基于5G專網(wǎng)的TEV+AE原理的高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測方法研究

高中天

（國能浙江南潯天然氣熱電有限公司，浙江 湖州 313000）

目前，高壓開關(guān)柜內(nèi)部的故障探測大多在斷電后才能完成，實時在線探測技術(shù)較少。由于各種原因，高壓開關(guān)柜經(jīng)常無法按周期進行大范圍斷電維修，因此對電力系統(tǒng)的安全運行提出了更高要求。另外，2次大停電檢修間，設(shè)備的絕緣狀況是未知的，一旦出現(xiàn)問題，無法及時解決。此外，高壓開關(guān)柜是把設(shè)備放在一個柜子中，一旦出現(xiàn)異常，操作人員查看時發(fā)現(xiàn)不了內(nèi)部異常，紅外線測溫就會失效。各設(shè)備部件、母線、支撐絕緣子等到現(xiàn)場后，高壓開關(guān)柜將其再裝進外殼成一整體，并且必須經(jīng)檢驗后，在現(xiàn)場裝配好。然而，在野外進行高壓力下的測定比室內(nèi)試驗困難得多，一旦出現(xiàn)故障，其危害性會比過去的分散式開放裝置更嚴重，檢修周期也較長[1]。此外，由于開關(guān)箱產(chǎn)品越來越小型化，因此絕緣余量下降。尤其是夏季，室內(nèi)溫度較高，濕度也更大，里面的絕緣元件會出現(xiàn)漏電現(xiàn)象且從外觀上完全看不出來[2]。為促進局部放電監(jiān)測水平的進一步提升，該文將結(jié)合5G專網(wǎng)的TEV+AE原理，進行對高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測方法的設(shè)計和研究。

1 高壓開關(guān)柜局放信號數(shù)據(jù)增強

監(jiān)測高壓開關(guān)柜局放時[3]，高壓開關(guān)柜發(fā)生局部放電的放電過程會產(chǎn)生短暫的瞬態(tài)電信號，這些瞬態(tài)信號可能具有較高的峰值電壓和頻率分量且較短暫，同時，局部放電通常是微弱的電流或電壓放電現(xiàn)象，因此，為了給高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測提供準確的有效數(shù)據(jù)[4]，需要增強所采集的高壓開關(guān)柜數(shù)據(jù)，從而更好地捕捉這些瞬態(tài)效應(yīng)，提高信號的靈敏度和可檢測性，有效地檢測和分析微弱的局部放電信號，并在一定程度上抑制噪聲。該文在該部分引入高通濾波，并將該算法與峰值檢測算法相結(jié)合，以達到有效增強高壓開關(guān)柜局放信號數(shù)據(jù)的目的。在結(jié)合高通濾波和峰值檢測來增強局部放電信號過程中，進行算法處理的步驟如下。

首先，初始信號：獲取待處理的局部放電信號，將原始信號設(shè)為x（t），其中t為時間。

其次，高通濾波：應(yīng)用高通濾波器濾除原始信號中的低頻成分和直流分量，保留高頻內(nèi)容。高通濾波如公式（1）所示。

式中：y（t）表示高通濾波后的信號；LPE（x（t））表示低通濾波器對原始信號的濾波結(jié)果，用于提取低頻成分和直流分量。

最后，峰值檢測：對高通濾波后的信號進行峰值檢測，獲取信號的峰值部分。峰值檢測如公式（2）所示。

式中：z（t）表示峰值檢測后的信號；max表示取絕對值后的最大值操作；abs（·）表示取絕對值；α表示峰值檢測系數(shù)。

該算法使用高通濾波器濾除原始信號中的低頻和直流分量，突出信號的高頻成分和瞬態(tài)效應(yīng)。然后峰值檢測提取峰值部分用于增強信號的強度和清晰度。經(jīng)該算法處理后的高壓開關(guān)柜信號可以更好地突出局部放電信號，提高信號的可辨度和檢測能力。

2 基于5G專網(wǎng)TEV+AE原理的局部放電模式識別

在5G專網(wǎng)中，利用TEV的工作原理可以監(jiān)控開關(guān)柜體表面瞬態(tài)地電壓。該方法能夠?qū)ρb置中的局部放電信號進行有效監(jiān)控，同時還具有較強的抗干擾能力，可以進行對高壓開關(guān)柜的不停電的局部放電監(jiān)測。在開關(guān)箱內(nèi)，當發(fā)生局部放電時[5]，將產(chǎn)生一種以光速向四面八方迅速傳播的高頻電流[6]。電流場的趨膚效應(yīng)會使電流場無法通過金屬盒，而是在金屬盒中傳輸。在金屬與絕緣連接的位置上，電流波會發(fā)生轉(zhuǎn)變，并產(chǎn)生電磁波。電磁波能夠在空隙中傳播。當電流波經(jīng)過金屬外殼時，在外殼上會形成一個電壓，即1TEV。在5G專網(wǎng)的AE原理的基礎(chǔ)上，可對高壓開關(guān)柜的局部放電進行監(jiān)測，在不改變設(shè)備原有運行模式的情況下，可以利用多個傳感器和接收到的時差對缺陷進行定位，并且監(jiān)測過程中不會受電磁的影響。根據(jù)上述論述，該文提出一種基于5G專網(wǎng)的TEV+AE原理放電模式識別方式[7]。利用TEV+AE原理，將增強處理后的局部放電信號數(shù)據(jù)進行局放特征提取，得到歸一化的高壓開關(guān)柜各類典型絕緣缺陷局部放電信號特征，如公式（3）所示。

式中：x'（t）表示歸一化的高壓開關(guān)柜各類典型絕緣缺陷局部放電信號特征；n表示特征類型。

在該過程中，輸出量為高壓開關(guān)柜4種典型局部放電類型和無局部放電狀態(tài)，其表達式如公式（4）所示。

式中：Y表示輸出量集合；z1表示針板放電類型；z2表示內(nèi)部放電類型；z3表示懸浮放電類型；z4表示絕緣子沿面放電類型；z5表示無局部放電狀態(tài)。

在確定輸入量和輸出量后，根據(jù)Mercer條件，選取不同的內(nèi)積核函數(shù)構(gòu)造SVM，構(gòu)建如公式（5）所示的多項式核函數(shù)。

式中：d表示函數(shù)的階數(shù)；K（xi（t），x'（t））表示多項式核函數(shù)；β表示局放模式識別系數(shù)。

遺傳算法是一種模仿遺傳機制和自然界中的優(yōu)勝劣汰原則的進化算法，具有良好的收斂性能、較少的計算時間和較高的魯棒性。但是，它也存在編程復(fù)雜、無法及時反饋網(wǎng)絡(luò)信息以及容易發(fā)生早熟等問題。為了解決這些問題，該文利用各種群遺傳算法來尋找開關(guān)柜局部放電模式識別的最優(yōu)參數(shù)。尋優(yōu)的流程如下：確定編碼方式—設(shè)置種群規(guī)模與種群數(shù)量—設(shè)定控制參數(shù)—設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)—移民操作—人工選擇操作—設(shè)置迭代終止判據(jù)—選擇、較差和變異—解碼—輸出最優(yōu)參數(shù)。利用最優(yōu)參數(shù)，將其代入上述核函數(shù)中，通過核函數(shù)的運算得到相應(yīng)的輸出結(jié)果，并將其與上述5種不同局部放電類型進行比較，進行對放電模式的識別。

3 局部放電在線監(jiān)測與預(yù)警

為了在線監(jiān)測高壓開關(guān)柜局部放電，將上述運算以程序的方式輸入計算機中，并在實際應(yīng)用前對上、下位機的通信功能進行測試。首先，在開關(guān)柜內(nèi)部，將局部放電缺陷模型分別安裝好，并將TEV+AE信號調(diào)理單元的增益設(shè)定為60dB。設(shè)置高壓測試后，打開上位機，輸入用戶名和密碼，登錄到局部放電在線監(jiān)測中。其次，調(diào)節(jié)器啟動，以0V為起點，對工作頻率電壓進行負載，并對高壓開關(guān)柜中的局部放電進行超高頻信號采集。分析局部放電在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并將局部放電監(jiān)測數(shù)據(jù)與局部放電實際數(shù)據(jù)進行對比。根據(jù)得到的結(jié)果驗證數(shù)據(jù)通信可靠、穩(wěn)定后，將其正式應(yīng)用到高壓開關(guān)柜局部放電的在線監(jiān)測中。針對局部放電的在線監(jiān)測包括2種模式，一種為快速巡檢監(jiān)測，另一種為重癥監(jiān)護監(jiān)測。2種在線監(jiān)測的基本流程如圖1所示。

圖1 局部放電在線監(jiān)測流程圖

從圖1所示的工作流程可以看出，無論是快速巡檢還是重癥監(jiān)護，都需要連接相應(yīng)的傳感器，并完成背景噪聲檢測等操作。二者的不同之處為快速巡檢需要對多臺高壓開關(guān)柜進行監(jiān)測且需要反復(fù)操作，而重癥監(jiān)護監(jiān)測主要是對出現(xiàn)故障的高壓開關(guān)柜進行有針對性的長期的持續(xù)監(jiān)測。對背景噪聲進行探測后，要根據(jù)所探測的噪聲決定局部放電的閾值，該數(shù)值會隨環(huán)境噪聲的變化而變化，探測時間通常不會少于1min。針對高壓開關(guān)柜不同局部放電類型及其程度，設(shè)置不同的預(yù)警等級，以便能更及時地發(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)柜的異常并制定解決方案。

4 對比試驗

4.1 試驗準備

通過上述論述，并結(jié)合5G專網(wǎng)的TEV+AE原理，該文提出了一種全新的針對高壓開關(guān)柜局部放電的在線監(jiān)測方法。為了驗證新的監(jiān)測方法是否能夠應(yīng)用于實際并解決現(xiàn)有監(jiān)測方法在應(yīng)用中存在的問題，將新的監(jiān)測方法設(shè)置為試驗組，將基于特高頻法的監(jiān)測方法設(shè)置為對照A組，將基于測量傳感器的監(jiān)測方法設(shè)置為對照B組，進行對比試驗。

在高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測試驗中，需要搭建的硬件環(huán)境如下。1）局部放電缺陷模型的安裝，為了模擬真實的局部放電情況，需要在高壓開關(guān)柜內(nèi)部安裝局部放電缺陷模型（可以是人工制造或仿真的電氣缺陷），以便進行試驗和監(jiān)測。2）將TEV+AE信號調(diào)理單元增益設(shè)置為60dB，使用TEV（Transient Earth Voltage）和AE（Acoustic Emission）信號調(diào)理單元來接收和處理局部放電產(chǎn)生的超高頻信號。調(diào)整其增益為60dB，以確保能夠有效捕捉局部放電信號。3）高壓測試與工作頻率負載。進行高壓測試，即給高壓開關(guān)柜施加額定工作頻率的電壓。同時，通過負載模擬實際運行條件，以確保測試的真實性。4）連接相應(yīng)的傳感器。適當選擇合適的傳感器，例如TEV傳感器和AE傳感器，將其連接到高壓開關(guān)柜內(nèi)部，用于采集局部放電信號和聲發(fā)射信號。

通過配備和連接這些硬件設(shè)備，可以采集和監(jiān)測局部放電信號，并進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和處理。由于在大氣條件下，高壓開關(guān)柜局部放電是一種隨機現(xiàn)象，各類型放電均有其特殊的統(tǒng)計特性，因此在試驗的過程中一次采集2000個頻率范圍內(nèi)的極高頻率信號。但對針式平板放電而言，因其放電系數(shù)難以獲取，因此需要一次采集5000個工作頻率周期。鑒于高壓開關(guān)柜局部放電的類型較多，需要在試驗過程中設(shè)置多種不同組別，并分別利用3組監(jiān)測方法完成對各放電類型的監(jiān)測，包括針板放電類型、內(nèi)部放電類型、懸浮放電類型和絕緣子沿面放電類型。在試驗過程中，升壓至某一時刻出現(xiàn)微弱的局部放電時，采集當前發(fā)出的信號，將相關(guān)數(shù)據(jù)保留并作為試驗數(shù)據(jù)。試驗研究的高壓開關(guān)柜具體參數(shù)見表1。

表1 高壓開關(guān)柜參數(shù)

4.2 試驗參數(shù)設(shè)置

開始試驗前，需要設(shè)置基于5G專網(wǎng)TEV+AE原理的高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測方法的算法參數(shù)，避免參數(shù)取值不同影響監(jiān)測方法的性能，進而影響試驗的準確性。試驗參數(shù)設(shè)置見表2。根據(jù)表2數(shù)據(jù)設(shè)置在線監(jiān)測方法的參數(shù)。

表2 試驗參數(shù)

4.3 結(jié)果分析

為了驗證3組監(jiān)測方法的精度，將3組方法監(jiān)測到的各類型下的放電次數(shù)作為試驗數(shù)據(jù)指標，將其與實際放電次數(shù)進行對比。如果二者相同，說明所對應(yīng)的監(jiān)測方法具有極高的監(jiān)測精度；反之，如果二者相差較大，說明所對應(yīng)的監(jiān)測方法監(jiān)測精度較低。根據(jù)上述論述，記錄每一種局部放電類型監(jiān)測到的放電次數(shù)和實際放電次數(shù)，數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 3組監(jiān)測方法監(jiān)測結(jié)果記錄表

從表3中記錄的試驗數(shù)據(jù)可以看出，試驗組監(jiān)測結(jié)果與各局部放電類型實際放電次數(shù)一致，而對照A組和對照B組每種類型所得監(jiān)測結(jié)果與實際均存在2～5次的誤差。從上述試驗結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，試驗組監(jiān)測方法的監(jiān)測準確率最高。將試驗組監(jiān)測方法應(yīng)用于實際，通過精確分析放電次數(shù)，可以判定高壓開關(guān)柜運行狀態(tài)，從而為開關(guān)柜放電提供更可靠的依據(jù)。

5 結(jié)語

該文提出的在線監(jiān)測方法主要用于高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜發(fā)生絕緣故障等異常問題的原因。并通過試驗將新的監(jiān)測方法與現(xiàn)有的基于特高頻法的監(jiān)測方法、基于測量傳感器的監(jiān)測方法進行對比，可以看出該文監(jiān)測方法具有更高的準確度，能夠為高壓開關(guān)柜局放提供更佳監(jiān)測效果，可有效避免誤檢、漏檢等問題，且該監(jiān)測方法的適應(yīng)性更強，可適用于多種類型的高壓開關(guān)柜的局放監(jiān)測與預(yù)警。