基于多傳感器聯(lián)合診斷的GIS外部局部放電識(shí)別算法

羅穎婷，王磊，許海林，田翔，江俊飛

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

氣體絕緣組合電器(gas insulated switchgear，GIS)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，起到通斷、控制和保護(hù)等重要作用[1]，其安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。GIS局部放電(以下簡(jiǎn)稱“局放”)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)GIS局放的早期預(yù)警，避免絕緣擊穿等事故發(fā)生[2]。特高頻局放檢測(cè)法由于具有良好的靈敏度而適用于GIS局放的在線監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，隨著GIS特高頻局放在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[3]，電網(wǎng)和電廠企業(yè)已避免了多起GIS內(nèi)部缺陷可能導(dǎo)致的停電事故。

在GIS特高頻局放監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)裝置的抗干擾能力是核心問(wèn)題。變電站內(nèi)常見(jiàn)的特高頻干擾噪聲包括通信干擾、機(jī)械振動(dòng)噪聲、磁致伸縮噪聲等[4-5]，可能會(huì)導(dǎo)致局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的漏報(bào)警和誤報(bào)警。這些常見(jiàn)干擾噪聲信號(hào)的局放相位分布(phase-resolved partial-discharge，PRPD)譜圖與局放信號(hào)的PRPD譜圖存在差異，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法訓(xùn)練譜圖分類器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)局放干擾和非局放干擾的區(qū)分識(shí)別[6-10]。但是當(dāng)GIS附近的其他高壓設(shè)備存在局放時(shí)(如架空線金具松動(dòng)導(dǎo)致的懸浮放電[11])，GIS局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外置式特高頻傳感器如果接收到了這些外部局放信號(hào)，因其譜圖與內(nèi)部局放無(wú)明顯差異，會(huì)導(dǎo)致GIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)警，影響系統(tǒng)的可信度[12]。因此，GIS局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了應(yīng)該能夠準(zhǔn)確判斷所接收的信號(hào)是局放還是非局放之外，還應(yīng)能準(zhǔn)確判斷局放信號(hào)來(lái)自GIS內(nèi)部還是GIS外部，以輸出更加明確的告警信息。

針對(duì)目前GIS局放診斷的局限性，本文提出一種基于多傳感器聯(lián)合診斷的外部局放識(shí)別技術(shù)。本文算法克服了傳統(tǒng)GIS局放監(jiān)測(cè)各個(gè)傳感器“各自為政”進(jìn)行診斷的缺點(diǎn)，對(duì)檢測(cè)到局放信號(hào)的傳感器，通過(guò)比較其與附近一定范圍內(nèi)多只傳感器的信號(hào)譜圖特征，確定局放信號(hào)是否來(lái)自GIS外部。最后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和案例分析，對(duì)本文算法的準(zhǔn)確性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 外部局放和內(nèi)部局放的區(qū)別

對(duì)于GIS特高頻局放監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，局放發(fā)生在GIS外部與GIS內(nèi)部的主要區(qū)別是：外部局放會(huì)在位置鄰近的若干個(gè)傳感器上體現(xiàn)出形狀類似、幅值接近的信號(hào)譜圖，而內(nèi)部局放在位置鄰近的若干個(gè)傳感器上體現(xiàn)的信號(hào)譜圖則有較大差異。下面分析其原因。

1.1 譜圖差異性的原因

GIS內(nèi)部局放發(fā)出的特高頻電磁波在GIS腔體內(nèi)傳播[13]。在電磁波穿過(guò)斷路器、隔離開關(guān)、絕緣盆子等GIS部件時(shí)會(huì)有不同程度的衰減，衰減幅度取決于局放源與接收信號(hào)的特高頻傳感器之間GIS部件的類型和尺寸14-16]。GIS部件帶來(lái)的衰減會(huì)導(dǎo)致鄰近的傳感器接收到幅值差異較大的局放信號(hào)。

GIS外部局放的特高頻電磁波從局放源經(jīng)過(guò)空氣沿直線傳播至各外置式傳感器[17]。由于外部局放源到各傳感器的距離通常遠(yuǎn)大于傳感器之間的距離，因此鄰近的傳感器與局放源的距離相對(duì)來(lái)說(shuō)差別不大，會(huì)接收到譜圖形狀和幅值都類似的局放信號(hào)。

內(nèi)部局放和外部局放的傳輸衰減如圖1所示。

圖1(a)中，A、B、C、D、E為外置式特高頻傳感器，G為內(nèi)部局放源。在各傳感器有效接收方向內(nèi)，局放電磁波經(jīng)過(guò)傳播過(guò)程中的不斷衰減，各傳感器耦合到的信號(hào)幅值將有較大的偏差，傳感器A、B接收到的信號(hào)強(qiáng)度明顯大于傳感器C、D、E。

圖1(b)中，A、B、C、D、E為外置式特高頻傳感器，S為外部局放源。由于外部局放源到各個(gè)傳感器之間距離相對(duì)差別不大，傳播衰減也差別不大，各個(gè)傳感器可以檢測(cè)到譜圖形狀和幅值均類似的特高頻信號(hào)。

1.2 內(nèi)部局放和外部局放信號(hào)譜圖對(duì)比

圖2為典型的外部懸浮放電在某500 kV GIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)譜圖?？梢钥闯觯婚g隔鄰近的3只母線側(cè)傳感器和3只線路側(cè)傳感器監(jiān)測(cè)到了形狀相似、幅值接近的信號(hào)譜圖。6只傳感器檢測(cè)到的信號(hào)中：幅值最大為-43 dBm，最小為-51 dBm，兩兩之間相差均在10 dBm以內(nèi)；由于三相電壓存在相位差，因此B、C相譜圖在橫坐標(biāo)(相位軸)相對(duì)A相分別存在120°、240°的固定相位偏移[18]。

圖3為典型的內(nèi)部懸浮放電在某220 kV GIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)譜圖。該220 kV GIS為3/2接線的母線三相共箱結(jié)構(gòu)，且僅在母線側(cè)安裝了傳感器。在同一串鄰近的6只傳感器中有5只監(jiān)測(cè)到了譜圖形狀相似的局放信號(hào)，幅值分別為-14 dBm、-23 dBm、-27 dBm、-54 dBm、-61 dBm，兩兩之間相差較大。

圖3 鄰近傳感器檢測(cè)到的內(nèi)部局放信號(hào)PRPD譜圖

在以上案例中，與GIS內(nèi)部局放相比，GIS外部局放具有以下特點(diǎn)：空間位置鄰近的若干傳感器能夠檢測(cè)到譜圖形狀類似的局放信號(hào)。

2 外部局放識(shí)別算法流程

根據(jù)GIS外部局放信號(hào)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中體現(xiàn)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種基于鄰近傳感器之間信號(hào)譜圖動(dòng)態(tài)比較的算法，以實(shí)現(xiàn)GIS外部局放信號(hào)的自動(dòng)識(shí)別。算法步驟如下：

步驟1，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任意1只傳感器S，首先識(shí)別其譜圖是否為局放信號(hào)，若不是則轉(zhuǎn)至步驟5；

步驟2，選擇與S距離在TD之內(nèi)的所有其他傳感器，組成S的近鄰集合M；

步驟3，在M中，將各傳感器的信號(hào)譜圖依次與S的信號(hào)譜圖進(jìn)行相似性比對(duì)；

步驟4，記錄M中相似性比對(duì)結(jié)果為“相似”的傳感器個(gè)數(shù)，若大于設(shè)定的閾值TC，則認(rèn)為S接收到的局放信號(hào)為GIS外部局放，反之為GIS內(nèi)部局放；

步驟5，遍歷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的所有傳感器，重復(fù)步驟1—5。

目前大部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均具備步驟1的局放/非局放識(shí)別技術(shù)，本文僅對(duì)步驟2、3進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 近鄰集合M的獲取

外部局放信號(hào)從信號(hào)源沿空氣直線傳播到各傳感器，因此使用歐氏距離作為傳感器之間的距離[19-20]。給定2個(gè)傳感器S1、S2的位置坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，則S1、S2間的距離

d(S1,S2)=

對(duì)于給定的傳感器S，若另一傳感器S′與S的歐式距離小于閾值TD，則將S′加入S的近鄰集合M。

2.2 譜圖相似性比對(duì)方法

本文提出一種基于PRPD譜圖幅值包絡(luò)特征的譜圖相似性比對(duì)方法。該方法通過(guò)比較2個(gè)局放信號(hào)的PRPD譜圖，判斷其相似性，以確定其是否來(lái)源于同一個(gè)信號(hào)。

圖4所示為某局放信號(hào)的PRPD譜圖。使用平移開窗法，沿橫坐標(biāo)(相位軸)每3°為1個(gè)相位區(qū)間，共120個(gè)區(qū)間。計(jì)算每個(gè)區(qū)間內(nèi)所有脈沖的幅值之和，形成幅值包絡(luò)曲線，在圖4中以藍(lán)色曲線表示。圖4中：A為譜圖中所有脈沖的平均幅值；P為幅值包絡(luò)曲線峰值所在的相位；W為幅值包絡(luò)曲線的半峰值相位寬度。

圖4 PRPD譜圖及其幅值包絡(luò)

選擇合適的幅值閾值TA、幅值包絡(luò)峰值相位偏差閾值TP、半峰值相位寬度偏差閾值TW。若參與比對(duì)的2個(gè)PRPD譜圖滿足條件：①幅值差|A1-A2|

在計(jì)算幅值包絡(luò)峰值相位之差|P1-P2|時(shí)，如果2個(gè)傳感器的參考電壓來(lái)自不同相別的電壓互感器，2個(gè)譜圖的相位會(huì)存在圖3所示的已知的固定偏移，需要先對(duì)該偏移進(jìn)行補(bǔ)償，然后再計(jì)算相位之差。相位偏移補(bǔ)償方法如下：

a)如果譜圖1參考電壓相位比譜圖2超前120°，令P2=P2+120°；此時(shí)如果P2>360°，再令P2=P2-360°。

b)如果譜圖1參考電壓相位比譜圖2滯后120°，令P2=P2-120°；此時(shí)如果P2<0°，再令P2=P2+360°。

算法流程如圖5所示，譜圖相似性比對(duì)部分的流程如圖6所示。

圖5 算法流程

圖6 譜圖相似性比對(duì)流程

2.3 參數(shù)的確定

為確定TD、TA、TC，需要根據(jù)傳感器在GIS上的分布定量計(jì)算內(nèi)部局放和外部局放反映在鄰近傳感器上的信號(hào)幅值差異。

2.3.1 外部局放的幅值差異

對(duì)于外部局放，其特高頻電磁波信號(hào)在空氣中傳播的損耗(dB)[21]

L=20lgF+20lgD+32.4.

式中：F為頻率(MHz)；D為傳播距離(km)。對(duì)于給定的信號(hào)源，傳感器與信號(hào)源的距離每增加1倍，損耗增加(20lg 2D-20lgD)=20lg 2≈6 dB。

假設(shè)外部局放與傳感器S的距離為DS，與M中的任一傳感器X的距離DX范圍為[DS-TD，DS+TD]。由于外部局放發(fā)出的信號(hào)到S和X的衰減之差

LXS=LX-LS=20lg(DX/DS)，

因此，當(dāng)DS>2TD時(shí)，DX/DS的范圍為(0.5，1.5)，LXS的范圍為(-6 dB，3.5 dB)。

2.3.2 內(nèi)部局放的幅值差異

對(duì)于內(nèi)部局放，特高頻電磁波在GIS內(nèi)部傳播，鄰近傳感器間的信號(hào)幅值差異與傳感器位置以及之間GIS部件導(dǎo)致的衰減相關(guān)。

根據(jù)與GIS廠家在110～500 kV GIS上測(cè)試的結(jié)果，在特高頻信號(hào)傳輸路徑上，斷路器導(dǎo)致的衰減為12～15 dB，隔離開關(guān)導(dǎo)致的衰減約為8 dB，絕緣盆子、轉(zhuǎn)角、T型接頭等位置也分別導(dǎo)致2～6 dB的衰減。

由于工程規(guī)范對(duì)GIS特高頻局放監(jiān)測(cè)要求檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍在40 dB以上，因此在傳感器布點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，任意2只傳感器之間的GIS部件導(dǎo)致的衰減之和應(yīng)在40 dB以下，以滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，在滿足靈敏度的前提下應(yīng)盡量減少傳感器數(shù)量，任意2只傳感器之間的GIS部件導(dǎo)致的衰減之和應(yīng)在20 dB以上。

討論3種不同的GIS結(jié)構(gòu)：母線、出線均三相分箱；母線三相共箱，出線三相分箱；母線、出線均三相共箱。

a)母線、出線均三相分箱。某三相分箱的GIS中傳感器分布位置如圖7所示?？梢钥闯觯喝嗤徊课坏?只傳感器距離很近，但內(nèi)部互不聯(lián)通，不可能同時(shí)檢測(cè)到幅值接近的內(nèi)部局放；同相不同部位的傳感器之間GIS部件衰減在30 dB以上；對(duì)于任意位置的內(nèi)部局放，不可能有同相的3只傳感器兩兩之間局放信號(hào)幅值差異均小于30 dB。

圖7 母線、出線均三相分箱的GIS中傳感器分布位置

b)母線三相共箱、出線三相分箱。某母線三相共箱、出線三相分箱的GIS中傳感器分布位置如圖8所示。可以看出：三相同一部位的3只傳感器距離很近，但信號(hào)傳輸路徑要繞道母線聯(lián)通，兩兩之間衰減很大；同相(共體)不同部位的傳感器之間GIS部件衰減在30 dB以上；極端情況下，當(dāng)內(nèi)部局放位于母線上的兩個(gè)相鄰出線間隔的中間時(shí)，相鄰出線間隔的線路側(cè)三相6只傳感器可能會(huì)檢測(cè)到譜圖類似的信號(hào)，但此時(shí)安裝在母線上的傳感器會(huì)檢測(cè)到遠(yuǎn)大于它們的信號(hào)。

圖8 母線三相共箱、出線三相分箱GIS中傳感器分布位置

c)母線、出線均三相共箱的情況與母線、出線均三相分箱的情況相同。

2.3.3TD、TA、TC的確定

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選擇TD=20 m，TA=15 dB，TC=3。原因如下：

a)對(duì)于絕大部分GIS尺寸，任意1只傳感器距離20 m內(nèi)至少會(huì)有其他3只傳感器。

b)對(duì)于來(lái)自架空線或套管的外部局放，距離GIS一般在40 m之外。因此，任意1只接收到此外部局放的傳感器，其信號(hào)幅值與距離其20 m范圍之內(nèi)的其他傳感器幅值之差在6 dB之內(nèi)。考慮到外部局放源有可能更近一些，以及傳感器之間的一致性偏差，將該閾值增加到15 dB。

c)對(duì)于內(nèi)部局放，一般情況下任意3只傳感器兩兩之間的信號(hào)幅值之差不會(huì)都小于15 dB。在2.3.2中討論的極端情況下，出線傳感器會(huì)將內(nèi)部局放判定為外部局放，但母線上的傳感器仍會(huì)判定為內(nèi)部局放，不會(huì)影響局放信號(hào)的正確報(bào)警。

2.3.4TP、TW的確定

TP、TW作為譜圖形狀相似性比較的2個(gè)參數(shù)，在本算法中通過(guò)試驗(yàn)獲得。通過(guò)對(duì)不同廠家的監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)，證明在TP=4°、TW=15°時(shí)，譜圖形狀相似度判別具有最佳的準(zhǔn)確度和容錯(cuò)度。

3 案例分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際案例分析，驗(yàn)證本文所提的基于多傳感器聯(lián)合診斷的GIS外部局放識(shí)別算法的準(zhǔn)確性和可行性。

3.1 實(shí)驗(yàn)室模擬

實(shí)驗(yàn)室模擬的GIS裝置如圖9所示，共布置6只傳感器，間隔距離為1.5 m。在距離GIS裝置約10 m處設(shè)置1個(gè)浮動(dòng)電極局放源，測(cè)試算法對(duì)該外部局放的識(shí)別效果。

圖9 實(shí)驗(yàn)室模擬的GIS裝置

發(fā)生外部局放時(shí)，各傳感器均接收到譜圖形狀類似的信號(hào)，PRPD譜圖如圖10所示，包絡(luò)線如圖11所示。幅值最大為-23 dBm，最小為-38 dBm，任意1只傳感器均有3個(gè)近鄰傳感器與其幅值之差在15 dBm之內(nèi)。

圖10 外部局放信號(hào)的PRPD譜圖

圖11 傳感器4 PRPD譜圖及其幅值包絡(luò)

3.2 案例分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證該抗干擾技術(shù)的可行性，在某220 kV站開展實(shí)驗(yàn)，該站的220 kV GIS安裝部署了特高頻局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，GIS設(shè)備位置如圖12所示。外部干擾信號(hào)位置如圖13所示，由于上方變壓器頂部噴淋罩螺絲松動(dòng)，在變壓器上方高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)形成浮動(dòng)電極放電，導(dǎo)致下方大量GIS特高頻局放傳感器接收到該局放信號(hào)，信號(hào)的PRPD譜圖如圖14所示。

圖12 GIS設(shè)備分布

圖13 檢測(cè)到異常信號(hào)部位

圖14 異常信號(hào)PRPD譜圖

部署本算法以前，由于各傳感器獨(dú)立診斷局放，該站大量傳感器持續(xù)發(fā)出局放告警信息。采用本文的方法，首先設(shè)置各傳感器的位置坐標(biāo)。如圖15所示，取8號(hào)主變壓器開關(guān)A相傳感器位置為位置坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0,0)，依次測(cè)量和設(shè)置其他所有傳感器坐標(biāo)。

圖15 設(shè)置傳感器位置坐標(biāo)

將本文算法嵌入該站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的局放診斷部分。8號(hào)主變壓器A相傳感器譜圖及其幅值包絡(luò)如圖16所示，鄰近傳感器譜圖及其幅值包絡(luò)如圖17所示。8號(hào)主變壓器開關(guān)A相傳感器信號(hào)幅值為-44.2 dBm，鄰近傳感器信號(hào)幅值為-42.8～-51.2 dBm，相差均小于10 dBm。8號(hào)主變壓器開關(guān)A相傳感器與鄰近傳感器譜圖判定為“相似”，即該局放信號(hào)來(lái)自GIS外部。

圖16 8號(hào)主變壓器A相傳感器譜圖及其幅值包絡(luò)

圖17 相鄰傳感器譜圖及其幅值包絡(luò)

部署該算法并運(yùn)行一段時(shí)間后，局放告警消失，診斷事件列表輸出“外部局放”結(jié)論，如圖18所示。

圖18 診斷結(jié)果輸出“外部局放”

由案例分析結(jié)果可知，本文識(shí)別算法診斷結(jié)果與實(shí)際相符，具備區(qū)分外部局放信號(hào)與GIS內(nèi)部信號(hào)的能力，不會(huì)造成誤報(bào)警，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)GIS局放在線監(jiān)測(cè)裝置缺乏識(shí)別區(qū)分外部局放信號(hào)的機(jī)制，易因外部局放導(dǎo)致誤報(bào)警的問(wèn)題，本文提出一種基于多傳感器聯(lián)合診斷的傳感器自組網(wǎng)抗干擾技術(shù)，將傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)裝置各傳感器“各自為政”進(jìn)行診斷的模式，提升為鄰近多傳感器聯(lián)合診斷的模式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)案例分析，驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性和可行性。