一種新型的開關(guān)柜局放在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

韓 捷 孫奇珍 黨衛(wèi)軍

（廣州供電局有限公司黃埔供電局，廣東廣州510700）

0 引言

目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的10 kV、35 kV高壓開關(guān)柜成套設(shè)備，是電力系統(tǒng)中非常重要的電氣設(shè)備，它的可靠運(yùn)行直接關(guān)系到電力系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量及可靠性。開關(guān)柜在長期運(yùn)行過程中，絕緣會(huì)出現(xiàn)老化或劣化，進(jìn)而引發(fā)局部放電現(xiàn)象，而對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行局部放電檢測能夠有效地發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部早期的絕緣缺陷。

配電網(wǎng)開關(guān)房由于數(shù)量較多、分布較廣，其運(yùn)行環(huán)境及運(yùn)行數(shù)據(jù)處于無監(jiān)控狀態(tài)，主要存在以下問題：

（1）配電網(wǎng)開關(guān)房數(shù)量眾多，地理位置分散，在目前運(yùn)維人力、物力有限的情況下，巡檢周期長，存在巡檢盲區(qū)、監(jiān)控缺失等問題；

（2）僅依靠人工定期巡檢的傳統(tǒng)模式，運(yùn)維效率較低，無法形成有效的過程數(shù)據(jù)記錄和過程分析。

基于以上存在的問題，研制了一套開關(guān)柜局放智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)化和IP單元化為框架，可通過PC機(jī)、智能手機(jī)或者其他可連入Internet網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備，對(duì)整個(gè)站點(diǎn)的開關(guān)柜局放進(jìn)行在線監(jiān)測，并對(duì)局放量超標(biāo)的開關(guān)柜進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。運(yùn)用這套系統(tǒng)，從長遠(yuǎn)上可以減輕工作負(fù)擔(dān)、提高工作效率、增加工作效益，這對(duì)于提高電網(wǎng)運(yùn)行水平，促進(jìn)檢修模式的轉(zhuǎn)變以及狀態(tài)檢修的完善具有重要意義。

1 目前開關(guān)柜局放測量方法分析

現(xiàn)有開關(guān)柜設(shè)備局部放電監(jiān)測方法有脈沖電流法、特高頻法、暫態(tài)地電壓法、超聲波法等多種方法，這些測量方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）脈沖電流法具有分辨率高、抗干擾能力差，很難進(jìn)行現(xiàn)場在線監(jiān)測的特點(diǎn)；

（2）特高頻法（UHF）具有較強(qiáng)的抗干擾性及較高的靈敏度，但無法對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，只能進(jìn)行趨勢判斷，另外特高頻傳感器主要采用內(nèi)置安裝的方法，現(xiàn)場使用不方便；

（3）暫態(tài)地電壓法（TEV）能夠?qū)崿F(xiàn)良好的檢測靈敏度及局放定位，但受制于設(shè)備精度，分辨率不高，另外暫態(tài)地電壓法對(duì)脈沖的變化速度比較敏感，比較適合介質(zhì)內(nèi)部放電；

（4）超聲波檢測法（AE）基本不受電氣上的干擾，且多個(gè)超聲波探頭可以實(shí)現(xiàn)局放電源定位，但由于開關(guān)柜內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上超聲波的衰減和折反射，使得有些絕緣內(nèi)部的局部放電可能無法被檢測到。

本系統(tǒng)根據(jù)以上測量方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)測量方法的整合，建立了一套開關(guān)柜局放智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本套開關(guān)柜局放綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測前端、客戶終端、站內(nèi)服務(wù)器三者融合構(gòu)成。本系統(tǒng)分為兩種測量模式：在線監(jiān)測模式和帶電監(jiān)測模式。在線監(jiān)測模式是本系統(tǒng)的主要運(yùn)行模式，由監(jiān)測前端、客戶終端、服務(wù)器三者利用廣域無線網(wǎng)（聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)）形成在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；帶電監(jiān)測模式類似于目前的帶電巡檢系統(tǒng)，用戶只要用具有3G通信功能的移動(dòng)設(shè)備，就可以直接與監(jiān)測前端通信，直接獲取測量數(shù)據(jù)。

智能監(jiān)測前端由開關(guān)柜局放監(jiān)測匯控柜（以下簡稱“前端匯控柜”）和多個(gè)監(jiān)測單元構(gòu)成，前端匯控柜內(nèi)置了無線局域網(wǎng)（WiFi）模塊和廣域無線網(wǎng)（聯(lián)通3G）模塊，還預(yù)留了有線網(wǎng)絡(luò)端口；各前端監(jiān)測單元基于功耗及體積考慮只內(nèi)置了無線局域網(wǎng)（WiFi）模塊；站內(nèi)服務(wù)器內(nèi)部集成了廣域無線網(wǎng)（聯(lián)通3G）模塊和通用無線網(wǎng)卡（連入Internet網(wǎng)絡(luò)）。

當(dāng)處于在線監(jiān)測模式時(shí)，前端匯控柜通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)讀取一個(gè)或多個(gè)前端監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)；站內(nèi)服務(wù)器通過3G無線網(wǎng)絡(luò)讀取一個(gè)或多個(gè)前端匯控柜的數(shù)據(jù)；客戶終端使用PC、手機(jī)、PAD等設(shè)備可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)登錄站內(nèi)服務(wù)器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)處于帶電監(jiān)測模式時(shí)，客戶終端使用PC、手機(jī)、PAD等設(shè)備的3G功能讀取前端匯控柜的相關(guān)數(shù)據(jù)。

開關(guān)柜局放綜合監(jiān)測系統(tǒng)通信示意圖如圖1所示。

圖1 開關(guān)柜局放綜合監(jiān)測系統(tǒng)通信示意圖

3 系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測前端由前端匯控柜及IP化的前端監(jiān)測單元構(gòu)成，局放監(jiān)測匯控柜通過無線局域網(wǎng)（WiFi）與一個(gè)或多個(gè)前端監(jiān)測單元通信。根據(jù)局放測量模式的不同，前端監(jiān)測單元可分為AE局放監(jiān)測單元、UHF局放監(jiān)測單元、TEV局放監(jiān)測單元及HF局放監(jiān)測單元等。每一個(gè)監(jiān)測單元內(nèi)部都含有特定的傳感器和監(jiān)測電路，目前最常用的監(jiān)測單元是AE局放監(jiān)測單元、UHF局放監(jiān)測單元及TEV局放監(jiān)測單元，監(jiān)測單元后續(xù)可以擴(kuò)展。

監(jiān)測單元采用了把傳感器和信號(hào)調(diào)理電路整合在一起的模式，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了開關(guān)柜及GIS設(shè)備的外形及尺寸，使得監(jiān)測單元能夠輕松地綁附或吸附在被檢設(shè)備上長期獨(dú)立工作。由于現(xiàn)有的監(jiān)測單元通常具有多個(gè)傳感器通道，往往使得監(jiān)測單元體積過大、重量過重。而本系統(tǒng)中的監(jiān)測單元通常內(nèi)含一個(gè)傳感器，另外通過提高電路集成度、降低運(yùn)行功耗，大大縮小了監(jiān)測單元的體積和重量。監(jiān)測單元有鋰電供電和外部電源供電兩種方式，以便適應(yīng)不同的工作環(huán)境。另外，配置的鋰電池根據(jù)監(jiān)測單元內(nèi)部的結(jié)構(gòu)獨(dú)立設(shè)計(jì)，以便增加鋰電池容量，提高系統(tǒng)獨(dú)立工作的持續(xù)性。測試示意圖如圖2所示。

圖2 GIS測試示意圖

監(jiān)測單元底座，采用可拆卸的方式設(shè)計(jì)，可拆卸的底座材料采用強(qiáng)磁材料制作，不同的試品采用不同的底座，以便監(jiān)測單元能牢牢地吸附在被試品上。

監(jiān)測單元調(diào)試完成后，在監(jiān)測單元內(nèi)部灌封環(huán)氧膠，以加強(qiáng)監(jiān)測單元牢固性。

外形結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測單元底座結(jié)構(gòu)圖

由于局放傳感器接收到的都是極微弱的信號(hào)，因此監(jiān)測單元采用雙屏蔽設(shè)計(jì)。一般情況下，在線監(jiān)測干擾因素主要來自于外界電磁場，因此屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要應(yīng)針對(duì)電場和磁場干擾來考慮。電磁場屏蔽的效果與材料、厚度、電磁波頻率及干擾源離屏蔽體的距離等有關(guān)。對(duì)電場干擾的屏蔽，通常采用高電導(dǎo)率、低磁導(dǎo)率的銅材或者鋁材作為屏蔽材料，對(duì)磁場的屏蔽要選用不易磁飽和的材料，如硅鋼、不銹鐵等，因此在監(jiān)測單元內(nèi)對(duì)傳感器及信號(hào)調(diào)理電路包裹了2 mm厚的鋁材和不銹鐵來分別屏蔽電場和磁場干擾。

監(jiān)測單元橫截面圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測單元橫截面圖

3.1 AE局放監(jiān)測單元

超聲波（AE）局放監(jiān)測單元能接收局部放電所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，采集到的超聲波信號(hào)可通過一系列的電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)由DSP數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行傅里葉計(jì)算，得出所需的局放量。整個(gè)監(jiān)測單元包括超聲波傳感器、低通濾波放大器、高通濾波放大器、A/D采集模塊、DSP信號(hào)處理模塊、WiFi模塊及鋰電充放電系統(tǒng)等。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 AE局放監(jiān)測單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 UHF局放監(jiān)測單元

UHF局放監(jiān)測單元主要包括超高頻天線傳感器、濾波放大單元、檢波電路、高速采集單元和無線WiFi單元等。超高頻傳感器接收高壓開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的超高頻信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)，然后送至超高頻放大電路，放大電路將微電壓信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，并將放大后的信號(hào)送入超高頻濾波電路和檢波電路。監(jiān)測單元中的檢波電路為包絡(luò)檢波，利用檢波電路可以從高頻載波信號(hào)中取出低頻的調(diào)制信號(hào)，濾除信號(hào)的超高頻分量，僅保留信號(hào)的包絡(luò)峰值和峰值對(duì)應(yīng)的相位，后續(xù)電路只需要提取信號(hào)的包絡(luò)進(jìn)行處理，大大減少了數(shù)據(jù)儲(chǔ)存深度和處理難度。經(jīng)檢波電路等處理得到的信號(hào)送入DSP單元中進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 UHF局放監(jiān)測單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 TEV局放監(jiān)測單元

TEV局放監(jiān)測單元主要包括電容耦合傳感器、放大電路、積分及濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP高速采集模塊和無線WiFi模塊。在實(shí)際運(yùn)行中，電容耦合傳感器接收高壓開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的暫態(tài)地電位信號(hào)，由于采集到的TEV信號(hào)非常短，且非常微弱，因此需要先將此信號(hào)經(jīng)過放大、積分及濾波處理，然后將此信號(hào)送入高速A/D轉(zhuǎn)換電路由DSP高速采樣系統(tǒng)進(jìn)行采樣。最終結(jié)果由無線通信模塊發(fā)送給開關(guān)柜局放監(jiān)測匯控室。

TEV局放監(jiān)測單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 TEV局放監(jiān)測單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 開關(guān)柜局放監(jiān)測匯控柜

開關(guān)柜局放監(jiān)測匯控柜，內(nèi)置ARM9工控機(jī)，可以通過無線局域網(wǎng)（WiFi）與多達(dá)254個(gè)局放監(jiān)測單元通信，通過獲取不同頻段的局放量可以綜合分析開關(guān)柜的放電狀況，一旦放電量超標(biāo)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。同時(shí)ARM9工控機(jī)配備7寸顯示彩屏，通過觸摸操作可以任意查看與匯控柜關(guān)聯(lián)的監(jiān)測單元的局放圖形。匯控柜內(nèi)置3G通信模塊，可以與站內(nèi)服務(wù)器和客戶端通信，站內(nèi)服務(wù)器和客戶端都可以通過移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)獲取匯控柜內(nèi)的局放數(shù)據(jù)，甚至調(diào)出某一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測單元的圖形。

開關(guān)柜局放監(jiān)測匯控柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 開關(guān)柜局放監(jiān)測匯控柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 站內(nèi)服務(wù)器、客戶端及其軟件系統(tǒng)

站內(nèi)服務(wù)器主要獲取前端匯控柜的局放數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)查閱任意一個(gè)監(jiān)測單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在站內(nèi)服務(wù)器內(nèi)部建有數(shù)據(jù)庫及專家圖譜，當(dāng)懷疑有異常局放數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)器會(huì)自動(dòng)與內(nèi)部的專家圖譜比對(duì)，得出放電類型甚至是放電位置。同時(shí)為了方便外部客戶端的訪問，服務(wù)器內(nèi)部建立有一個(gè)WEB網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，供外部客戶端進(jìn)行訪問。

4.1 服務(wù)器軟件概述

站內(nèi)服務(wù)器上的測控軟件作為系統(tǒng)的控制管理核心，組態(tài)任務(wù)、過程控制協(xié)調(diào)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是其主要任務(wù)。

測控軟件具有如下核心模塊：通信管理模塊、任務(wù)組態(tài)模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、自檢模塊等。

4.2 服務(wù)器軟件主要特點(diǎn)

4.2.1 通信管理功能

（1）聯(lián)網(wǎng)形式多樣：可以選擇有線網(wǎng)絡(luò)或者是無線廣域3G模式。

（2）網(wǎng)絡(luò)管理靈活：可以設(shè)置任意一個(gè)前端測量模塊的IP地址，以方便管理。

（3）網(wǎng)絡(luò)安全性高：具備身份識(shí)別功能，排除非法主體通信入侵。

4.2.2 軟件檢測功能

（1）檢測內(nèi)容豐富：具有檢測時(shí)域信號(hào)的峰值、有效值、相位、放電類型、放電次數(shù)等參量的功能。

（2）檢測實(shí)時(shí)性強(qiáng)：服務(wù)器軟件具備連續(xù)實(shí)時(shí)、同步檢測多個(gè)前端監(jiān)測單元局放數(shù)據(jù)的功能。

4.2.3 軟件分析功能

（1）分析功能種類全：數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)了周期圖譜、統(tǒng)計(jì)圖譜、趨勢圖譜、頻率圖譜、能量圖譜、PRPD圖譜、噪聲圖譜等多種分析圖譜；具備局部放電趨勢分析功能，能實(shí)現(xiàn)放電量值的預(yù)測，提前預(yù)警。

（2）具備遠(yuǎn)程分析功能：通過廣域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測、運(yùn)行分析。

4.3 典型圖譜的建立

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)著諸多有典型放電特性的放電圖形，當(dāng)用戶查看放電數(shù)據(jù)圖譜時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳出與目前放電圖譜最相近的放電圖形，以便用戶排查干擾源。圖9～圖11是幾張典型的干擾信號(hào)放電圖。

圖9 尖端放電典型圖譜

圖10 自由顆粒放電典型圖譜

圖11 懸浮放電典型圖譜

4.4 最終結(jié)果輸出

最終輸出給用戶的圖標(biāo)，以最簡潔易懂的表格形式輸出，當(dāng)用戶對(duì)異常數(shù)據(jù)有懷疑時(shí)，可以點(diǎn)擊出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測單元，查看具體放電波形，如表1所示。

表1 系統(tǒng)輸出圖標(biāo)

5 結(jié)語

基于不同原理的開關(guān)柜局放測量方法，各有其不同的測量頻段，任何一種監(jiān)測手段都不能完全地覆蓋所有故障類型，因此，本文所述系統(tǒng)在掌握故障模式及監(jiān)測技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，將多種檢測技術(shù)和以往經(jīng)驗(yàn)有效融合，能有效地把握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

另外，本系統(tǒng)將監(jiān)測單元傳感器和信號(hào)調(diào)理電路融合的方法，能有效消除外界干擾，提高測量精度。