新型GIS局部放电特高频信号仿真装置.pdf

SHANDONG ELECTRIC POWER山东电力技术第50卷（总第309期）2023年第8期DOI：10.20097/ki.issn1007-9904.2023.08.0070引言气体绝缘开关组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）随着国内外经济的高速发展广泛应用于电力系统1-2。但由于 GIS 设备在设计、制造、安装、运维等环节存在的问题，以及投运较早的 GIS 设备已经进入设备寿命的中后期，GIS 设备在近年来逐渐呈现故障多发的情况，给电力系统造成的风险和隐患也逐渐暴露出来。经调查，GIS 故障主要分绝缘故障、机械故障、发热故障等，其中绝缘故障占比最高3-4。提前发现 GIS 设备存在的绝缘异常，进行正确的诊断和预警，是 GIS 设备状态评价工作亟须解决的问题。特高频（Ultra High Frequency，UHF）检测方法由于灵敏度高、抗干扰能力强、具有局部放电模式识别能力和放电源定位等优点广泛应用于 GIS 状态检测和预警5-6。近年来，基于特高频法的 GIS 绝缘缺陷检测技术应用广泛，取得了一些成绩。但 GIS 特高新型GIS局部放电特高频信号仿真装置刘萌，张峰达，李壮壮，郑文杰，杨祎（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250003）摘要：气体绝缘开关组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）特高频局部放电检测仪器广泛应用于GIS设备的绝缘缺陷检测与预警，但特高频局部放电仪器对绝缘缺陷的诊断和识别的准确性往往存疑。为了提高局部放电设备绝缘缺陷诊断和识别校验的有效性，开发了一种基于导入GIS现场绝缘缺陷图谱并能进行反向输出的装置。首先介绍了装置硬件设计的实现原理、基本结构以及局部放电仿真信号产生单元的实现方法，然后介绍现场真实特高频局部放电信号的转换、载入和下发方法，最后开展装置的实用性测试。测试结果表明：GIS局部放电特高频信号仿真装置能有效模拟现场采集到的各种真实放电信号并进行有效输出，为GIS特高频局部放电检测仪器的绝缘缺陷诊断和识别提供新的方法。关键词：特高频；局部放电检测仪；信号模拟；绝缘缺陷；诊断识别中图分类号：TM82文献标识码：A文章编号：1007-9904（2023）08-0050-08Research on a New GIS Partial Discharge Ultra-high FrequencySignal Simulation DeviceLIU Meng，ZHANG Fengda，LI Zhuangzhuang，ZHENG Wenjie，YANG Yi（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）Abstract：Gas insulated switchgear（GIS）ultra-high frequency（UHF）partial discharge（PD）detection instruments are widely usedin insulation defect detection and fault warning of GIS equipment，but the accuracy of UHF PD instruments in the diagnosis andidentification of insulation defects is usually doubtful.In order to improve the effectiveness of insulation defect diagnosis andidentification verification of PD equipment，based on the import of GIS field insulation defect pattern，a device was developed，achieving a reverse output.Firstly，the implementation principle and basic structure of the device hardware design and theimplementation method of the partial discharge simulation signal generation unit were introduced.Then，the conversion，loadingand sending methods of the field UHF partial discharge signal were presented.Finally，the practicability test for the device wascarried out.The test results show that GIS UHF PD signal simulation device can effectively simulate various real discharge signalscollected on site and output them effectively，providing a new method for insulation defect diagnosis and identification of GISUHF PD detection instrument.Keywords：ultra-high frequency；partial discharge detector；signal simulation；insulation defects；diagnostic identification基金项目：国网山东省电力公司电力科学研究院自主研发项目“基于信号模拟的特高频局放信号检测评价技术研究”（520626220063）。Independent Research and Development Project of State Grid ShandongElectricPowerResearchInstitute“ResearchonGISUltra-highFrequency Partial Discharge Detection Evaluation Technology Based onSiginal Simulation”（520626220063）.50频诊断技术往往集中在各省电力科学研究院和省会城市的核心班组。GIS 特高频检测技术推广的主要难度在于一线检测人员无法有效区别现场干扰和局部放电信号，带电检测和在线监测诊断设备给出的GIS 特高频局部放电信号诊断结果准确率也不高7，不能很好地为检测人员提供局部放电类型参考。产生上述问题的主要原因是现场局部放电信号在绝缘故障的早期、中期、晚期具有不同的表现形式，且不同位置、不同形状的绝缘缺陷表现形式也不一样。当前，局部放电类型诊断训练和局放仪器校验所用的绝缘缺陷信号常常来自实验室，这些信号是通过对内置绝缘缺陷的 GIS 设备加压的方式获取，此种方法模拟的绝缘缺陷信号过于单一8，且具有不稳定性，主要反映在：信号幅值不可调节；放电持续性无法保证；放电类型切换麻烦；无法有效模拟信号的早期、中期和晚期的发展过程9。因此，通过对内置绝缘缺陷的 GIS 设备加压的方式无法真实有效地复现现场局部放电信号。通过这些信号训练的各类局部放电带电检测和在线监测设备绝缘缺陷诊断结果不准确，识别结果往往出现错误，加剧了一线测试人员判断局部放电信号的难度10。以华北电力大学、重庆大学等为代表的高校也曾推出过一些模拟局部放电特高频信号的信号源11。其中，华北电力大学实验室研制了一款上升沿小于 300 ps 的陡脉冲信号源，在输出幅值和输出频率上均可调节，但输出信号不具备电力系统所需的 50 Hz 工频相位特征。重庆大学开发了一款衰减震荡式信号源，其输出的模拟放电信号具有工频相位特征，但信号频谱单一，不能反映局部放电特高频信号的真实情况12-13。为此，设计开发了一种可以将行业内局部放电仪普遍采取的 dat 格式的特高频局部放电信号写入并反向可控输出的 GIS 局部放电特高频信号仿真装置。装置可复现局部放电信号并进行双通道反向输出，其中反向输出的信号具备原来采集到的局部放电信号的局部放电相位分布谱图（Phase ResolvedPartial Discharge，PRPD）和脉冲序列相位分布谱图（Phase Resolved Pulse Sequence，PRPS）特征，且具备 3001 500 MHz 频谱输出的能力。装置可产生各类局部放电信号和电磁干扰信号，实现 GIS 局部放电特高频信号和变电站电磁干扰信号的真实重现14。在该装置的基础上开展一系列局部放电特高频信号输出的验证试验，证明本装置的有效性。1特高频信号仿真装置硬件设计1.1基本原理大量现场测试及实验研究表明，电力设备局部放电脉冲波形上升沿时间仅为几纳秒，甚至小于1 ns，同时激发出特高频电磁波脉冲向空间发射，其等效放电电荷量为数皮库至上千皮库，能量频谱集中在 3001 500 MHz。仿真装置采用基于射频信号发生 器 原 理 及 任 意 波 发 生 器（Arbitrary WaveformGenerator，AWG）原理实现，射频信号源产生持续的正弦波信号（频率 3001 500 MHz），AWG 任意波发生器产生幅值和波形受控的脉冲信号，对正弦波信号进行幅度调制后输出15，其原理如图 1 所示。单个模拟特高频脉冲的波形如图 2 所示。图1模拟特高频脉冲原理Fig.1 Schematic diagram of simulated UHF pulses图2模拟特高频脉冲波形Fig.2 Waveform diagram of simulated UHF pulses1.2实现原理及系统结构GIS 局部放电特高频信号仿真装置硬件具体由核心 CPU 控制单元、电源管理单元、局部放电仿真信号产生单元以及人际交互显示单元组成，其硬件具体实现原理如图 3 所示。刘萌，等：新型GIS局部放电特高频信号仿真装置51山东电力技术第50卷（总第309期）2023年第8期图3仿真装置硬件原理Fig.3 Schematic diagram of simulation device特高频信号仿真装置硬件工作流程为：1）CPU 控制单元从图谱存储单元读取指定PRPS 图谱数据；2）CPU 控制单元将 PRPS 图谱数据转换为脉冲序列数据，其中包括每个脉冲的幅值和距离上一个脉冲的时间差，格式为 A n，T n ，其中 A n 为脉冲序列中第 n 个脉冲的幅值，T n 为脉冲序列中第 n个脉冲与第 n-1 个脉冲之间的时间差；3）CPU 根据脉冲序列数据生成一系列幅度控制数据；4）CPU 控制射频数字倍频器产生两路同频同相位的载波信号，载波频率可设置为 3001 500 MHz之间的一个值；5）该载波信号进入脉冲调制单元产生幅值固定的脉冲信号；6）脉冲信号经过幅度调制单元，按照幅度控制数据调整各个脉冲的幅值；7）幅度调制后的 n 个脉冲信号经功率放大器放大后，由发射天线循环发射出去。1.3局部放电仿真信号产生单元局部放电仿真信号产生单元用以产生各种图谱对应的脉冲信号，其结合了射频信号发生器和 AWG任 意 波 发 生 器 原 理。具 体 为 一 颗 温 补 振 荡 器（Temperature Compensated Crystal Oscillator，TCXO）产生一基础本振信号，通过数字倍频锁相环（PhaseLocked Loop，PLL）芯片倍频产生 3001 500 MHz 载波信号，然后由 CPU 的高速高分辨定时器定时控制脉冲开关单元的开与关形成脉冲调制，脉冲调制后的 信 号 经 过 高 速 数 模 转 换 器（Digital AnalogConverter，DAC），根据图谱幅值产生对应的模拟电压，调节输出信号的幅值形成幅度调制，最后由功率放大芯片放大输出信号通过发射天线对外发射，产生模拟局部放电信号。射频数字倍频器选用某公司 ADF4350 型号，其输出频率范围为 1374 400 MHz，并具有 AB 两个输出通道用于信号输出。脉冲调制单元选用某公司 XA2179 射频开关，其工作频率范围 503 000 MHz，开关响应速度快，符合装置设计要点。幅度调制单元选用某公司 HMC346 压控衰减器，具有大动态衰减范围、衰减随控制电压线性变化、优异的输入和输出驻波等特点16，本装置采用多个级联实现大范围幅度调制。功率放大单元选用某公司 TQP3M9009 射频放大器，其工作频率范围为 504 000 MHz，放大增益为20 dB，最大输出功率为 2 W17，满足本装置需求。2特高频信号仿真装置软件设计为实现模拟信号输出，开发一款上位机软件，用于将具有特定数据格式的 GIS 局部放电现场实测数据通过格式转换后载入特高频信号仿真装置18。2.1特高频图谱的转换为了使特高频信号仿真装置能够输出与现场检测的真实局部放电一致的图谱，仿真装置上位机软件需要对 PRPS 数据进行格式转换，将内存中的数据格式由 PRPS 图谱，结合实时工频频率，转换为脉冲序列数据，从而控制信号仿真装置以实时工频频率为基准，按照脉冲序列中各脉冲的幅值和时间间隔依次输出特高频信号。检测图谱数据格式依据的是国网山东省电力公司电力科学研究院发布的 电力设备带电检测图谱数据通用格式规范。根据数据规范，特高频局部放52电现场检测数据的 PRPD 和 PRPS 图谱数据以二维数组的形式保存在数据文件内。截取数据规范中“局部放电图谱数据格式”部分进行说明，如表 1所示。由于 PRPS 图谱是脉冲序列图谱，因此可以将数据文件内的 PRPS 图谱转换为模拟装置能够识别的脉冲序列，从而使模拟装置输出与数据文件内的PRPS 图谱相对应的特高频脉冲序列19。表1局部放电图谱数据格式Table 1 Pattern data format of PD数据项局部放电图谱数据数据类型d m n或d p m长度kmn字节或kpm字节备注根据存储数据类型 t 获取数据的存储方式。实例 1：t 为0 x02，d 为 uint8 数组，k=1；实例 2：t 为 0 x04，d 为 int32数组，k=4；实例 3：t 为 0 x06，d 为 float 数组，k=4字节顺序512：512+k mn-1或512：512+k pm-1PRPS 图谱二维数组对应了检测期间 p 个工频周期内的特高频信号在每个工频周期上的分布，其中每个工频周期的时间被平均分为 m 个区间，d pm 的值代表了第 p 个周期第 m 个区间内的特高频脉冲的幅值，单位为 dBm。若某个周期的某个区间内未检测到特高频脉冲，则该处信号幅值为 Float.NaN，记为 FN；若某个周期的某个区间内检测到多个特高频脉冲，则该区间信号幅值设置为其中最大脉冲的幅值。PRPS 图谱数据转换为模拟装置脉冲序列的流程如图 4 所示。转换时，装置内置软件首先从工频同步模块取得当前工频频率，得到当前的脉冲间隔分辨率1/（fm），然后以 m 优先的方式依次遍历 PRPS 图谱数据 d p m 中 p 个工频周期的 m 个区间：如果该区间有脉冲（dFN），则在脉冲序列中增加一个脉冲A，T，其中幅值 A 为该处的 d 值，时间 T 为该脉冲距离上一个脉冲的时间差（间隔区间数与间隔分辨率乘积）。如果该区间无脉冲（d=FN），则脉冲区间计数器累加，直到下一个有脉冲的区间为止。每当遍历完一个工频周期时，重新获取当前工频频率，重新计算当前的脉冲间隔分辨率，保证输出的图谱与当前电网工频频率同步。图4PRPS图谱数据转换为模拟装置脉冲序列的流程Fig.4 Flow chart of converting PRPS pattern data intoanalog device pulse sequences2.2特高频图谱的载入进入特高频信号仿真装置软件后，点击“文件”“导入模板”，选择需要导入的局部放电图谱文件，如图 5 所示。图谱导入软件后，图谱可以直接下发至特高频信号仿真装置，也可以对导入的图谱进行编辑和优化。例如：修改图谱名称；设置图谱的最大、最小尺度，并进行相位移动；删除不需要的区域，如背景或干扰信号，如图 6 所示。软件支持对导入图谱及设置后的 PRPD、PRPS 图谱浏览。导入图谱编辑完成后，导入图谱的设置已完成，可以下发仿真装置进行使用。刘萌，等：新型GIS局部放电特高频信号仿真装置53山东电力技术第50卷（总第309期）2023年第8期（a）选择dat图谱文件（b）导入选择的dat图谱图5导入dat图谱数据Fig.5 Importing dat pattern data图6编辑导入图谱Fig.6 Editing imported pattern data2.3特高频图谱的下发使用 USB 或 WiFi 方式连接上位机与仿真装置。选择需要移入仿真装置的图谱，点击鼠标右键弹出“移至设备”按钮，点击“移至设备”，则该图谱将下发至特高频信号仿真装置中，如图 7 所示。仿真装置中已有的图谱在“设备图谱”中进行显示。图7图谱下发至特高频信号仿真装置Fig.7 Sending pattern data to UHF signal simulation device3实用性测试3.1信号输出测试在特高频信号仿真装置中导入多组现场 GIS 局部放电特高频真实放电图谱，采用特高频传感器作为天线进行输出，使用特高频局部放电带电检测仪器进行数据采集。将采集到的图谱与原局部放电带电检测仪器采集到的图谱进行对比，查看是否具有相似的 PRPD 和 PRPS 图谱20。共开展 100 组测试数据的对比，对比结果表明：特高频信号仿真装置输出的信号与原局部放电带电检测仪器采集到的局部放电信号具有较高的相似度。随机抽取电晕放电信号和悬浮放电信号 2 组对比信号，测试结果如图 8、图 9 所示。3.2局部放电检测仪进行仿真信号识别校验在特高频信号仿真装置模拟各类现场局部放电图谱后，开展局部放电检测仪对仿真信号进行识别的校验。通过特高频信号仿真装置输出局部放电信号，使用局部放电检测仪采集局部放电信号，在局部放电检测仪观察局部放电信号识别结果，进行局部放电检测仪局部放电信号类型识别校验。（a）原始采集数据PRPD54（b）原始采集数据PRPS（c）仿真装置写入数据PRPD（d）仿真装置写入数据PRPS（e）带电检测仪检测数据PRPD（f）带电检测仪检测数据PRPS图8特高频信号仿真装置电晕放电信号模拟Fig.8 Simulation of corona discharge signal using UHFsignal simulation device（a）原始采集数据PRPD（b）原始采集数据PRPS（c）仿真装置写入数据PRPD刘萌，等：新型GIS局部放电特高频信号仿真装置55山东电力技术第50卷（总第309期）2023年第8期（d）仿真装置写入数据PRPS（e）带电检测仪检测数据PRPD（f）带电检测仪检测数据PRPS图9特高频信号仿真装置悬浮放电信号模拟Fig.9 Simulation of floating discharge signal using UHFsignal simulation device使用不同局部放电检测仪对特高频信号仿真装置输出的 100 组数据进行识别校验，以判断局部放电检测仪对局部放电信号识别的准确率，达到局部放电检测仪放电类型识别的校验工作。将选取两个信号的局部放电检测仪检测结果进行对比，如图 10、图 11 所示。图10尖端放电识别结果Fig.10 Identification results of tip discharge图11悬浮放电识别结果Fig.11 Identification results of floating discharge由图 10 可知，某型局部放电带电检测仪检测到电晕放电，且诊断结果为“尖端放电 83%”“浮动电极放电 17%”，可见对电晕放电具有较高的准确率。由图 11 可知，该局部放电检测仪检测到悬浮放电，且诊断结果为“浮动电极放电 77%”“尖端放电 23%”，可见对悬浮放电具有较高的准确率。校验试验还对该省其他局部放电检测仪器进行测试，测试结果显示，针对特高频局部放电信号的识别结果，不同设备的识别结果差异较大。通过对局部放电检测仪进行仿真信号识别校验，也能证明特高频信号仿真装置的有效性，以及利用该装置开展局部放电检测仪局部放电类型识别校验的可行性。4结束语随着 GIS 设备应用范围扩大、已投运 GIS 设备逐渐进入设备寿命的中后期，以及状态检修工作的56不断推进，如何利用局部放电检测仪和在线监测设备尽早发现 GIS 潜在绝缘缺陷将是电力运维的工作重心。在此过程中，局部放电带电检测和在线监测设备诊断现场真实局部放电的准确性关乎缺陷严重程度判断、系统报警策略、检修策略等一系列关键问题。为校验局部放电检测仪和在线监测设备识别、诊断特高频局部放电信号的能力而开发的 GIS 局部放电特高频信号仿真装置，将有效验证局放检测设备诊断绝缘缺陷的有效性。该装置采用多种创新设计，实现现场 dat 格式的特高频局部放电数据的写入并反向可控输出。装置输出的特高频信号与原信号具有极强的 PRPD 和 PRPS 相似度，可以用于局部放电信号的识别和诊断训练、校验局部放电检测仪、开展局部放电类型识别培训等工作。装置输出的特高频信号稳定、持续、可控，将极大地节约局放仪器的校验成本。参考文献1黎量.GIS 局部放电 UHF 检测系统性能现场校核方法 D.北京：华北电力大学，2015.2DING D，GAO W，LIU W.Influence of the structure dimension ofGIS on the partial dischargeC International Conference onCondition Monitoring&Diagnosis.IEEE，2012.3SIEGEL M，BELTLE M，TENBOHLEN S，et al.Application of UHFsensors for PD measurement at power transformersJ.IEEETransactions on Dielectrics and Electrical Insultion，2017，24（1）：331-339.4丁登伟，唐诚，高文胜，等，GIS中典型局部放电的频谱特征及传播特性 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SignalProcessing，2010（1）：1-18.收稿日期：2022-10-27修回日期：2023-06-12作者简介：刘京（1996），男，硕士，工程师，主要研究方向为新型电力系统工控网络安全架构；田博彦（1997），男，硕士，工程师，主要研究方向为新型电力系统通信信道架构及安全防护；刘远龙（1971），男，硕士，高级工程师，从事源网荷储协同控制技术及电力系统继电保护在电网中的应用研究工作；刘红日（1982），男，博士，助理研究员，主要研究方向为计算机网络与信息安全技术；王文婷（1987），女，硕士，高级工程师，从事电力监控系统工控安全、电力物联网安全防护等领域的研究工作。（责任编辑车永强）18 吴俊锋.局部放电信号经油纸绝缘套管向外传播特性及检测方法研究 D.重庆：重庆大学，2016.19 王辉，宋思蒙，钱勇，等.基于CLAHE增强的GIS局放脉冲序列识别算法 J.高电压技术，2021（11）：3 836-3 844.WANG Hui，SONG Simeng，QIAN Yong，et al.Recognitionalgorithm of GIS partial discharge phase resolved pulse sequencebased on CLAHE enhancementJ.High Voltage Engineering，2021（11）：3 836-3 844.20 赵晨昊，陈云飞，胡泉伟，等.220 kV电缆GIS终端局部放电联合检测技术应用 J.山东电力技术，2022（5）：56-75.ZHAO Chenhao，CHEN Yunfei，HU Quanwei，et al.Application ofcombined partial discharge detection technology for 220 kV cableGIS terminal J.Shandong Electric Power，2022（5）：56-75.收稿日期：2022-11-21修回日期：2023-03-30作者简介：刘萌（1989），男，博士，工程师，主要研究方向为变电设备智能运检高级应用；张峰达（1994），男，硕士，工程师，主要研究方向为电气设备数字化检测技术；李壮壮（1994），男，硕士，工程师，主要研究方向为电气设备状态数据智能分析应用；郑文杰（1989），男，硕士，工程师，主要研究方向为电气设备在线监测、输电通道可视化检测技术；杨祎（1986），女，硕士，高级工程师，主要研究方向为电气设备智能检测与大数据分析技术研究。（责任编辑郑天茹）（上接第57页）刘京，等：新型电力系统环境下FBMC系统信道估计73