高中天

（國(guó)能浙江南潯天然氣熱電有限公司，浙江 湖州 313000）

目前，高壓開關(guān)柜內(nèi)部的故障探測(cè)大多在斷電后才能完成，實(shí)時(shí)在線探測(cè)技術(shù)較少。由于各種原因，高壓開關(guān)柜經(jīng)常無(wú)法按周期進(jìn)行大范圍斷電維修，因此對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提出了更高要求。另外，2次大停電檢修間，設(shè)備的絕緣狀況是未知的，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法及時(shí)解決。此外，高壓開關(guān)柜是把設(shè)備放在一個(gè)柜子中，一旦出現(xiàn)異常，操作人員查看時(shí)發(fā)現(xiàn)不了內(nèi)部異常，紅外線測(cè)溫就會(huì)失效。各設(shè)備部件、母線、支撐絕緣子等到現(xiàn)場(chǎng)后，高壓開關(guān)柜將其再裝進(jìn)外殼成一整體，并且必須經(jīng)檢驗(yàn)后，在現(xiàn)場(chǎng)裝配好。然而，在野外進(jìn)行高壓力下的測(cè)定比室內(nèi)試驗(yàn)困難得多，一旦出現(xiàn)故障，其危害性會(huì)比過(guò)去的分散式開放裝置更嚴(yán)重，檢修周期也較長(zhǎng)[1]。此外，由于開關(guān)箱產(chǎn)品越來(lái)越小型化，因此絕緣余量下降。尤其是夏季，室內(nèi)溫度較高，濕度也更大，里面的絕緣元件會(huì)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象且從外觀上完全看不出來(lái)[2]。為促進(jìn)局部放電監(jiān)測(cè)水平的進(jìn)一步提升，該文將結(jié)合5G專網(wǎng)的TEV+AE原理，進(jìn)行對(duì)高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)和研究。

1 高壓開關(guān)柜局放信號(hào)數(shù)據(jù)增強(qiáng)

監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜局放時(shí)[3]，高壓開關(guān)柜發(fā)生局部放電的放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生短暫的瞬態(tài)電信號(hào)，這些瞬態(tài)信號(hào)可能具有較高的峰值電壓和頻率分量且較短暫，同時(shí)，局部放電通常是微弱的電流或電壓放電現(xiàn)象，因此，為了給高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確的有效數(shù)據(jù)[4]，需要增強(qiáng)所采集的高壓開關(guān)柜數(shù)據(jù)，從而更好地捕捉這些瞬態(tài)效應(yīng)，提高信號(hào)的靈敏度和可檢測(cè)性，有效地檢測(cè)和分析微弱的局部放電信號(hào)，并在一定程度上抑制噪聲。該文在該部分引入高通濾波，并將該算法與峰值檢測(cè)算法相結(jié)合，以達(dá)到有效增強(qiáng)高壓開關(guān)柜局放信號(hào)數(shù)據(jù)的目的。在結(jié)合高通濾波和峰值檢測(cè)來(lái)增強(qiáng)局部放電信號(hào)過(guò)程中，進(jìn)行算法處理的步驟如下。

首先，初始信號(hào)：獲取待處理的局部放電信號(hào)，將原始信號(hào)設(shè)為x（t），其中t為時(shí)間。

其次，高通濾波：應(yīng)用高通濾波器濾除原始信號(hào)中的低頻成分和直流分量，保留高頻內(nèi)容。高通濾波如公式（1）所示。

式中：y（t）表示高通濾波后的信號(hào)；LPE（x（t））表示低通濾波器對(duì)原始信號(hào)的濾波結(jié)果，用于提取低頻成分和直流分量。

最后，峰值檢測(cè)：對(duì)高通濾波后的信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)，獲取信號(hào)的峰值部分。峰值檢測(cè)如公式（2）所示。

式中：z（t）表示峰值檢測(cè)后的信號(hào)；max表示取絕對(duì)值后的最大值操作；abs（·）表示取絕對(duì)值；α表示峰值檢測(cè)系數(shù)。

該算法使用高通濾波器濾除原始信號(hào)中的低頻和直流分量，突出信號(hào)的高頻成分和瞬態(tài)效應(yīng)。然后峰值檢測(cè)提取峰值部分用于增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度和清晰度。經(jīng)該算法處理后的高壓開關(guān)柜信號(hào)可以更好地突出局部放電信號(hào)，提高信號(hào)的可辨度和檢測(cè)能力。

2 基于5G專網(wǎng)TEV+AE原理的局部放電模式識(shí)別

在5G專網(wǎng)中，利用TEV的工作原理可以監(jiān)控開關(guān)柜體表面瞬態(tài)地電壓。該方法能夠?qū)ρb置中的局部放電信號(hào)進(jìn)行有效監(jiān)控，同時(shí)還具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以進(jìn)行對(duì)高壓開關(guān)柜的不停電的局部放電監(jiān)測(cè)。在開關(guān)箱內(nèi)，當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)[5]，將產(chǎn)生一種以光速向四面八方迅速傳播的高頻電流[6]。電流場(chǎng)的趨膚效應(yīng)會(huì)使電流場(chǎng)無(wú)法通過(guò)金屬盒，而是在金屬盒中傳輸。在金屬與絕緣連接的位置上，電流波會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，并產(chǎn)生電磁波。電磁波能夠在空隙中傳播。當(dāng)電流波經(jīng)過(guò)金屬外殼時(shí)，在外殼上會(huì)形成一個(gè)電壓，即1TEV。在5G專網(wǎng)的AE原理的基礎(chǔ)上，可對(duì)高壓開關(guān)柜的局部放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在不改變?cè)O(shè)備原有運(yùn)行模式的情況下，可以利用多個(gè)傳感器和接收到的時(shí)差對(duì)缺陷進(jìn)行定位，并且監(jiān)測(cè)過(guò)程中不會(huì)受電磁的影響。根據(jù)上述論述，該文提出一種基于5G專網(wǎng)的TEV+AE原理放電模式識(shí)別方式[7]。利用TEV+AE原理，將增強(qiáng)處理后的局部放電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行局放特征提取，得到歸一化的高壓開關(guān)柜各類典型絕緣缺陷局部放電信號(hào)特征，如公式（3）所示。

式中：x'（t）表示歸一化的高壓開關(guān)柜各類典型絕緣缺陷局部放電信號(hào)特征；n表示特征類型。

在該過(guò)程中，輸出量為高壓開關(guān)柜4種典型局部放電類型和無(wú)局部放電狀態(tài)，其表達(dá)式如公式（4）所示。

式中：Y表示輸出量集合；z1表示針板放電類型；z2表示內(nèi)部放電類型；z3表示懸浮放電類型；z4表示絕緣子沿面放電類型；z5表示無(wú)局部放電狀態(tài)。

在確定輸入量和輸出量后，根據(jù)Mercer條件，選取不同的內(nèi)積核函數(shù)構(gòu)造SVM，構(gòu)建如公式（5）所示的多項(xiàng)式核函數(shù)。

式中：d表示函數(shù)的階數(shù)；K（xi（t），x'（t））表示多項(xiàng)式核函數(shù)；β表示局放模式識(shí)別系數(shù)。

遺傳算法是一種模仿遺傳機(jī)制和自然界中的優(yōu)勝劣汰原則的進(jìn)化算法，具有良好的收斂性能、較少的計(jì)算時(shí)間和較高的魯棒性。但是，它也存在編程復(fù)雜、無(wú)法及時(shí)反饋網(wǎng)絡(luò)信息以及容易發(fā)生早熟等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，該文利用各種群遺傳算法來(lái)尋找開關(guān)柜局部放電模式識(shí)別的最優(yōu)參數(shù)。尋優(yōu)的流程如下：確定編碼方式—設(shè)置種群規(guī)模與種群數(shù)量—設(shè)定控制參數(shù)—設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)—移民操作—人工選擇操作—設(shè)置迭代終止判據(jù)—選擇、較差和變異—解碼—輸出最優(yōu)參數(shù)。利用最優(yōu)參數(shù)，將其代入上述核函數(shù)中，通過(guò)核函數(shù)的運(yùn)算得到相應(yīng)的輸出結(jié)果，并將其與上述5種不同局部放電類型進(jìn)行比較，進(jìn)行對(duì)放電模式的識(shí)別。

3 局部放電在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警

為了在線監(jiān)測(cè)高壓開關(guān)柜局部放電，將上述運(yùn)算以程序的方式輸入計(jì)算機(jī)中，并在實(shí)際應(yīng)用前對(duì)上、下位機(jī)的通信功能進(jìn)行測(cè)試。首先，在開關(guān)柜內(nèi)部，將局部放電缺陷模型分別安裝好，并將TEV+AE信號(hào)調(diào)理單元的增益設(shè)定為60dB。設(shè)置高壓測(cè)試后，打開上位機(jī)，輸入用戶名和密碼，登錄到局部放電在線監(jiān)測(cè)中。其次，調(diào)節(jié)器啟動(dòng)，以0V為起點(diǎn)，對(duì)工作頻率電壓進(jìn)行負(fù)載，并對(duì)高壓開關(guān)柜中的局部放電進(jìn)行超高頻信號(hào)采集。分析局部放電在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并將局部放電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與局部放電實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)得到的結(jié)果驗(yàn)證數(shù)據(jù)通信可靠、穩(wěn)定后，將其正式應(yīng)用到高壓開關(guān)柜局部放電的在線監(jiān)測(cè)中。針對(duì)局部放電的在線監(jiān)測(cè)包括2種模式，一種為快速巡檢監(jiān)測(cè)，另一種為重癥監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)。2種在線監(jiān)測(cè)的基本流程如圖1所示。

圖1 局部放電在線監(jiān)測(cè)流程圖

從圖1所示的工作流程可以看出，無(wú)論是快速巡檢還是重癥監(jiān)護(hù)，都需要連接相應(yīng)的傳感器，并完成背景噪聲檢測(cè)等操作。二者的不同之處為快速巡檢需要對(duì)多臺(tái)高壓開關(guān)柜進(jìn)行監(jiān)測(cè)且需要反復(fù)操作，而重癥監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)主要是對(duì)出現(xiàn)故障的高壓開關(guān)柜進(jìn)行有針對(duì)性的長(zhǎng)期的持續(xù)監(jiān)測(cè)。對(duì)背景噪聲進(jìn)行探測(cè)后，要根據(jù)所探測(cè)的噪聲決定局部放電的閾值，該數(shù)值會(huì)隨環(huán)境噪聲的變化而變化，探測(cè)時(shí)間通常不會(huì)少于1min。針對(duì)高壓開關(guān)柜不同局部放電類型及其程度，設(shè)置不同的預(yù)警等級(jí)，以便能更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)柜的異常并制定解決方案。

4 對(duì)比試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

通過(guò)上述論述，并結(jié)合5G專網(wǎng)的TEV+AE原理，該文提出了一種全新的針對(duì)高壓開關(guān)柜局部放電的在線監(jiān)測(cè)方法。為了驗(yàn)證新的監(jiān)測(cè)方法是否能夠應(yīng)用于實(shí)際并解決現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，將新的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為試驗(yàn)組，將基于特高頻法的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為對(duì)照A組，將基于測(cè)量傳感器的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為對(duì)照B組，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

在高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，需要搭建的硬件環(huán)境如下。1）局部放電缺陷模型的安裝，為了模擬真實(shí)的局部放電情況，需要在高壓開關(guān)柜內(nèi)部安裝局部放電缺陷模型（可以是人工制造或仿真的電氣缺陷），以便進(jìn)行試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)。2）將TEV+AE信號(hào)調(diào)理單元增益設(shè)置為60dB，使用TEV（Transient Earth Voltage）和AE（Acoustic Emission）信號(hào)調(diào)理單元來(lái)接收和處理局部放電產(chǎn)生的超高頻信號(hào)。調(diào)整其增益為60dB，以確保能夠有效捕捉局部放電信號(hào)。3）高壓測(cè)試與工作頻率負(fù)載。進(jìn)行高壓測(cè)試，即給高壓開關(guān)柜施加額定工作頻率的電壓。同時(shí)，通過(guò)負(fù)載模擬實(shí)際運(yùn)行條件，以確保測(cè)試的真實(shí)性。4）連接相應(yīng)的傳感器。適當(dāng)選擇合適的傳感器，例如TEV傳感器和AE傳感器，將其連接到高壓開關(guān)柜內(nèi)部，用于采集局部放電信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)。

通過(guò)配備和連接這些硬件設(shè)備，可以采集和監(jiān)測(cè)局部放電信號(hào)，并進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和處理。由于在大氣條件下，高壓開關(guān)柜局部放電是一種隨機(jī)現(xiàn)象，各類型放電均有其特殊的統(tǒng)計(jì)特性，因此在試驗(yàn)的過(guò)程中一次采集2000個(gè)頻率范圍內(nèi)的極高頻率信號(hào)。但對(duì)針式平板放電而言，因其放電系數(shù)難以獲取，因此需要一次采集5000個(gè)工作頻率周期。鑒于高壓開關(guān)柜局部放電的類型較多，需要在試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置多種不同組別，并分別利用3組監(jiān)測(cè)方法完成對(duì)各放電類型的監(jiān)測(cè)，包括針板放電類型、內(nèi)部放電類型、懸浮放電類型和絕緣子沿面放電類型。在試驗(yàn)過(guò)程中，升壓至某一時(shí)刻出現(xiàn)微弱的局部放電時(shí)，采集當(dāng)前發(fā)出的信號(hào)，將相關(guān)數(shù)據(jù)保留并作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)研究的高壓開關(guān)柜具體參數(shù)見表1。

表1 高壓開關(guān)柜參數(shù)

4.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

開始試驗(yàn)前，需要設(shè)置基于5G專網(wǎng)TEV+AE原理的高壓開關(guān)柜局放在線監(jiān)測(cè)方法的算法參數(shù)，避免參數(shù)取值不同影響監(jiān)測(cè)方法的性能，進(jìn)而影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表2。根據(jù)表2數(shù)據(jù)設(shè)置在線監(jiān)測(cè)方法的參數(shù)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

4.3 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證3組監(jiān)測(cè)方法的精度，將3組方法監(jiān)測(cè)到的各類型下的放電次數(shù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)指標(biāo)，將其與實(shí)際放電次數(shù)進(jìn)行對(duì)比。如果二者相同，說(shuō)明所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法具有極高的監(jiān)測(cè)精度；反之，如果二者相差較大，說(shuō)明所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)精度較低。根據(jù)上述論述，記錄每一種局部放電類型監(jiān)測(cè)到的放電次數(shù)和實(shí)際放電次數(shù)，數(shù)據(jù)記錄見表3。

表3 3組監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄表

從表3中記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)組監(jiān)測(cè)結(jié)果與各局部放電類型實(shí)際放電次數(shù)一致，而對(duì)照A組和對(duì)照B組每種類型所得監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際均存在2～5次的誤差。從上述試驗(yàn)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)組監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率最高。將試驗(yàn)組監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用于實(shí)際，通過(guò)精確分析放電次數(shù)，可以判定高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)，從而為開關(guān)柜放電提供更可靠的依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

該文提出的在線監(jiān)測(cè)方法主要用于高壓開關(guān)柜局部放電監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜發(fā)生絕緣故障等異常問(wèn)題的原因。并通過(guò)試驗(yàn)將新的監(jiān)測(cè)方法與現(xiàn)有的基于特高頻法的監(jiān)測(cè)方法、基于測(cè)量傳感器的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，可以看出該文監(jiān)測(cè)方法具有更高的準(zhǔn)確度，能夠?yàn)楦邏洪_關(guān)柜局放提供更佳監(jiān)測(cè)效果，可有效避免誤檢、漏檢等問(wèn)題，且該監(jiān)測(cè)方法的適應(yīng)性更強(qiáng)，可適用于多種類型的高壓開關(guān)柜的局放監(jiān)測(cè)與預(yù)警。