基于物联网的GOE高压套管多元状态监测研究

2020-07-28赵普志李洪渊

自动化与仪表 2020年7期

赵普志，李洪渊

（1.国网新疆电力有限公司，乌鲁木齐830063；2.塔里木大学农业工程学院，阿拉尔843300）

多种高压系统的长期运行经验表明，系统中高压设备的绝缘性能是影响系统可靠性与安全性的关键因素。一般来说，高压设备很难做到彻底绝缘，因此，电力系统中的各高压设备始终影响着系统的平稳、安全运行[1]。

高压套管在高压设备中起连接绝缘与支撑作用，是变压器连接外部的装置与重要构成部件，对高压设备的绝缘性能起决定性作用，因此也是维护高压系统平稳、安全运行的主要影响因素[2]。高压设备故障数量统计结果表明，高压套管发生故障是造成电抗器与变压器突然停运的主因。加之高压电力系统和高压电力设备的不断扩充与迅速发展，高压套管随着容量的扩展与变压器的持续老化必将承受更大的负载与热应力[3]。高压套管的种类繁多，目前应用最为广泛的是GOE 型高压套管，多数变压器中都使用了GOE 型高压套管。故在此利用物联网技术，设计了一种GOE 型高压套管多元状态监测方法。

1 监测方法设计

1.1 数据采集与处理

在基于物联网对GOE 型高压套管多元状态监测过程中，需要使用数字示波器对GOE 型高压套管运行数据进行采集。数字示波器具体设置见表1。

利用数字示波器中的正常触发功能，实现对GOE型高压套管多元状态监测数据的采集，触发信号会对波形进行自动存储[4]。利用衰减器处理油箱中的传感器天线输出信号对示波器的两端端口进行保护，衰减器的频率为-20 dB，并通过外置传感器在特定外部位置对数据进行采集，采集数据大于30 组[5]。

表1 数字示波器的具体设置Tab.1 Specific settings of digital oscilloscope

在此基础上，对采集到的GOE 型高压套管运行数据进行处理。利用小波去噪方式进行数据去噪处理[6]，主要是利用MatLab 内的小波wden 去噪函数，对数据中的特高频局放信号实施去噪处理。具体的处理方式如下：对采集到的GOE 型高压套管运行数据中的PD 信号进行检测，通过小波变换对检测信号实施多分辨率分析，对检测信号内含有的频率成分不同的信号进行分解，将其分解至多种小波尺度上，根据各种小波尺度的具体分量对PD 信号里的各种频率成分进行分析，从而对PD 信号实施降噪处理与分析[7]。

然后，对数据实施频谱转换处理，即通过Mat-Lab 内的FFT 算法，实施采集信号的频谱分析处理，获取信号的实际频谱分布状况，并对其实施归一化处理，得到对应的频谱归一化图，再对归一化结果实现平方运算，得到对应的信号能量谱图，利用极小值与极大值的提取来获取信号能量谱图的对应峰值频点，实现频谱转换[8]。

1.2 构建Debye 模型

在完成数据采集与处理的基础上构建Debye模型，并利用Debye 模型对绝缘油纸产生的极化进行等效模拟。在此共构建7 条模型支路，以更好地展现绝缘油纸产生的极化响应。绝缘油纸结构为5层[9]。具体模型参数设置见表2。

表2 模型参数设置Tab.2 Model parameter settings

在此基础上，构建Debye 模型，Debye 模型可体现损耗介质因数介电谱频域曲线与电容量曲线。具体如图1，图2 所示。

图1 电容量曲线Fig.1 Capacitance curve

图2 介质损耗因数介电谱频域曲线Fig.2 Frequency domain curve of ldielectric loss factor dielectric spectrum

1.3 多元状态监测

以所构建的Debye 模型为依据，获取绝缘纸实际聚合度倒数差与GOE 型高压套管实际FDS 曲线的具体关系[10]。从而，利用FDS 曲线获取绝缘纸聚合度，再利用聚合度判断GOE 型高压套管的状态，实现对GOE 型高压套管多元状态的有效监测。

对绝缘纸实施聚合度进行测试时，所用绝缘纸的最初聚合度为1025，在其各个绝缘老化时期对实际聚合度值进行测试。测试结果见表3。

表3 获取测试结果Tab.3 Obtaining test results

对表3 测试结果实施聚合度分析，获取聚合度的绝缘老化时间与倒数差的函数关系。聚合度的绝缘老化时间与倒数差呈现反比例关系，即

式中：t 为老化时间；Pt为绝缘纸t 时刻的具体聚合度；P0为绝缘纸最初聚合度；k 为聚合度倒数差。

根据式（1），获得聚合度绝缘老化时间与倒数差的实际拟合曲线，如图3 所示。

图3 聚合度绝缘老化时间与倒数差的实际拟合曲线Fig.3 Actual fitting curve of polymerization aging time and reciprocal difference

GOE 型高压套管的绝缘老化时间与FDS 曲线之间的函数关系需要通过电容量测试获取。利用IDAX-300 在10-3～103Hz 激励扫频频率范围内，对各个绝缘老化时期GOE 型高压套管的具体FDS 曲线进行测量。对该测量结果进行分析，分析结果为GOE 型高压套管的绝缘老化时间与FDS 曲线之间呈现二次函数关系。

在此基础上，将绝缘老化时间作为中间变量，获取绝缘纸实际聚合度倒数差与GOE 型高压套管实际FDS 曲线的具体关系，且对二者进行拟合。发现二者拟合优度很高，且呈现二次函数关系。由此表明，通过测量GOE 型高压套管的FDS 曲线能够获取实际绝缘纸聚合度，也就是只需获取GOE 型高压套管绝缘纸的最初聚合度或更换的新绝缘纸的具体聚合度，即可通过GOE 型高压套管的实际FDS曲线评估其具体绝缘状态，实现对GOE 型高压套管多元状态的监测。

2 试验测试与结果分析

2.1 试验设计

为验证基于物联网的GOE 型高压套管多元状态监测方法的有效性，设计了仿真测试试验。选择3个相同的GOE 型高压套管作为试验对象，对其实施FDS 曲线测量，并利用测量的FDS 曲线获取实际绝缘纸聚合度，对其实施多元状态监测。测量试验高压套管的FDS 曲线需要通过响应频率分析仪来完成，选用型号IDAX-350 的响应频率分析仪。该分析仪实物如图4 所示，相关参数见表4。

图4 IDAX-350 响应频率分析仪Fig.4 IDAX-350 response frequency analyzer

表4 IDAX-350 响应频率分析仪的相关参数Tab.4 Relevant parameters of IDAX-350 response frequency analyzer

响应频率分析仪的电压扫频激励可以利用电缆线向被试品施加，然后采集其内部电压信号的相角与幅值，利用USB 将数据向上位机传输，通过内部软件进行分析计算。试验设定的电压施加激励为200 V，扫频范围为10-3～103Hz。测定现场如图5所示。

图5 测定现场Fig.5 Measurement site

为保证试验结果的有效性，将文献[11]基于数据分析变压器套管在线监测预警的方法和文献[12]基于内部压强响应变压器套管在线监测的方法，作为对比方案，不同方法的聚合度测试准确性以及隐藏信息关联识别率。

2.2 结果与分析

测试不同方法的聚合度测试准确性，聚合度测试准确性越高，说明监测结果可靠性越强，试验结果如图6 所示。

图6 不同方法的聚合度测试准确性试验结果Fig.6 Accuracy test results of polymerization degree test of different methods

由图可见，随着试验时间的增加，只有所设计的基于物联网GOE 型高压套管多元状态监测方法的聚合度测试准确性在稳步上升，最高的有效抗攻击效率可达到97%，而另外2 种对比方法的分流过程的聚合度测试准确性不仅没有明显的变化规律，且聚合度测试准确性的数值均低于本文方法。由此可知，基于物联网的GOE 型高压套管多元状态监测方法的监测结果可靠性更强。

在此基础上，还测试了不同方法的隐藏信息关联识别率，试验结果如图7 所示。隐藏信息关联识别率越高，说明监测方法对绝缘纸实际聚合度倒数差与套管实际FDS 曲线间具体关系的识别能力越强。