GIS局部放电在线监测系统的研究与设计

陈晓林，汪沨，谭阳红，黄墀志，许松枝，谢望君

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082）

GIS局部放电在线监测系统的研究与设计

陈晓林，汪沨，谭阳红，黄墀志，许松枝，谢望君

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082）

为了有效准确地对气体绝缘金属封闭开关GIS（gas insulated switchgear）进行局部放电在线监测，针对当前主流监测设备存在着兼容性差、数据实时处理能力弱等不足，设计了一套多通信接口的GIS局部放电在线监测系统。结合双树复小波变换良好的去噪能力和提升小波变换高效的计算能力，在软件系统数据处理模块中引入提升双树复小波算法，对监测所得的数据进行去噪处理，并显示相应局放图谱，最后基于统计特征参数法对处理后的数据进行局放特征参数计算。仿真和实验结果表明，该系统人机界面友好，具有良好的数据处理和特征参数计算能力，所测得的结果直观准确，较之其他在线监测系统，更能满足GIS局部放电在线监测的实时性要求，在工程实践中具有更高的应用价值。

局部放电；在线监测；提升双树复小波变换；软件系统；去噪处理；气体绝缘金属封闭开关

气体绝缘金属封闭开关GIS因其结构紧凑、不受外界环境影响、占地面积小、检修周期长、运行可靠性高等优点而越来越广泛地应用于电力系统中[1]，对其局部放电在线监测具有重大意义。

当前局部放电在线监测设备往往是针对某一套设备进行监测软件的开发，通信方式单一，设备兼容性差，而且很多软件系统都是基于VB或Lab⁃VIEW平台设计的，这样的软件系统局限性很大，不利于二次开发和设备兼容。此外，由于现场电磁干扰的大量存在，局部放电在线监测系统需具有一定的滤除干扰能力[2]。目前应用最为广泛的是小波去噪方法，但由于传统小波的去噪性能并不能满足监测所需，故一些改进算法逐渐得到应用[3-4]。文献[5]将复小波变换应用于局放监测的干扰抑制，去噪效果较之传统小波有很大的改进，但运算效率低；文献[6]提出对复小波进行提升，应用于暂态电能质量扰动信号的检测和定位中，运算效率得到了提高，但还未在局部放电的数据处理领域得到应用。

本文首次提出将提升双树复小波算法引入到GIS局部放电在线监测的数据去噪处理领域中，基于统计特征参数法进行局部放电特征参数的计算。利用MicrosoftVisual C++6.0平台，基于微软基础类库MFC（microsoft foundation class），设计GIS局部放电在线监测上位机软件系统。

1 系统总体设计

本文所设计的GIS局部放电在线监测系统如图1所示，硬件系统以实验室自主开发的局放信号采集系统为例，包括以下3个部分：外置超高频传感器、下位机硬件系统和上位机软件系统。

超高频传感器部分由蝶形天线、屏蔽腔和预处理电路组成，用于接收GIS产生局放时发出的电磁波信号。有关GIS中电磁波衰减特性的研究表明[7-8]，UHF信号在传播路径中，距离放电源1m内的信号衰减迅速，距离超过1m以后，信号的衰减基本稳定下来；信号在GIS直腔体中每1m衰减1.5 dB，而在经过一个T型拐角以后衰减约1.78 dB；信号在GIS腔体中经过绝缘子后信号发生衰减约2.15 dB。而本系统的传感器是安装于GIS的盘式绝缘子上，为了在距离放电点10m范围内检测到局部放电信号，在较长GIS中需要40 dB的动态检测范围才能有效地在较大范围内检测到PD信号。

系统采用的超高频传感器是由本实验团队研发的有源集成RF功率传感器，传感器中心频率为900 MHz，驻波比小于2的频带为730MHz～1.05GHz，传感器输出信号峰值为5 V，频率为2～10MHz。在传感器内部设计了预处理电路，有两个功能：一是将UHF频段的RF信号检波降频，使其频率降至10 MHz以内，以便后续检测电路检测和降低开发成本；二是将信号进行对数变换，从而增大检测的动态范围，拓宽单个传感器的监测范围。经文献[9]验证，本系统使用的超高频传感器可有效地检测到UHF信号。传感器PCB设计图和实物图如图2所示。

下位机硬件系统包含主控采集系统和通信硬件电路，通过FIFO和SDRAM两级缓存，可实现对高达200 MHz的数据进行采集，数字带宽达1.6 GB。通过主控系统对预处理后信号进行调理、模数转换后经FIFO缓存存入SDRAM中，最后通过FIFO缓存读出SDRAM的数据，再通过通信硬件电路上传至上位机。本系统采样频率为200MHz，完全符合经预处理电路降频处理后的局放信号采样要求。

上位机软件系统包括通信部分、数据处理部分、数据库系统；上下位机通信包括3种通信方式，以太网、USB和串口RS485；数据处理部分实现对下位机所采集的数据进行软件去噪、特征参数计算和波形显示的功能，是本系统的核心部分；数据库系统实现对数据的存储和历史查询功能。

2 数据去噪处理与特征参数计算

本文提出将提升双树复小波算法应用于局部放电信号去噪并且在Microsoft Visual C++6.0平台中基于MFC实现，作为数据处理模块的核心纳入本软件系统中，较之传统的小波去噪算法，具有更加明显的优势[10]。基于统计特征参数法对经过去噪处理后的数据进行局部放电特征参数的计算，并且以不同的图谱模式实时显示监测波形和不同相位下的局部放电参数，方便用户及时准确地掌握GIS的局部放电情况。

2.1 提升双树复小波

双树复小波变换DT-CWT（dual-tree complex wavelet transform）独立地使用两棵树来生成小波系数的实部与虚部，相较于其他小波变换，具有平移不变性、更小的冗余度和高效的计算效率，是一种更为高效的去噪算法[11]。其滤波器组如图3所示，两棵树在变换中所用到的滤波器都是实数滤波器，复数系数只有在合并两棵树时才会出现。

为改善第1代双树复小波变换的运算效率，将各滤波器组对应的实小波变换进行提升，得到第2代双树复小波变换。提升小波继承了第1代小波变换的时频局部化特性，所有的运算在时域中进行，小波基函数不再由某一个函数的平移和伸缩产生，具有算法简单，可在原位直接运算，运算无需占用额外内存空间等优点[13]，是一种快速有效的小波变换。提升过程如图4所示，可分3个步骤。

步骤1分裂（split）：又称惰性小波变换过程。将原始信号Sj(n)分为偶数采样子集Sj,e(n)和奇数采样子集Sj,o(n)，即Sj,e=Sj(2n)，Sj,o=Sj(2n+1)。

步骤2预测（predict）：用偶数采样子集预测奇数采样子集。采用一个与数据无关的预测算子P，P由预测函数得出，预测函数采用Sj,e(n)中对应数据相邻的数据平均值进行预测，即。预测产生的误差便是信号的高频信息，即。

步骤3更新（update）：用高频信息和更新算子U产生一个更好的偶数采样子集，更新函数取，可得信号低频信息为。

提升的实质是通过这3个过程提升将信号分解为低频信号和细节信号[14]，逐渐用更小的偶数序列和奇数序列来代替原信号，重复分解和预测过程，n步以后原信号用{Sj,e(n),Sj,o(n),Sj,o(n-1),

}

Sj,o(n-2),…,Sj,o(1)表示。

2.2 算法的性能评估

本文从算法的运算效率与去噪效果两方面对提升双树复小波算法在GIS局部放电在线监测信号处理方面的应用性能进行评估，采用db3作为小波基。

1）运算效率分析

一个算法运算效率的优劣主要从算法的计算量和所需占用的内存空间两方面衡量[15]。算法的计算量是通过统计各算法中最复杂的语句中基本操作的执行次数得出的，结果如表1所示。而各算法所需的内存空间是无法用数据计算得来的，只能通过各算法的原理进行分析。

由表1可知，提升之后的双树复小波的计算量较之其他两种算法减少了将近一个数量级。统计各算法在不同分解级数下，对PC机内存的占用率，PC机的总内存为3 387M。

通过提升过程可看出，提升双树复小波算法除需前级提升步骤输出的数据外，不需借助任何别的数据，在每个点都可计算得到新的数据序列，即可进行原位计算，这可减少计算时间和对计算机内存空间的使用。由图5可知，经提升的小波算法能有效减少算法运行时对PC机内存的占用率。

2）去噪效果分析

对局部放电信号进行去噪处理，往往希望能在得到一个信噪比更高的信号的同时，还能保证信号发生的畸变更小[15]。引入信噪比和波形相似系数对算法的去噪效果进行衡量。在工程实践中常用以下4种数学模型来等效局部放电脉冲[16]：单指数脉冲、双指数脉冲、单指数衰减脉冲和双指数衰减脉冲，各数学模型中A为脉冲的强度参数，τ为衰减常数，fc为振荡频率。

信噪比SNR的数学表达式为

由图6和表2可以很直观地看出，提升双树复小波算法较之实数小波和第1代双树复小波算法，无论是在滤除噪声方面还是在保持波形形状方面都更优秀。

2.3 局放特征参数的计算

局部放电特征参数的计算对于局部放电的故障识别和实时掌握设备绝缘情况具有很大意义，本文基于统计特征参数法进行局部放电特征参数的计算[16]。局部放电的放电量q、放电次数n和放电相位φ是局部放电的重要特征量，在工频交流电压作用下，设备产生的局部放电脉冲通常都具有明显的相位特征，即局部放电脉冲相对于工频电压具有特定的放电量和特有的相位角。因此可利用放电次数n和放电量q表示局部放电相位φ，从而表征局部放电的特性。本文将一个工频电压周期划分成256个相位窗口，用相位角轴表示（如图7所示）。通过一段时间分别计算每个相位窗中对应的放电次数n和放电量q，然后对计算结果进行统计，即可得到放电次数n和放电量q与相位φ的函数。

局部放电的特征参数可分为两类：一类用于描述局部放电图谱的形状差异，包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、局部峰个数Pe；另一类用于表征局部放电图谱正、负半周的放电差异，包括放电因数Q和互相关系数Cc[16]。经长时间测量和对监测所得的数据进行统计分析，便可得出局部放电的特征参数。

1）偏斜度Sk

偏斜度是对统计参数分布偏斜方向及程度的度量，能够反映数据图谱相对于正态分布形状的位置，Sk＞0时，表示数据图谱相对于正态分布图向左偏；Sk=0时，表示数据图谱与正态分布形状一致，左右两部分对称；Sk＜0时，表示数据图谱相对于正态分布图向右偏。其计算公式为

式中：W表示在半个工频周期内的小相窗总个数；Δx表示每个小相窗的宽度；xi表示第i个相窗的相位；yi代表统计结果的纵坐标，用于表示局部放电的放电次数；表示统计结果的概率；为统计结果的均值；为统计结果标准差。这3个参数表征当把数据图谱看成概率密度分布图、以相位φi为随机变量时，第i个相窗内事件出现的概率、均值和标准差。

2）陡峭度Ku

陡峭度Ku能够反映图谱形状的分布对比于正态分布形状的突起程度，Ku＞0时，则表示该图谱轮廓比正态分布轮廓尖锐陡峭；Ku=0时，表示该图与正态分布相同；Ku＜0时，则表示该图谱轮廓比正态分布轮廓平坦。其表达式为

3）局部峰个数Pe

局部峰个数Pe能够反映图谱轮廓上共存在多少个局部峰，软件实现中，若图谱中任意轮廓点同时满足，则表明该轮廓点存在着局部峰，Pe值便加1。

4）放电因数Q

放电因数Q表示图谱在正负半周内的平均放电量差异，即

5）互相关系数Cc

互相关系数Cc表示图谱在正负半周内的形状相似度，应用于局部放电特征分析，能反映正负半周内的放电强度和相位分布情况的相关性，Cc越接近于1，说明局放图谱正负半周的轮廓差异小；Cc越接近于0，说明局放图谱正负半周轮廓差异大。

3 软件系统设计

本文所设计的上位机软件系统包括4大模块：操作界面模块、通信模块、数据处理模块和数据库模块，其中数据处理模块是本软件系统的核心，具有数据去噪、特征参数计算和波形显示3个功能。软件系统结构功能如图8所示。

3.1 操作界面模块设计

操作界面模块采用基于MFC的多文档界面进行界面设计，结合CdockablePane和CFormView为通信方式选择、数据处理和数据库管理3个模块分别创建相对独立的子对话框和类，增强了模块间的独立性。数据实时显示和图谱回放采用iocomp组件，iocomp组件被广泛应用于计算仿真、仪器仪表等众多数据图形领域的通用组件包，里面包含了大量面板指示控件。利用组件编程可像堆积木似的搭建软件系统，大大缩短开发周期，降低维护成本[17]。

3.2 通信模块设计

通信模块用于建立上下位机之间的连接，连接成功后，用户方可进行在线监测和上传数据等操作。当前局部放电监测而研发的监测设备种类繁杂，各款设备的数据通信接口种类不一，但大多数设备都采用当前流行的通信接口，如串口RS485、USB、以太网等，而且局部放电在线监测设备投入使用的现场条件不一，这就要求上下位机之间的通信具有很高的灵活性[15]。本文所设计的上位机软件系统预留了3种通信接口，兼容多款局部放电数据采集设备，可应对不同的现场运行需求。

本软件系统的串口通信采用CSerialPort类进行串口通信编程，USB通信采用当前主流的USB芯片CH372配套的CH372.DLL进行程序编写。以太网通信采用UDP协议。

3.3 数据库模块设计

本软件系统的数据库模块利用Access建立数据库，采用ADO（activeX data objects）数据访问技术对数据库进行管理和操作，最后将数据报表输出至Excel中。利用数据库管理系统，对GIS局部放电监测所得的历史数据进行有效整理与集中存储，包括放电时间、数据时长、放电次数和统计特征参数等数据，方便操作人员随时查询历史记录和分析设备绝缘情况。本软件将下位机采集的数据经处理和分析后，利用Excel作为报表输出的方式[18]。

4 测试实验

为测试和观察本系统在现场的应用情况，在厦门许继智能电力设备股份有限公司进行测试实验。现场测试系统由150 kV无局放电源、110 kV三相共筒式GIS腔体、升压变压器、耦合电容、测量阻抗和保护电阻等装置构成（如图9（a）），将一根8.61 cm长的金属尖端缠绕在其中一根GIS母线管上用来模拟高压导体金属尖刺绝缘缺陷（如图9（b）（c）），传感器安装于GIS盘式绝缘子上（如图9（d）），最后向GIS腔体内充入0.4MPa的SF6气体，进行模拟测试实验。

电磁信号由超高频传感器接收并通过同轴电缆传输至下位机预处理系统，进行硬件初步去噪后信号接入FPGA主控采集系统，设置下位机每15 s向PC机上传一次监测所得的数据。通过PC机接收这些数据，进行软件去噪处理和图谱显示。随着实验电压的升高，局放信号PRPD（脉冲相位图）和PRPS（三维脉序相位图）图谱如图10所示。

对比图10（a）、（b）、（c）可以很直观地总结出高压母线金属尖刺缺陷的局放特征，在实验电压较小时，放点处于初始阶段，在电源电压负半周期出现放电脉冲，但数量并不多，而在正半周期基本没有出现放电脉冲。随着实验电压的升高，负半周期出现大量放电脉冲，而正半周期的放电脉冲数量也开始逐渐增加。当实验电压升高到一定程度时，正负周期的放电脉冲都更加密集，但负半周期的放电脉冲始终要比正半周期强烈。

总结有关高压母线金属尖刺缺陷放电特性的研究可知[19-20]，在放电初始阶段，由于尖端在电源电压负半周期是负极性，而尖端附近的空气电离出的电子质量小、移动速度快，向地电位端快速移动，剩下的正离子在尖端产生的电场与高压端对尖端产生的电场叠加，增大了尖端附近的场强，因此负半周期产生放电的几率增大。而在正半周期，由于正离子质量大、移动慢，与快速向尖端移动的电子中和，减弱了尖端附近的电场，使发生放电的几率降低。在实验电源电压升高到一定程度时，在正半周期会产生强烈的气体电离，大量正离子向地电位端移动，相当于减少了两级之间的距离，气体持续电离发生电子崩最终形成流注放电，故随着电源电压升高，在正半周期也将出现一定的放电脉冲。这一结论与实验结果相符，可知本系统所测得的实验数据准确可靠。

选取实验电压逐渐升高时所测得的数据，运行本系统局放信号特征参数计算功能，显示相应的图谱，运行结果如图11所示，数据处理结果分为6个小图谱窗口进行显示，分别为放电次数-放电量图、放电量-相位图、最大放电量-相位图、总放电量-相位图、平均放电量-相位图和总放电次-相位图，图中u+，u-代表正负周期，参数计算结果如图12所示，研究人员可以实时根据这些图谱和参数，快速准确地掌握GIS的局部放电情况。本文中视在放电量的标定采用文献[21]中提出的一元线性多项式回归方法进行局放幅值（mV）和视在放电量（pC）的标定。

5 结语

本文设计一套多通信接口的GIS局部放电在线监测系统，基于MFC设计了局放在线监测上位机软件系统，包括操作界面模块、通信模块、数据处理模块和数据库模块4大模块的设计，提出了将提升双树复小波算法应用于GIS局部放电在线监测数据去噪处理领域中，并在核心数据处理模块中实现，大大提高了算法的运算效率和程序的运行效率。测试结果表明，本监测软件界面友好，数据处理功能强大，多通信方式使其能够适用多种监测设备，具有很大的应用价值和发展前景。

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Research and Design of OnlineM onitoring System for GISPartialDischarge

CHENXiaolin，WANGFeng，TANYanghong，HUANGChizhi，XUSongzhi，XIEWangjun
（Collegeof Electricaland Information Engineering，Hunan University，Changsha410082，China）

In order tomonitor the partial discharge in gas insulated switchgear（GIS）more efficiently and accurately，a setofonlinemonitoring system for GISpartial dischargewithmultiple communication interfaces is designed，which can improve the poor compatibility and weak real-time data processing ability in the currentmainstream devices.Consider⁃ing the denoising ability of dual-tree complex wavelet transform and the computational ability of lifting wavelet trans⁃form，a lifting dual-tree complex wavelet transform is put forward as the core of data processingmodule to denoise the monitoring data，and partial discharge oscillograms are shown in the user interface.The partial discharge characteristic parametersof the de-noised data are calculated based on the statistical characteristic parameters.The results of simula⁃tion and experimentshow that this system has friendlyman-machine interface，stronger data processing and characteris⁃tic parameter calculation ability.Compared with other onlinemonitoring systems，itsmeasurement result is direct and accurate，which canmeet the real-time requirements in theonlinemonitoring ofGISpartialdischarge.Italso hashigher application value to theengineering practice.

partial discharge；onlinemonitoring；lifting dual-tree complex wavelet transform；software system；de⁃noise processing；gas insulated switchgear（GIS）

TM85

A

1003-8930（2017）03-0042-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.007

陈晓林（1990—），男，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术、电力设备监测软件技术。Email：370316494@qq. com

2015-07-08；

2016-08-01

国家自然科学基金资助项目（61102039）；国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2012CB215106）；国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2014AA052600）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NCET-11-0130）

汪沨（1972—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术。Email：wangfeng55@263.net

谭阳红（1971—），女，博士，教授，博士生导师，研究方向为小波及信号处理和故障诊断、智能与实时信息处理。Email：tanyho@126.com