基于特高頻傳感器的GIS局放信號監(jiān)測裝置及定位方法

高 揚 沈 毅 夏 峰 蔣昊松 周 陽 劉丹丹

(1. 國網(wǎng)蘇州供電公司 蘇州 215000；2. 華乘電氣科技股份有限公司 上海 201114)

1 引言

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(Gas insulated switchgear,GIS)是電網(wǎng)中常見的電氣設(shè)備，由于工藝、設(shè)計等問題，在制造、裝配和運輸?shù)冗^程中GIS內(nèi)部會產(chǎn)生微小的絕緣缺陷，這些絕緣缺陷的劣化是導(dǎo)致設(shè)備故障的重要原因之一，因此對GIS進行局部放電檢測是預(yù)防絕緣事故、保障電力系統(tǒng)安全運行的重要手段[1-4]。目前，GIS局部放電的檢測方法主要有化學(xué)檢測法、超聲檢測法、脈沖電流法、特高頻法等[5-7]。其中，特高頻法具有抗干擾性強、靈敏度高、可實現(xiàn)局放源定位等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于GIS局部放電檢測中[8-10]。傳統(tǒng)的GIS特高頻在線監(jiān)測裝置由于固定式、成本高、部署接線不便等問題[11-12]，在國網(wǎng)的應(yīng)用中受到限制。近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，局部放電檢測裝置已逐漸向無線化、集成化方向發(fā)展[13-14]。國內(nèi)對GIS特高頻局部放電檢測做了大量的研究工作，文獻[15-17]分別提出了基于特高頻的GIS局部放電信號定位的方法，為GIS的局部放電缺陷定位做了積極探索和技術(shù)積累。然而，這些研究的應(yīng)用對象都是基于傳統(tǒng)的在線監(jiān)測類裝置，不能應(yīng)用在無外部電纜供電的監(jiān)測類傳感器裝置中。文獻[18-19]研究了基于特高頻無線傳感器的局部放電定位法，對無線傳感器的定位方法進行了初步探索。

為彌補GIS在線監(jiān)測裝置在應(yīng)用中的不足，解決智能監(jiān)測裝置因人工復(fù)測定位導(dǎo)致的資源耗費問題，本文在物聯(lián)網(wǎng)、無線通信、人工智能等技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于特高頻傳感器的GIS局放信號監(jiān)測裝置及定位方法。該裝置利用無線通信、電池自供電的特高頻傳感器監(jiān)測GIS內(nèi)部的局部放電信號和空間電磁干擾信號，結(jié)合特高頻傳感器的空間方位，通過特高頻信號強度及特征相似度，排除空間電磁干擾并定位缺陷位置。現(xiàn)場實踐表明該方法可有效地發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部的缺陷并進行定位，提高設(shè)備檢修維護的效率。

2 GIS局放信號監(jiān)測裝置

基于特高頻傳感器的GIS局放信號監(jiān)測裝置由特高頻傳感器、匯集終端和數(shù)據(jù)分析平臺組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。每套裝置可配置多個特高頻傳感器來采集GIS內(nèi)外部的特高頻電磁信號。其中特高頻傳感器采用無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，采用內(nèi)部電池進行供電；匯集終端通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)收集特高頻傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，并將其上傳至數(shù)據(jù)分析平臺；數(shù)據(jù)分析平臺通過對比分析這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，對GIS的缺陷類型及位置進行診斷。

圖1 GIS局放信號監(jiān)測裝置系統(tǒng)架構(gòu)圖

特高頻傳感器分為接觸式特高頻局放傳感器和空間特高頻局放傳感器兩種類型，兩種傳感器的原理、零部件組成及內(nèi)部構(gòu)造一致，僅外形結(jié)構(gòu)不同。接觸式特高頻局放傳感器通過綁帶安裝在GIS盆式絕緣子澆筑口處，用于監(jiān)測GIS內(nèi)部發(fā)出的局部放電信號；空間特高頻局放傳感器通過支架安裝在室內(nèi)GIS周圍的墻壁上，用于監(jiān)測GIS周圍環(huán)境中的電磁干擾信號。由于戶外GIS周圍環(huán)境電磁干擾較復(fù)雜，本論文提到的空間特高頻局放傳感器僅適用于戶內(nèi)GIS的應(yīng)用場景。兩種傳感器均采用內(nèi)部電池供電和無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，無需外部電源供電和通信線纜連接。LoRa無線通信方式具有傳輸距離遠、傳輸功耗低、抗干擾性強、傳輸速率低的特點，由于特高頻傳感器的低功耗要求，其采集頻次較低、實時性要求不高，LoRa通信方式可以滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，所以本文的GIS局放信號監(jiān)測裝置中特高頻傳感器采用LoRa無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

匯集終端是監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚和傳輸?shù)妮d體。對傳感器采用LoRa無線通信方式，收集特高頻傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)、控制傳感器的運行模式并下發(fā)數(shù)據(jù)分析平臺傳遞的指令，采用休眠、喚醒的策略控制傳感器的低功耗運行；對數(shù)據(jù)分析平臺采用4G無線或以太網(wǎng)有線的方式，上傳傳感器的數(shù)據(jù)、接收平臺下發(fā)的指令。

數(shù)據(jù)分析平臺是監(jiān)測數(shù)據(jù)與工作人員交互的樞紐。平臺通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中管理、分析和應(yīng)用，保障數(shù)據(jù)的安全性和規(guī)范性；通過對GIS模型、特高頻數(shù)據(jù)進行可視化展示，讓工作人員能夠快速、直觀地掌握關(guān)鍵信息；通過部署算法評估診斷GIS的運行狀態(tài)，為電力設(shè)備的狀態(tài)檢修提供決策依據(jù)。

3 傳感器布置方法

特高頻傳感器采用300 MHz～1.5 GHz的寬帶天線。接觸式特高頻局放傳感器天線側(cè)安裝在GIS盆式絕緣子法蘭上，檢測GIS內(nèi)部局放激發(fā)的電磁波信號，可有效避開電力系統(tǒng)中主要的電磁干擾信號；空間特高頻局放傳感器安裝在GIS周圍空間的墻壁上，傳感器天線側(cè)面向GIS，主要用于監(jiān)測主變和線路方向傳來的電暈干擾及空間電磁干擾。特高頻傳感器的監(jiān)測范圍需要覆蓋斷路器、隔離開關(guān)等關(guān)鍵設(shè)備。

以1個GIS間隔為例，特高頻傳感器的部署位置如圖2所示，圖中QF為斷路器，TA為電流互感器，TV為電壓互感器，QS為隔離開關(guān)，LCP為控制柜。在盆式絕緣子上安裝4個接觸式特高頻局放傳感器，監(jiān)測GIS內(nèi)部的電磁信號；在墻壁兩側(cè)分別安裝1個空間特高頻局放傳感器，監(jiān)測GIS周圍的電磁波信號。接觸式特高頻局放傳感器安裝時應(yīng)與盆式絕緣子緊密接觸，且應(yīng)放置于兩根緊固盆式絕緣子螺栓的中間，以減少螺栓對內(nèi)部電磁波的屏蔽以及傳感器與螺栓產(chǎn)生的外部靜電干擾。

圖2 特高頻傳感器布置圖

4 局放源空間定位方法

采用特高頻技術(shù)實現(xiàn)GIS局放源定位的基本方法是時差法，該方法通過同步采集多個傳感器接收的特高頻局放信號，計算信號間的時延，根據(jù)各傳感器的位置坐標和時延，對局放源進行定位[20]。該方法需要采樣裝置具有很高的采樣頻率和頻寬，同時必須同步采集多個傳感器的信號[21]。而內(nèi)部電池自供電的特高頻傳感器受低功耗的限制，傳感器采集頻次較低，且傳感器采集的時間不同步，導(dǎo)致傳統(tǒng)的定位方法無法應(yīng)用。

本文根據(jù)同一放電源產(chǎn)生的信號到不同位置傳感器衰減程度不同的特性，利用接觸式特高頻局放傳感器和空間特高頻局放傳感器的信號幅值和空間方位信息，提出適用于低功耗的特高頻智能傳感器的空間定位方法。該方法在GIS內(nèi)部存在多個放電源、有外部干擾的情況下，可有效識別GIS內(nèi)部產(chǎn)生的局放信號，確定放電的大致位置，定位流程如圖3所示。

圖3 定位流程示意圖

(1) 對傳感器進行編碼，將編碼信息與GIS空間位置進行關(guān)聯(lián)，得到傳感器空間拓撲圖。

(2) 對每個傳感器采集的特高頻信號進行異常判斷，將數(shù)據(jù)異常的傳感器組成異常傳感器集。

(3) 對各傳感器的信號進行相似度計算，將異常傳感器集劃分為多個異常傳感器組。

(4) 對各異常傳感器組進行內(nèi)部缺陷識別，排除干擾信號。

(5) 對異常傳感器組的內(nèi)部缺陷進行定位。

4.1 傳感器空間位置關(guān)聯(lián)

對部署在GIS上的傳感器進行編碼是建立GIS和傳感器空間關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)步驟，編碼規(guī)則為站點名稱_設(shè)備名稱_安裝位置_傳感器編號，站點名稱是GIS所在變電站的名稱，設(shè)備名稱是GIS的名稱，站點名稱和設(shè)備名稱需要與變電站臺賬信息一致；安裝位置為傳感器所處盆子的信息。例如：龍門變電站_1973水龍線主變進線間隔_1102主變開關(guān)電流互感器_UHF01，表示的是位于龍門變電站水龍線主變進線間隔電流互感器盆子的編號為UHF01的特高頻傳感器。

根據(jù)GIS空間結(jié)構(gòu)、電力連接圖和傳感器安裝位置，將編好碼的傳感器與GIS空間位置進行關(guān)聯(lián)，建立傳感器空間拓撲圖。拓撲圖不僅包括傳感器與GIS的空間位置信息，還包括局放信號傳播路徑上各傳感器的電氣連接信息。

4.2 特高頻信號異常判斷

當發(fā)生局部放電或外部干擾時特高頻傳感器采集到的圖譜數(shù)據(jù)會呈現(xiàn)局部放電特征，且電磁信號強度會比正常時的大。由于手機等外部干擾信號會導(dǎo)致電磁信號強度增大，所以通過信號強度閾值對比的方式對信號進行異常判斷無法排除干擾的影響。本文利用基于深度學(xué)習(xí)的圖譜識別和特高頻信號強度對比相結(jié)合的方法判斷信號是否異常，排除部分干擾的影響，提高信號異常判斷的準確性。判斷流程如下。

(1) 利用基于深度學(xué)習(xí)的圖譜識別方法對特高頻傳感器第i次采集的圖譜數(shù)據(jù)進行診斷，初步識別出數(shù)據(jù)異常的傳感器。

(2) 計算數(shù)據(jù)異常的特高頻傳感器第i次采集數(shù)據(jù)的脈沖個數(shù)Ni和平均放電幅值Fi，得到特高頻信號強度為

(3) 計算數(shù)據(jù)異常的特高頻傳感器第i次前采集數(shù)據(jù)的累積平均信號強度

式中，t為累積時間窗口長度，表示選取的累積次數(shù)；Nj為特高頻傳感器第j次采集正常數(shù)據(jù)的脈沖個數(shù)；Fj為特高頻傳感器第j次采集正常數(shù)據(jù)的平均放電幅值。

(4) 對數(shù)據(jù)異常的傳感器進行篩選，當Vi>Vj時，將該傳感器加入異常傳感器集。

異常傳感器集由多個采集到異常數(shù)據(jù)的傳感器組成，造成數(shù)據(jù)異常的原因可能是GIS內(nèi)部局部放電或外部放電干擾，其中放電源可能是一個或多個，要區(qū)分放電源并定位首先要對異常傳感器集進行分組。

4.3 異常傳感器分組

根據(jù)電磁波的衰減特性，同一放電源發(fā)出的電磁波信號強度會沿著傳播路徑發(fā)生不同程度的衰減，但局部放電的特征不會發(fā)生變化。利用信號特征的相似度可以判斷多個異常傳感器的同源性，對異常傳感器進行分組，識別局放源的數(shù)量。流程如下所示。

(1) 調(diào)節(jié)異常傳感器集中傳感器的采集頻次，同一時刻觸發(fā)采集n組特高頻異常數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行去噪處理。

(2) 計算每組特高頻數(shù)據(jù)的空間特征，空間特征包括放電信號的脈沖個數(shù)、放電次數(shù)相位分布集中度、平均幅值等21個特征值。

(3) 對空間特征進行Z-Score標準化處理，公式如下

(4) 計算任意兩個傳感器第i組數(shù)據(jù)的相關(guān)性為

式中，A、B為任意兩個異常傳感器的代號；simAB(i)為A、B兩個傳感器第i組特高頻數(shù)據(jù)的空間特性相似度；為傳感器A的第i組數(shù)據(jù)第j個特征值的標準化值；為傳感器B的第i組數(shù)據(jù)第j個特征值的標準化值。

(5) 計算A、B兩個傳感器n組特高頻異常數(shù)據(jù)的相似度均值

通過對信號特征的相似度進行分析，判斷信號的同源性，對不同放電源進行有效識別，提高定位的準確性。

4.4 排除空間干擾

每個異常傳感器組的放電源可能是GIS內(nèi)部的局部放電信號，也可能是GIS外部的空間干擾信號。根據(jù)電磁信號隨距離增大而衰減的特性，通過對單個異常傳感器組中各傳感器特高頻數(shù)據(jù)的信號強度進行對比，可以排除空間干擾信號，具體流程如圖4所示。

圖4 排除空間干擾流程圖

(1) 查看異常傳感器組中是否包含空間特高頻局放傳感器，如果不包含則判斷該組異常傳感器的放電源為內(nèi)部局部放電，否則進入下一步。

(2) 對空間特高頻局放傳感器的檢測數(shù)據(jù)進行過濾，去除噪聲干擾。

(3) 計算異常傳感器組中各特高頻傳感器的信號強度均值，信號強度均值計算公式如下

式中，VAv為傳感器A的信號強度均值；NAi為傳感器A第i組信號的脈沖個數(shù)；FAi為傳感器A第i組信號的平均放電幅值；n為異常傳感器組采集的異常數(shù)據(jù)組數(shù)。

(4) 對比各傳感器信號強度均值，如果最大值為空間特高頻局放傳感器的，則判斷該組異常傳感器的放電源為外部干擾信號；如果最大值為接觸式特高頻局放傳感器的，則判斷該組異常傳感器的放電源為內(nèi)部局放信號。

4.5 空間定位

根據(jù)同一放電源產(chǎn)生的信號到不同位置傳感器衰減程度不同的特性，本文針對同一內(nèi)部局放源，通過對比不同位置傳感器采集的信號強度判斷局放源的大致位置，對內(nèi)部局放缺陷進行定位，具體流程如下。

(1) 根據(jù)式(6)得到信號強度均值最大和次大的局放特高頻傳感器A、B，結(jié)合傳感器空間拓撲圖，得到與傳感器A和B有直接電氣連接的氣室為疑似放電氣室；同時將只安裝1個傳感器A的氣室列為疑似放電氣室。

(2) 利用傳感器A和與其相鄰的傳感器之間的中垂線對疑似放電氣室進行分割，得到中垂線和傳感器A之間的區(qū)域為疑似放電區(qū)域；若疑似放電氣室僅部署一個傳感器，則該氣室無需分割即為疑似放電區(qū)域。

(3) 判斷n個疑似放電區(qū)域的交集為局放源所處區(qū)域；若n個疑似放電區(qū)域無交集，則判斷n個疑似放電區(qū)域的并集為局放源所處區(qū)域。

5 應(yīng)用案例

采用基于特高頻傳感器的GIS局放信號監(jiān)測裝置對GIS設(shè)備進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)某站GIS存在異常放電信號，利用該GIS的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對本文提出的定位方法進行驗證。

該GIS為110 kV主變-進線間隔，其上安裝部署了9個特高頻傳感器，包括7個接觸式特高頻局放傳感器和2個空間特高頻局放傳感器。傳感器的位置拓撲圖如圖5所示，編號1～7為接觸式特高頻局放傳感器，編號8～9為空間特高頻局放傳感器。

圖5 傳感器位置拓撲圖

利用基于深度學(xué)習(xí)的圖譜識別方法對特高頻傳感器的圖譜數(shù)據(jù)進行診斷，識別出傳感器1～5、7、9圖譜數(shù)據(jù)存在異常；計算每個傳感器的信號強度及累積30天的平均信號強度，如表1所示。

表1 各傳感器信號強度值

通過對比信號強度的大小，將編號1～4、7和9的傳感器添加入異常傳感器集中，連續(xù)采集5組異常數(shù)據(jù)，計算異常傳感器集中每兩個傳感器的相似度均值，結(jié)果如表2所示，根據(jù)相似度閾值判定，將異常傳感器分為兩組，即存在兩個放電源，其中傳感器1～4為一組、傳感器7和9為一組。

表2 各傳感器相似度均值

傳感器1～4均為接觸式特高頻局放傳感器，其信號來自同一內(nèi)部放電源，通過對比傳感器5組異常數(shù)據(jù)的信號強度均值，得到傳感器4和3采集數(shù)據(jù)的信號強度依次是最大值和次大值，根據(jù)本文的定位方法，判斷局放源位于傳感器3上側(cè)、傳感器4左側(cè)的隔離開關(guān)氣室。對于傳感器7和9的異常傳感器組，由于傳感器9為空間特高頻局放傳感器，計算傳感器7和9的信號強度均值，通過對比得到傳感器9的信號強度均值大于傳感器8的，判斷該組的放電源為外部干擾信號。

通過對該GIS異常信號的跟蹤發(fā)現(xiàn)，其放電幅值和密度呈上升趨勢，后經(jīng)停電解體檢查，通過X光透視發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)中的絕緣拉桿存在裂紋和氣孔，如圖6所示。缺陷位置與本文定位結(jié)果吻合，證明了空間定位方法的有效性。

圖6 絕緣拉桿X光透視圖

6 結(jié)論

本文提出了基于特高頻傳感器的GIS局放信號監(jiān)測裝置及定位方法。通過分析GIS內(nèi)外部的特高頻電磁信號，結(jié)合傳感器與GIS的空間拓撲關(guān)系，識別GIS內(nèi)部局放信號，確定局放源所處位置。經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，驗證了定位方法的適用性，具有一定的推廣價值。

(1) 本文通過在GIS本體和周圍空間部署特高頻傳感器獲取放電信號。利用特高頻累積平均信號強度及特征相似度方法，排除空間放電信號的干擾，識別GIS內(nèi)部局部放電信號。結(jié)合特高頻智能傳感器的安裝位置與GIS的空間拓撲關(guān)系，并根據(jù)特高頻信號強度，實現(xiàn)局部放電源的定位。

(2) GIS特高頻傳感器監(jiān)測裝置投入運行后，實現(xiàn)了110 kV GIS設(shè)備主變-進線間隔的局部放電信號的在線監(jiān)測及局部放電信號的定位分析。

(3) 基于特高頻智能傳感器的GIS局部放電監(jiān)測系統(tǒng)與定位方法極大地降低了傳統(tǒng)GIS特高頻在線監(jiān)測定位狀態(tài)的成本，并解決了現(xiàn)場部署接線的不便等問題，可進行推廣應(yīng)用。