolet power， a method for retrieving the simulated discharge power is obtained to determine whether there is an abnormal discharge. At last， an experimental platform is built to verify the algorithm outdoors. The experimental results demonstrate that， when the inspection distances are 15， 20， 25， and 30 m， respectively， the positioning error of the algorithm for the discharge point is <8%， and the error of retrieving the simulated discharge power is <10%， which proves the effectiveness of the algorithm.

abnormal discharge； ultraviolet detection； traversing tiny unit method； location

TN23

A

10.37188/OPE.20223010.1160

宋鵬（1976），男，陜西大荔人，博士，副教授，2007年于西安電子科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2017年于西安理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事無線光通信、光信號接收與處理、嵌入式技術(shù)。E-mail： pengsong916@126.com

白曉晨（1995），男，陜西大荔人，碩士研究生，主要研究方向為電力設(shè)備異常放電檢測、無線紫外光通信。E-mail：xiaochenbai543@163.com

1004-924X（2022）10-1160-10

2021-07-08；

2021-07-28.

國家自然科學(xué)基金項目（No.61971345）；西安市科技局科技創(chuàng)新引導(dǎo)工程項目（No.GXYD7.15）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（No.19JK0361）