基于物联网的开关柜局部放电在线监测系统

    邓锦培

    

    

    

    摘 ?要：针对高压开关柜局部放电问题，该文提出一种基于物联网的开关柜局部放电在线监测系统，在每个开关柜上都安装超高频局部放电传感器，传感器通过通信电缆与局部放电智能监测仪相连，监测仪通过物联网网关以APN方式连入电力专网，接入后台数据采集服务器。监测仪对每个通道上的局部放电信号进行实时采集、分析。如发生报警，通过物联网网关将报警信息发送至后台数据采集服务器，由服务器在配电监控中心的地理信息系统上显示，并将报警信息推送至相关负责人的手机上，从而及时发现放电现象并处理，减少因放电造成的危险和危害发生。

    关键词：物联网;局部放电;在线监测;超高频;开关柜

    中图分类号：TM591 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

    1 高压开关柜监测设备现状

    随着社会生产力的飞速发展，开关柜在电力系统中的应用越来越广泛， 但是当开关柜在长期运行的过程中，高压开关柜及其内部高压设备（断路器、PT、CT、母排、电缆接头等）不可避免地受到电、热、机械和环境等各种因素的影响，发生局部放电现象，甚至发生各种故障，引起局部乃至大面积停电，造成巨大的直接或间接的经济损失。其部分危险情况如图1与图2所示。

    高压开关柜中引起局部放电的主要原因有导体、外壳内表面上的金属突起，常常是由于制造和安装时金属表面有较尖的毛刺。绝缘介质的缺陷、老化和表面的污秽造成绝缘内部或表面出现局部放电。高压母线连接处、开关电路触头接触不良或断路器触头接触不良造成局部放电。高压设备里的可以移动的金属微粒主要在制造、装配和运行中产生，当靠近高压导体并未接触时，就很可能导致放电。

    目前国内外开关柜局部在线监测方法主要分为脉冲电流法、超声波法、特高频法和暂态对地电压法。其中，最典型的当属超声波检测法、化学检测法和超高频局部放电检测。

    该文基于超高频局部放电检测，创新性地提出一种基于物联网的开关柜局部放电在线监测系统。通过物联网网关将报警信息发送至后台数据采集服务器，由服务器在配电监控中心的地理信息系统上显示，并将报警信息推送至相关负责人的手机上，从而及时发现放电现象，增强电力事故预防能力，提高整个电网的安全运行水平。此外能够大大减少人工检测工作量，降低运维成本。

    2 基于物联网的开关柜局部放电在线监测系统

    该文开发的基于物联网的开关柜局部放电在线监测系统，即GZPD-01型局部放电在线监测系统。通过HFCT脉冲电流传感器采集高压母线上流动的高频脉冲电流信号，送入采集和数据处理单元对信号进行过滤，分离外界干扰，通过对信号进行高频分量分析，即可确定开关柜内是否有放电现象，及放电的严重程度，然后通过分析软件采用公众智能独有同步采样和定位专利技术，可以定位以传感器为中心的局放分布情况，从而比较准确地监测到故障点位置。通常每个开关柜配置一组局部放电采集器和局放传感器，每台GZPD主机最多可监测100台开关柜。其系统结构图分别如图3和图4所示。

    GZPD型局部放电在线监测系统适用于10 kV及以上电压等级开关柜及其内部高压设备的局部放电在线及离线监测，能实时显示各个监测点的局部放电幅值、频次、确定放电点相对位置，必要时发出报警。并能存储谱图、放电趋势，从而及时发现开关柜的绝缘缺陷，并为评估其绝缘水平及老化程度提供判据，为开关柜的检修工作提供依据系统最小测量放电幅值为2pC，放电脉冲的时间分辨率为10 us，相位分辨率为0.18°。系统提供工频周期放电图、二维谱图、放电趋势图等。系统采用模拟滤波、脉冲分组、周期脉冲剔除、设置动态阈值等综合抗干扰措施，使测试数据真实可靠。

    图5为GZPD-01型局部放电在线监测系统的主界面，图6为GZPD-01型局部放电在线监测系统历史数据查询界面。

    GZPD系列局部放电在线监测系统具有5个特点。1）对放电信号特定频带进行提取，可实现对于配电站中常见干扰信号的有效抑制。进而可以有效确定是高压设备处放电还是外部干扰信号。2）异常报警功能。可根据局部放电严重程度给出不同的报警级别（预警、一般性缺陷、严重故障）。3）所有终端同步采集技术，最多同步采集100个传感器数据。采用该技术可实现系统所有传感器在同一时刻进行同步采集。4）采用了其他国内外厂家都不具有的“异常周期数”统计法，可排除开关操作造成的瞬时脉冲冲击干扰。开关操作产生的冲击电磁波一般在个别工频周期只出现1～5次，并且这种异常周期都比较单一，通过统计这种异常周期数即可判别是开关操作还是局部放电信号。5）所有传感器采用单根数字总线和供电一体化多芯电缆进行连接，具有最小化的布线数量，极大减少在开关柜上的走线数量并降低复杂程度，将监测设备对原设备的影响降到了最低。

    2.1 局部放电采集器

    该文的局部放电采集器采用嵌入式高性能处理器，在保證高速采样的同时，大幅降低了系统功耗，其样式图如图7所示。各台数据采集装置通过RS-485总线和Modbus-RTU协议组网，远程通信。公众智能专利的同步采样技术的使用，使多达100台的设备可以在同一时刻进行局放信号采集，并且使横向比较各个设备的健康状况成为可能。各局放采集器采用供电通信一体化的多芯电缆进行串行连接，极大地简化了现场布线。表1为局部放电采集器技术指标。

    2.2 VHF天线传感器

    VHF天线传感器是公众智能为测量局部放电信号设计的安装简便、灵敏度高的局放测量传感器。其样式图如图8所示。该传感器外壳采用铝合金材料，外表采用氧化绝缘工艺处理，对开关柜内部空间30 MHz～400 MHz频带的局部放电电磁波信号有优越的响应性能，实现对开关柜局部放电信号的耦合。传感器可直接安装固定在开关柜电缆室或用磁吸安装在开关柜内壁上。表2为VHF天线传感器技术指标。

    2.3 RS-485总线

    RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，因此传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互联时非常方便，可以省掉许多信号线。该文采用的RS-485总线的波特率为115 00 bPs）（可配9 600 bPs），数据位为8，校验位为无，停止位为1。表3为RS-485总线中各线圈地址的含义，表4为RS-485总线中24通道的幅值与频次，表5为0.1 下RS-485总线中24通道的寄存器地址。

    3 结语

    该文提出的基于物联网的开关柜局部放电在线监测系统采用同步采集技术，通过HFCT脉冲电流传感器采集高压母线上流动的高频脉冲电流信号，送入采集和数据处理单元对信号进行过滤，分离外界干扰，通过对信号高频分量进行分析，即可确定开关柜内是否有放电及放电的严重程度，然后通过分析软件采用公众智能独有的同步采样和定位专利技术，可以定位以传感器为中心的局放分布情况，从而比较准确地监测到故障点位置，并根据局部放电严重程度给出不同的报警级别（预警、一般性缺陷、严重故障），并通过物联网网关将报警信息发送至后台数据采集服务器，推送至相关负责人的手机短信，从而及时发现放电现象，增强电力事故预防能力，提高整个电网的安全运行水平。

    参考文献

    [1]张金波，王恒，段明浩，等.基于脉冲电流法的高压开关柜局部放电在线监测装置的设计[J].自动化技术与应用，2018，v.37;No.274（4）：104-109.

    [2]王铮，刘二丽，张认成，等.基于人工神经网络的开关柜局部放电超声波检测方法[J].华东电力，2011，39（3）：498-501.

    [3]钱勇，黄成军，江秀臣，等.基于超高频法的GIS局部放电在线监测研究现状及展望[J].电网技术，2005，29（1）：40-43.

    [4]冯波，肖代波，李毅，等.暂态对地电压和超声法用于开关柜不同湿度PD检测研究[J].高压电器，2015（4）：61-71，77.

    [5]陈剑光.开关柜局部放电暂态地电压的检测特性研究[J].电气应用，2016（2）：75-77.

    [6]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1-7.

    [7]弭寶瞳，梁循，张树森.社交物联网研究综述[J].计算机学报，2018，41（7）：20-47.

    [8]张会新，余俊斌，严帅，等.基于RS485总线的前端数字化数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2018，No.425（6）;75-79.

    [9]包琴.基于Modbus-RTU的远程控制器设计[J].自动化技术与应用，2018，v.37;No.275（5）：94-97，101.