基于數(shù)字孿生的GIS外部局部放電干擾識別

方義治，林鈺靈，梁育雄，吳偉文，姜志彬，沈道義，易孝波

(1.南方電網(wǎng)廣東珠海供電局，廣東 珠海 519000；2.上海格魯布科技有限公司，上海 201210；3.珠海市伊特高科技有限公司，廣東 珠海 519000)

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)是一種廣泛應(yīng)用于高壓輸電和變電站的電力設(shè)備[1]。局部放電(以下簡稱“局放”)是指在GIS等高壓設(shè)備中產(chǎn)生的局部電暈放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可能由材料缺陷、電壓過高、污穢或其他因素引起。在GIS狀態(tài)監(jiān)測中，準確診斷和監(jiān)測局放至關(guān)重要，及時發(fā)現(xiàn)并消缺局放可以有效防止故障出現(xiàn)和設(shè)備損壞，并確保設(shè)備安全可靠。然而，GIS經(jīng)常處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，局放在線監(jiān)測系統(tǒng)容易受到外部干擾(如環(huán)境噪聲、電磁輻射、雷擊等)，嚴重影響狀態(tài)監(jiān)測的準確性和可靠性。因此，研究和開發(fā)GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)抗干擾技術(shù)至關(guān)重要[2]。

GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的關(guān)鍵目標是在存在環(huán)境噪聲或其他干擾的情況下，仍能準確診斷出GIS中的局放現(xiàn)象[3]，提高對GIS的監(jiān)測和診斷能力，降低虛警率，減少誤診率，并為設(shè)備的運行和維護提供更可靠的指導(dǎo)[4]。因此，研究GIS局放和抗干擾技術(shù)具有重要意義，準確診斷和監(jiān)測GIS局放可以及早發(fā)現(xiàn)潛在故障，采取適當?shù)姆婪洞胧?，保證設(shè)備的安全可靠[5-7]。同時，開發(fā)有效的抗干擾技術(shù)可以提高GIS的抗干擾能力，確保其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠準確識別局放現(xiàn)象。

GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)受到的環(huán)境噪聲通常以白噪聲、通信噪聲和電磁干擾為主。針對上述3種干擾，國內(nèi)外研究人員進行大量研究：文獻[8]提出一種用于電力設(shè)備局放信號去噪的粒子群優(yōu)化小波自適應(yīng)閾值方法，采用小波分解局放信號，結(jié)合粒子群優(yōu)化算法進行全局自適應(yīng)搜索最優(yōu)閾值，大大提高了最優(yōu)閾值自適應(yīng)尋優(yōu)速度，且更好地去除局放信號中的白噪聲；文獻[9]為了提取局放信號的特征，提出基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和固有模態(tài)函數(shù)重構(gòu)算法的局放噪聲抑制方法，通過對含有噪聲的局放信號進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，得到含特征頻率的固有模態(tài)函數(shù)，然后對所得的固有模態(tài)函數(shù)分量進行自適應(yīng)閾值處理后重構(gòu)，從而抑制噪聲干擾；文獻[10]提出一種用于GIS局放超高頻信號的自適應(yīng)小波分解去噪算法，有效抑制白噪聲，提高了局放超高頻法的測量精度。

然而在實際的變電站復(fù)雜環(huán)境中，GIS在線監(jiān)測系統(tǒng)還會接收到外部局放信號的干擾。外部局放信號是來自目標GIS設(shè)備鄰近的一些高壓設(shè)備產(chǎn)生的局放信號，此類信號雖然確實為局放信號，但在監(jiān)測當前GIS設(shè)備時需要作為干擾信號加以排除，否則容易造成誤檢。

數(shù)字孿生是一種新興的技術(shù)，其通過物理世界與虛擬世界的深度集成，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時同步、高精度模擬和高效決策[11-14]。在電力行業(yè)中，可以通過建立變電站的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對變電站運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、健康評估和故障診斷[15]。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以將傳統(tǒng)繁瑣的手工檢測和維護工作轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化、自動化的運維方式，從而大大提高運維效率和設(shè)備可靠性[16-18]。

針對目前GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)無法識別外部局放信號的缺陷，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢，本文開展GIS外部局放干擾識別研究。提出基于數(shù)字孿生的GIS外部局放干擾識別機制，建立GIS數(shù)字孿生整體模型和信號衰減部件模型，分析特高頻信號衰減速率，基于衰減速率比對完成外部局放信號識別。最后通過仿真實驗驗證本文算法的有效性。

1 外部局放信號及數(shù)字孿生分析

1.1 GIS外部局放信號分析

實際運行中，GIS設(shè)備可能會遭遇外部局放信號干擾，本文通過以下實例來說明識別外部局放信號的意義。以某550 kV變電站為例，該變電站220 kV GIS設(shè)備安裝了特高頻局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，其設(shè)備分布如圖1所示。

圖1 GIS設(shè)備分布Fig.1 GIS equipment distribution

然而，在實際運行中發(fā)現(xiàn)變壓器頂部的噴淋罩由于未被固定牢固，在變壓器上方的高場強區(qū)形成了浮動電極放電。這種放電導(dǎo)致大量的GIS超高頻局放傳感器接收到外部局放信號，并觸發(fā)了系統(tǒng)報警。異常信號部位如圖2所示。

圖2 異常信號部位Fig.2 Abnormal signal location

GIS在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示，大部分傳感器接收到的外部局放信號與內(nèi)部局放信號在特征上相似，具有相同的相位特征，如圖3所示。

圖3 PRPD譜圖Fig.3 PRPD spectrogram

通過放電圖譜分析，可以看出這些外部局放信號幅值較大，因此能夠得到2簇高幅值的放電脈沖，初步判斷這種放電為浮動電極放電。當查看局放相位模式(phase resolved partial discharge，PRPD)圖譜時，發(fā)現(xiàn)這些放電信號在工頻周期的正半軸以及負半軸存在相似的放電帶，周圍區(qū)域較為集中，具備鮮明的相位相關(guān)性。因此，特高頻傳感器采集現(xiàn)場高頻信號生成圖譜信號，經(jīng)過系統(tǒng)計算，輸出的缺陷類型為浮動電極放電，誤診斷為GIS發(fā)生浮動電極放電。

在此案例中，由于機械螺絲松動產(chǎn)生的信號譜圖與局放譜圖十分相似，因而被誤診為局放。然而在實際變電站中，鄰近的高壓設(shè)備產(chǎn)生的局放信號也會影響目標高壓設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測判斷，因此外部局放信號的識別機制對于提高局放檢測準確率和可靠性具有十分重要的意義[19]。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)通過集成物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等手段，為實體設(shè)備構(gòu)建數(shù)字化全息模型，可實現(xiàn)對設(shè)備全生命周期各階段的實時、動態(tài)、全面和精準模擬、預(yù)測和決策[20]。

在變電設(shè)備運維中，數(shù)字孿生技術(shù)可實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時同步和精準模擬，有效提升設(shè)備運行的效率和可靠性。通過對設(shè)備狀態(tài)的實時預(yù)測和優(yōu)化決策，能大大降低設(shè)備故障發(fā)生的幾率，延長設(shè)備的使用壽命。此外，數(shù)字孿生技術(shù)可使得設(shè)備的運維由傳統(tǒng)人工檢測和維護模式向數(shù)字化、自動化的方式轉(zhuǎn)變，極大地提高了運維效率。

2 基于數(shù)字孿生的GIS外部局放干擾識別機制

針對前文所述識別外部局放干擾信號的必要性，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢，本文提出基于數(shù)字孿生的GIS外部局放干擾識別機制，主要分為GIS數(shù)字孿生模型建立、特高頻信號理論衰減速率計算和外部局放判斷3個步驟。

2.1 GIS數(shù)字孿生模型建模

2.1.1 整體模型建模方法

本文選擇Solidworks軟件作為構(gòu)建數(shù)字孿生模型的工具，依據(jù)GIS的圖紙以及現(xiàn)場實測尺寸對GIS進行精確三維建模。需要特別指出的是，本文構(gòu)建的數(shù)字孿生模型主要針對局放在線檢測的實際需求，因此，在建模過程中，專注于GIS管道的外壁(管壁)建模，管壁厚度為0.001 m，而管道內(nèi)部被設(shè)置為空，這意味著暫時忽略GIS內(nèi)部結(jié)構(gòu)對特高頻信號傳播時延的影響。所建立的數(shù)字孿生模型主要分為展示模型和計算模型2類。展示模型如圖4所示，它以直觀的形式呈現(xiàn)出GIS設(shè)備的各種特性，從而為現(xiàn)場測試人員的運維工作提供便利。而計算模型則主要用于模擬和預(yù)測GIS設(shè)備在不同條件下的運行狀態(tài)，以便能夠更準確地識別和定位局放。

圖4 展示模型Fig.4 Display model

2.1.2 信號衰減部件模型

特高頻信號在GIS管道內(nèi)部傳播時，不同GIS部件對信號的衰減程度存在顯著差異，如圖5所示，圖中A、B為特高頻傳感器，分別位于母線側(cè)和線路終端側(cè)，由同一局放源發(fā)出的特高頻信號傳播至A處時信號幅值約為-40 dB，傳播至B處時信號幅值約為-30 dB。因此，距離局放源較近的傳感器接收到的信號強度反而可能低于距離放電源較遠的傳感器，這是由于局放源至A處的傳播路徑中存在斷路器倉，而信號經(jīng)過斷路器時衰減尤為嚴重。這也是在進行局放源定位時不能僅通過比較信號強度來定位GIS局放的主要原因。

圖5 信號傳播路徑Fig.5 Signal propagation path

表1列出了某些型號GIS各部件的衰減特征。值得注意的是，對于來自不同廠家、不同電壓等級、不同型號的GIS，其同類部件的信號衰減特性可能會有所不同，因此，需要針對每一種情況進行具體實測。

表1 各部件平均衰減Tab.1 Average Attenuation of Each Component

實際操作中，基于GIS各部件的衰減特性，在數(shù)字孿生模型中建立各部件信號衰減模型，這些衰減模型主要表現(xiàn)為各部件單位長度的衰減系數(shù)，例如，500 kV GIS管道的衰減系數(shù)為0.05 dB/m，500 kV GIS絕緣盆子(厚度0.1 m)的衰減系數(shù)為5 dB/m等。接著，將這些衰減系數(shù)分別賦予數(shù)字孿生模型中的每一個坐標點。通過這種方法，不僅能夠更準確地模擬特高頻信號在GIS內(nèi)部的傳播過程，還能有效解決因部件衰減差異引發(fā)的局放定位問題，極大地提高后續(xù)在局放在線檢測中的識別精度和定位準確度。

2.2 特高頻信號理論衰減速率計算

在完成GIS數(shù)字孿生模型建模后，首先需要計算局放源至各特高頻傳感器理論衰減速率。

以圖5為例，假設(shè)局放源位于斷路器的線路側(cè)，那么局放信號傳輸?shù)轿挥谀妇€上的傳感器A的路徑為：局放源→斷路器→電流互感器→隔離開關(guān)→母線→傳感器A。則其理論傳輸衰減可以通過以下公式計算：

TA=αB×LB+αC×LC+αD×LD+αG×LG.

(1)

式中：αB為斷路器衰減系數(shù)；LB為斷路器長度；αC為電流互感器衰減系數(shù)；LC為電流互感器長度；αD為隔離開關(guān)衰減系數(shù)；LD為母線隔離開關(guān)長度；αG為母線衰減系數(shù)；LG為母線長度。

傳輸?shù)骄€路終端處的傳感器B的路徑為：局放源→電流互感器→隔離開關(guān)→線路終端筒→傳感器B”。則理論傳輸衰減為：

TB=αC×LC+αD×LD+αG×LG+αT×LT+αD×LD+αS×LS.

(2)

式中：αT為T接轉(zhuǎn)角衰減系數(shù)；LT為隔離開關(guān)處T接轉(zhuǎn)角長度；αS為線路終端筒衰減系數(shù)；LS為線路終端筒長度。

2.3 外部局放信號判斷

在完成特高頻信號傳播過程中理論衰減速率的計算后，與實際衰減速率進行對比，即可判斷該信號的局放源是否位于GIS外部，即該信號是否為外部信號。以局放源位于斷路器的線路側(cè)的情況為例，其信號傳輸至位于母線上的傳感器A，以及線路終端處的傳感器B(如圖6所示)，則通過式(2)就可以計算出每個傳感器的理論傳輸衰減。假設(shè)理論上傳感器A和B收到的信號幅值差值為TA-TB，而實際上傳感器A和B收到的信號幅值差值為RA-RB，設(shè)定閾值Th，若|(TA-TB)-(RA-RB)|>Th，則判斷該局放信號為來自GIS外部。

圖6 局放源位于線路側(cè)Fig.6 Display model

在實際操作中，可能有多個傳感器接收到局放信號。例如，若有多個傳感器A、B、C……都檢測到了該信號，可以計算出每一對傳感器之間的理論與實測信號幅度差值。如果其中一部分傳感器對的理論差值與實際差值的差值都超過閾值，則可以判斷該放電信號為來自GIS設(shè)備外部。

該識別機制使得即使在復(fù)雜環(huán)境下，仍能有效識別并排除外部局放信號，從而提高GIS設(shè)備狀態(tài)評估的準確性，對其進行更有效的監(jiān)測和維護。

3 仿真實驗分析

本章節(jié)搭建GIS模擬實驗平臺，通過仿真實驗驗證該GIS外部局放識別方法的有效性。

3.1 GIS仿真模型搭建

本文搭建的基于GIS的模擬實驗平臺如圖7所示。該實驗平臺使用打火器來模擬局放產(chǎn)生的電磁波信號，這種模擬方式能夠較真實地模擬局放情況，更有利于驗證外部局放信號識別算法。

圖7 GIS局放實驗平臺Fig.7 GIS PD experimental platform

具體來說，該GIS模擬管道的外殼直徑約為560 mm，內(nèi)部同軸導(dǎo)體直徑約為160 mm。模型采樣頻率設(shè)定在300 MHz～1.5 GHz之間，能夠滿足模擬需求。此外，本文使用YWDT-12/120 kV的工頻無暈試驗變壓器作為外部電源，為模擬GIS施加電壓。通過對腔體逐級加壓，能夠模擬不同程度的局放情況，進一步豐富實驗條件。

使用本文建模方法對模擬GIS管道進行建模，其數(shù)字孿生模型如圖8所示。測試人員按照智能引導(dǎo)的位置于非屏蔽法蘭處安裝4個外置式特高頻傳感器。

圖8 GIS數(shù)字孿生模型Fig.8 GIS Digital Twin Model

3.2 仿真實驗分析

由測試人員使用打火器在T型轉(zhuǎn)角處注入電磁波信號，模擬GIS管道內(nèi)部局放的情況，結(jié)果如圖9所示。安裝于各絕緣盆子的特高頻傳感器都顯示出實時PRPD譜圖(如圖10所示)，且4張PRPD譜圖幅值有高有低，差異明顯。傳感器2與傳感器3的幅值相差約為15 dB，因此判斷為內(nèi)部局放并加以定位，根據(jù)到達時間差定位法確定局放源位置。紅色標記即為局放源定位處，根據(jù)局放源定位顯示，該信號為GIS內(nèi)部信號，符合實驗結(jié)果。

圖9 實驗結(jié)果Fig.9 Experimental results graph

圖10 PRPD譜圖Fig.10 PRPD pattern

由測試人員使用信號發(fā)生器在管道外部產(chǎn)生電磁波信號，模擬GIS管道外部局放情況，結(jié)果如圖11所示。安裝于各絕緣盆子的特高頻傳感器都顯示出實時PRPD譜圖，如圖12所示，且譜圖特征為懸浮放電特征，然而譜圖幅值幾乎處于同一高度，信號幅值分別為-36 dB、-39.2 dB、-42.6 dB和-39 dB，任意2個傳感器幅值之間差值不超過15 dB，因此判斷為外部局放信號，且并無局放源定位顯示，由此作為干擾排除，符合實驗結(jié)果。

圖11 實驗結(jié)果Fig.11 Experimental results graph

圖12 PRPD譜圖Fig.12 PRPD Pattern

4 結(jié)束語

本文提出一種基于數(shù)字孿生的GIS外部局放干擾識別機制，并完成GIS數(shù)字孿生整體模型和信號衰減部件模型建立?；跀?shù)字孿生模型理論衰減速率與真實衰減速率之間的對比，提出外部局放信號識別機制；搭建GIS模擬實驗平臺，分別使用電磁波信號模擬內(nèi)部局放和外部局放信號。實驗結(jié)果證明，本文所提算法成功排除了外部局放的干擾，識別出內(nèi)部局放并實現(xiàn)自動定位。