荊 濤，李興華，霍 炎

（北京交通大學(xué) 樹(shù)華無(wú)線感知實(shí)驗(yàn)室，北京 100044 ）

牽引變電所開(kāi)關(guān)設(shè)備安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

荊 濤，李興華，霍 炎

（北京交通大學(xué) 樹(shù)華無(wú)線感知實(shí)驗(yàn)室，北京 100044 ）

本文主要研究了牽引變電所內(nèi)GIS設(shè)備中SF6氣體濃度及其分解物的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)分析SF6氣體濃度及分解產(chǎn)物，及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的潛伏性故障，并進(jìn)行設(shè)備故障定位。該系統(tǒng)的研究包括兩個(gè)方面：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)備是便攜式氣體檢測(cè)儀，其中包括光離子檢測(cè)、電化學(xué)傳感器、多路傳感器等模塊。軟件系統(tǒng)定義了各個(gè)模塊之間的算法操作流程。

牽引變電；在線監(jiān)測(cè) ；SF6氣體；傳感器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)電氣化鐵路的快速發(fā)展，對(duì)牽引供電設(shè)備技術(shù)性能方面的要求不斷提高，受環(huán)境影響小、高可靠性、集成度高、占地和占空間少及免維護(hù)的新型牽引供電設(shè)備的需求日益迫切[1]。在客觀上需要發(fā)展110 kV及以上電壓等級(jí)全金屬封閉組合電器（GIS）及相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步研究其在27.5 kV電氣化鐵道牽引變電所的應(yīng)用[2]。

本文主要研究牽引變電所中GIS設(shè)備內(nèi)SF6氣體濃度及其分解物的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)采用檢測(cè)分析SF6氣體濃度及分解產(chǎn)物，能夠快速、有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的潛伏性故障，并進(jìn)行設(shè)備故障定位[6]。并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)及算法設(shè)計(jì)，提高檢測(cè)靈敏度和精度。

1 終端設(shè)備設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端硬件是HX-100B型便攜式氣體檢測(cè)儀，其主機(jī)面板如圖1所示。其工作原理是基于揮發(fā)性氣體的電離特性[7]，采用光離子化檢測(cè)器（PID）測(cè)量混合氣體中甲苯（C6H5CH3）、乙醇（CH3CH2OH）、甲乙酮（CH3COCH2CH3）等的含量；采用電化學(xué)傳感器測(cè)量混合氣體中氨氣（NH3）、硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、環(huán)氧乙烷（EO）等氣體的含量。

圖1 HX-100B型便攜式氣體檢測(cè)儀

1.1 工作原理

1.1.1 光離子化檢測(cè)（PID）

光離子化檢測(cè)器是由一個(gè)特定的紫外燈和一個(gè)電離室組成，通過(guò)紫外光能來(lái)激發(fā)電離室的氣體，激發(fā)后的離子則被收集電極采集，最終產(chǎn)生一個(gè)與化合物濃度成正比的電流[8]?；衔锬芊癖籔ID檢測(cè)器電離出離子取決于化合物離子化的能量。如果紫外燈的輸出能量高于化合物的電離電位，則PID可以檢出。該便攜式氣體檢測(cè)儀的標(biāo)準(zhǔn)紫外燈是10.6eV。PID可以檢測(cè)出芳香烴，不飽和烴和氯代烴等有機(jī)物。

1.1.2 電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器通過(guò)與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開(kāi)。氣體首先穿過(guò)細(xì)小的毛管型開(kāi)孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是疏水屏障層，最終到達(dá)電極表面。使用這種方法可以允許適量的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，便于形成充分的電信號(hào)，同時(shí)能夠有效的防止電解質(zhì)漏出傳感器[9]。通過(guò)電極間連接的電阻器，與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度。

電化學(xué)傳感器對(duì)目標(biāo)氣體擁有良好的選擇性，大多數(shù)與電化學(xué)反應(yīng)的氣體都屬于有毒有害氣體，以無(wú)機(jī)物為主，能夠與PID傳感器形成良好的互補(bǔ)。

1.1.3 多路傳感器

由于PID傳感器和電化學(xué)傳感器各有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，如果只使用一種傳感器，在測(cè)量氣體種類和測(cè)量濃度偏差方面往往會(huì)受到檢測(cè)方法本身的限制[10]。本文中介紹的便攜式氣體檢測(cè)儀采用多路傳感器同時(shí)對(duì)氣體進(jìn)行響應(yīng)，通過(guò)多種傳感器之間的交叉干擾能夠幫助判斷化合物的類型以及特征物質(zhì)的濃度。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

便攜式氣體檢測(cè)儀的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 便攜式氣體檢測(cè)儀技術(shù)指標(biāo)

2 中心服務(wù)器算法

便攜式氣體檢測(cè)儀把收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。GIS設(shè)備中有害的氣體主要有兩種：SOF2和SO2F2，所以中心服務(wù)器主要的工作就是把兩種氣體的濃度及時(shí)分析出來(lái)，達(dá)到及時(shí)報(bào)警的目的。將便攜式設(shè)備得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，進(jìn)行去噪降維處理，得到特征向量[11]。將特征向量輸入到SVM進(jìn)行學(xué)習(xí)，分類的準(zhǔn)確率在95%以上[12]。通過(guò)調(diào)節(jié)便攜式氣體檢測(cè)儀的參數(shù)，獲得傳感器在不同濃度SOF2、SO2F2和SOF2/SO2F2混合氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，從動(dòng)態(tài)曲線提取特征，利用SVM對(duì)SOF2/SO2F2混合氣體進(jìn)行定量分析，準(zhǔn)確地估計(jì)出氣體的濃度。系統(tǒng)算法的流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)算法流程圖

對(duì)便攜式氣體檢測(cè)儀傳給服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，提取主成分的第1和第2主成分，運(yùn)用支持向量機(jī)進(jìn)行分類。支持向量機(jī)采用的核函數(shù)是徑向基函數(shù)。

6個(gè)支持向量機(jī)的訓(xùn)練過(guò)程如下：

（1）將兩種氣體的混合體作為一類樣本，訓(xùn)練模型SVM1。（2）將SOF2和SO2F2分別單獨(dú)作為一類樣本，訓(xùn)練模型SVM2。對(duì)于被測(cè)氣體為SOF2/ SO2F2混合氣體的情況。將混合氣體中SOF2的實(shí)際濃度作為期望值，將傳感器在t時(shí)刻的響應(yīng)值作為一維輸入向量，訓(xùn)練模型SVM3，利用SVM3估計(jì)混合氣體中SOF2的濃度。（3）將混合氣體中SO2F2的實(shí)際濃度作為期望值，將SVM3估計(jì)的SOF2濃度與傳感器靈敏度S組成二維輸入向量，訓(xùn)練模型SVM4，利用SVM4估計(jì)混合氣體中SO2F2的濃度。

對(duì)于被測(cè)氣體為單一SO2F2的情況。將SO2F2的實(shí)際濃度作為期望值，傳感器靈敏度作S為一維輸入向量，訓(xùn)練模型SVM5，利用SVM5估計(jì)SO2F2的濃度。同理，對(duì)被測(cè)氣體為單一SOF2的情況。將SOF2的實(shí)際濃度作為期望值，傳感器靈敏度作S為一維輸入向量，訓(xùn)練模型SVM6，利用SVM6估計(jì)SOF2的濃度。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)在線式檢測(cè)設(shè)備作研究和改進(jìn)，采用SVM（支持向量機(jī)）、遺傳算法，根據(jù)傳感器的動(dòng)態(tài)電離曲線，對(duì)SF6氣體分解物進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)分析，從而得到SO2、H2S、CO、HF等氣體成分及含量。根據(jù)所得到的SF6氣體分解物的成分、含量，建立GIS設(shè)備狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)GIS設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)。設(shè)備采用ARM架構(gòu)的工業(yè)級(jí)微處理器實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性好、可靠性高、成本低。設(shè)備可以連續(xù)對(duì)空氣中SF6的含量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的結(jié)果存到內(nèi)置的SD卡中，并通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定時(shí)上傳到中心服務(wù)器，維護(hù)人員可在監(jiān)控室內(nèi)遠(yuǎn)程控制設(shè)備的工作狀態(tài)，大大降低了故障風(fēng)險(xiǎn)，以及對(duì)維護(hù)、檢修人員的技術(shù)要求和勞動(dòng)強(qiáng)度。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。無(wú)線終端設(shè)備即便攜式氣體檢測(cè)儀將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳給中心服務(wù)器，中心服務(wù)器根據(jù)特定的算法對(duì)氣體進(jìn)行分析，最后將結(jié)果傳遞給管理人員。

圖3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)牽引變電所開(kāi)關(guān)設(shè)備安全在線系統(tǒng)的需求，研究設(shè)計(jì)了牽引變電所內(nèi)GIS設(shè)備對(duì)SF6氣體濃度及其分解物的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SF6的氣體濃度及分解產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)并分類，快速有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的潛伏性故障，并進(jìn)行設(shè)備故障定位。本文詳細(xì)介紹了設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)包括使用多路傳感器提高算法準(zhǔn)確率和精度，并對(duì)數(shù)據(jù)采用主成分分析及動(dòng)態(tài)曲線特征提取等方法實(shí)現(xiàn)中心服務(wù)器算法。

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責(zé)任編輯 陳 蓉

Online Monitoring System for detecting security of switch device in the traction substation

JING Tao, LI Xinghua, HUO Yan
( Shuhua Wireless Sensor Laboratory, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China )

This paper mainly studied on the Online Monitoring System for concentration of SF6gas and its decomposition products in the GIS equipment within the traction substation. The latent mulfunction in the machine could be timely and effectively discovered, and located by detecting the concentration of SF6gas and its decomposition products. The study of the System included two aspects, such as hardware design and software design. Hardware device was a portable gas detector, which included photoionization detection module, electrochemical sensors module, multiple sensor modules and so on. Software system def i ned the operational fl ow of algorithms between the various modules.

traction substation; online monitoring; SF6gas; sensor; system design

U224∶TP39

A

1005-8451（2015）04-0005-04

2014-12-26

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題（2013J010-D）。

荊 濤，教授；李興華，副教授。