基于BP网络的声电联合检测在GIS局部放电的定位研究

白宇峰，何业慎，张翼英

(1.国网陕西省电力公司 营销部，陕西 西安 710048； 2.深圳市国电科技通信有限公司 安全质量部，广东 深圳 518031； 3.天津科技大学 计算机科学与信息工程学院，天津 300457)



基于BP网络的声电联合检测在GIS局部放电的定位研究

白宇峰1，何业慎2，张翼英3

(1.国网陕西省电力公司 营销部，陕西 西安 710048； 2.深圳市国电科技通信有限公司 安全质量部，广东 深圳 518031； 3.天津科技大学 计算机科学与信息工程学院，天津 300457)

随着电网技术的发展和组合电器设备的广泛应用，电力系统供电可靠性得到很大提升，但一直以来GIS组合电器局部放电故障问题比较突出，严重影响电网安全稳定运行。如何快速定位GIS放电位置，是局部放电在线检测的关键。基于TDOA法的电声电联合定位检测方法，采用到达时间差，结合BP神经网络对超声波和超高频的数据结果进行融合，构造局部放电仿真测试系统。分析了组合电器典型局部放电故障的信号特征，阐述了基于特高频和超声波技术的声电联合检测法的机理和实现方法，并通过现场实例验证了联合检测法的可行性和有效性。

组合电器；局部放电；联合检测法

局部放电(Partial Discharge，PD)是指发生在电极之间但未贯穿电极的放电现象[1]。局部放电的累积效应将使绝缘物质的介电性能不断劣化，最终导致绝缘击穿事故的发生[2-3]。气体绝缘组合电器(Gas Insulated Substation，GIS)是电力系统中输送电能的重要设备，具有很高的供电可靠性，目前已广泛应用于110 kV和220 kV变电设备中。但在实际运行中GIS局部放电问题却一直比较突出。而造成局部放电的主要因素是设备内部的自由金属微粒、电极表面的毛刺突起、螺丝松动或接触不良造成的悬浮电位、绝缘件缺陷以及安装过程中的遗留物等因素[4]。这些因素不断劣化GIS内部绝缘介质及绝缘部件的性能，腐蚀导电部件，导致GIS绝缘事故发生。长期的局部放电会导致设备绝缘劣化局部扩大，甚至引起组合电器绝缘击穿或沿面闪络，严重影响电网运行的安全与稳定。目前局部放电检测方法很多，如特高频法、超声波法、气相色谱法、震荡波法等，但单一方法检测效果比较有限，目前利用多种方法互补性的联合检测法成为当前发展的主要趋势。

针对目前存在的GIS局部放电检测故障定位困难的问题，研究了典型局部放电信号特征和常用的局部放电检测技术，分析了不同GIS局部放电检测技术的优缺点，提出了基于BP(Back Propagation)神经网络的声电联合定位法，通过超声波局放检测法与特高频测试法相结合，采用到达时间差(Time Different of Arrival，TDOA)法，运用MATLAB6.5构建了声电联合定位仿真测试系统，并通过实验验证了该方法的有效性。

1 声电联合GIS检测法

1.1 超声波局放检测法

GIS局部放电检测方法中最成熟的检测法是超声波局放检测法。局放源发出的超声波信号，抗干扰能力强，不受外界噪声影响，通过超声传感器即可捕获信号，实现放电源的定位，但是超声波信号在固体盆式绝缘子内部传播时衰减较大，对于绝缘子内部以及表面放电灵敏度不够，无法完成全部检测任务。超声波法在局部放电检测定位中的工作原理如图1所示：

图1 超声波法测量局部放电原理

1.2 特高频测试法

在电力线缆的局部放电检测中，特高频电流法是目前最常用的检测方法，当电缆发生局部放电时，会有部分电流流入大地。因此，通过在外屏蔽层套接高频电流传感器，感应接地线上的电流，激发数GHz的电磁波，脉冲电流上升很快，即可用实现局部放电的判断。但该法无法准确定位故障点，检测原理如图2所示。

图2 高频电流法测量局部放电原理

1.3 两种检测方法分析

超声波和超高频检测方法采用传感器接收放电源信号，利用同一信号到达不同传感器的时间差、振幅变化，根据超声波及电磁波传播速度，即可以求出放电源距多个传感器的距离。但是在实际应用中，受环境、噪声、速度、距离等多个因素影响，同时信号在GIS内部传输过程中衰减较快，相应的精确捕获的时间差非常困难，这些都增加了信号采集及滤波分析的难度。

1.4 声电联合局部放电测试法

将特高频测试法与超声波测试法相结合，让超声波测试法与超高频测试法在GIS局部放电检测中优势互补，超声波测试法具有传感器布置灵活、适应电磁环境、高灵敏度、高精确等优点，但是也有信号衰减快、机械干扰、定位困难等缺点。而超高频测试法具有信号衰减慢、灵敏度高、机械干扰小等优点，恰能弥补超声波测试法。因此将两种方法有机结合，实现优势互补。

声电联合检测技术通过检测信号的相关性及时间差，提高局部放电检测准确性，有利于发现潜在的缺陷，确保设备安全稳定运行。声电联合检测法实施步骤如下：

1)如果存在电频、声音双重信号，则使用特高频法确定电信号来源，利用超声波法进行精确定位。

2)如果没有捕获超声波信号，只测量到特高频电磁波信号，则改变传感器的位量、方向，停放在接收信号最强的节点。则基本确定该节点腔体内存在放电性缺陷。

3)如果特高频法没有测量到电磁波信号而超声波法测量到声信号，则用超声法逐点检测，找到接收信号最大的节点，再根据信号图谱特征判断信号是否由振动引起，确定局部放电源。

4)如果超声波法与特高频法都没有检测到任何异常信号，则不存在明显GIS局部放电。

2 声电联合定位仿真测试系统

2.1 TDOA定位原理

TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)定位是一种利用同一放电源到达不同传感器时间差进行放电源定位的应用方法[5]。通过不同的传感器捕获信号的时间，利用速度(光速)、路程间的关系即可确定信号源距离每个传感器的直线距离。以监测站为中心，直线距离为半径作圆，就可以确定信号源位置。TDOA定位方法绘制图形如图3所示：

图3 TDOA定位方法

假定GIS内有n个传感器，局部放电源的空间坐标为(x，y，z) ，传感器的空间坐标为(xi，yi，zi)，其中i=0，1，…，n-1。如果在t0时刻某个特高频传感器捕获到局放电磁波信号，假设其坐标为(x0，y0，z0)。则各个超声探头传感器捕获的超声信号时刻tn与t0均存在不同的时间差，放电源与各传感器之间的直线距离用ri表示; 放电源信号到达第i个传感器与特高频传感器探头的时差用ti表示；声波传播速度用v表示，则根据路程、时间、速度三者关系，则有：

ri=v*ti=1，2，…n-1

(1)

根据空间距离表示方法，可建立n-1个方程。

(2)

i=1,2,…,n-1

2.2 基于BP网络的局放定位算法

BP算法(Back Propagation，反向传播算法)由正向和反向两个传播过程组成[4]。整箱传播过程是指输入层神经元接收信息，传递给中间神经元，中间神经元进行信息变换，通过隐层传递到输出层神经元，完成正向学习处理过程，由输出层输出处理结果。当输出结果与期望不符时，进入反向传播阶段。通过输出层按误差设定梯度修正权值，向隐层、输入层逐层传递、反传。正向传播和误差反向传播过程的周而复始进行，也是权值不断调整的过程，神经网络自学过程，直到输出误差满足接受程度为止。BP网络信息融合算法分为数据初始化、前向计算、反向误差调节等步骤。

1)数据初始化

选择BP网络拓扑结构，设置输入层、中间层、隐层和出层的各层权值，确定最大循环次数，确保无死循环发生，选择学习因子。函数模型关系为：

(3)

其中，xi为输入节点；y为输出节点；n0为节点数目；f为激活函数；W为权值矩阵；X为输入矩阵，其中W=[w1，w2，…，wn0]，X=[x1，x2，…，xn0]。

2) 前向计算

(4)

3)反向误差调节

BP算法采用基于梯度最速下降法来计算输出层、隐含层、输入层等反向误差信号，计算权值调整模式，等效误差计算公式为：

(5)

4) 完成计算后，判断误差是否满足精度要求，若不能满足则调节权值，返回到步骤2)继续进行，直到满足精度要求则输出结果为止。算法流程如图4所示：

图4 BP网络的局放定位算法流程

2.3 声电联合仿真检测系统结构

GIS声电联合局部放电仿真检测系统由信息采集传感器、信息融合模块、PD故障定位模块三个部分组成[5]。信息采集传感器由超声波、超高频两种不同类型的传感器构成；信息融合模块负责将传感器采集到的放电超声波和电磁波信息进行基本预处理之后，对同质数据进行融合的功能；PD故障定位模块则采用TDOA法对超声波和超高频法采集的数据进行分析，利用BP神经网络算法进行数据融合，计算局部放电故障位置。声电联合仿真检测系统结构如图5所示：

图5 声电联合仿真检测系统结构

3 声电联合局部放电检测法在GIS的应用

案例1:发现GIS罐体内金属颗粒及杂质

某220 kV变电站GIS罐体内存在杂质及金属颗粒，导致罐体内部产生悬浮放电。采用声电联合检测法，成功地发现并解决了上述GIS放电问题，如图6所示：

案例2：某PT气室疑似放电故障分析

在对某组合电器间隔线路PT气室进行超声波检测过程中，检测到无规则、幅值不等的PD图谱，如图7所示，而在进行特高频检测时发现频谱平稳、无异常信号，如图8所示。

图6 GIS罐体内的杂质及金属颗粒放电

图7 超声波PD图谱

图8 特高频PD图谱

根据以上特征试验人员进一步对该PT气室进行复查，经复查发现该气室的接地线振动较为严重，导致超声波传感器无法与气室表面良好接触，造成局部放电信号图谱不规则，有效避免了盲目对组合电器解体造成的经济和电网损失。

案例3：某隔离开关气室内局部放电故障

在对某组合电器隔离开关气室进行超声波检测发现异常信号，表现出明显的相位相关性，50 Hz相关性明显大于100 Hz相关性，如图9所示。采用特高频检测同样发现异常尖峰信号，如图10所示。通过与典型局部放电特征信号比较发现，该信号具有较为明显的固定金属体悬浮放电信号特征。并利用时差定位法比较两通道信号到达时间，将故障定位在隔离开关触头附近，试验人员判断隔离开关触头附近存在严重的固定金属体悬浮放电故障，需要进行解体处理。

通过解体检查发现该隔离开关操作连杆下部金属拨叉与动触头轴销之间的等电位弹簧缺失，造成接触不良悬浮放电，通过重新加装等电位弹簧后局部放电信号消失。由于故障发现及时、判断准确，避免了严重的组合电器绝缘击穿事故。

图9 超声波PD图谱

图10 特高频PD图谱

4 结 语

由于GIS局部放电定位检测受电磁干扰及现场噪声等多个因素影响，放电信号在传输过程中不断衰减，超声波、特高压等单一检测方法已经不能满足复杂环境下GIS局部放电检测定位要求。提出了借助BP神经网络，结合到达时间差TDOA法，对超声波和超高频法传感器采集的数据信息进行融合、智能合成，最终实现快速准确放电检测定位，该法可以作为局部放电辅助判断和故障点定位的重要手段。最终通过MATLAB6.5构建了声电联合定位仿真测试系统检测验证，实验结果表明基于特高频和超声波技术的声电联合检测法可以快速、准确的发现故障，并且能够判断故障类型和进行故障定位，在组合电器局部放电检测领域具有良好的实际应用效果。

[1]周 倩， 唐 炬， 唐 铭，等.GIS内4种典型缺陷的局部放电超高频数学模型构建[J].中国电机工程学报， 2006 (8):99-105.

[2]金立军，张明锐，刘卫东.GIS局部放电故障诊断试验研究[J].电工技术学报，2005，20(11):88-92.

[3]高 阳，张 博，许傲然，等.TEV检测原理在断路器机械特性研究中的应用[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2016，12(4):332-335.

[4]刘有为， 吴立远，弓艳朋.GIS设备气体分解物及其影响因素研究[J].电网技术，2009，33(5):58-61.

[5]王 亮， 郑书生， 李成榕，等.GIS浇注孔传播内部局部放电UHF电磁波的特性[J].电网技术，2014，38(1):241-247.

(责任编辑魏静敏校对张凯)

ApplicationofAcoustic-ElectricCombinedMethodBasedonBPNetworksintheDetectionofPartialDischargeinGIS

BAI Yu-feng1,HE Ye-shen2，ZHANG Yi-ying3

(1.Information Communications Branch,State Grid Shaanxi Electric Power Company,Xian 710048,Shaanxi Province;2.Safety and quality ensurance department,State Grid Shenzhen Technology Communication Co.,Ltd,Shenzhen 518031,Guangdong Province; 3.College of Computer Science and Information Engineering,Tianjin University Science & Technology,Tianjing 300457)

With the wide application of GIS and the development of grid technology,the power supply reliability of power system is improved greatly.But the prominent partial discharge faults in GIS are always seriously affecting the safe and stable operation of power grids.Rapid positioning of GIS discharge location is the key point in the partial discharge online test.The acoustic-electric combined method based on TDOA constructs the simulation monitoring system by distinguishing the arrival time difference of various signals and blending the data from UHF and ultrasonic wave with BP network.On the basis of the analysis of the signal characteristics of typical partial discharge fault in GIS,the mechanism of acoustic electric combined detection method based on UHF and ultrasonic technology and implementation method were expounded,and the feasibility and effectiveness of the detection method were verified by the field examples.

GIS; partial discharge; united detection method

2017-05-22

白宇峰(1974-)，男，陕西渭南人，高级工程师，硕士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.012

TM595

： A

： 1673-1603(2017)03-0259-06