基于双CPU的高压电缆在线绝缘监测系统

梅林常，全宏达

(国网鹤壁供电公司，河南 鹤壁 458030)

基于双CPU的高压电缆在线绝缘监测系统

梅林常，全宏达

(国网鹤壁供电公司，河南 鹤壁 458030)

设计一种基于双CPU的高压电缆在线绝缘监测系统，并详细介绍该监测系统的原理与结构组成。本系统采用基于小波分析的阈值去噪方法，并通过分析高压电缆的局部放电情况来评估电缆的绝缘状况。实验室模拟放电实验和现场在线监测实验的结果，从不同方面证明了系统的有效性与可靠性。

高压电缆；绝缘监测；局部放电；小波去噪

高压电力电缆绝缘性能的好坏在很大程度上影响着电网的安全稳定与正常运行。据统计，在已发生的高压供电事故中，因电缆故障所引发的事故高达50%以上，其中80%的电缆故障是因线路绝缘程度降低、绝缘被击穿所致，进而引起单相接地[1]。因此，加大对电缆绝缘特性的研究，同时开发出有效的在线监测设备，对于最大限度地减少电缆故障，就显得尤为重要。

目前，国内外主要的监测方法是：局部放电法、直流分量法、谐波分量法、在线tanδ法、直流叠加法、低频叠加法和交流叠加法等。然而，由于采用电缆沟铺设的特殊工作环境，这些方法在实际运行中都存在一些障碍。目前，国内外专家一致推荐局部放电法，认为其是监测高压电缆绝缘状况的最佳方法[2]，且在实践探索中积累了一定的经验，这些经验通过广泛验证，初显成效。在综合各种检测方法优点的基础上，本文设计了基于双CPU的高压电缆在线绝缘监测系统，该系统采用小波分析阈值法对局部放电信号去噪，并对此进行了实验室模拟验证以及现场测试。实验结果表明：基于双CPU的高压电缆在线绝缘监测系统能够在不影响电缆正常运行的情况下真实地反映出电缆实时的局部放电情况，并能准确地判断出电缆绝缘的损坏状况与程度级别[3]。

1 基于双CPU在线监测系统结构

本系统以基于电磁耦合原理的局部放电法为基础，其原理主要是通过安装于屏蔽接地线或电缆本体上的高频电磁耦合传感器，来对由电缆绝缘缺陷产生的局部放电脉冲信号进行采集分析，并将处理的数据信息反馈于远方后台操作软件。后台操作软件对前端反馈的数据进行分析和储存，根据已设定的高压电缆绝缘放电阈值给出预警提示[4]。监测系统结构如图1所示。其中，采集模块硬件结构采用的是“主DSP+从DSP”，也就是所谓的双CPU，其结构框图如图2所示。其中，主DSP主要完成数据的采集和远程通信等功能，而设计的从DSP则主要完成对采集到的局部放电信号的去噪算法的实现。

图1 可用高压电缆无损绝缘在线监测系统结构图

图2采集模块硬件结构图

2 高频电磁耦合传感器

高频耦合互感器是采用电磁耦合的方法来监测电缆局部放电信号的。电磁耦合法是指把电磁耦合线圈安装在连接头屏蔽层的接地线上或电缆金属屏蔽层外、电缆终端，进而利用电磁耦合来感应流过电缆屏蔽层的局放脉冲电流[5]。高频电流传感器是基于电磁感应定律的罗氏线圈实现对电流的测量，其结构和等效电路如图3所示。

图3 高频电流传感器结构和等效电路

图中：R1是高频电流传感器的负载电阻；M0是置于线圈中间的载流导体与线圈之间的互感；C0是线圈的杂散电容；L0是线圈本身的电感；R0是线圈本身的电阻。电流传感器的工作频带用上限频率fh与下限频率f1表示。图3(a)中罗氏线圈电流传感器的工作频带见方程组(1)。

(1)

由方程组(1)可以看出，要提高高频耦合互感器的频带，不仅需要高频带的截止频率提高，还需要低频带的截止频率降低。而提高高频带截止频率的措施是减小互感器线圈自身的电阻R0和杂散电容C0；减小低频带截止频率的措施是提高传感器线圈自身电感L0，降低电阻R0和使用较小的负载电阻R1等。

3 系统数据采集与降噪处理设计

监测放电信号后，再经过放大与模数转换，然后进行有效的降噪处理。本系统采样与处理的原理框图如图4所示。其采集部分主要包括滤波放大电路设计及局部放电信号的小波去噪的研究与实现。

图4数据采样设计框图

3.1 滤波放大电路

滤波放大电路主要实现初级信号调理。滤波器的作用是从含有各种频率成分的模拟信号中，仅允许必要的频率信号通过，而将不需要的信号去除。由于局部放电信号十分微弱，为利于信号的识别和提取，需要对传感器采集到的信号进行放大。滤波放大电路采取一阶滤波放大的级联设计，两级一阶滤波能实现巴特沃斯二阶滤波器的性能，同时避免常规二阶滤波器易发生震荡的问题。两级放大电路，能在保证带宽的基础上，提供比较大的增益。因此，该电路不仅可以使信号滤波效果更好，而且可以使放大倍数更大，更适用于局部放电信号的提取。

3.2 信号的去噪分离算法

小波变换是由傅里叶变换经过窗口傅里叶变换发展而来的。频率信号是由时空信号经过傅里叶变换得到，其自身并不包含时空定位信息，在频域上有最大分辨率。窗口傅里叶变换由于其窗口的大小是固定的，故不适用于频率波动大的非平稳信号，只是对时空信号进行分段或分块进行时空-频谱分析。而小波变换是一种自适应的时频分析方法，与其他去噪方法相比，它不但具有多分辨分析功能，而且还可以依据频率的高低自动调整窗口大小[6]。

本系统利用小波分离不同频率的信号，在不同的频率段上对信号进行处理，将原始信号利用小波变换按照db7小波函数进行展开，将其表示成不同尺度函数和时移小波函数的线性组合，得到每一项的小波系数[7]。

对不同频率的小波分量进行不同的处理方式。在局部放电可能出现的频率段，保持其小波系数不变；在其余的频段，减少其小波系数至0。对于处理后的分量进行小波逆变换，将信号转换为重建后的信号。通过这种方式，将原始信号中不属于局部放电频段的噪声去掉，得到疑似局部放电的目标信号。例如，可将一个带有局部震荡的信号，分成一个近似信号和8阶细节信号，如图5所示。第一层是原始信号，第二层是近似信号，其余依次为不同频率的细节信号，频率逐步上升。

图5小波变换实例

阈值去噪后对各分量进行重建。重建后的信号表现出较为突出的局部放电特征，如图6所示。

图6 重建后信号

4 系统的实验室及现场性能测试分析

4.1 实验室模拟实验分析

实验室模拟模块主要由采集模块、同步电压器、电源、通信模块等组成。其中，采集模块将通信芯片、存储芯片等集成在一块电路板上，使其具有数据传输等功能；同步电压器为晶闸管提供同步信号作为其控制电压；电源为整个装置提供电能；通信模块的作用是传输数据。实验室模拟测试电路如图7所示。

图7 实验室模拟测试电路

正常运行情况下的电缆无局放现象，但是由于现场会有各种干扰，会出现微弱的毛刺，大概都在3 pC以下，在操作软件界面显示，如图8所示。

图8 受到干扰影响的无放电情况图

当打开模拟放电装置后就会产生剧烈的放电现象显示，如图9所示。

图9放电现象显示

从上述实验波形图，我们可以得到清晰的放电痕迹，通过实验室模拟实验，充分证明了本系统对绝缘放电信号监测的有效性。

4.2 现场调试效果分析

将基于双CPU的高压电缆在线绝缘监测系统安装于国网鹤壁供电公司某变电所，在实验装置安装完毕后，对电缆的绝缘层进行人为的破坏，首先采用锤击方式降低高压电缆绝缘的绝缘状态。其绝缘破坏实验图和局放监测图如10所示。

图10 绝缘破坏实验图和局放监测图

为进一步验证其监测的有效性，对电缆的绝缘状态进行更深程度的破坏，采用钉子在电缆绝缘层钉入一定深度，如图11所示。

图11 采用打钉法处理后的局放监测图

滤波前后的对比如图12所示。

通过对基于双CPU的高压电缆在线绝缘无损监测系统进行的一系列现场实验以及实验得到的数据与波形，证明了该监测系统具有很好的降噪能力，表明本文设计的监测系统可靠。这充分说明了基于双CPU的高压电缆在线绝缘监测系统能够实时地对电缆绝缘状态进行准确监测。

图12 局部放电滤波前后波形图

5 结论

本文设计一种基于双CPU的高压电缆在线绝缘监测系统，并采用基于小波分析的阈值去噪方法。经科学测试，本文所设计的监测系统具有很好的降噪能力，能够有效地去除高压电缆局部放电的噪声干扰，较好地保留了局部放电的宽频带特性，提高了在线绝缘监测的可靠性，从而达到实时监测电缆的绝缘状况和预警目的。

[1] 代凤龙.电力电缆绝缘在线监测与诊断[D].长沙：长沙理工大学，2009.

[2] 随慧斌，李靖强，杨晓娟，等. XLPE电缆局部放电在线监测系统研究[J].山东大学学报(工学版)，2012(4)：126-131.

[3] 杜忠德.基于DSP的井下动力电缆在线绝缘监测[D].焦作：河南理工大学，2011.

[4] WANG W, SUI H, YU Y L，et al. The growth of electrical tree and its pd in inner and outer layer of 110 kV XLPE cable insulation[C]// Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference. IEEE,2012：1-4.

[5] 夏涛.煤矿高压电缆在线绝缘监测系统研究[D]. 焦作：河南理工大学, 2015

[6] 许珉，杨艳伟，申克运，等.基于小波变换的电缆短距离开路故障测距[J].电力系统保护与控制，2013,41(4):112-116.

[7] 刘艳.基于LabVIEW和小波分析的电缆故障定位研究[D]. 青岛:山东科技大学, 2012.

AStudyontheOnlineInsulationMonitoringSystemforHighVoltageCablesBasedonDoubleCPUs

MEI Linchang，QUAN Hongda

(Hebi Power Supply Company of State Grid He'nan Electric Power Company，Hebi He'nan 458030，P.R.China)

This paper introduces an on-line insulation monitoring system for high voltage cables based on double CPUs as well as its principle and structure．A method used for valve-value denoising based on wavelet analysis is applied in the system．Partial discharge of high voltage cables can be analyzed to evaluate the insulation of the cables．The simulation discharge experiment in the lab and the results of online monitoring experiment prove the validity and reliability of the system in different aspects．

high voltage cables；insulation monitoring；partial discharge；wavelet denoising

TH762

B

1008- 8032(2017)05- 0020- 04

2017-09-13

2016年国网河南省电力公司项目(52172015001W)。

梅林常( 1974-)，工程师，主要从事信息通信及科技管理等工作。