基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的避雷器帶電狀態(tài)監(jiān)測

覃啟銘，陳彥斌，趙君成，劉明，常萬友

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司蕪湖供電公司，安徽蕪湖 241000）

在電力系統(tǒng)安全運(yùn)行中，避雷器十分重要，該設(shè)備可以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，國內(nèi)外對(duì)于避雷器進(jìn)行了較多的研究，目前避雷器種類較多，在電力系統(tǒng)中避雷器的分布過于廣泛，不同的避雷器種類性能參差不齊，在受到雷電、浪涌、污穢、腐蝕等不同因素的干擾影響下，避雷器很容易出現(xiàn)損壞，無法正常工作，損壞嚴(yán)重的避雷器還會(huì)影響其他電力設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)電力事故[1-2]。

因此，必須要及時(shí)對(duì)避雷器的帶電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)前研究的避雷器帶電狀態(tài)檢測方法多為出現(xiàn)停電之后才進(jìn)行檢修，由于110 kV 和35 kV 的避雷器無法在停電過程完成檢修工作，所以只能通過直流試驗(yàn)完成檢修，這一檢修過程通常不會(huì)進(jìn)行帶電檢修試驗(yàn)，工作人員通過PT 測量二次電壓，該測量的安全性低，在檢測過程工作人員與避雷器近距離接觸，很容易發(fā)生事故，同時(shí)PT 二次電壓接地也會(huì)出現(xiàn)新的隱患，監(jiān)測過程不具備抗干擾能力，監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差相對(duì)較多。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將人工神經(jīng)元和各個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)合，通過松散的方式實(shí)現(xiàn)連接，通過模擬人腦的方式處理信息，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)于信號(hào)的處理和發(fā)送能力要優(yōu)于許多傳統(tǒng)方法[3-4]。

該文結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的避雷器帶電狀態(tài)監(jiān)測方法，設(shè)計(jì)了一種新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的避雷器帶電狀態(tài)監(jiān)測方法，從電流和電壓兩方面入手，模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式，實(shí)現(xiàn)帶電監(jiān)測，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了帶電狀態(tài)監(jiān)測方法的有效性。

1 避雷器電壓確定

在避雷器電壓監(jiān)測中，電壓監(jiān)測單元采用LORa無線模塊和大功率433 MHz 無線通信模塊進(jìn)行通信。電壓監(jiān)測單元依賴于采集器和互感器進(jìn)行實(shí)時(shí)電壓信息采集，其采集方式為PT 二次側(cè)，采集器采樣的優(yōu)勢(shì)在于采集數(shù)據(jù)的完整性，可將得到的完整數(shù)據(jù)進(jìn)行直接輸出，但隔離性較差，抗干擾能力較弱，易產(chǎn)生電力信號(hào)的激蕩。互感器的抗干擾能力較強(qiáng)，能夠消除采集數(shù)據(jù)中的噪聲污染，但采集器成本較高。電壓監(jiān)測單元的核心為AD9850 微型處理器，其功耗低、性能高，能提升電壓監(jiān)測電源的數(shù)據(jù)處理能力。AD9850 微型處理器的輸出頻率與FCW的控制頻率相同，每產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘，采集器的地址對(duì)應(yīng)增加一個(gè)步長，并采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在進(jìn)行電壓監(jiān)測前，設(shè)置一個(gè)合理的觸發(fā)電壓值Ur，根據(jù)規(guī)定：觸發(fā)電壓值應(yīng)大于避雷器正常運(yùn)行的最大電壓峰值。當(dāng)避雷器運(yùn)行電壓超過Ur時(shí)，觸發(fā)單元輸出高電平，向采集器發(fā)出采集指令，采集器開始采集避雷器系統(tǒng)內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，從而確定異常電路區(qū)域[5-6]。避雷器電路圖如圖1 所示。

圖1 避雷器電路圖

在使用電壓監(jiān)測設(shè)備時(shí)，連接測試線的航空插頭和監(jiān)測儀器，將鱷魚夾與被測的A、B、C 三相電壓進(jìn)行連接，針對(duì)三相電壓和單相的測試，保證接線不發(fā)生變化。且在已知避雷器處于帶電狀態(tài)時(shí)，應(yīng)在避雷器表面干燥時(shí)進(jìn)行電壓測量，避免測量數(shù)據(jù)采集不精確，出現(xiàn)計(jì)算誤差，導(dǎo)致效果差的問題。

在避雷器電壓監(jiān)測中，過電壓是影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性的重要因素。因此，針對(duì)避雷器系統(tǒng)內(nèi)過電壓的監(jiān)測是電壓監(jiān)測單元的重點(diǎn)內(nèi)容。避雷器中過電壓可分為外部過電壓和內(nèi)部過電壓。其中，外部過電壓可視為雷電過電壓，通常情況下，外部過電壓的電壓幅值較高、上升幅度較大時(shí)，對(duì)避雷器的損壞較為嚴(yán)重，但其一般持續(xù)時(shí)間較短。內(nèi)部過電壓的出現(xiàn)是由于避雷器內(nèi)部運(yùn)行故障，使參數(shù)發(fā)生變化從而產(chǎn)生過電壓，內(nèi)部過電壓的持續(xù)時(shí)間較長，但幅值較小，對(duì)避雷器的影響較小。外部過電壓和內(nèi)部過電壓的計(jì)算方式分別如式（1）和式（2）所示：

其中，U1、U2表示額定輸出電壓；w可以描述為基波角頻率；f代表電壓運(yùn)行的基本頻率；φ代表電壓峰值。

避雷器內(nèi)的供電順序控制是影響其性能的重要因素。因此，需要對(duì)避雷器中電路的電壓進(jìn)行管理，確保其電路電壓的正常值，實(shí)現(xiàn)避雷器內(nèi)的供電順序控制，直到避雷器所有電路的運(yùn)行電壓恢復(fù)正常值[7-9]。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的避雷器電流監(jiān)測

避雷器電流監(jiān)測中對(duì)應(yīng)A、B、C 三相電流，設(shè)計(jì)三個(gè)電流監(jiān)測單元，為保證與電壓監(jiān)測單元的通信狀態(tài)，采用大功率433 MHz 無線通信模塊進(jìn)行通信。在物理結(jié)構(gòu)上，電流監(jiān)測單元包含霍爾傳感器、采集器以及軟導(dǎo)線等。當(dāng)電流監(jiān)測單元開始運(yùn)行時(shí)，通過霍爾傳感器和采集器進(jìn)行信號(hào)采集，每個(gè)采集設(shè)備上設(shè)置小型處理器和波形存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、整流、處理、計(jì)算和存儲(chǔ)等一系列功能。最后，通過通信模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)到采集板上。采集設(shè)備的存儲(chǔ)芯片采用FLASH 型，其存儲(chǔ)能力強(qiáng)且具備可編程性，用戶可在其功能引腳中進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，在進(jìn)行電流監(jiān)測時(shí)，將采集電流的信息通過存儲(chǔ)芯片的引腳固化到存儲(chǔ)器中，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)電路的電流信息，一片存儲(chǔ)器包含一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的正弦電流信息[10-12]。建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖2 所示。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行避雷器電流監(jiān)測時(shí)，首先將電流監(jiān)測單元固定在距離避雷器的絕緣桿頂部大概一米的位置上，采用連接掛鉤的方式進(jìn)行連接，最大限度地保證檢測單元不受其他電磁干擾。當(dāng)需要對(duì)避雷器中三相電流進(jìn)行同時(shí)測試時(shí)，現(xiàn)場需測試人員手持控制端選擇三相測試，并同時(shí)手持A、B、C三個(gè)絕緣桿掛住被測試端的A、B、C 三相線路。當(dāng)僅需要對(duì)避雷器中某一相電流進(jìn)行同時(shí)測試時(shí)，現(xiàn)場需測試人員手持控制端選擇單相測試，并手持A 相絕緣桿掛住被測試端的A、B、C 三相線路[13-14]。

避雷器電流的監(jiān)控過程如圖3 所示。

圖3 避雷器電流的監(jiān)控過程

針對(duì)避雷器的直流電流監(jiān)測，可將監(jiān)測方法分為直接監(jiān)測和非直接監(jiān)測兩種方式。直接監(jiān)測是通過在電路中關(guān)聯(lián)電阻監(jiān)測避雷器的實(shí)時(shí)電壓，從而計(jì)算出電流信息；非直接監(jiān)測是利用電流周圍產(chǎn)生的磁場進(jìn)行監(jiān)測，通過獲取磁場大小間接實(shí)現(xiàn)電流的監(jiān)測[15-16]。

諧波是頻率高于基波的電壓波或電流波，諧波的干擾往往對(duì)避雷器使用造成嚴(yán)重影響。對(duì)于避雷器的諧波干擾問題，當(dāng)避雷器中諧波畸變率超過正常范圍時(shí)，將會(huì)降低電能質(zhì)量，導(dǎo)致電流畸變，產(chǎn)生額外的線路損耗，諧波干擾下電流的畸變率為：

其中，I表示基波峰值電流；K表示功率因數(shù)。

功率因數(shù)K的表達(dá)式如下：

式中，p表示有功功率；s表示實(shí)際功率。

對(duì)于諧波干擾中避雷器電流監(jiān)測，避雷器內(nèi)第h次諧波電流的有效監(jiān)測值為：

設(shè)定屏蔽電纜，屏蔽法是EMC 控制手段之一。按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，可以分為電纜屏蔽和殼體屏蔽，由于干擾能量主要以傳導(dǎo)耦合的方式進(jìn)入被測物體，所以采用屏蔽線可以有效地隔離干擾能量[17-19]。

為了保證屏蔽電纜的屏蔽效果，線路監(jiān)控器和避雷器之間的互連信號(hào)電纜應(yīng)改為多芯屏蔽電纜，屏蔽電纜與電纜接頭之間應(yīng)設(shè)置回路。避雷器的分布方式如圖4 所示。

圖4 避雷器的分布方式

在避雷器布置后，引入共模傳感器。共模電感對(duì)差分模信號(hào)的小阻抗影響較小，而對(duì)高阻抗影響較大?？紤]到脈沖群干擾在寬頻段的特點(diǎn)，選擇兩級(jí)串聯(lián)共模電感濾波器，其諧振頻率為9 MHz，感應(yīng)頻率為56 Hz，功能是覆蓋整個(gè)干擾頻帶。

TVS 二極管是一種瞬態(tài)電壓抑制型二極管，具有非線性電導(dǎo)率和快速響應(yīng)特性。PN 結(jié)一般是由硅擴(kuò)散而成。兩端均存在瞬時(shí)過電壓脈沖，可將自身的高阻瞬間轉(zhuǎn)換為低阻，允許干擾電流通過，實(shí)現(xiàn)干擾釋放。高頻時(shí)電容具有低阻抗，而低頻時(shí)則具有高阻。借助于電容的這個(gè)特性，將電容上的高頻干擾信號(hào)消除。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了更好地驗(yàn)證該文提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的避雷器帶電狀態(tài)監(jiān)測方法的有效性，選用該文方法與傳統(tǒng)的基于PT 測量的帶電狀態(tài)監(jiān)測法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在監(jiān)測過程中，該文采用低功耗模式，為了更好地模擬干擾信號(hào)，設(shè)定監(jiān)測裝置和干擾信號(hào)之間的通信頻率為1 秒1 次。實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)比該文方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行檢測電壓的對(duì)比，得到的監(jiān)測電壓結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同方法監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察圖5 可知，在迭代次數(shù)為0 時(shí)，兩種電壓監(jiān)測方法的電壓波形開始為上升波形，避雷器的電壓從0 V 上升到1.0 V。電壓從0 V 上升到1.0 V 時(shí)，傳統(tǒng)監(jiān)測方法的監(jiān)測能力較差，與實(shí)際的監(jiān)測結(jié)果吻合度低，且始終沒有監(jiān)測到電壓為1.0 V 的避雷器狀態(tài)。當(dāng)?shù)螖?shù)不斷變化后，兩種方法對(duì)電壓的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際電壓結(jié)果出現(xiàn)了一定偏差。該文方法的監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差較小，傳統(tǒng)方法的監(jiān)測結(jié)果偏差較大。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法在這一過程中表現(xiàn)出很大的弊端，且后期監(jiān)測過程極為不穩(wěn)定，與實(shí)際的避雷器電壓數(shù)值相差較大，而該文提出的監(jiān)測方法始終保持著一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，得到的波形圖也與實(shí)際結(jié)果相吻合。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)傳統(tǒng)方法和該文方法在避雷器帶電監(jiān)測中的安全性進(jìn)行了分析，得到的結(jié)果如表2 所示。

表2 不同監(jiān)測方法的安全性能分析

根據(jù)表2 可知，隨著監(jiān)測時(shí)間的不斷變化，采用兩種方法對(duì)避雷器帶電監(jiān)測的安全性存在一定差異。其中，該文方法的監(jiān)測安全性能始終高于傳統(tǒng)方法，驗(yàn)證了該文提出的監(jiān)測方法安全性更高，監(jiān)測人員的安全能夠得以保障。

4 結(jié)束語

該文提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的避雷器帶電狀態(tài)監(jiān)測方法，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)避雷器內(nèi)外部過電壓進(jìn)行有效監(jiān)測，并引入高精度電流互感器，將電流信號(hào)和電壓信號(hào)直接輸出成采樣信號(hào)，模擬信號(hào)過程不需要再次進(jìn)行轉(zhuǎn)換和變換，完成了避雷器帶電狀態(tài)監(jiān)測。并通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了所提方法的有效性。