基于超声波传感器的局部放电无线监测系统设计

刘达伟，乔亚兴，刘剑青，黄文焘

(1.上海市电力公司 市南供电公司，上海 201100；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

基于超声波传感器的局部放电无线监测系统设计

刘达伟1，乔亚兴1，刘剑青2，黄文焘2

(1.上海市电力公司 市南供电公司，上海 201100；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240)

针对目前高压变配电站中电气设备众多，数据传输难度大以及缺乏有效的绝缘在线监测方法等问题，研发新型局部放电无线监测系统。设计系统的整体硬件架构，并提出基于Zigbee协议的无线传输方案和超声波无线传感器设计方案，实现数据的实时采集、传输和处理功能；搭建在线监测平台，开发数据滤波技术、数据库存储技术以及准确可靠的告警算法。变电站实际安装测试表明，该系统能够有效地监测电气设备的局部放电情况，并及时准确地告警，有助于保证变配电站的稳定可靠运行。

局部放电；在线监测；超声波传感器；无线传输；告警算法

随着中国电力工业的突飞猛进，现代电力系统正向大电网、大机组、超高压、大容量的方向发展，对电力设备的绝缘水平也提出了更高要求[1-2]。变配电站作为智能电网输电、配电系统的重要环节，对其各类电气设备实施绝缘状态监测并进行早期预警，可以有效地提高变配电站电气设备的运行可靠性，减少设备的运行维护成本，延长设备的使用寿命，降低事故发生率。

局部放电是反映变配电站关键设备绝缘性能的重要数据之一，能够提前反映电气设备内部运行工况和绝缘状态，及时发现设备内部绝缘可能存在的安全隐患或缺陷，便于工作人员采取有针对性的处理措施，预防潜伏性、突发性恶劣事故的发生。因此，局部放电监测作为绝缘诊断的重要手段得到了越来越广泛的应用[3-6]。目前，局部放电的监测方法主要有化学监测法、脉冲电流法、射频监测法、超声波监测法、超高频监测法等[7-10]。其中，超声波监测法采集电气设备内部缺陷引起放电时电子间相互碰撞产生的超声波信号，对设备的运行没有任何影响，更适用于在线监测。

在变配电站中被测设备较多，需要大量的数据传输线路，再加上站内复杂的实际工况，有线传输已经难以保证监测系统稳定可靠地运行。鉴此，笔者设计一种新型局部放电无线监测系统，包括系统硬件架构方案、超声波无线传感器以及基于Zigbee协议的无线数据传输方案结合设计，同时，提出合理有效的数据处理及存储方法和局部放电告警算法，并在此基础上成功搭建系统软件平台。通过现场实际测试，验证该系统对设备局部放电情况监测的有效性以及及时告警功能的准确可靠性。

1 局部放电无线监测系统方案

1.1 监测系统硬件架构

新型的局部放电无线监测系统由局放监测元件(传感器)、无线数据传输模块、通信总线、工控机以及远程监控机等组成。具体的硬件配置结构如图1所示，从而可以看出，监测系统硬件架构的实现，需要：

1)超声波传感器。分别安装于被测设备的表面，对相应的局部放电信号进行采集，并与无线数据传输模块的发射端相连。

2)无线数据传输模块。用于实现传感器与工控机之间的无线通讯，其中发射端集成在传感器中，接收端则是数据集中器，实时收集所在范围内的数据。

3)通信总线。采用MODBUS通信协议，完成数据集中器和工控机之间的通讯应答。

4)工控机。安装于变电站控制室中，运行具有数据处理及存储、局放信号的实时监测及危险告警等功能的监测系统软件平台。

5)远程监控机。以工控机为服务器，进行远程监控。

图1 局部放电无线监测系统硬件配置

1.2 无线数据传输方案

为满足图1所示架构设计的通讯需要，同时保证系统具有良好的适应性和可拓展性，该文将数据传输作为一个单独模块进行设计，提出如图2所示的监测系统无线数据传输方案。

该方案数据传输基于Zigbee协议，Zigbee是基于IEEE 802.15.4标准的个域网协议[11]，基于Zigbee协议的通讯技术是一种功耗低、距离较近且简单易实现的无线通讯技术，能够很好地应用于变配电站内的数据传输。

在图2所示无线数据传输模块中，发射端集成在传感器中，从监测终端接收局放信号的数据；接收端实现数据集中器的功能，接收、上传、管理、转换其所在范围内局放传感模块的数据，从而实时、可靠地收集范围内的有效数据。该模块采用树状拓扑结构，具有较强的可扩展性，从而实现系统架构中的通信功能。

图2 无线传输模块

2 超声波无线传感器

当设备发生局部放电时，在放电区域中分子间产生剧烈撞击，会伴随存在超声波能量的释放[12]。超声波传感器正是基于该原理，实时监测设备的局部放电信号。

超声波传感器硬件装置主要包括超声传感装置、滤波放大电路以及A/D转换器，同时为了满足数据传输的要求，也集成了无线传输模块。硬件结构如图3所示。

图3 超声波传感器硬件结构

1)前置放大电路。

该设计选用可以调节增益系数的AD620运算放大器，考虑增益与频率的关系，实现信号放大处理，电路原理如图4所示。

图4 前置放大电路

2)滤波电路。

该设计采用带通滤波器实现检波功能，其中低通与高通相互独立。滤波电路选用AD826运算放大器，将2个二阶高通滤波器与1个二阶低通滤波器级联构成，如图5所示。

图5 滤波电路

3)微控制器单元与无线传输模块。

微控制器单元由计算机直接进行编程设计，实现数据采集以及相应的预处理，并与无线传输装置连接，通过与数据集中器配合，实现局放信号采集数据的实时传输，从而达到系统在线监测的目的。

3 数据处理与告警机制

3.1 软件抗干扰技术

由于变配电站中实际工况的复杂性以及局部放电信号中干扰的多样性，经过硬件滤波后可能仍存在一些周期性的干扰信号。因此，在数据预处理过程中引入软件滤波技术，进一步增强系统的抗干扰能力。

局放信号具有明显的时变性和非平稳性，因此运用短时傅里叶变换(STFT)对其时频特性进行分析。设x(τ)是连续时间信号，其短时傅里叶变换定义为

(1)

其中，ω(t)是一个时间宽度极短的窗函数，该式的意义为信号x(τ)在时刻t的STFT变换，即信号x(τ)乘以一个以t为中心的窗函数，ω*(τ-t)再作傅里叶变换。

对多组局放信号进行分析可以得出，各信号均具有明显且相似的时频特性。一组局部放电信号的波形与STFT分析分别如图6，7所示，可以看出，其放电时间多集中于300～450 μs，且放电时的幅值较大；而图7(b)频谱显示，放电信号频率多集中于45～55 kHz之间，其中50 kHz左右出现峰值。同时，幅值最大值出现在50 kHz左右并向两侧逐渐递减，总体上存在一定的对称性。

图6 局部放电信号波形

图7 局部放电信号STFT分析

在STFT分析的基础上，可以对局放信号进行特征提取。实际系统中选取多组具有典型时频特征的局放信号作为基准，提取对应的频率值与幅值作为特征参数，以此对采集的信号是否包含局放信号进行判断，形成软件抗干扰技术。

3.2 数据存储

数据经过采集模块预处理后，存储机制如图8所示。采集到工控机系统内的数据，首先存储在工控机系统的内存库(实时数据库)中。使用SCADA mdl数据平台可以快速访问当前内存库中的数据，便于后台维护、修订、研究和后续扩展。

系统每隔一个固定周期(通常为5 s)会读取一次内存库，并将内存库中的全部数据拷贝到ORACLE数据管理系统的实时数据表中。系统在存储ORACLE实时数据表的同时，会对内存库数据进行判断处理，观察当前数据是否已经写入历史数据库。如果没有写入历史数据库，则进行拷贝，将数据存储进入历史数据库年月表，方便进行日后的数据查询以及相应的后续维护和扩展。

图8 系统数据存储机制

3.3 告警算法

通过实时监测预处理后的数据，当有危险数据出现而且其持续时间超过规定范围时，系统将给出报警信号。告警算法采用施密特触发器的原理，针对每个传感器进行告警，通过实时监测数据与所给定的阈值进行比较判断。具体逻辑如图9所示，当状态处于正常时，监测到数据突然超出允许波动范围时，记录该时刻并计时；当监测数据超过波动范围时间持续达到时间阈值时，产生告警信息并发出告警信号；当超过允许波动范围的信号重新下降并恢

图9 告警算法流程

复到允许范围内时，记录新的时刻值，当降落的信号超过时间阈值后，记录新的信息，并结束告警信号，同时将此次告警信息存储在告警数据库中。

4 监测系统现场测试

笔者搭建新型局部放电无线监测系统的硬件架构以及软件平台，为验证该系统在实际工况下关键功能的可靠性以及系统运行的稳定性，在上海市某变电站进行安装测试，站内温度为25 ℃，站内湿度为50%。测试采用380 V的闸刀作为局放源，并置于铁柜中来模拟电气设备外壳，通过开合操作产生局部放电信号，从而实际地模拟开关柜、GIS等关键设备发生局部放电时产生的超声波信号。

1)传感器性能测试。

通过改变局放源与传感器之间的距离，观察传感器的有效监测范围， 传感器性能测试如表1所示，可知即使局放源距传感器位置较远时，依然能够准确采集到相应信号，因此，传感器性能良好，能够可靠监测电气设备的局部放电情况。

表1 传感器性能测试结果

2)无局放监测测试。

在没有局部放电信号的情况下进行测试，观察系统监测数据是否正常，无局放信号监测结果如图10所示，可知在没有局部放电发生时，系统能够可靠不告警，即便在变电站内存在各种复杂的干扰，硬件滤波与软件抗干扰技术的配合仍起到了很好地抗干扰效果。

图10 无局放信号监测结果

3)单次局放监测测试。

单次局放信号监测结果如图11所示，可以看出，系统对于出现的单次局放信号能够准确可靠地进行有效监测并告警。

图11 单次局放信号监测结果

4)多次局放监测测试。

多次局放信号监测结果如图12所示，可知即使短时间内出现多次间断性局部放电信号，监测系统也能够进行有效监测并及时预警，对复杂的局放工况有较强的适应性。

图12 多次局放信号监测结果

5)连续性局放监测测试。

连续性局放信号监测结果如图13所示，可知当设备出现连续性局部放电现象时，监测系统同样能够敏感捕捉相应信号并将数据记录，同时合理地判断局放持续时间，进而准确可靠地进行告警。

图13 连续性局放信号监测结果

5 结语

笔者设计了基于超声波的局部放电无线监测系统，实现传感器、无线传输、软件监控相结合的完整架构。超声波传感器和无线数据传输模块的设计，增强了系统的灵活性与可扩展性，从而更好地适应变配电站被测设备众多等复杂工况。同时建立监测平台，提出软硬件结合的滤波技术以及高效的数据存储机制，实现对局放信号的实时监测和及时告警功能。现场测试表明该系统能够有效监测变配电站设备的局部放电情况，并实现监测和告警功能的智能化，对于保证变配电站高效稳定的工作效率具有重要意义。

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Design of partial discharge wireless monitoring system with ultrasonic sensor

LIU Da-wei1, QIAO Ya-xing1, LIU Jian-qing2, HUANG Wen-tao2

(1.Shinan Power Supply Co., SMEPC, Shanghai 201100, China; 2.School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Aiming at the large number of electrical equipment in high voltage distribution substation, the difficulty of data transmission and the lack of effective on-line monitoring methods for equipment insulation, a new type of partial discharge wireless monitoring system was developed in this paper. Firstly, the overall hardware architecture of the system was designed. Moreover, the wireless transmission scheme based on Zigbee protocol and the design of ultrasonic wireless sensor were presented, which can realize the function of data acquisition, transmission and processing. In addition, an on-line monitoring platform was built in the background server, including data filtering technology, storage technology based on database and accurate and reliable alarm algorithm. The actual installation testing results show that the system can effectively monitor the partial discharge of the electrical equipment and timely warning, and it is helpful to ensure the stable and reliable operation of the substation.

partial discharge; on-line monitoring; ultrasonic sensor; wireless transmission; alarm algorithm

2016-03-10

刘剑青(1994—)，男，硕士研究生，主要从事电力系统在线监测与保护的研究；E-mail：xhxljq@163.com

TM835

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1673-9140(2016)04-0161-07