劉 萌，張峰達(dá)，李壯壯，鄭文杰，楊 祎

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

氣體絕緣開關(guān)組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）隨著國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)［1-2］。但由于GIS 設(shè)備在設(shè)計、制造、安裝、運(yùn)維等環(huán)節(jié)存在的問題，以及投運(yùn)較早的GIS 設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入設(shè)備壽命的中后期，GIS 設(shè)備在近年來逐漸呈現(xiàn)故障多發(fā)的情況，給電力系統(tǒng)造成的風(fēng)險和隱患也逐漸暴露出來。經(jīng)調(diào)查，GIS 故障主要分絕緣故障、機(jī)械故障、發(fā)熱故障等，其中絕緣故障占比最高［3-4］。提前發(fā)現(xiàn)GIS 設(shè)備存在的絕緣異常，進(jìn)行正確的診斷和預(yù)警，是GIS 設(shè)備狀態(tài)評價工作亟須解決的問題。特高頻（Ultra High Frequency，UHF）檢測方法由于靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、具有局部放電模式識別能力和放電源定位等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于GIS 狀態(tài)檢測和預(yù)警［5-6］。近年來，基于特高頻法的GIS 絕緣缺陷檢測技術(shù)應(yīng)用廣泛，取得了一些成績。但GIS 特高頻診斷技術(shù)往往集中在各省電力科學(xué)研究院和省會城市的核心班組。GIS 特高頻檢測技術(shù)推廣的主要難度在于一線檢測人員無法有效區(qū)別現(xiàn)場干擾和局部放電信號，帶電檢測和在線監(jiān)測診斷設(shè)備給出的GIS 特高頻局部放電信號診斷結(jié)果準(zhǔn)確率也不高［7］，不能很好地為檢測人員提供局部放電類型參考。

產(chǎn)生上述問題的主要原因是現(xiàn)場局部放電信號在絕緣故障的早期、中期、晚期具有不同的表現(xiàn)形式，且不同位置、不同形狀的絕緣缺陷表現(xiàn)形式也不一樣。當(dāng)前，局部放電類型診斷訓(xùn)練和局放儀器校驗所用的絕緣缺陷信號常常來自實驗室，這些信號是通過對內(nèi)置絕緣缺陷的GIS 設(shè)備加壓的方式獲取，此種方法模擬的絕緣缺陷信號過于單一［8］，且具有不穩(wěn)定性，主要反映在：信號幅值不可調(diào)節(jié)；放電持續(xù)性無法保證；放電類型切換麻煩；無法有效模擬信號的早期、中期和晚期的發(fā)展過程［9］。因此，通過對內(nèi)置絕緣缺陷的GIS 設(shè)備加壓的方式無法真實有效地復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場局部放電信號。通過這些信號訓(xùn)練的各類局部放電帶電檢測和在線監(jiān)測設(shè)備絕緣缺陷診斷結(jié)果不準(zhǔn)確，識別結(jié)果往往出現(xiàn)錯誤，加劇了一線測試人員判斷局部放電信號的難度［10］。

以華北電力大學(xué)、重慶大學(xué)等為代表的高校也曾推出過一些模擬局部放電特高頻信號的信號源［11］。其中，華北電力大學(xué)實驗室研制了一款上升沿小于300 ps 的陡脈沖信號源，在輸出幅值和輸出頻率上均可調(diào)節(jié)，但輸出信號不具備電力系統(tǒng)所需的50 Hz 工頻相位特征。重慶大學(xué)開發(fā)了一款衰減震蕩式信號源，其輸出的模擬放電信號具有工頻相位特征，但信號頻譜單一，不能反映局部放電特高頻信號的真實情況［12-13］。

為此，設(shè)計開發(fā)了一種可以將行業(yè)內(nèi)局部放電儀普遍采取的dat 格式的特高頻局部放電信號寫入并反向可控輸出的GIS 局部放電特高頻信號仿真裝置。裝置可復(fù)現(xiàn)局部放電信號并進(jìn)行雙通道反向輸出，其中反向輸出的信號具備原來采集到的局部放電信號的局部放電相位分布譜圖（Phase Resolved Partial Discharge，PRPD）和脈沖序列相位分布譜圖（Phase Resolved Pulse Sequence，PRPS）特征，且具備300～1 500 MHz 頻譜輸出的能力。裝置可產(chǎn)生各類局部放電信號和電磁干擾信號，實現(xiàn)GIS 局部放電特高頻信號和變電站電磁干擾信號的真實重現(xiàn)［14］。在該裝置的基礎(chǔ)上開展一系列局部放電特高頻信號輸出的驗證試驗，證明本裝置的有效性。

1 特高頻信號仿真裝置硬件設(shè)計

1.1 基本原理

大量現(xiàn)場測試及實驗研究表明，電力設(shè)備局部放電脈沖波形上升沿時間僅為幾納秒，甚至小于1 ns，同時激發(fā)出特高頻電磁波脈沖向空間發(fā)射，其等效放電電荷量為數(shù)皮庫至上千皮庫，能量頻譜集中在300～1 500 MHz。仿真裝置采用基于射頻信號發(fā)生器原理及任意波發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）原理實現(xiàn)，射頻信號源產(chǎn)生持續(xù)的正弦波信號（頻率300～1 500 MHz），AWG 任意波發(fā)生器產(chǎn)生幅值和波形受控的脈沖信號，對正弦波信號進(jìn)行幅度調(diào)制后輸出［15］，其原理如圖1 所示。單個模擬特高頻脈沖的波形如圖2 所示。

圖1 模擬特高頻脈沖原理Fig.1 Schematic diagram of simulated UHF pulses

圖2 模擬特高頻脈沖波形Fig.2 Waveform diagram of simulated UHF pulses

1.2 實現(xiàn)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GIS 局部放電特高頻信號仿真裝置硬件具體由核心CPU 控制單元、電源管理單元、局部放電仿真信號產(chǎn)生單元以及人際交互顯示單元組成，其硬件具體實現(xiàn)原理如圖3 所示。

圖3 仿真裝置硬件原理Fig.3 Schematic diagram of simulation device

特高頻信號仿真裝置硬件工作流程為：

1）CPU 控制單元從圖譜存儲單元讀取指定PRPS 圖譜數(shù)據(jù)；

2）CPU 控制單元將PRPS 圖譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為脈沖序列數(shù)據(jù)，其中包括每個脈沖的幅值和距離上一個脈沖的時間差，格式為｛A［n］，T［n］｝，其中A［n］為脈沖序列中第n個脈沖的幅值，T［n］為脈沖序列中第n個脈沖與第n-1 個脈沖之間的時間差；

3）CPU 根據(jù)脈沖序列數(shù)據(jù)生成一系列幅度控制數(shù)據(jù)；

4）CPU 控制射頻數(shù)字倍頻器產(chǎn)生兩路同頻同相位的載波信號，載波頻率可設(shè)置為300～1 500 MHz之間的一個值；

5）該載波信號進(jìn)入脈沖調(diào)制單元產(chǎn)生幅值固定的脈沖信號；

6）脈沖信號經(jīng)過幅度調(diào)制單元，按照幅度控制數(shù)據(jù)調(diào)整各個脈沖的幅值；

7）幅度調(diào)制后的n個脈沖信號經(jīng)功率放大器放大后，由發(fā)射天線循環(huán)發(fā)射出去。

1.3 局部放電仿真信號產(chǎn)生單元

局部放電仿真信號產(chǎn)生單元用以產(chǎn)生各種圖譜對應(yīng)的脈沖信號，其結(jié)合了射頻信號發(fā)生器和AWG任意波發(fā)生器原理。具體為一顆溫補(bǔ)振蕩器（Temperature Compensated Crystal Oscillator，TCXO）產(chǎn)生一基礎(chǔ)本振信號，通過數(shù)字倍頻鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）芯片倍頻產(chǎn)生300～1 500 MHz 載波信號，然后由CPU 的高速高分辨定時器定時控制脈沖開關(guān)單元的開與關(guān)形成脈沖調(diào)制，脈沖調(diào)制后的信號經(jīng)過高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital Analog Converter，DAC），根據(jù)圖譜幅值產(chǎn)生對應(yīng)的模擬電壓，調(diào)節(jié)輸出信號的幅值形成幅度調(diào)制，最后由功率放大芯片放大輸出信號通過發(fā)射天線對外發(fā)射，產(chǎn)生模擬局部放電信號。

射頻數(shù)字倍頻器選用某公司ADF4350 型號，其輸出頻率范圍為137～4 400 MHz，并具有AB 兩個輸出通道用于信號輸出。

脈沖調(diào)制單元選用某公司XA2179 射頻開關(guān)，其工作頻率范圍50～3 000 MHz，開關(guān)響應(yīng)速度快，符合裝置設(shè)計要點(diǎn)。

幅度調(diào)制單元選用某公司HMC346 壓控衰減器，具有大動態(tài)衰減范圍、衰減隨控制電壓線性變化、優(yōu)異的輸入和輸出駐波等特點(diǎn)［16］，本裝置采用多個級聯(lián)實現(xiàn)大范圍幅度調(diào)制。

功率放大單元選用某公司TQP3M9009 射頻放大器，其工作頻率范圍為50～4 000 MHz，放大增益為20 dB，最大輸出功率為2 W［17］，滿足本裝置需求。

2 特高頻信號仿真裝置軟件設(shè)計

為實現(xiàn)模擬信號輸出，開發(fā)一款上位機(jī)軟件，用于將具有特定數(shù)據(jù)格式的GIS 局部放電現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)通過格式轉(zhuǎn)換后載入特高頻信號仿真裝置［18］。

2.1 特高頻圖譜的轉(zhuǎn)換

為了使特高頻信號仿真裝置能夠輸出與現(xiàn)場檢測的真實局部放電一致的圖譜，仿真裝置上位機(jī)軟件需要對PRPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)格式由PRPS 圖譜，結(jié)合實時工頻頻率，轉(zhuǎn)換為脈沖序列數(shù)據(jù)，從而控制信號仿真裝置以實時工頻頻率為基準(zhǔn)，按照脈沖序列中各脈沖的幅值和時間間隔依次輸出特高頻信號。

檢測圖譜數(shù)據(jù)格式依據(jù)的是國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院發(fā)布的《電力設(shè)備帶電檢測圖譜數(shù)據(jù)通用格式規(guī)范》。根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)范，特高頻局部放電現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的PRPD 和PRPS 圖譜數(shù)據(jù)以二維數(shù)組的形式保存在數(shù)據(jù)文件內(nèi)。截取數(shù)據(jù)規(guī)范中“局部放電圖譜數(shù)據(jù)格式”部分進(jìn)行說明，如表1所示。

表1 局部放電圖譜數(shù)據(jù)格式Table 1 Pattern data format of PD

由于PRPS 圖譜是脈沖序列圖譜，因此可以將數(shù)據(jù)文件內(nèi)的PRPS 圖譜轉(zhuǎn)換為模擬裝置能夠識別的脈沖序列，從而使模擬裝置輸出與數(shù)據(jù)文件內(nèi)的PRPS 圖譜相對應(yīng)的特高頻脈沖序列［19］。

PRPS 圖譜二維數(shù)組對應(yīng)了檢測期間p個工頻周期內(nèi)的特高頻信號在每個工頻周期上的分布，其中每個工頻周期的時間被平均分為m個區(qū)間，d［p］［m］的值代表了第p個周期第m個區(qū)間內(nèi)的特高頻脈沖的幅值，單位為dBm。若某個周期的某個區(qū)間內(nèi)未檢測到特高頻脈沖，則該處信號幅值為Float.NaN，記為FN；若某個周期的某個區(qū)間內(nèi)檢測到多個特高頻脈沖，則該區(qū)間信號幅值設(shè)置為其中最大脈沖的幅值。

PRPS 圖譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬裝置脈沖序列的流程如圖4 所示。

圖4 PRPS圖譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬裝置脈沖序列的流程Fig.4 Flow chart of converting PRPS pattern data into analog device pulse sequences

轉(zhuǎn)換時，裝置內(nèi)置軟件首先從工頻同步模塊取得當(dāng)前工頻頻率，得到當(dāng)前的脈沖間隔分辨率1/（fm），然后以m優(yōu)先的方式依次遍歷PRPS 圖譜數(shù)據(jù)d［p］［m］中p個工頻周期的m個區(qū)間：如果該區(qū)間有脈沖（d≠FN），則在脈沖序列中增加一個脈沖［A，T］，其中幅值A(chǔ)為該處的d值，時間T為該脈沖距離上一個脈沖的時間差（間隔區(qū)間數(shù)與間隔分辨率乘積）。如果該區(qū)間無脈沖（d=FN），則脈沖區(qū)間計數(shù)器累加，直到下一個有脈沖的區(qū)間為止。每當(dāng)遍歷完一個工頻周期時，重新獲取當(dāng)前工頻頻率，重新計算當(dāng)前的脈沖間隔分辨率，保證輸出的圖譜與當(dāng)前電網(wǎng)工頻頻率同步。

2.2 特高頻圖譜的載入

進(jìn)入特高頻信號仿真裝置軟件后，點(diǎn)擊“文件”“導(dǎo)入模板”，選擇需要導(dǎo)入的局部放電圖譜文件，如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)入dat圖譜數(shù)據(jù)Fig.5 Importing dat pattern data

圖譜導(dǎo)入軟件后，圖譜可以直接下發(fā)至特高頻信號仿真裝置，也可以對導(dǎo)入的圖譜進(jìn)行編輯和優(yōu)化。例如：修改圖譜名稱；設(shè)置圖譜的最大、最小尺度，并進(jìn)行相位移動；刪除不需要的區(qū)域，如背景或干擾信號，如圖6 所示。軟件支持對導(dǎo)入圖譜及設(shè)置后的PRPD、PRPS 圖譜瀏覽。導(dǎo)入圖譜編輯完成后，導(dǎo)入圖譜的設(shè)置已完成，可以下發(fā)仿真裝置進(jìn)行使用。

圖6 編輯導(dǎo)入圖譜Fig.6 Editing imported pattern data

2.3 特高頻圖譜的下發(fā)

使用USB 或WiFi 方式連接上位機(jī)與仿真裝置。選擇需要移入仿真裝置的圖譜，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵彈出“移至設(shè)備”按鈕，點(diǎn)擊“移至設(shè)備”，則該圖譜將下發(fā)至特高頻信號仿真裝置中，如圖7 所示。仿真裝置中已有的圖譜在“設(shè)備圖譜”中進(jìn)行顯示。

圖7 圖譜下發(fā)至特高頻信號仿真裝置Fig.7 Sending pattern data to UHF signal simulation device

3 實用性測試

3.1 信號輸出測試

在特高頻信號仿真裝置中導(dǎo)入多組現(xiàn)場GIS 局部放電特高頻真實放電圖譜，采用特高頻傳感器作為天線進(jìn)行輸出，使用特高頻局部放電帶電檢測儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將采集到的圖譜與原局部放電帶電檢測儀器采集到的圖譜進(jìn)行對比，查看是否具有相似的PRPD 和PRPS 圖譜［20］。

共開展100 組測試數(shù)據(jù)的對比，對比結(jié)果表明：特高頻信號仿真裝置輸出的信號與原局部放電帶電檢測儀器采集到的局部放電信號具有較高的相似度。隨機(jī)抽取電暈放電信號和懸浮放電信號2 組對比信號，測試結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 特高頻信號仿真裝置電暈放電信號模擬Fig.8 Simulation of corona discharge signal using UHF signal simulation device

圖9 特高頻信號仿真裝置懸浮放電信號模擬Fig.9 Simulation of floating discharge signal using UHF signal simulation device

3.2 局部放電檢測儀進(jìn)行仿真信號識別校驗

在特高頻信號仿真裝置模擬各類現(xiàn)場局部放電圖譜后，開展局部放電檢測儀對仿真信號進(jìn)行識別的校驗。通過特高頻信號仿真裝置輸出局部放電信號，使用局部放電檢測儀采集局部放電信號，在局部放電檢測儀觀察局部放電信號識別結(jié)果，進(jìn)行局部放電檢測儀局部放電信號類型識別校驗。

使用不同局部放電檢測儀對特高頻信號仿真裝置輸出的100 組數(shù)據(jù)進(jìn)行識別校驗，以判斷局部放電檢測儀對局部放電信號識別的準(zhǔn)確率，達(dá)到局部放電檢測儀放電類型識別的校驗工作。

將選取兩個信號的局部放電檢測儀檢測結(jié)果進(jìn)行對比，如圖10、圖11 所示。

圖10 尖端放電識別結(jié)果Fig.10 Identification results of tip discharge

圖11 懸浮放電識別結(jié)果Fig.11 Identification results of floating discharge

由圖10 可知，某型局部放電帶電檢測儀檢測到電暈放電，且診斷結(jié)果為“尖端放電83%”“浮動電極放電17%”，可見對電暈放電具有較高的準(zhǔn)確率。由圖11 可知，該局部放電檢測儀檢測到懸浮放電，且診斷結(jié)果為“浮動電極放電77%”“尖端放電23%”，可見對懸浮放電具有較高的準(zhǔn)確率。

校驗試驗還對該省其他局部放電檢測儀器進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示，針對特高頻局部放電信號的識別結(jié)果，不同設(shè)備的識別結(jié)果差異較大。

通過對局部放電檢測儀進(jìn)行仿真信號識別校驗，也能證明特高頻信號仿真裝置的有效性，以及利用該裝置開展局部放電檢測儀局部放電類型識別校驗的可行性。

4 結(jié)束語

隨著GIS 設(shè)備應(yīng)用范圍擴(kuò)大、已投運(yùn)GIS 設(shè)備逐漸進(jìn)入設(shè)備壽命的中后期，以及狀態(tài)檢修工作的不斷推進(jìn)，如何利用局部放電檢測儀和在線監(jiān)測設(shè)備盡早發(fā)現(xiàn)GIS 潛在絕緣缺陷將是電力運(yùn)維的工作重心。在此過程中，局部放電帶電檢測和在線監(jiān)測設(shè)備診斷現(xiàn)場真實局部放電的準(zhǔn)確性關(guān)乎缺陷嚴(yán)重程度判斷、系統(tǒng)報警策略、檢修策略等一系列關(guān)鍵問題。

為校驗局部放電檢測儀和在線監(jiān)測設(shè)備識別、診斷特高頻局部放電信號的能力而開發(fā)的GIS 局部放電特高頻信號仿真裝置，將有效驗證局放檢測設(shè)備診斷絕緣缺陷的有效性。該裝置采用多種創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)現(xiàn)場dat 格式的特高頻局部放電數(shù)據(jù)的寫入并反向可控輸出。裝置輸出的特高頻信號與原信號具有極強(qiáng)的PRPD 和PRPS 相似度，可以用于局部放電信號的識別和診斷訓(xùn)練、校驗局部放電檢測儀、開展局部放電類型識別培訓(xùn)等工作。裝置輸出的特高頻信號穩(wěn)定、持續(xù)、可控，將極大地節(jié)約局放儀器的校驗成本。