HGIS局部放电传感分布式在线监测系统的研究

孙其寿 刘小波 曾 晗 钟幼平 卢永平 张宇东

（国网江西省电力公司检修分公司）

0 引言

从电力行业发展开始，电力设备的运行维护就成为保证电网可靠运行的一项重要工作，并且逐渐由传统的定期维护向状态维护转变，国家电网公司的科技发展规划中，已明确提到有关电气主设备的故障监测和状态检修技术[1-3]，因此，对变压器、电抗器、GIS等高压电气设备局部放电监测系统的监测精度越来越受到电力行业的重视，而HGIS等高压电气设备的局部放电在线监测是制订HGIS状态检修计划最重要的指标之一。

目前国内外的HGIS局部放电在线监测方式一般为集控式，由于集控式存在可扩展性差、信号传输过程衰减严重、严重影响监测数据的精度等问题[4-6]，本文中采用分布式传感器在线监测系统对HGIS局部放电信号进行在线监测。通过分组方式与监测主机相连，采用分布式结构，解决了监测点可扩展性差、布线复杂的问题；通过研制分布式传感器，提高了监测数据的精度以及在线监测系统的实效性。

1 HGIS局部放电集控式在线监测系统

1.1 集控式在线监测系统组成

目前局部放电集控式在线监测系统，是将所有传感器的检测信号通过各自独立的数据线，将传感器采集到的数据传输到监控主机中，由主机统一对所有的信号进行分析处理。由于监控主机的接口是有限的，只能对有限数量的监测点进行有效地监测，集控式HGIS局部放电在线监测系统结构图，如图1所示。

图1中需要N个传感器，对于集控式在线监测系统，监测主机需要 N个接口，与传感器相连，进行局部放电信号的监测。

1.2 集控式在线监测系统存在的问题

集控式局部放电在线监测系统中，针对10个以下的监测点性能较好，但是对于较多的监测点时存在着严重的弊端：①所有的传感器均与监测主机相连，由于监测主机的接口是有限的，一台主机只能连接较少监测点的传感器，不能随意地增加传感器的数量，可扩展性能较差；②监测主机增加更多的监测点意味着更复杂、更长的连接线路，不可避免地会带来供电电源的压降严重，线路铺设复杂等问题；③由于安装在HGIS中的传感器输出的均为模拟信号，经过过长的线路，会导致信号在传输过程中的衰减及干扰，严重地影响监测数据的精度。

2 HGIS局部放电分布式在线监测系统

2.1 分布式在线监测系统组成

国内外现有的集控式局部放电在线监测系统存在布线复杂，有效检测节点少，可扩展性差、投资大等缺点，只适用于较少的监测节点，不适用于现代化大型智能化变电站。为满足智能化变电站的需要，设计了一种分布式在线监测系统，本设计采用分组式设计，通过监测主机对监测点进行分组式管理，各个分组采用级联的方式进行数据的传输，每组只有一条通信线与监测主机相连，这样可大大改善连线的复杂性问题，同时使用较短的通信线传输数据，可以减少数据信号在传输过程中的衰减与干扰，分布式HGIS局部放电在线监测系统的组成框图，如图2所示。

图2 分布式HGIS局部放电在线监测系统结构图

2.2 分布式传感器在线监测系统硬件设计

2.2.1 分布式在线监测系统网络结构设计

分布式在线监测系统设计采用灵活的自组网形式，可以根据监测主机的端口，任意地增加分组；同时根据分组端口所接传感器数量及需要，随意增减传感器的个数，解决了集控式传感器可扩展性差的缺陷。本次设计中采用 UT−482嵌入式隔离 TTL转RS−422收发器，作为传感器的通信模块，并且采用RS−232/RS−422 UT−202商业级袖珍型接口转换器作为与监控主机的通信端口。该转换器传输速率为300～115.2Kbit/s，监控主机与传感器之间构成点到多点/四线全双工远程通信网络，实现多机应答通信。每个UT−202模块可以并联N个具有RS−422通信模块的传感器，传感器的数量可以随意增减，同时UT−202模块插接在监控主机的串口端，根据监控主机串口的数量及实际工程需要，来确定连接UT−202模块的数量。该转换器与传感器设备的连接网络图，如图3所示。

图3 RS−422点到多点/四线全双工通信连接图

2.2.2 传感分布式在线监测系统传感器设计

分布式在线监测系统中的传感器设计为智能传感器，智能传感器将信号采集模块、信号降噪模块、信号调理模块、高速A/D转换模块、智能控制模块、RS−422数据传输模块等多种功能模块集成到内部，能够独立完成局放信号的采集、处理、智能分析转换、数据传输等功能。智能传感器组成框图如图4所示。

（1）智能传感器电路框图

图4 智能传感器组成框图

智能传感器直接固定在绝缘盆子上，当在HGIS内发生局部放电时，会产生一个约几纳秒的电流脉冲，并向周围辐射电磁波，电磁波的频率高达3GHz，电磁波是沿圆周方向传播的，可以以任何频率在HGIS中传播，HGIS的同轴结构相当于一个良好的波导，放电信号在其内部传播时衰减很小，当放电信号传播到HGIS的绝缘盆子处时，放电信号通过绝缘盆子的缝隙泄露出来。通过超高频传感器采集局部放电信号，超高频传感器将采集到的局部放电的模拟信号输入信号处理单元。信号调理后经过高速 A/D转换器将采集到的局部放电信号由模拟信号转换为数字信号，转换完成的数据通过 FPGA单元的逻辑运算，完成高速数据流的缓冲和数据存储工作，将数据存储在闪存SRAM中，在FPGA单元的控制下，将闪存中的数据通过数据接口电路传输到通信单元。信号处理单元框图，如图5所示。

图5 智能传感器电路框图

（2）数据传输单元

数据传输单元将智能控制器处理完成的数据，通过单片机的UART0RxD（发送端）及UART0TxD（接收端）与通信模块 UT−M 482进行数据的传输，UT−M 482模块通过数据线将数据传输到后台的工控机软件，实现放电信号的在线监测。UT−M 482模块集隔离及总线保护一体化功能，具有很好的隔离特性、隔离电压高达DC 1000V，并且具有自组网功能，同一个网络至少可以连接32个节点，对分布式传感器在线监测系统的分组管理及其可扩展性提供了有力的技术支撑。数据传输单元如图6所示。

2.3 传感分布式在线监测系统传感器软件设计

传感分布式在线监测系统中的两个核心元件的主要任务：FPGA是控制高速A/D采集和采集后数据的缓存；单片机控制整个数据采集工作，即发出采样信号、采集结束后读取本地缓存中的数据、数据压缩打包后发送以及处理采样过程中的意外事件等。分布式在线监测系统软件的主程序流程图如图7所示。

图6 数据传输单元

图7 主程序流程图

2.4 传感分布式在线监测系统上位机软件设计

传感分布式在线监测系统采用分组方式对传感器进行监测，每组通过一个串口与监控主机相连，通过Microsoft Visual Studio软件开发，利用Visual C++编程语言编写的上位机软件对每组传感器采集到的数据进行显示，通过软件设置各个传感器的地址，监控主机进行数据的监测，当采集到的放电信号超过报警阈值后，软件提示报警功能，根据传感器的地址及安装的位置，确定故障出现的位置，从而实现精确的HGIS局部放电在线监测。

3 结束语

本文采用传感分布式的方法实现HGIS局部放电的在线监测，HGIS局部放电分布式在线监测系统，解决了集控式在线监测系统有效监测节点数量少、扩展性差、布线复杂、投资大等缺点。HGIS局部放电在线监测系统中采用分布式的方法来采集HGIS局放信号，使得有效监测节点数量大、可扩展性好、监测数据精度有了明显的提高，能够满足现代化大型智能化变电站的需要，目前在江西某 500kV智能变电站等工程中应用，取得了较好的效果。

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