基于UHF 传感器与以太网的GIS 局部放电监测系统设计*

汪 沨，申 晨，何荣涛

(1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410082;2.许继(厦门)智能电力设备股份有限公司，福建 厦门361000)

0 引 言

气体绝缘开关［1］(gas insulated switch－gear，GIS)结构复杂、制造质量要求高，虽然其较少发生故障，但故障一旦发生，检修工作繁杂，检修时间长，停电影响范围大［2］。研究表明，局部放电是引起高压GIS 绝缘事故的主要诱因［3］，因此，局部放电在线监测是GIS 状态监测的重要内容，对GIS的安全稳定运行具有重要意义［4～7］。

现有的GIS 局部放电监测设备有以下几个缺点:1)脉冲电流法不适合在线监测且易受干扰，超声波法监测范围小，需人工手持探测;2)已有的监测设备使用RS—485 通信速度慢，而一些无线通信为了节能而间歇工作，不能实时监测;3)高速示波器或采样率500MHz 以上的数据采集卡方案，成本高昂，大面积推广使用困难。

近年来，随着工业以太网交换机的普及，工业以太网技术具有价格低廉、稳定可靠、通信速率高、软硬件产品丰富、应用广泛以及支持技术成熟等优点，已成为最受欢迎的通信网络之一［8～13］。由国际电工委提出的IEC 61850 提供了一种公共的通信标准，使用以太网作为物理层，具有较高的通信速度。

本文针对GIS 局部放电监测，设计了一种基于以太网的GIS 局部放电监测系统，由超高频(UHF)传感器模块采集局部放电信号，经SDRAM 缓存后通过以太网发送至管理系统，实现对GIS 局部放电的高速、实时在线监测。

1 系统硬件设计

1.1 监测系统的总体结构

设计的局部放电监测系统如图1 所示，由UHF 传感器模块和主控采集系统两部分组成。传感器模块采集UHF电磁波信号，将其降频至2～10 MHz，通过同轴电缆发送给主控采集系统。主控采集系统对传感器发来的数据进行A/D 转换，按照一定的监测任务安排将结果通过以太网发送给管理中心。一旦后台专家系统分析认为发生局部放电，还可通过以太网控制主控采集系统进行故障录波，波形数据由SDRAM 缓存后通过以太网上传。

图1 系统总体结构图Fig 1 Overall structure diagram of system

1.2 传感器模块硬件设计

传感器模块由UHF 传感器、阻抗匹配电路、对数检波器、电源组成。UHF 传感器接收局部放电产生的电磁波信号，通过匹配电路将信号耦合至对数检波器，由于对数检波器能够提取信号的包络功率，因此，输出波形频率仅为原始信号的包络频率，约2～10 MHz，且保留了需要的幅值和相位信息，对数检波器的输出通过同轴电缆连接至主控采集系统。传感器模块的结构图如图2(a)所示，实物图如图2(b)所示。

1.3 主控采集系统硬件设计

主控采集系统由信号复用模块、A/D 转换模块、FPGA处理系统、以太网通信模块以及电源管理模块组成。

图2 传感器模块Fig 2 Sensor module

通过信号复用模块将多通道数据选通一个通道传输至后续电路，使多传感器只需使用一个A/D 转换模块，降低整套系统的成本。A/D 转换模块将模拟信号转换成为数字信号后由FPGA 处理系统处理，通过以太网通信模块将数据传输至GIS 站管理员。主控采集系统的结构图如图3。

图3 主控采集系统硬件框图Fig 3 Hardware block diagram of master collection system

以太网通信模块使用W5100 网络协议芯片，它是硬件化TCP/IP 协议集成芯片;支持10/100 Mbps 的传输速率;采用TCP 客户端的数据传输方式，传输速度高，传输稳定。

2 系统软件设计

2.1 采集系统软件设计

本套系统采集局部放电的模拟信号，因此，具有多样灵活的故障判断方式，本文主要设计了两种工作方式:监测方式和故障录波方式，如图4。

图4 采集系统软件流程图Fig 4 Software flowchart of acquisition system

软件默认以监测方式运行，故障录播标志为FALSE，通过冒泡法选择50 μs 内的信号最大值保存，则一个工频周期将保存400 个数据，按照设定的时间间隔向服务器发送保存的数据，服务器可通过这些数据生成火焰图、幅值相位图、三维图、放电趋势图等分析图谱对局部放电发生与否进行诊断。

当服务器的专家系统判断有局部放电发生时，可发出控制信号使故障录播标志为TRUE，此时软件以故障录播方式运行。信号录播模式将保存连续20 ms 的全部波形信号，根据以太网芯片的缓存大小，每次读取一定量的数据向服务器发送，当发送完全部4 Mbytes 数据后结束信号录播。

每次数据发送完毕，记录监测日志，并更新故障录波标志。

2.2 以太网数据发送程序设计

以太网数据发送首先需要根据变电站网络要求初始化网络地址配置，包括:网关、物理地址、子网掩码、IP 地址。W5100 网络芯片支持ICP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP 和PPPoE 等网络协议，在变电站局域网中UDP 和TCP 为适用方式，UDP 协议不提供差错恢复，不能提供数据重传，因此，该协议传输数据安全性差。本设备采用TCP 协议作为通信协议，变电站管理员的计算机作为服务器处于监听状态，主控采集系统作为客户端，发出链接请求，服务器收到请求后，创建链接与客户端通信，实时进行数据传输，如图5 所示，链接成功后先接收管理员发来的控制指令，然后发送需要发送的数据，最后断开连接。如果未能建立连接则产生建立连接超时警报，若成功收发数据，则产生数据收发成功信息。

3 系统性能评价

3.1 传输速度评价

为了评价传输速度，在主控采集系统上设计了基于传统RS—485 工业总线的通信接口和基于以太网的通信接口。通过传统RS—485 总线以57 600 bps 波特率(实际上距离远时无法达到此速度)与以10/100 M 以太网分别传输一定大小文件进行实验，实验结果如表1 所示。

图5 以太网数据发送程序流程图Fig 5 Flowchart of Ethernet data sending program

表1 数据传输耗时Tab 1 Time consuming data transmission

由于上位机定时精度原因，以太网发送20 kB 文件耗时数据0.05 s 不准确，但速度测试不影响软件使用。从表1可以看出10/100 M 以太网已经较传统RS—485 工业总线有了巨大的速度提升，20 kB 文件为进行1 s 局部放电监测的数据量，通过RS—485 总线传送该数据需要4 s，说明采用RS—485 总线不能保证数据高实时性。采用以太网通信方式，通信速度高于采集速度，可以灵活设置数据发送方式，设计局放判定方法，更有利于后续分析处理。

3.2 监测模式测试

为测试本系统监测的准确性，在许继(厦门)智能电力设备股份有限公司进行测试，采用150 kV 无局放电源，通过升压变压器、耦合电容、测量阻抗、保护电阻和110 kV 三相共筒式GIS 腔体，构成测试系统装置，如图6 所示。

图6 三相共筒式GIS 实验装置Fig 6 Experimental device of three-phase drum GIS

在GIS 母线管右端内导体表面放置一个9.61 mm 长的金属尖端模拟缺陷(如图7)，后充入0.4 MPa 的SF6气体。

图7 模拟缺陷和缺陷长度Fig 7 Simulated defect and length of defect

当外加电压逐渐升高至15 kV 时，由图8(a)可以看出放电区间主要集中在45°～90°和225°～270°之间;由图8 可知，随着电压的升高，在工频周期内局部放电仪测得的放电次数逐渐增多，最大视在放电量也出现大幅增加，并且最大放电量相位靠近90°和270°，放电相位成对称分布。

图8 监测模式监测结果Fig 8 Monitoring result of monitoring mode

监测模式可获得较详细的局部放电图谱，通过局放图谱对局部放电进行判定，相比通过电压比较器设置阈值有更高的准确性和灵活性。

3.3 故障录波模式测试

为检测录波模式大文件传输功能，在上述系统中使升压变压器升压至85 kV，使能故障录播标志使软件工作于录波模式。通过计算机接收数据，生成信号波形如图9 所示。观察信号波形，采样率为200 MHz，局部放电持续120 个点，即局放持续时间为600 ns，符合局部放电规律。

图9 故障录波波形Fig 9 Waveform of fault recording

4 结 论

1)GIS 变电站在线监测系统，使用以太网通信，实现了高速实时灵活的数据传送，较以往RS—485 现场总线方式通信速度提高90 倍以上;

2)无更换电池，可不间断工作，数据发送间隔可设置，实时性高;

3)多传感器节点通过多路复用技术共用一套主控采集系统，能有效降低成本。

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