基于雙CPU的高壓電纜在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

梅林常，全宏達(dá)

(國(guó)網(wǎng)鶴壁供電公司，河南 鶴壁 458030)

基于雙CPU的高壓電纜在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

梅林常，全宏達(dá)

(國(guó)網(wǎng)鶴壁供電公司，河南 鶴壁 458030)

設(shè)計(jì)一種基于雙CPU的高壓電纜在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)組成。本系統(tǒng)采用基于小波分析的閾值去噪方法，并通過(guò)分析高壓電纜的局部放電情況來(lái)評(píng)估電纜的絕緣狀況。實(shí)驗(yàn)室模擬放電實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從不同方面證明了系統(tǒng)的有效性與可靠性。

高壓電纜；絕緣監(jiān)測(cè)；局部放電；小波去噪

高壓電力電纜絕緣性能的好壞在很大程度上影響著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定與正常運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已發(fā)生的高壓供電事故中，因電纜故障所引發(fā)的事故高達(dá)50%以上，其中80%的電纜故障是因線路絕緣程度降低、絕緣被擊穿所致，進(jìn)而引起單相接地[1]。因此，加大對(duì)電纜絕緣特性的研究，同時(shí)開(kāi)發(fā)出有效的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)于最大限度地減少電纜故障，就顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外主要的監(jiān)測(cè)方法是：局部放電法、直流分量法、諧波分量法、在線tanδ法、直流疊加法、低頻疊加法和交流疊加法等。然而，由于采用電纜溝鋪設(shè)的特殊工作環(huán)境，這些方法在實(shí)際運(yùn)行中都存在一些障礙。目前，國(guó)內(nèi)外專家一致推薦局部放電法，認(rèn)為其是監(jiān)測(cè)高壓電纜絕緣狀況的最佳方法[2]，且在實(shí)踐探索中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)通過(guò)廣泛驗(yàn)證，初顯成效。在綜合各種檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了基于雙CPU的高壓電纜在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用小波分析閾值法對(duì)局部放電信號(hào)去噪，并對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬驗(yàn)證以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于雙CPU的高壓電纜在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在不影響電纜正常運(yùn)行的情況下真實(shí)地反映出電纜實(shí)時(shí)的局部放電情況，并能準(zhǔn)確地判斷出電纜絕緣的損壞狀況與程度級(jí)別[3]。

1 基于雙CPU在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以基于電磁耦合原理的局部放電法為基礎(chǔ)，其原理主要是通過(guò)安裝于屏蔽接地線或電纜本體上的高頻電磁耦合傳感器，來(lái)對(duì)由電纜絕緣缺陷產(chǎn)生的局部放電脈沖信號(hào)進(jìn)行采集分析，并將處理的數(shù)據(jù)信息反饋于遠(yuǎn)方后臺(tái)操作軟件。后臺(tái)操作軟件對(duì)前端反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和儲(chǔ)存，根據(jù)已設(shè)定的高壓電纜絕緣放電閾值給出預(yù)警提示[4]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，采集模塊硬件結(jié)構(gòu)采用的是“主DSP+從DSP”，也就是所謂的雙CPU，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中，主DSP主要完成數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程通信等功能，而設(shè)計(jì)的從DSP則主要完成對(duì)采集到的局部放電信號(hào)的去噪算法的實(shí)現(xiàn)。

圖1 可用高壓電纜無(wú)損絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2采集模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

2 高頻電磁耦合傳感器

高頻耦合互感器是采用電磁耦合的方法來(lái)監(jiān)測(cè)電纜局部放電信號(hào)的。電磁耦合法是指把電磁耦合線圈安裝在連接頭屏蔽層的接地線上或電纜金屬屏蔽層外、電纜終端，進(jìn)而利用電磁耦合來(lái)感應(yīng)流過(guò)電纜屏蔽層的局放脈沖電流[5]。高頻電流傳感器是基于電磁感應(yīng)定律的羅氏線圈實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測(cè)量，其結(jié)構(gòu)和等效電路如圖3所示。

圖3 高頻電流傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路

圖中：R1是高頻電流傳感器的負(fù)載電阻；M0是置于線圈中間的載流導(dǎo)體與線圈之間的互感；C0是線圈的雜散電容；L0是線圈本身的電感；R0是線圈本身的電阻。電流傳感器的工作頻帶用上限頻率fh與下限頻率f1表示。圖3(a)中羅氏線圈電流傳感器的工作頻帶見(jiàn)方程組(1)。

(1)

由方程組(1)可以看出，要提高高頻耦合互感器的頻帶，不僅需要高頻帶的截止頻率提高，還需要低頻帶的截止頻率降低。而提高高頻帶截止頻率的措施是減小互感器線圈自身的電阻R0和雜散電容C0；減小低頻帶截止頻率的措施是提高傳感器線圈自身電感L0，降低電阻R0和使用較小的負(fù)載電阻R1等。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與降噪處理設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)放電信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)放大與模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行有效的降噪處理。本系統(tǒng)采樣與處理的原理框圖如圖4所示。其采集部分主要包括濾波放大電路設(shè)計(jì)及局部放電信號(hào)的小波去噪的研究與實(shí)現(xiàn)。

圖4數(shù)據(jù)采樣設(shè)計(jì)框圖

3.1 濾波放大電路

濾波放大電路主要實(shí)現(xiàn)初級(jí)信號(hào)調(diào)理。濾波器的作用是從含有各種頻率成分的模擬信號(hào)中，僅允許必要的頻率信號(hào)通過(guò)，而將不需要的信號(hào)去除。由于局部放電信號(hào)十分微弱，為利于信號(hào)的識(shí)別和提取，需要對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大。濾波放大電路采取一階濾波放大的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，兩級(jí)一階濾波能實(shí)現(xiàn)巴特沃斯二階濾波器的性能，同時(shí)避免常規(guī)二階濾波器易發(fā)生震蕩的問(wèn)題。兩級(jí)放大電路，能在保證帶寬的基礎(chǔ)上，提供比較大的增益。因此，該電路不僅可以使信號(hào)濾波效果更好，而且可以使放大倍數(shù)更大，更適用于局部放電信號(hào)的提取。

3.2 信號(hào)的去噪分離算法

小波變換是由傅里葉變換經(jīng)過(guò)窗口傅里葉變換發(fā)展而來(lái)的。頻率信號(hào)是由時(shí)空信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到，其自身并不包含時(shí)空定位信息，在頻域上有最大分辨率。窗口傅里葉變換由于其窗口的大小是固定的，故不適用于頻率波動(dòng)大的非平穩(wěn)信號(hào)，只是對(duì)時(shí)空信號(hào)進(jìn)行分段或分塊進(jìn)行時(shí)空-頻譜分析。而小波變換是一種自適應(yīng)的時(shí)頻分析方法，與其他去噪方法相比，它不但具有多分辨分析功能，而且還可以依據(jù)頻率的高低自動(dòng)調(diào)整窗口大小[6]。

本系統(tǒng)利用小波分離不同頻率的信號(hào)，在不同的頻率段上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將原始信號(hào)利用小波變換按照db7小波函數(shù)進(jìn)行展開(kāi)，將其表示成不同尺度函數(shù)和時(shí)移小波函數(shù)的線性組合，得到每一項(xiàng)的小波系數(shù)[7]。

對(duì)不同頻率的小波分量進(jìn)行不同的處理方式。在局部放電可能出現(xiàn)的頻率段，保持其小波系數(shù)不變；在其余的頻段，減少其小波系數(shù)至0。對(duì)于處理后的分量進(jìn)行小波逆變換，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為重建后的信號(hào)。通過(guò)這種方式，將原始信號(hào)中不屬于局部放電頻段的噪聲去掉，得到疑似局部放電的目標(biāo)信號(hào)。例如，可將一個(gè)帶有局部震蕩的信號(hào)，分成一個(gè)近似信號(hào)和8階細(xì)節(jié)信號(hào)，如圖5所示。第一層是原始信號(hào)，第二層是近似信號(hào)，其余依次為不同頻率的細(xì)節(jié)信號(hào)，頻率逐步上升。

圖5小波變換實(shí)例

閾值去噪后對(duì)各分量進(jìn)行重建。重建后的信號(hào)表現(xiàn)出較為突出的局部放電特征，如圖6所示。

圖6 重建后信號(hào)

4 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試分析

4.1 實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)室模擬模塊主要由采集模塊、同步電壓器、電源、通信模塊等組成。其中，采集模塊將通信芯片、存儲(chǔ)芯片等集成在一塊電路板上，使其具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽煌诫妷浩鳛榫чl管提供同步信號(hào)作為其控制電壓；電源為整個(gè)裝置提供電能；通信模塊的作用是傳輸數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試電路如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試電路

正常運(yùn)行情況下的電纜無(wú)局放現(xiàn)象，但是由于現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有各種干擾，會(huì)出現(xiàn)微弱的毛刺，大概都在3 pC以下，在操作軟件界面顯示，如圖8所示。

圖8 受到干擾影響的無(wú)放電情況圖

當(dāng)打開(kāi)模擬放電裝置后就會(huì)產(chǎn)生劇烈的放電現(xiàn)象顯示，如圖9所示。

圖9放電現(xiàn)象顯示

從上述實(shí)驗(yàn)波形圖，我們可以得到清晰的放電痕跡，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，充分證明了本系統(tǒng)對(duì)絕緣放電信號(hào)監(jiān)測(cè)的有效性。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效果分析

將基于雙CPU的高壓電纜在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于國(guó)網(wǎng)鶴壁供電公司某變電所，在實(shí)驗(yàn)裝置安裝完畢后，對(duì)電纜的絕緣層進(jìn)行人為的破壞，首先采用錘擊方式降低高壓電纜絕緣的絕緣狀態(tài)。其絕緣破壞實(shí)驗(yàn)圖和局放監(jiān)測(cè)圖如10所示。

圖10 絕緣破壞實(shí)驗(yàn)圖和局放監(jiān)測(cè)圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證其監(jiān)測(cè)的有效性，對(duì)電纜的絕緣狀態(tài)進(jìn)行更深程度的破壞，采用釘子在電纜絕緣層釘入一定深度，如圖11所示。

圖11 采用打釘法處理后的局放監(jiān)測(cè)圖

濾波前后的對(duì)比如圖12所示。

通過(guò)對(duì)基于雙CPU的高壓電纜在線絕緣無(wú)損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行的一系列現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與波形，證明了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很好的降噪能力，表明本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠。這充分說(shuō)明了基于雙CPU的高壓電纜在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)電纜絕緣狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

圖12 局部放電濾波前后波形圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)一種基于雙CPU的高壓電纜在線絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并采用基于小波分析的閾值去噪方法。經(jīng)科學(xué)測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很好的降噪能力，能夠有效地去除高壓電纜局部放電的噪聲干擾，較好地保留了局部放電的寬頻帶特性，提高了在線絕緣監(jiān)測(cè)的可靠性，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的絕緣狀況和預(yù)警目的。

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AStudyontheOnlineInsulationMonitoringSystemforHighVoltageCablesBasedonDoubleCPUs

MEI Linchang，QUAN Hongda

(Hebi Power Supply Company of State Grid He'nan Electric Power Company，Hebi He'nan 458030，P.R.China)

This paper introduces an on-line insulation monitoring system for high voltage cables based on double CPUs as well as its principle and structure．A method used for valve-value denoising based on wavelet analysis is applied in the system．Partial discharge of high voltage cables can be analyzed to evaluate the insulation of the cables．The simulation discharge experiment in the lab and the results of online monitoring experiment prove the validity and reliability of the system in different aspects．

high voltage cables；insulation monitoring；partial discharge；wavelet denoising

TH762

B

1008- 8032(2017)05- 0020- 04

2017-09-13

2016年國(guó)網(wǎng)河南省電力公司項(xiàng)目(52172015001W)。

梅林常( 1974-)，工程師，主要從事信息通信及科技管理等工作。