基于UHF传感技术的局部放电在线监测装置研制

刘逸凡等

摘 要：文章设计了一种GIS的局部放电在线监测装置，装置采用UHF检测法对GIS的局部放电信号进行在线监测。系统硬件采用模块化设计，由采集分析模块、通信模块和电源模块组成，软件设计部分由采集分析模块、IEC61850服务器和局部放电监测后台组成。该系统采集分析UHF局放信号并计算出局部放电的放电时间、放电频次和放电量，并通过放电图谱数据库对GIS的绝缘情况进行分析评估，及时发现绝缘缺陷，可显著提高高压开关设备的运行可靠性。

关键词：局部放电；智能高压开关；在线监测；特高频法

引言

气体绝缘封闭开关设备（GIS）具有较高的安全可靠性，但在设备的生产加工、运输、现场装配等阶段，不可避免地会存在一些微小且隐蔽的绝缘缺陷。在工频耐压试验时这些缺陷往往不足以导致立即击穿，但投入运行后在长时间正常运行工况下会发生局部放电，使缺陷逐渐严重，甚至造成放电点附近的闪络或绝缘击穿，威胁设备的安全稳定运行[1，2]。

通过对GIS的局部放电进行在线监测，能够实时进行GIS绝缘状况的评估，及时发现设备绝缘缺陷，避免因绝缘引起的故障发生，提高GIS的安全运行水平，同时降低维护成本，提高设备的检修针对性，减少停电时间和节省维修费用[3]。

1 UHF局部放电检测原理

GIS设备局部放电的放电持续时间一般在10-9-10-7秒，放电点能够辐射很高频率的电磁波，其频率分量可达GHz。局部放电产生的超高频（Ultra High Frequency，UHF）电磁波会沿着GIS的管道传播，通过安装在GIS内部或外部的UHF传感器接收辐射的电磁波，局放信号被局部放电监测装置采集后进行分析处理，即可实现局部放电的在线监测[4]。

2局部放电在线监测装置的功能

局部放电在线监测装置主要用于变电站中GIS设备的局部放电在线监测。局部放电在线监测装置采用UHF检测技术，通过UHF传感器检测GIS内部局部放电发出的电磁波信号，检测到的信号经过RF滤波、射频前置放大器和检波器后进行采样、存储、数字信号处理，分析并上传至故障模式数据库进行匹配，对GIS的绝缘状态进行诊断，并以数据可视化的方式显示放电特征数据。同时具有系统后台可存储和展示局部放电的历史测量数据，供工作人员及变电站层的监控系统查询使用。

3 装置的硬件设计

局部放电在线监测装置的硬件由采集分析模块、通信模块和电源模块三部分组成。采集模块负责局放信号的采集分析处理，通信模块将处理后的局部放电数据以IEC61850规约的格式上送至系统后台，电源模块负责提供5V和±12V的直流电源。各模块之间相对独立，通过以太网进行局部放电采集数据的数据交互。下面对三个模块的硬件设计进行说明。

3.1 采集分析模块

采集分析模块由采集分析核心板和UHF信号调理单元组成：

采集分析核心板选用ATOM芯片作为核心处理器，由ATOM X86处理器和FPGA构成，外扩AD采用AD7656的16位高精度AD转换器，FPGA采用Cyclone系列芯片，通过DMI总线扩展接口连接512M DDR RAM、SSD、FPGA等设备。FPGA逻辑电路控制AD采集和FIFO缓存模块，接收信号调理单元调理后的UHF信號，实现数据滤波及存储、添加数据时标、数据包整合等功能。系统具备多通道数据采集接口，利用双缓冲技术，实现长时间不间断的数据同步采集与转换。

UHF信号调理单元包含RF滤波电路、射频前置放大器和检波器，将UHF传感器的信号接入经预处理后，输入由高速ADC+FPGA组成的高速数据采集分析模块进行采样、存储、数字信号处理与分析。

3.2 通信模块

通讯模块选用PowerPC MPC8313芯片作为核心处理器，通过LocalBus总线扩展出的接口连接Nor Flash、SST NanDriver等设备，通讯模块具有丰富的外围控制接口和通信接口，对外具有1路百兆多模光纤以太网接口和2路RJ45以太网接口，主要负责局部放电监测IED和系统后台以及状态接入控制器的通信功能。通过RJ11以太网接口与核心板交换数据，更新嵌入式系统内部的IEC61850数据模型，并通过报告服务将数据上送。

通信模块以太网接口选用DP83460芯片，DP86460是一款带有IEEE 1588 PTP硬件支持功能的以太网收发器，可搭配MCU、FPGA、ASIC在同步以太网模式下实现PTP应用中次纳秒的精度，同时确保系统设计的高度灵活性。

3.3 电源模块

电源模块输入为220V/DC，输出5V/DC和±12V/DC，该模块选用合适电源模块和电源芯片为装置及装置内各芯片进行供电，满足功率及精度要求。在EMC设计上，选用压敏电阻、气体放电管、共模电感等元件，配合复合滤波器，预防因雷击浪涌、静电、射频干扰、磁场干扰等对装置造成不可控的影响，保障装置的安全稳定运行。

4 装置的软件设计

装置的软件部分进行局部放电信号的采集、分析、处理、存储和后台数据展示，UHF局部放电信号的传导和处理方向依次为UHF信号调理单元、采集分析模块、通信模块和后台。系统软件主要由三部分组成：信号的采集和分析模块、IEC61850通信服务端和局部放电监测后台。

4.1 采集分析模块

首先，由局部放电产生的超高频电磁波信号，被安装在GIS上的内置UHF传感器获取，通过高频同轴电缆与UHF信号调理单元相连，经RF滤波、射频前置放大器和检波器后，提取有效的内部局放信号，转换为适于AD采集的电压信号输入采集分析模块。

然后，调理后的局放信号进入采集分析模块。采集分析模块具有多通道数据采集接口，最多可以从6个UHF信号调理单元取得数据。模块上的FPGA逻辑电路控制AD采集和FIFO缓存模块，接收信号调理单元调理后的UHF信号，实现长时间不间断的数据同步采集与转换，将采样的数字信号传送给主处理器。

局放信号提取后，由使用Power PC处理器的嵌入式系统进行滤波、分析和特征提取等处理，计算出局部放电的放电量、放电频次，提取放电图谱特征并对产生的局放信号进行信号录波。同时采用模式识别算法进行局部放电类型识别和故障诊断。

4.2 IEC61850通信服务端

在IEC61850通信服务端中，处理后的局放信息通过以太网进入通信模块。通讯模块具有信息转换和通讯功能，支持以IEC61850方式上传状态监测结果，同时接收来自其他智能组件和主控机的命令信息，通过过程层网络传送给间隔层测控装置或通过站控层网络传送到的变电站层的監控系统使用。

4.3 模块间数据通信

采集分析模块和通信模块通过以太网TPC/IP协议进行通信，上送局部放电的放电量、放电频次和放电波形至通信模块。

TCP/IP协议在嵌入式Linux上使用Socket（套接字）进行通信，本设计中的Socket通信采用Server/Client模式，服务器在创建一个Socket后，接着会将该Socket与本地地址/端口进行绑定，成功后对响应的Socket上监听，当捕捉到一个ACCEPT服务请求时，即完成一个新的连接，稍后向客户端发送具体通信数据。

4.4 局部放电监测后台

局部放电监测后台服务器以IEC61850服务模式接收局放IED的监测数据，将放电量、放电频次、放电相位在WEB界面上实时展示，并将局放波形文件进行？渍-q图、？渍-n图、灰度、散点图等二维和三维视图的展现。

5 结束语

本产品通过对GIS局部放电的实时在线监测，记录并分析GIS的局部放电的放电时间、放电量和放电频次，为高压电气设备的工作状态和状态检修提供决策依据。同时可减少过早或不必要的停电试验和检修维护工作量，降低维护成本，提高电网运行的安全性，显著提高电力系统可靠性，具有重要的社会经济效益。

参考文献

[1]Dengwei D，Wensheng G，Weidong L，et al.Insulation Defects Discrimination in GIS by Fisher Discriminant Analysis of Partial Discharge[J].高电压技术，2013，39（4）.

[2]郭俊，吴广宁，张血琴，等.局部放电检测技术的现状和发展[J].电工技术学报，2005，20（2）.

[3]姚陈果，周电波，陈攀，等.采用超高频法监测变电站设备局放水平及其早期预警[J].高电压技术，2011，37（7）.

[4]UHF-based Monitoring for Equipment PD Within the Substation and Early Warning[J].2011，37（7）.

[5]Zhenquan S，Xuefeng Z，Jisheng L I，et al.Interpretation on Partial Discharge of Typical Insulation Model Under Oscillating Impulse Voltage[J].高电压技术，2012，38（8）.

作者简介：刘逸凡（1988-），男，汉族，河南平顶山人，工程师，主要从事智能变电站智能组件研发工作。