基于UHF 傳感器與以太網的GIS 局部放電監測系統設計*

汪 沨，申 晨，何榮濤

(1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙410082;2.許繼(廈門)智能電力設備股份有限公司，福建 廈門361000)

0 引 言

氣體絕緣開關［1］(gas insulated switch－gear，GIS)結構復雜、制造質量要求高，雖然其較少發生故障，但故障一旦發生，檢修工作繁雜，檢修時間長，停電影響范圍大［2］。研究表明，局部放電是引起高壓GIS 絕緣事故的主要誘因［3］，因此，局部放電在線監測是GIS 狀態監測的重要內容，對GIS的安全穩定運行具有重要意義［4～7］。

現有的GIS 局部放電監測設備有以下幾個缺點:1)脈沖電流法不適合在線監測且易受干擾，超聲波法監測范圍小，需人工手持探測;2)已有的監測設備使用RS—485 通信速度慢，而一些無線通信為了節能而間歇工作，不能實時監測;3)高速示波器或采樣率500MHz 以上的數據采集卡方案，成本高昂，大面積推廣使用困難。

近年來，隨著工業以太網交換機的普及，工業以太網技術具有價格低廉、穩定可靠、通信速率高、軟硬件產品豐富、應用廣泛以及支持技術成熟等優點，已成為最受歡迎的通信網絡之一［8～13］。由國際電工委提出的IEC 61850 提供了一種公共的通信標準，使用以太網作為物理層，具有較高的通信速度。

本文針對GIS 局部放電監測，設計了一種基于以太網的GIS 局部放電監測系統，由超高頻(UHF)傳感器模塊采集局部放電信號，經SDRAM 緩存后通過以太網發送至管理系統，實現對GIS 局部放電的高速、實時在線監測。

1 系統硬件設計

1.1 監測系統的總體結構

設計的局部放電監測系統如圖1 所示，由UHF 傳感器模塊和主控采集系統兩部分組成。傳感器模塊采集UHF電磁波信號，將其降頻至2～10 MHz，通過同軸電纜發送給主控采集系統。主控采集系統對傳感器發來的數據進行A/D 轉換，按照一定的監測任務安排將結果通過以太網發送給管理中心。一旦后臺專家系統分析認為發生局部放電，還可通過以太網控制主控采集系統進行故障錄波，波形數據由SDRAM 緩存后通過以太網上傳。

圖1 系統總體結構圖Fig 1 Overall structure diagram of system

1.2 傳感器模塊硬件設計

傳感器模塊由UHF 傳感器、阻抗匹配電路、對數檢波器、電源組成。UHF 傳感器接收局部放電產生的電磁波信號，通過匹配電路將信號耦合至對數檢波器，由于對數檢波器能夠提取信號的包絡功率，因此，輸出波形頻率僅為原始信號的包絡頻率，約2～10 MHz，且保留了需要的幅值和相位信息，對數檢波器的輸出通過同軸電纜連接至主控采集系統。傳感器模塊的結構圖如圖2(a)所示，實物圖如圖2(b)所示。

1.3 主控采集系統硬件設計

主控采集系統由信號復用模塊、A/D 轉換模塊、FPGA處理系統、以太網通信模塊以及電源管理模塊組成。

圖2 傳感器模塊Fig 2 Sensor module

通過信號復用模塊將多通道數據選通一個通道傳輸至后續電路，使多傳感器只需使用一個A/D 轉換模塊，降低整套系統的成本。A/D 轉換模塊將模擬信號轉換成為數字信號后由FPGA 處理系統處理，通過以太網通信模塊將數據傳輸至GIS 站管理員。主控采集系統的結構圖如圖3。

圖3 主控采集系統硬件框圖Fig 3 Hardware block diagram of master collection system

以太網通信模塊使用W5100 網絡協議芯片，它是硬件化TCP/IP 協議集成芯片;支持10/100 Mbps 的傳輸速率;采用TCP 客戶端的數據傳輸方式，傳輸速度高，傳輸穩定。

2 系統軟件設計

2.1 采集系統軟件設計

本套系統采集局部放電的模擬信號，因此，具有多樣靈活的故障判斷方式，本文主要設計了兩種工作方式:監測方式和故障錄波方式，如圖4。

圖4 采集系統軟件流程圖Fig 4 Software flowchart of acquisition system

軟件默認以監測方式運行，故障錄播標志為FALSE，通過冒泡法選擇50 μs 內的信號最大值保存，則一個工頻周期將保存400 個數據，按照設定的時間間隔向服務器發送保存的數據，服務器可通過這些數據生成火焰圖、幅值相位圖、三維圖、放電趨勢圖等分析圖譜對局部放電發生與否進行診斷。

當服務器的專家系統判斷有局部放電發生時，可發出控制信號使故障錄播標志為TRUE，此時軟件以故障錄播方式運行。信號錄播模式將保存連續20 ms 的全部波形信號，根據以太網芯片的緩存大小，每次讀取一定量的數據向服務器發送，當發送完全部4 Mbytes 數據后結束信號錄播。

每次數據發送完畢，記錄監測日志，并更新故障錄波標志。

2.2 以太網數據發送程序設計

以太網數據發送首先需要根據變電站網絡要求初始化網絡地址配置，包括:網關、物理地址、子網掩碼、IP 地址。W5100 網絡芯片支持ICP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP 和PPPoE 等網絡協議，在變電站局域網中UDP 和TCP 為適用方式，UDP 協議不提供差錯恢復，不能提供數據重傳，因此，該協議傳輸數據安全性差。本設備采用TCP 協議作為通信協議，變電站管理員的計算機作為服務器處于監聽狀態，主控采集系統作為客戶端，發出鏈接請求，服務器收到請求后，創建鏈接與客戶端通信，實時進行數據傳輸，如圖5 所示，鏈接成功后先接收管理員發來的控制指令，然后發送需要發送的數據，最后斷開連接。如果未能建立連接則產生建立連接超時警報，若成功收發數據，則產生數據收發成功信息。

3 系統性能評價

3.1 傳輸速度評價

為了評價傳輸速度，在主控采集系統上設計了基于傳統RS—485 工業總線的通信接口和基于以太網的通信接口。通過傳統RS—485 總線以57 600 bps 波特率(實際上距離遠時無法達到此速度)與以10/100 M 以太網分別傳輸一定大小文件進行實驗，實驗結果如表1 所示。

圖5 以太網數據發送程序流程圖Fig 5 Flowchart of Ethernet data sending program

表1 數據傳輸耗時Tab 1 Time consuming data transmission

由于上位機定時精度原因，以太網發送20 kB 文件耗時數據0.05 s 不準確，但速度測試不影響軟件使用。從表1可以看出10/100 M 以太網已經較傳統RS—485 工業總線有了巨大的速度提升，20 kB 文件為進行1 s 局部放電監測的數據量，通過RS—485 總線傳送該數據需要4 s，說明采用RS—485 總線不能保證數據高實時性。采用以太網通信方式，通信速度高于采集速度，可以靈活設置數據發送方式，設計局放判定方法，更有利于后續分析處理。

3.2 監測模式測試

為測試本系統監測的準確性，在許繼(廈門)智能電力設備股份有限公司進行測試，采用150 kV 無局放電源，通過升壓變壓器、耦合電容、測量阻抗、保護電阻和110 kV 三相共筒式GIS 腔體，構成測試系統裝置，如圖6 所示。

圖6 三相共筒式GIS 實驗裝置Fig 6 Experimental device of three-phase drum GIS

在GIS 母線管右端內導體表面放置一個9.61 mm 長的金屬尖端模擬缺陷(如圖7)，后充入0.4 MPa 的SF6氣體。

圖7 模擬缺陷和缺陷長度Fig 7 Simulated defect and length of defect

當外加電壓逐漸升高至15 kV 時，由圖8(a)可以看出放電區間主要集中在45°～90°和225°～270°之間;由圖8 可知，隨著電壓的升高，在工頻周期內局部放電儀測得的放電次數逐漸增多，最大視在放電量也出現大幅增加，并且最大放電量相位靠近90°和270°，放電相位成對稱分布。

圖8 監測模式監測結果Fig 8 Monitoring result of monitoring mode

監測模式可獲得較詳細的局部放電圖譜，通過局放圖譜對局部放電進行判定，相比通過電壓比較器設置閾值有更高的準確性和靈活性。

3.3 故障錄波模式測試

為檢測錄波模式大文件傳輸功能，在上述系統中使升壓變壓器升壓至85 kV，使能故障錄播標志使軟件工作于錄波模式。通過計算機接收數據，生成信號波形如圖9 所示。觀察信號波形，采樣率為200 MHz，局部放電持續120 個點，即局放持續時間為600 ns，符合局部放電規律。

圖9 故障錄波波形Fig 9 Waveform of fault recording

4 結 論

1)GIS 變電站在線監測系統，使用以太網通信，實現了高速實時靈活的數據傳送，較以往RS—485 現場總線方式通信速度提高90 倍以上;

2)無更換電池，可不間斷工作，數據發送間隔可設置，實時性高;

3)多傳感器節點通過多路復用技術共用一套主控采集系統，能有效降低成本。

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