基于5G专网的TEV+AE原理的高压开关柜局放在线监测方法研究

高中天

（国能浙江南浔天然气热电有限公司，浙江 湖州 313000）

目前，高压开关柜内部的故障探测大多在断电后才能完成，实时在线探测技术较少。由于各种原因，高压开关柜经常无法按周期进行大范围断电维修，因此对电力系统的安全运行提出了更高要求。另外，2次大停电检修间，设备的绝缘状况是未知的，一旦出现问题，无法及时解决。此外，高压开关柜是把设备放在一个柜子中，一旦出现异常，操作人员查看时发现不了内部异常，红外线测温就会失效。各设备部件、母线、支撑绝缘子等到现场后，高压开关柜将其再装进外壳成一整体，并且必须经检验后，在现场装配好。然而，在野外进行高压力下的测定比室内试验困难得多，一旦出现故障，其危害性会比过去的分散式开放装置更严重，检修周期也较长[1]。此外，由于开关箱产品越来越小型化，因此绝缘余量下降。尤其是夏季，室内温度较高，湿度也更大，里面的绝缘元件会出现漏电现象且从外观上完全看不出来[2]。为促进局部放电监测水平的进一步提升，该文将结合5G专网的TEV+AE原理，进行对高压开关柜局放在线监测方法的设计和研究。

1 高压开关柜局放信号数据增强

监测高压开关柜局放时[3]，高压开关柜发生局部放电的放电过程会产生短暂的瞬态电信号，这些瞬态信号可能具有较高的峰值电压和频率分量且较短暂，同时，局部放电通常是微弱的电流或电压放电现象，因此，为了给高压开关柜局放在线监测提供准确的有效数据[4]，需要增强所采集的高压开关柜数据，从而更好地捕捉这些瞬态效应，提高信号的灵敏度和可检测性，有效地检测和分析微弱的局部放电信号，并在一定程度上抑制噪声。该文在该部分引入高通滤波，并将该算法与峰值检测算法相结合，以达到有效增强高压开关柜局放信号数据的目的。在结合高通滤波和峰值检测来增强局部放电信号过程中，进行算法处理的步骤如下。

首先，初始信号：获取待处理的局部放电信号，将原始信号设为x（t），其中t为时间。

其次，高通滤波：应用高通滤波器滤除原始信号中的低频成分和直流分量，保留高频内容。高通滤波如公式（1）所示。

式中：y（t）表示高通滤波后的信号；LPE（x（t））表示低通滤波器对原始信号的滤波结果，用于提取低频成分和直流分量。

最后，峰值检测：对高通滤波后的信号进行峰值检测，获取信号的峰值部分。峰值检测如公式（2）所示。

式中：z（t）表示峰值检测后的信号；max表示取绝对值后的最大值操作；abs（·）表示取绝对值；α表示峰值检测系数。

该算法使用高通滤波器滤除原始信号中的低频和直流分量，突出信号的高频成分和瞬态效应。然后峰值检测提取峰值部分用于增强信号的强度和清晰度。经该算法处理后的高压开关柜信号可以更好地突出局部放电信号，提高信号的可辨度和检测能力。

2 基于5G专网TEV+AE原理的局部放电模式识别

在5G专网中，利用TEV的工作原理可以监控开关柜体表面瞬态地电压。该方法能够对装置中的局部放电信号进行有效监控，同时还具有较强的抗干扰能力，可以进行对高压开关柜的不停电的局部放电监测。在开关箱内，当发生局部放电时[5]，将产生一种以光速向四面八方迅速传播的高频电流[6]。电流场的趋肤效应会使电流场无法通过金属盒，而是在金属盒中传输。在金属与绝缘连接的位置上，电流波会发生转变，并产生电磁波。电磁波能够在空隙中传播。当电流波经过金属外壳时，在外壳上会形成一个电压，即1TEV。在5G专网的AE原理的基础上，可对高压开关柜的局部放电进行监测，在不改变设备原有运行模式的情况下，可以利用多个传感器和接收到的时差对缺陷进行定位，并且监测过程中不会受电磁的影响。根据上述论述，该文提出一种基于5G专网的TEV+AE原理放电模式识别方式[7]。利用TEV+AE原理，将增强处理后的局部放电信号数据进行局放特征提取，得到归一化的高压开关柜各类典型绝缘缺陷局部放电信号特征，如公式（3）所示。

式中：x'（t）表示归一化的高压开关柜各类典型绝缘缺陷局部放电信号特征；n表示特征类型。

在该过程中，输出量为高压开关柜4种典型局部放电类型和无局部放电状态，其表达式如公式（4）所示。

式中：Y表示输出量集合；z1表示针板放电类型；z2表示内部放电类型；z3表示悬浮放电类型；z4表示绝缘子沿面放电类型；z5表示无局部放电状态。

在确定输入量和输出量后，根据Mercer条件，选取不同的内积核函数构造SVM，构建如公式（5）所示的多项式核函数。

式中：d表示函数的阶数；K（xi（t），x'（t））表示多项式核函数；β表示局放模式识别系数。

遗传算法是一种模仿遗传机制和自然界中的优胜劣汰原则的进化算法，具有良好的收敛性能、较少的计算时间和较高的鲁棒性。但是，它也存在编程复杂、无法及时反馈网络信息以及容易发生早熟等问题。为了解决这些问题，该文利用各种群遗传算法来寻找开关柜局部放电模式识别的最优参数。寻优的流程如下：确定编码方式—设置种群规模与种群数量—设定控制参数—设置适应度函数—移民操作—人工选择操作—设置迭代终止判据—选择、较差和变异—解码—输出最优参数。利用最优参数，将其代入上述核函数中，通过核函数的运算得到相应的输出结果，并将其与上述5种不同局部放电类型进行比较，进行对放电模式的识别。

3 局部放电在线监测与预警

为了在线监测高压开关柜局部放电，将上述运算以程序的方式输入计算机中，并在实际应用前对上、下位机的通信功能进行测试。首先，在开关柜内部，将局部放电缺陷模型分别安装好，并将TEV+AE信号调理单元的增益设定为60dB。设置高压测试后，打开上位机，输入用户名和密码，登录到局部放电在线监测中。其次，调节器启动，以0V为起点，对工作频率电压进行负载，并对高压开关柜中的局部放电进行超高频信号采集。分析局部放电在线监控的数据，并将局部放电监测数据与局部放电实际数据进行对比。根据得到的结果验证数据通信可靠、稳定后，将其正式应用到高压开关柜局部放电的在线监测中。针对局部放电的在线监测包括2种模式，一种为快速巡检监测，另一种为重症监护监测。2种在线监测的基本流程如图1所示。

图1 局部放电在线监测流程图

从图1所示的工作流程可以看出，无论是快速巡检还是重症监护，都需要连接相应的传感器，并完成背景噪声检测等操作。二者的不同之处为快速巡检需要对多台高压开关柜进行监测且需要反复操作，而重症监护监测主要是对出现故障的高压开关柜进行有针对性的长期的持续监测。对背景噪声进行探测后，要根据所探测的噪声决定局部放电的阈值，该数值会随环境噪声的变化而变化，探测时间通常不会少于1min。针对高压开关柜不同局部放电类型及其程度，设置不同的预警等级，以便能更及时地发现高压开关柜的异常并制定解决方案。

4 对比试验

4.1 试验准备

通过上述论述，并结合5G专网的TEV+AE原理，该文提出了一种全新的针对高压开关柜局部放电的在线监测方法。为了验证新的监测方法是否能够应用于实际并解决现有监测方法在应用中存在的问题，将新的监测方法设置为试验组，将基于特高频法的监测方法设置为对照A组，将基于测量传感器的监测方法设置为对照B组，进行对比试验。

在高压开关柜局部放电在线监测试验中，需要搭建的硬件环境如下。1）局部放电缺陷模型的安装，为了模拟真实的局部放电情况，需要在高压开关柜内部安装局部放电缺陷模型（可以是人工制造或仿真的电气缺陷），以便进行试验和监测。2）将TEV+AE信号调理单元增益设置为60dB，使用TEV（Transient Earth Voltage）和AE（Acoustic Emission）信号调理单元来接收和处理局部放电产生的超高频信号。调整其增益为60dB，以确保能够有效捕捉局部放电信号。3）高压测试与工作频率负载。进行高压测试，即给高压开关柜施加额定工作频率的电压。同时，通过负载模拟实际运行条件，以确保测试的真实性。4）连接相应的传感器。适当选择合适的传感器，例如TEV传感器和AE传感器，将其连接到高压开关柜内部，用于采集局部放电信号和声发射信号。

通过配备和连接这些硬件设备，可以采集和监测局部放电信号，并进行后续数据分析和处理。由于在大气条件下，高压开关柜局部放电是一种随机现象，各类型放电均有其特殊的统计特性，因此在试验的过程中一次采集2000个频率范围内的极高频率信号。但对针式平板放电而言，因其放电系数难以获取，因此需要一次采集5000个工作频率周期。鉴于高压开关柜局部放电的类型较多，需要在试验过程中设置多种不同组别，并分别利用3组监测方法完成对各放电类型的监测，包括针板放电类型、内部放电类型、悬浮放电类型和绝缘子沿面放电类型。在试验过程中，升压至某一时刻出现微弱的局部放电时，采集当前发出的信号，将相关数据保留并作为试验数据。试验研究的高压开关柜具体参数见表1。

表1 高压开关柜参数

4.2 试验参数设置

开始试验前，需要设置基于5G专网TEV+AE原理的高压开关柜局放在线监测方法的算法参数，避免参数取值不同影响监测方法的性能，进而影响试验的准确性。试验参数设置见表2。根据表2数据设置在线监测方法的参数。

表2 试验参数

4.3 结果分析

为了验证3组监测方法的精度，将3组方法监测到的各类型下的放电次数作为试验数据指标，将其与实际放电次数进行对比。如果二者相同，说明所对应的监测方法具有极高的监测精度；反之，如果二者相差较大，说明所对应的监测方法监测精度较低。根据上述论述，记录每一种局部放电类型监测到的放电次数和实际放电次数，数据记录见表3。

表3 3组监测方法监测结果记录表

从表3中记录的试验数据可以看出，试验组监测结果与各局部放电类型实际放电次数一致，而对照A组和对照B组每种类型所得监测结果与实际均存在2～5次的误差。从上述试验结果中可以发现，试验组监测方法的监测准确率最高。将试验组监测方法应用于实际，通过精确分析放电次数，可以判定高压开关柜运行状态，从而为开关柜放电提供更可靠的依据。

5 结语

该文提出的在线监测方法主要用于高压开关柜局部放电监测，根据监测结果及时发现开关柜发生绝缘故障等异常问题的原因。并通过试验将新的监测方法与现有的基于特高频法的监测方法、基于测量传感器的监测方法进行对比，可以看出该文监测方法具有更高的准确度，能够为高压开关柜局放提供更佳监测效果，可有效避免误检、漏检等问题，且该监测方法的适应性更强，可适用于多种类型的高压开关柜的局放监测与预警。