摘 要：本文聚焦于機組運行中的重要參數(shù)——局放電流的監(jiān)測與預防系統(tǒng)設計。通過選擇適用于監(jiān)測的燈泡貫流器，整合高性能數(shù)據(jù)采集模塊，設計控制單元和實時監(jiān)測軟件，構建了全面而高效的監(jiān)測預防系統(tǒng)。試驗結(jié)果表明，該監(jiān)測預防系統(tǒng)為機組運行管理和維護提供了有力支持，顯著提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，強調(diào)了該系統(tǒng)在局放電流監(jiān)測與預防方面的卓越性能，可為相關領域的進一步研究和應用提供有益參考。

關鍵詞：貫流式；燈泡機組；局放電流

中圖分類號：TU 241" " 文獻標志碼：A

在電力系統(tǒng)中，燈泡貫流式機組具有重要作用，能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力[1]。然而，在機組運行中產(chǎn)生的局放電流問題一直以來都是電力工程領域面臨的挑戰(zhàn)之一[2-3]。局放電流是指在絕緣系統(tǒng)中，由局部電場強度過大導致的局部放電放電擊穿現(xiàn)象產(chǎn)生的電流。這種電流通常隨著放電現(xiàn)象，表現(xiàn)為短暫的放電脈沖。局放電流異常不僅會導致設備過早損壞，還可能引起嚴重事故，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有潛在威脅。為了解決這個問題，燈泡貫流式機組局放電流的監(jiān)測和預防尤為重要。隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展和智能化技術應用，設計一套高效、可靠的監(jiān)測預防系統(tǒng)勢在必行。本文通過設計燈泡貫流式機組局放電流監(jiān)測預防系統(tǒng)，構建適用于局放電流監(jiān)測的燈泡貫流器和相關傳感器，整合高性能的數(shù)據(jù)采集模塊，設計控制單元和實時監(jiān)測軟件，制定全面而高效的監(jiān)測和預防策略，為燈泡貫流式機組的安全運行提供全面支持。

1 燈泡貫流式機組局放電流監(jiān)測預防系統(tǒng)設計

為監(jiān)測和預防燈泡貫流式機組局放電流，本文設計了燈泡貫流式機組局放電流的監(jiān)測預防系統(tǒng)，目的在于提高電力系統(tǒng)的可靠性、確保設備的安全運行，并降低潛在故障風險，具體的系統(tǒng)設計框架如圖1所示。

該系統(tǒng)的硬件部分主要包括監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)采集設備和控制單元，以此來確保設備的靈敏度、頻率響應和精度符合系統(tǒng)要求，確保數(shù)據(jù)采集模塊與監(jiān)測設備兼容，具有高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸能力，可對監(jiān)測參數(shù)的動態(tài)調(diào)整和設備狀態(tài)進行實時監(jiān)控。該系統(tǒng)的軟件部分的實時監(jiān)測系統(tǒng)用于實時接收、存儲和顯示局放電流數(shù)據(jù)。用戶界面的設計方便操作人員實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。集成數(shù)據(jù)分析算法用于識別局放電流的異常模式，并進行數(shù)據(jù)預處理，包括濾波、歸一化等，以提高系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的分析精度。系統(tǒng)配置了報警通知模塊，監(jiān)測到異常時及時發(fā)出警報。通知機制可以通過短信、郵件或其他途徑通知相關人員。

2 硬件設計

燈泡貫流器使用Tektronix P6015A高壓探頭，頻率響應為DC-75 kHz，靈敏度為1000 V/A；傳感器采用LEM ITZ 500-S/SP5高精度電流傳感器，頻率響應為DC-150 kHz，敏度為500 mV/A。選用高速、高精度的NI USB-6356數(shù)據(jù)采集器，適用于實時局放電流數(shù)據(jù)采集，具有多通道輸入，支持高速數(shù)據(jù)傳輸?？刂茊卧x用Arduino Due控制器，ARM Cortex-M3處理器，84 MHz時鐘頻率，54個數(shù)字I/O引腳，12位ADC分辨率，具備豐富的輸入、輸出接口，方便與監(jiān)測設備和數(shù)據(jù)采集模塊進行連接。以上硬件選擇可為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和異常情況的及時響應提供堅實的硬件基礎，使燈泡貫流式機組局放電流監(jiān)測預防系統(tǒng)能夠?qū)址烹娏鬟M行高效、及時的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

3 軟件設計

3.1 實時監(jiān)測模塊

實時監(jiān)測模塊是系統(tǒng)設計中至關重要的組成部分，用于實時接收、存儲和顯示局放電流數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用監(jiān)測設備（燈泡貫流器+傳感器）采集局放電流的實時數(shù)據(jù)。傳感器與燈泡貫流器的連接方式如圖2所示。

使用Belden 9913F 50-ohm同軸電纜將LEM ITZ 500-S/SP5傳感器連接到Tektronix P6015A燈泡貫流器。傳感器的輸出電纜中包括模擬或數(shù)字信號，可將燈泡貫流器和傳感器連接到數(shù)據(jù)采集設備的相應輸入通道。數(shù)據(jù)采集模塊應確保高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，并根據(jù)預定的采樣率獲取電流信號。燈泡貫流器的工作原理是通過燈泡的亮暗程度反映電流的變化，因此需要將這種光強度轉(zhuǎn)化為電流信號，如公式（1）所示。

I（t）=k·P（t） （1）

式中：I（t）為電流信號；P（t）為燈泡的光強度；k為光電轉(zhuǎn)化系數(shù)。

具體的k值取決于所使用的傳感器和光電元件的特性，需要在系統(tǒng)設計和校準過程中確定。在系統(tǒng)集成之前，必須對傳感器進行校準，以確保光強度到電流的轉(zhuǎn)化是準確可靠的。在轉(zhuǎn)化過程中，電流信號的特性（幅值、頻率等）會發(fā)生變化，可根據(jù)具體需求設計系統(tǒng)，以確保電流信號滿足監(jiān)測要求。

3.2 數(shù)據(jù)分析處理模塊

燈泡貫流式機組局放電流監(jiān)測預防系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理模塊是為了更全面、深入地理解和處理監(jiān)測到的局放電流數(shù)據(jù)，從而對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測、異常識別以及預測性維護。在局放電流監(jiān)測中，不同傳感器可能會產(chǎn)生不同幅度的信號，因此需要進行數(shù)據(jù)歸一化，以確保各個信號處于相同的尺度，方便后續(xù)分析。在歸一化方法中，最小-最大歸一化（Min-Max Normalization）較常用，如公式（2）所示。

（2）

式中：Xn為歸一化后的電流信號；X為原始電流信號；Xmin和Xmax分別為信號的最小和最大值。

歸一化的目的是將不同幅度的電流信號調(diào)整到相同的尺度范圍內(nèi)，以增強后續(xù)處理的魯棒性。

局放電流信號常受高頻噪聲或其他干擾的影響。為了提高信號質(zhì)量并消除不必要的噪聲，采用低通數(shù)字濾波算法來平滑信號。其中，指數(shù)加權移動平均濾波是一種常見的低通濾波器，如公式（3）所示。

Yn=（1-α）·Yn-1+Xa （3）

式中：Yn為濾波后的信號；Xa為原始信號；α為濾波器的衰減系數(shù)。

該濾波過程有助于平滑局放信號，減少噪聲影響，使后續(xù)的分析和處理更精確、可靠。通過歸一化和低通濾波的處理，局放電流信號得到了優(yōu)化，為系統(tǒng)后續(xù)的特征提取、趨勢分析和異常檢測奠定了基礎。這些步驟有助于確保系統(tǒng)對局放現(xiàn)象的敏感性和準確性，提高監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能。

3.3 警報通知模塊

燈泡貫流式機組局放電流異常是系統(tǒng)存在故障或潛在問題的跡象，通過設計警報通知模塊可以對異常情況進行實時監(jiān)測和響應，減少故障對系統(tǒng)的影響，具體的警報通知流程如圖3所示。

實時監(jiān)測模塊通過數(shù)據(jù)分析處理可識別局放電流信號中的異常情況，并判定是否滿足設定的報警觸發(fā)條件。為了更全面地應對可能出現(xiàn)的異常情況，系統(tǒng)將監(jiān)測到的異常情況分為不同級別，例如輕微、一般和緊急等。每個級別都對應特定的報警通知方式，以確保維護人員能夠及時了解并采取適當?shù)男袆印?/p>

一旦異常情況被識別并分級，系統(tǒng)將觸發(fā)相應級別的報警通知。通知方式包括郵件、短信和應用程序推送等多種方式，以確保維護人員能夠在任何時候、任何地點及時收到報警信息。同時，系統(tǒng)還可以根據(jù)需要設定自動化響應規(guī)則，例如關閉設備、切換系統(tǒng)狀態(tài)等，以減少人為干預的延遲并加快問題解決速度。維護人員收到報警通知后對異常情況進行確認，并驗證其是否真實存在。根據(jù)結(jié)果確認，維護人員將決定是否采取進一步行動。所有報警事件的詳細信息都將被系統(tǒng)記錄在日志中，包括報警時間、級別以及觸發(fā)條件等，以便后續(xù)分析和審查。該記錄不僅有助于了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還有助于改進和優(yōu)化系統(tǒng)的監(jiān)測和預警功能。

4 測試試驗

4.1 試驗準備

為了評估燈泡貫流式機組局放電流監(jiān)測預防系統(tǒng)的性能，本文進行了系統(tǒng)測試試驗。首先，選擇XYZ-5000模型監(jiān)測平臺，包括Tektronix P6015A燈泡貫流器和LEM ITZ 500-S/SP5傳感器，以評估構建平臺的穩(wěn)定性。確保XYZ-5000的電源供應和連接正常后，安裝并連接燈泡貫流器和傳感器，啟動監(jiān)測平臺，檢查設備的正常運行狀態(tài)。其次，使用Arduino Due控制器對監(jiān)測參數(shù)的動態(tài)調(diào)整和設備狀態(tài)進行實時監(jiān)控。使用JKL-PRO實時監(jiān)測軟件，設置監(jiān)測參數(shù)并啟動實時監(jiān)測模塊，保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r接收、存儲和顯示局放電流數(shù)據(jù)。

4.2 試驗結(jié)果

為測試該系統(tǒng)在燈泡貫流式機組局放電流的監(jiān)測和預防中的效用，本文挑選了T1～T5這5個時間節(jié)點，記錄了該系統(tǒng)的傳輸速率、電流監(jiān)測準確度、報警速度以及系統(tǒng)安全性，見表1。

在系統(tǒng)運行周期內(nèi)，數(shù)據(jù)采集速率始終保持在每秒1010次以上，表明系統(tǒng)具備穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)采集性能。這種高頻率的數(shù)據(jù)采集確保了系統(tǒng)對局放電流的監(jiān)測能力不受限制，并為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供了充分的數(shù)據(jù)支持。雖然電流監(jiān)測準確度在不同時間節(jié)點間略有波動，但是整體保持在高水平。表明系統(tǒng)對局放電流的準確監(jiān)測性能良好，能夠穩(wěn)定地提供準確的監(jiān)測結(jié)果，有助于及時發(fā)現(xiàn)潛在問題或異常情況。報警速度在不同時間節(jié)點也有輕微波動，但總體上維持在3 s以內(nèi)的較好水平。系統(tǒng)具備快速響應異常情況的能力，這是確保及時采取措施應對任何潛在風險或故障的關鍵因素。

快速響應表明系統(tǒng)能夠在最短的時間內(nèi)通知相關人員并采取必要行動，從而最大程度地減少潛在損失或風險。此外，系統(tǒng)的安全性在不同時間節(jié)點也均保持高水平，表明系統(tǒng)在運行過程中能夠確保數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效防止未經(jīng)授權的訪問或數(shù)據(jù)泄露，并確保系統(tǒng)的正常運行和數(shù)據(jù)的完整性。

5 結(jié)語

綜上所述，本文針對燈泡貫流式機組局放電流的監(jiān)測和預防進行了研究，設計并實施了系統(tǒng)測試試驗，評估了監(jiān)測平臺的穩(wěn)定性、性能以及實時監(jiān)測模塊的表現(xiàn)。通過比較不同時間節(jié)點的數(shù)據(jù)采集速率、電流監(jiān)測準確度、報警速度和系統(tǒng)安全性，驗證了系統(tǒng)在全周期內(nèi)的高性能和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)具備快速響應局放電流異常情況的能力，為提高機組運行的可靠性和安全性提供了有效手段。未來的工作將進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能、引入先進的監(jiān)測技術，并探索更廣泛的應用領域，以滿足不斷發(fā)展的工業(yè)需求。

參考文獻

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