基于多传感器联合诊断的GIS外部局部放电识别算法

2022-07-06罗颖婷王磊许海林田翔江俊飞

广东电力 2022年6期

罗颖婷，王磊，许海林，田翔，江俊飞

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州 510080)

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS)设备被广泛应用于电力系统中，起到通断、控制和保护等重要作用[1]，其安全稳定运行具有重要意义。GIS局部放电(以下简称“局放”)在线监测系统可实现GIS局放的早期预警，避免绝缘击穿等事故发生[2]。特高频局放检测法由于具有良好的灵敏度而适用于GIS局放的在线监测。近年来，随着GIS特高频局放在线监测技术的发展和应用[3]，电网和电厂企业已避免了多起GIS内部缺陷可能导致的停电事故。

在GIS特高频局放监测技术应用中，监测装置的抗干扰能力是核心问题。变电站内常见的特高频干扰噪声包括通信干扰、机械振动噪声、磁致伸缩噪声等[4-5]，可能会导致局放在线监测系统的漏报警和误报警。这些常见干扰噪声信号的局放相位分布(phase-resolved partial-discharge，PRPD)谱图与局放信号的PRPD谱图存在差异，通过机器学习的方法训练谱图分类器，能够实现对局放干扰和非局放干扰的区分识别[6-10]。但是当GIS附近的其他高压设备存在局放时(如架空线金具松动导致的悬浮放电[11])，GIS局放监测系统的外置式特高频传感器如果接收到了这些外部局放信号，因其谱图与内部局放无明显差异，会导致GIS在线监测系统误报警，影响系统的可信度[12]。因此，GIS局放监测系统除了应该能够准确判断所接收的信号是局放还是非局放之外，还应能准确判断局放信号来自GIS内部还是GIS外部，以输出更加明确的告警信息。

针对目前GIS局放诊断的局限性，本文提出一种基于多传感器联合诊断的外部局放识别技术。本文算法克服了传统GIS局放监测各个传感器“各自为政”进行诊断的缺点，对检测到局放信号的传感器，通过比较其与附近一定范围内多只传感器的信号谱图特征，确定局放信号是否来自GIS外部。最后，通过现场实验和案例分析，对本文算法的准确性和可行性进行验证。

1 外部局放和内部局放的区别

对于GIS特高频局放监测来说，局放发生在GIS外部与GIS内部的主要区别是：外部局放会在位置邻近的若干个传感器上体现出形状类似、幅值接近的信号谱图，而内部局放在位置邻近的若干个传感器上体现的信号谱图则有较大差异。下面分析其原因。

1.1 谱图差异性的原因

GIS内部局放发出的特高频电磁波在GIS腔体内传播[13]。在电磁波穿过断路器、隔离开关、绝缘盆子等GIS部件时会有不同程度的衰减，衰减幅度取决于局放源与接收信号的特高频传感器之间GIS部件的类型和尺寸14-16]。GIS部件带来的衰减会导致邻近的传感器接收到幅值差异较大的局放信号。

GIS外部局放的特高频电磁波从局放源经过空气沿直线传播至各外置式传感器[17]。由于外部局放源到各传感器的距离通常远大于传感器之间的距离，因此邻近的传感器与局放源的距离相对来说差别不大，会接收到谱图形状和幅值都类似的局放信号。

内部局放和外部局放的传输衰减如图1所示。

图1(a)中，A、B、C、D、E为外置式特高频传感器，G为内部局放源。在各传感器有效接收方向内，局放电磁波经过传播过程中的不断衰减，各传感器耦合到的信号幅值将有较大的偏差，传感器A、B接收到的信号强度明显大于传感器C、D、E。

图1(b)中，A、B、C、D、E为外置式特高频传感器，S为外部局放源。由于外部局放源到各个传感器之间距离相对差别不大，传播衰减也差别不大，各个传感器可以检测到谱图形状和幅值均类似的特高频信号。

1.2 内部局放和外部局放信号谱图对比

图2为典型的外部悬浮放电在某500 kV GIS在线监测系统中的信号谱图。可以看出，同一间隔邻近的3只母线侧传感器和3只线路侧传感器监测到了形状相似、幅值接近的信号谱图。6只传感器检测到的信号中：幅值最大为-43 dBm，最小为-51 dBm，两两之间相差均在10 dBm以内；由于三相电压存在相位差，因此B、C相谱图在横坐标(相位轴)相对A相分别存在120°、240°的固定相位偏移[18]。

图3为典型的内部悬浮放电在某220 kV GIS在线监测系统中的信号谱图。该220 kV GIS为3/2接线的母线三相共箱结构，且仅在母线侧安装了传感器。在同一串邻近的6只传感器中有5只监测到了谱图形状相似的局放信号，幅值分别为-14 dBm、-23 dBm、-27 dBm、-54 dBm、-61 dBm，两两之间相差较大。

图3 邻近传感器检测到的内部局放信号PRPD谱图

在以上案例中，与GIS内部局放相比，GIS外部局放具有以下特点：空间位置邻近的若干传感器能够检测到谱图形状类似的局放信号。

2 外部局放识别算法流程

根据GIS外部局放信号在监测系统中体现的特点，本文设计一种基于邻近传感器之间信号谱图动态比较的算法，以实现GIS外部局放信号的自动识别。算法步骤如下：

步骤1，对监测系统的任意1只传感器S，首先识别其谱图是否为局放信号，若不是则转至步骤5；

步骤2，选择与S距离在TD之内的所有其他传感器，组成S的近邻集合M；

步骤3，在M中，将各传感器的信号谱图依次与S的信号谱图进行相似性比对；

步骤4，记录M中相似性比对结果为“相似”的传感器个数，若大于设定的阈值TC，则认为S接收到的局放信号为GIS外部局放，反之为GIS内部局放；

步骤5，遍历监测系统中的所有传感器，重复步骤1—5。

目前大部分监测系统均具备步骤1的局放/非局放识别技术，本文仅对步骤2、3进行详细说明。

2.1 近邻集合M的获取

外部局放信号从信号源沿空气直线传播到各传感器，因此使用欧氏距离作为传感器之间的距离[19-20]。给定2个传感器S1、S2的位置坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，则S1、S2间的距离

d(S1,S2)=

对于给定的传感器S，若另一传感器S′与S的欧式距离小于阈值TD，则将S′加入S的近邻集合M。

2.2 谱图相似性比对方法

本文提出一种基于PRPD谱图幅值包络特征的谱图相似性比对方法。该方法通过比较2个局放信号的PRPD谱图，判断其相似性，以确定其是否来源于同一个信号。

图4所示为某局放信号的PRPD谱图。使用平移开窗法，沿横坐标(相位轴)每3°为1个相位区间，共120个区间。计算每个区间内所有脉冲的幅值之和，形成幅值包络曲线，在图4中以蓝色曲线表示。图4中：A为谱图中所有脉冲的平均幅值；P为幅值包络曲线峰值所在的相位；W为幅值包络曲线的半峰值相位宽度。

图4 PRPD谱图及其幅值包络

选择合适的幅值阈值TA、幅值包络峰值相位偏差阈值TP、半峰值相位宽度偏差阈值TW。若参与比对的2个PRPD谱图满足条件：①幅值差|A1-A2|

在计算幅值包络峰值相位之差|P1-P2|时，如果2个传感器的参考电压来自不同相别的电压互感器，2个谱图的相位会存在图3所示的已知的固定偏移，需要先对该偏移进行补偿，然后再计算相位之差。相位偏移补偿方法如下：

a)如果谱图1参考电压相位比谱图2超前120°，令P2=P2+120°；此时如果P2>360°，再令P2=P2-360°。

b)如果谱图1参考电压相位比谱图2滞后120°，令P2=P2-120°；此时如果P2<0°，再令P2=P2+360°。

算法流程如图5所示，谱图相似性比对部分的流程如图6所示。

图5 算法流程

图6 谱图相似性比对流程

2.3 参数的确定

为确定TD、TA、TC，需要根据传感器在GIS上的分布定量计算内部局放和外部局放反映在邻近传感器上的信号幅值差异。

2.3.1 外部局放的幅值差异

对于外部局放，其特高频电磁波信号在空气中传播的损耗(dB)[21]

L=20lgF+20lgD+32.4.

式中：F为频率(MHz)；D为传播距离(km)。对于给定的信号源，传感器与信号源的距离每增加1倍，损耗增加(20lg 2D-20lgD)=20lg 2≈6 dB。

假设外部局放与传感器S的距离为DS，与M中的任一传感器X的距离DX范围为[DS-TD，DS+TD]。由于外部局放发出的信号到S和X的衰减之差

LXS=LX-LS=20lg(DX/DS)，

因此，当DS>2TD时，DX/DS的范围为(0.5，1.5)，LXS的范围为(-6 dB，3.5 dB)。

2.3.2 内部局放的幅值差异

对于内部局放，特高频电磁波在GIS内部传播，邻近传感器间的信号幅值差异与传感器位置以及之间GIS部件导致的衰减相关。

根据与GIS厂家在110～500 kV GIS上测试的结果，在特高频信号传输路径上，断路器导致的衰减为12～15 dB，隔离开关导致的衰减约为8 dB，绝缘盆子、转角、T型接头等位置也分别导致2～6 dB的衰减。

由于工程规范对GIS特高频局放监测要求检测动态范围在40 dB以上，因此在传感器布点设计时，任意2只传感器之间的GIS部件导致的衰减之和应在40 dB以下，以满足监测系统的灵敏度。同时考虑到经济性，在满足灵敏度的前提下应尽量减少传感器数量，任意2只传感器之间的GIS部件导致的衰减之和应在20 dB以上。

讨论3种不同的GIS结构：母线、出线均三相分箱；母线三相共箱，出线三相分箱；母线、出线均三相共箱。

a)母线、出线均三相分箱。某三相分箱的GIS中传感器分布位置如图7所示。可以看出：三相同一部位的3只传感器距离很近，但内部互不联通，不可能同时检测到幅值接近的内部局放；同相不同部位的传感器之间GIS部件衰减在30 dB以上；对于任意位置的内部局放，不可能有同相的3只传感器两两之间局放信号幅值差异均小于30 dB。

图7 母线、出线均三相分箱的GIS中传感器分布位置

b)母线三相共箱、出线三相分箱。某母线三相共箱、出线三相分箱的GIS中传感器分布位置如图8所示。可以看出：三相同一部位的3只传感器距离很近，但信号传输路径要绕道母线联通，两两之间衰减很大；同相(共体)不同部位的传感器之间GIS部件衰减在30 dB以上；极端情况下，当内部局放位于母线上的两个相邻出线间隔的中间时，相邻出线间隔的线路侧三相6只传感器可能会检测到谱图类似的信号，但此时安装在母线上的传感器会检测到远大于它们的信号。

图8 母线三相共箱、出线三相分箱GIS中传感器分布位置

c)母线、出线均三相共箱的情况与母线、出线均三相分箱的情况相同。

2.3.3TD、TA、TC的确定

根据以上数据，选择TD=20 m，TA=15 dB，TC=3。原因如下：

a)对于绝大部分GIS尺寸，任意1只传感器距离20 m内至少会有其他3只传感器。

b)对于来自架空线或套管的外部局放，距离GIS一般在40 m之外。因此，任意1只接收到此外部局放的传感器，其信号幅值与距离其20 m范围之内的其他传感器幅值之差在6 dB之内。考虑到外部局放源有可能更近一些，以及传感器之间的一致性偏差，将该阈值增加到15 dB。

c)对于内部局放，一般情况下任意3只传感器两两之间的信号幅值之差不会都小于15 dB。在2.3.2中讨论的极端情况下，出线传感器会将内部局放判定为外部局放，但母线上的传感器仍会判定为内部局放，不会影响局放信号的正确报警。

2.3.4TP、TW的确定

TP、TW作为谱图形状相似性比较的2个参数，在本算法中通过试验获得。通过对不同厂家的监测装置现场实测数据的试验，证明在TP=4°、TW=15°时，谱图形状相似度判别具有最佳的准确度和容错度。

3 案例分析

通过现场实验以及实际案例分析，验证本文所提的基于多传感器联合诊断的GIS外部局放识别算法的准确性和可行性。

3.1 实验室模拟

实验室模拟的GIS装置如图9所示，共布置6只传感器，间隔距离为1.5 m。在距离GIS装置约10 m处设置1个浮动电极局放源，测试算法对该外部局放的识别效果。

图9 实验室模拟的GIS装置

发生外部局放时，各传感器均接收到谱图形状类似的信号，PRPD谱图如图10所示，包络线如图11所示。幅值最大为-23 dBm，最小为-38 dBm，任意1只传感器均有3个近邻传感器与其幅值之差在15 dBm之内。

图10 外部局放信号的PRPD谱图

图11 传感器4 PRPD谱图及其幅值包络

3.2 案例分析

为进一步验证该抗干扰技术的可行性，在某220 kV站开展实验，该站的220 kV GIS安装部署了特高频局放在线监测系统，GIS设备位置如图12所示。外部干扰信号位置如图13所示，由于上方变压器顶部喷淋罩螺丝松动，在变压器上方高场强区形成浮动电极放电，导致下方大量GIS特高频局放传感器接收到该局放信号，信号的PRPD谱图如图14所示。

图12 GIS设备分布

图13 检测到异常信号部位

图14 异常信号PRPD谱图

部署本算法以前，由于各传感器独立诊断局放，该站大量传感器持续发出局放告警信息。采用本文的方法，首先设置各传感器的位置坐标。如图15所示，取8号主变压器开关A相传感器位置为位置坐标原点(0,0,0)，依次测量和设置其他所有传感器坐标。

图15 设置传感器位置坐标

将本文算法嵌入该站在线监测系统的局放诊断部分。8号主变压器A相传感器谱图及其幅值包络如图16所示，邻近传感器谱图及其幅值包络如图17所示。8号主变压器开关A相传感器信号幅值为-44.2 dBm，邻近传感器信号幅值为-42.8～-51.2 dBm，相差均小于10 dBm。8号主变压器开关A相传感器与邻近传感器谱图判定为“相似”，即该局放信号来自GIS外部。