GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

陳曉林，汪沨，譚陽(yáng)紅，黃墀志，許松枝，謝望君

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082）

GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

陳曉林，汪沨，譚陽(yáng)紅，黃墀志，許松枝，謝望君

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082）

為了有效準(zhǔn)確地對(duì)氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)GIS（gas insulated switchgear）進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)，針對(duì)當(dāng)前主流監(jiān)測(cè)設(shè)備存在著兼容性差、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力弱等不足，設(shè)計(jì)了一套多通信接口的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。結(jié)合雙樹(shù)復(fù)小波變換良好的去噪能力和提升小波變換高效的計(jì)算能力，在軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊中引入提升雙樹(shù)復(fù)小波算法，對(duì)監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，并顯示相應(yīng)局放圖譜，最后基于統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行局放特征參數(shù)計(jì)算。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)人機(jī)界面友好，具有良好的數(shù)據(jù)處理和特征參數(shù)計(jì)算能力，所測(cè)得的結(jié)果直觀準(zhǔn)確，較之其他在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更能滿足GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性要求，在工程實(shí)踐中具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

局部放電；在線監(jiān)測(cè)；提升雙樹(shù)復(fù)小波變換；軟件系統(tǒng)；去噪處理；氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)GIS因其結(jié)構(gòu)緊湊、不受外界環(huán)境影響、占地面積小、檢修周期長(zhǎng)、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[1]，對(duì)其局部放電在線監(jiān)測(cè)具有重大意義。

當(dāng)前局部放電在線監(jiān)測(cè)設(shè)備往往是針對(duì)某一套設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)軟件的開(kāi)發(fā)，通信方式單一，設(shè)備兼容性差，而且很多軟件系統(tǒng)都是基于VB或Lab?VIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)的，這樣的軟件系統(tǒng)局限性很大，不利于二次開(kāi)發(fā)和設(shè)備兼容。此外，由于現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的大量存在，局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需具有一定的濾除干擾能力[2]。目前應(yīng)用最為廣泛的是小波去噪方法，但由于傳統(tǒng)小波的去噪性能并不能滿足監(jiān)測(cè)所需，故一些改進(jìn)算法逐漸得到應(yīng)用[3-4]。文獻(xiàn)[5]將復(fù)小波變換應(yīng)用于局放監(jiān)測(cè)的干擾抑制，去噪效果較之傳統(tǒng)小波有很大的改進(jìn)，但運(yùn)算效率低；文獻(xiàn)[6]提出對(duì)復(fù)小波進(jìn)行提升，應(yīng)用于暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)和定位中，運(yùn)算效率得到了提高，但還未在局部放電的數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域得到應(yīng)用。

本文首次提出將提升雙樹(shù)復(fù)小波算法引入到GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)去噪處理領(lǐng)域中，基于統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)法進(jìn)行局部放電特征參數(shù)的計(jì)算。利用MicrosoftVisual C++6.0平臺(tái)，基于微軟基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)MFC（microsoft foundation class），設(shè)計(jì)GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，硬件系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的局放信號(hào)采集系統(tǒng)為例，包括以下3個(gè)部分：外置超高頻傳感器、下位機(jī)硬件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)。

超高頻傳感器部分由蝶形天線、屏蔽腔和預(yù)處理電路組成，用于接收GIS產(chǎn)生局放時(shí)發(fā)出的電磁波信號(hào)。有關(guān)GIS中電磁波衰減特性的研究表明[7-8]，UHF信號(hào)在傳播路徑中，距離放電源1m內(nèi)的信號(hào)衰減迅速，距離超過(guò)1m以后，信號(hào)的衰減基本穩(wěn)定下來(lái)；信號(hào)在GIS直腔體中每1m衰減1.5 dB，而在經(jīng)過(guò)一個(gè)T型拐角以后衰減約1.78 dB；信號(hào)在GIS腔體中經(jīng)過(guò)絕緣子后信號(hào)發(fā)生衰減約2.15 dB。而本系統(tǒng)的傳感器是安裝于GIS的盤(pán)式絕緣子上，為了在距離放電點(diǎn)10m范圍內(nèi)檢測(cè)到局部放電信號(hào)，在較長(zhǎng)GIS中需要40 dB的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍才能有效地在較大范圍內(nèi)檢測(cè)到PD信號(hào)。

系統(tǒng)采用的超高頻傳感器是由本實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的有源集成RF功率傳感器，傳感器中心頻率為900 MHz，駐波比小于2的頻帶為730MHz～1.05GHz，傳感器輸出信號(hào)峰值為5 V，頻率為2～10MHz。在傳感器內(nèi)部設(shè)計(jì)了預(yù)處理電路，有兩個(gè)功能：一是將UHF頻段的RF信號(hào)檢波降頻，使其頻率降至10 MHz以內(nèi)，以便后續(xù)檢測(cè)電路檢測(cè)和降低開(kāi)發(fā)成本；二是將信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，從而增大檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍，拓寬單個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)范圍。經(jīng)文獻(xiàn)[9]驗(yàn)證，本系統(tǒng)使用的超高頻傳感器可有效地檢測(cè)到UHF信號(hào)。傳感器PCB設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖如圖2所示。

下位機(jī)硬件系統(tǒng)包含主控采集系統(tǒng)和通信硬件電路，通過(guò)FIFO和SDRAM兩級(jí)緩存，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高達(dá)200 MHz的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)字帶寬達(dá)1.6 GB。通過(guò)主控系統(tǒng)對(duì)預(yù)處理后信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)FIFO緩存存入SDRAM中，最后通過(guò)FIFO緩存讀出SDRAM的數(shù)據(jù)，再通過(guò)通信硬件電路上傳至上位機(jī)。本系統(tǒng)采樣頻率為200MHz，完全符合經(jīng)預(yù)處理電路降頻處理后的局放信號(hào)采樣要求。

上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括通信部分、數(shù)據(jù)處理部分、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；上下位機(jī)通信包括3種通信方式，以太網(wǎng)、USB和串口RS485；數(shù)據(jù)處理部分實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件去噪、特征參數(shù)計(jì)算和波形顯示的功能，是本系統(tǒng)的核心部分；數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和歷史查詢功能。

2 數(shù)據(jù)去噪處理與特征參數(shù)計(jì)算

本文提出將提升雙樹(shù)復(fù)小波算法應(yīng)用于局部放電信號(hào)去噪并且在Microsoft Visual C++6.0平臺(tái)中基于MFC實(shí)現(xiàn)，作為數(shù)據(jù)處理模塊的核心納入本軟件系統(tǒng)中，較之傳統(tǒng)的小波去噪算法，具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)[10]。基于統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)法對(duì)經(jīng)過(guò)去噪處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行局部放電特征參數(shù)的計(jì)算，并且以不同的圖譜模式實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)波形和不同相位下的局部放電參數(shù)，方便用戶及時(shí)準(zhǔn)確地掌握GIS的局部放電情況。

2.1 提升雙樹(shù)復(fù)小波

雙樹(shù)復(fù)小波變換DT-CWT（dual-tree complex wavelet transform）獨(dú)立地使用兩棵樹(shù)來(lái)生成小波系數(shù)的實(shí)部與虛部，相較于其他小波變換，具有平移不變性、更小的冗余度和高效的計(jì)算效率，是一種更為高效的去噪算法[11]。其濾波器組如圖3所示，兩棵樹(shù)在變換中所用到的濾波器都是實(shí)數(shù)濾波器，復(fù)數(shù)系數(shù)只有在合并兩棵樹(shù)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。

為改善第1代雙樹(shù)復(fù)小波變換的運(yùn)算效率，將各濾波器組對(duì)應(yīng)的實(shí)小波變換進(jìn)行提升，得到第2代雙樹(shù)復(fù)小波變換。提升小波繼承了第1代小波變換的時(shí)頻局部化特性，所有的運(yùn)算在時(shí)域中進(jìn)行，小波基函數(shù)不再由某一個(gè)函數(shù)的平移和伸縮產(chǎn)生，具有算法簡(jiǎn)單，可在原位直接運(yùn)算，運(yùn)算無(wú)需占用額外內(nèi)存空間等優(yōu)點(diǎn)[13]，是一種快速有效的小波變換。提升過(guò)程如圖4所示，可分3個(gè)步驟。

步驟1分裂（split）：又稱(chēng)惰性小波變換過(guò)程。將原始信號(hào)Sj(n)分為偶數(shù)采樣子集Sj,e(n)和奇數(shù)采樣子集Sj,o(n)，即Sj,e=Sj(2n)，Sj,o=Sj(2n+1)。

步驟2預(yù)測(cè)（predict）：用偶數(shù)采樣子集預(yù)測(cè)奇數(shù)采樣子集。采用一個(gè)與數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)的預(yù)測(cè)算子P，P由預(yù)測(cè)函數(shù)得出，預(yù)測(cè)函數(shù)采用Sj,e(n)中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)相鄰的數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行預(yù)測(cè)，即。預(yù)測(cè)產(chǎn)生的誤差便是信號(hào)的高頻信息，即。

步驟3更新（update）：用高頻信息和更新算子U產(chǎn)生一個(gè)更好的偶數(shù)采樣子集，更新函數(shù)取，可得信號(hào)低頻信息為。

提升的實(shí)質(zhì)是通過(guò)這3個(gè)過(guò)程提升將信號(hào)分解為低頻信號(hào)和細(xì)節(jié)信號(hào)[14]，逐漸用更小的偶數(shù)序列和奇數(shù)序列來(lái)代替原信號(hào)，重復(fù)分解和預(yù)測(cè)過(guò)程，n步以后原信號(hào)用{Sj,e(n),Sj,o(n),Sj,o(n-1),

}

Sj,o(n-2),…,Sj,o(1)表示。

2.2 算法的性能評(píng)估

本文從算法的運(yùn)算效率與去噪效果兩方面對(duì)提升雙樹(shù)復(fù)小波算法在GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)信號(hào)處理方面的應(yīng)用性能進(jìn)行評(píng)估，采用db3作為小波基。

1）運(yùn)算效率分析

一個(gè)算法運(yùn)算效率的優(yōu)劣主要從算法的計(jì)算量和所需占用的內(nèi)存空間兩方面衡量[15]。算法的計(jì)算量是通過(guò)統(tǒng)計(jì)各算法中最復(fù)雜的語(yǔ)句中基本操作的執(zhí)行次數(shù)得出的，結(jié)果如表1所示。而各算法所需的內(nèi)存空間是無(wú)法用數(shù)據(jù)計(jì)算得來(lái)的，只能通過(guò)各算法的原理進(jìn)行分析。

由表1可知，提升之后的雙樹(shù)復(fù)小波的計(jì)算量較之其他兩種算法減少了將近一個(gè)數(shù)量級(jí)。統(tǒng)計(jì)各算法在不同分解級(jí)數(shù)下，對(duì)PC機(jī)內(nèi)存的占用率，PC機(jī)的總內(nèi)存為3 387M。

通過(guò)提升過(guò)程可看出，提升雙樹(shù)復(fù)小波算法除需前級(jí)提升步驟輸出的數(shù)據(jù)外，不需借助任何別的數(shù)據(jù)，在每個(gè)點(diǎn)都可計(jì)算得到新的數(shù)據(jù)序列，即可進(jìn)行原位計(jì)算，這可減少計(jì)算時(shí)間和對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間的使用。由圖5可知，經(jīng)提升的小波算法能有效減少算法運(yùn)行時(shí)對(duì)PC機(jī)內(nèi)存的占用率。

2）去噪效果分析

對(duì)局部放電信號(hào)進(jìn)行去噪處理，往往希望能在得到一個(gè)信噪比更高的信號(hào)的同時(shí)，還能保證信號(hào)發(fā)生的畸變更小[15]。引入信噪比和波形相似系數(shù)對(duì)算法的去噪效果進(jìn)行衡量。在工程實(shí)踐中常用以下4種數(shù)學(xué)模型來(lái)等效局部放電脈沖[16]：?jiǎn)沃笖?shù)脈沖、雙指數(shù)脈沖、單指數(shù)衰減脈沖和雙指數(shù)衰減脈沖，各數(shù)學(xué)模型中A為脈沖的強(qiáng)度參數(shù)，τ為衰減常數(shù)，fc為振蕩頻率。

信噪比SNR的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

由圖6和表2可以很直觀地看出，提升雙樹(shù)復(fù)小波算法較之實(shí)數(shù)小波和第1代雙樹(shù)復(fù)小波算法，無(wú)論是在濾除噪聲方面還是在保持波形形狀方面都更優(yōu)秀。

2.3 局放特征參數(shù)的計(jì)算

局部放電特征參數(shù)的計(jì)算對(duì)于局部放電的故障識(shí)別和實(shí)時(shí)掌握設(shè)備絕緣情況具有很大意義，本文基于統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)法進(jìn)行局部放電特征參數(shù)的計(jì)算[16]。局部放電的放電量q、放電次數(shù)n和放電相位φ是局部放電的重要特征量，在工頻交流電壓作用下，設(shè)備產(chǎn)生的局部放電脈沖通常都具有明顯的相位特征，即局部放電脈沖相對(duì)于工頻電壓具有特定的放電量和特有的相位角。因此可利用放電次數(shù)n和放電量q表示局部放電相位φ，從而表征局部放電的特性。本文將一個(gè)工頻電壓周期劃分成256個(gè)相位窗口，用相位角軸表示（如圖7所示）。通過(guò)一段時(shí)間分別計(jì)算每個(gè)相位窗中對(duì)應(yīng)的放電次數(shù)n和放電量q，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即可得到放電次數(shù)n和放電量q與相位φ的函數(shù)。

局部放電的特征參數(shù)可分為兩類(lèi)：一類(lèi)用于描述局部放電圖譜的形狀差異，包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、局部峰個(gè)數(shù)Pe；另一類(lèi)用于表征局部放電圖譜正、負(fù)半周的放電差異，包括放電因數(shù)Q和互相關(guān)系數(shù)Cc[16]。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量和對(duì)監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，便可得出局部放電的特征參數(shù)。

1）偏斜度Sk

偏斜度是對(duì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)分布偏斜方向及程度的度量，能夠反映數(shù)據(jù)圖譜相對(duì)于正態(tài)分布形狀的位置，Sk＞0時(shí)，表示數(shù)據(jù)圖譜相對(duì)于正態(tài)分布圖向左偏；Sk=0時(shí)，表示數(shù)據(jù)圖譜與正態(tài)分布形狀一致，左右兩部分對(duì)稱(chēng)；Sk＜0時(shí)，表示數(shù)據(jù)圖譜相對(duì)于正態(tài)分布圖向右偏。其計(jì)算公式為

式中：W表示在半個(gè)工頻周期內(nèi)的小相窗總個(gè)數(shù)；Δx表示每個(gè)小相窗的寬度；xi表示第i個(gè)相窗的相位；yi代表統(tǒng)計(jì)結(jié)果的縱坐標(biāo)，用于表示局部放電的放電次數(shù)；表示統(tǒng)計(jì)結(jié)果的概率；為統(tǒng)計(jì)結(jié)果的均值；為統(tǒng)計(jì)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差。這3個(gè)參數(shù)表征當(dāng)把數(shù)據(jù)圖譜看成概率密度分布圖、以相位φi為隨機(jī)變量時(shí)，第i個(gè)相窗內(nèi)事件出現(xiàn)的概率、均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2）陡峭度Ku

陡峭度Ku能夠反映圖譜形狀的分布對(duì)比于正態(tài)分布形狀的突起程度，Ku＞0時(shí)，則表示該圖譜輪廓比正態(tài)分布輪廓尖銳陡峭；Ku=0時(shí)，表示該圖與正態(tài)分布相同；Ku＜0時(shí)，則表示該圖譜輪廓比正態(tài)分布輪廓平坦。其表達(dá)式為

3）局部峰個(gè)數(shù)Pe

局部峰個(gè)數(shù)Pe能夠反映圖譜輪廓上共存在多少個(gè)局部峰，軟件實(shí)現(xiàn)中，若圖譜中任意輪廓點(diǎn)同時(shí)滿足，則表明該輪廓點(diǎn)存在著局部峰，Pe值便加1。

4）放電因數(shù)Q

放電因數(shù)Q表示圖譜在正負(fù)半周內(nèi)的平均放電量差異，即

5）互相關(guān)系數(shù)Cc

互相關(guān)系數(shù)Cc表示圖譜在正負(fù)半周內(nèi)的形狀相似度，應(yīng)用于局部放電特征分析，能反映正負(fù)半周內(nèi)的放電強(qiáng)度和相位分布情況的相關(guān)性，Cc越接近于1，說(shuō)明局放圖譜正負(fù)半周的輪廓差異小；Cc越接近于0，說(shuō)明局放圖譜正負(fù)半周輪廓差異大。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括4大模塊：操作界面模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，其中數(shù)據(jù)處理模塊是本軟件系統(tǒng)的核心，具有數(shù)據(jù)去噪、特征參數(shù)計(jì)算和波形顯示3個(gè)功能。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能如圖8所示。

3.1 操作界面模塊設(shè)計(jì)

操作界面模塊采用基于MFC的多文檔界面進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，結(jié)合CdockablePane和CFormView為通信方式選擇、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理3個(gè)模塊分別創(chuàng)建相對(duì)獨(dú)立的子對(duì)話框和類(lèi)，增強(qiáng)了模塊間的獨(dú)立性。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和圖譜回放采用iocomp組件，iocomp組件被廣泛應(yīng)用于計(jì)算仿真、儀器儀表等眾多數(shù)據(jù)圖形領(lǐng)域的通用組件包，里面包含了大量面板指示控件。利用組件編程可像堆積木似的搭建軟件系統(tǒng)，大大縮短開(kāi)發(fā)周期，降低維護(hù)成本[17]。

3.2 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊用于建立上下位機(jī)之間的連接，連接成功后，用戶方可進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和上傳數(shù)據(jù)等操作。當(dāng)前局部放電監(jiān)測(cè)而研發(fā)的監(jiān)測(cè)設(shè)備種類(lèi)繁雜，各款設(shè)備的數(shù)據(jù)通信接口種類(lèi)不一，但大多數(shù)設(shè)備都采用當(dāng)前流行的通信接口，如串口RS485、USB、以太網(wǎng)等，而且局部放電在線監(jiān)測(cè)設(shè)備投入使用的現(xiàn)場(chǎng)條件不一，這就要求上下位機(jī)之間的通信具有很高的靈活性[15]。本文所設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件系統(tǒng)預(yù)留了3種通信接口，兼容多款局部放電數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可應(yīng)對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需求。

本軟件系統(tǒng)的串口通信采用CSerialPort類(lèi)進(jìn)行串口通信編程，USB通信采用當(dāng)前主流的USB芯片CH372配套的CH372.DLL進(jìn)行程序編寫(xiě)。以太網(wǎng)通信采用UDP協(xié)議。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)模塊利用Access建立數(shù)據(jù)庫(kù)，采用ADO（activeX data objects）數(shù)據(jù)訪問(wèn)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理和操作，最后將數(shù)據(jù)報(bào)表輸出至Excel中。利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，對(duì)GIS局部放電監(jiān)測(cè)所得的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整理與集中存儲(chǔ)，包括放電時(shí)間、數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)、放電次數(shù)和統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)等數(shù)據(jù)，方便操作人員隨時(shí)查詢歷史記錄和分析設(shè)備絕緣情況。本軟件將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理和分析后，利用Excel作為報(bào)表輸出的方式[18]。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試和觀察本系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況，在廈門(mén)許繼智能電力設(shè)備股份有限公司進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)由150 kV無(wú)局放電源、110 kV三相共筒式GIS腔體、升壓變壓器、耦合電容、測(cè)量阻抗和保護(hù)電阻等裝置構(gòu)成（如圖9（a）），將一根8.61 cm長(zhǎng)的金屬尖端纏繞在其中一根GIS母線管上用來(lái)模擬高壓導(dǎo)體金屬尖刺絕緣缺陷（如圖9（b）（c）），傳感器安裝于GIS盤(pán)式絕緣子上（如圖9（d）），最后向GIS腔體內(nèi)充入0.4MPa的SF6氣體，進(jìn)行模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

電磁信號(hào)由超高頻傳感器接收并通過(guò)同軸電纜傳輸至下位機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)，進(jìn)行硬件初步去噪后信號(hào)接入FPGA主控采集系統(tǒng)，設(shè)置下位機(jī)每15 s向PC機(jī)上傳一次監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)。通過(guò)PC機(jī)接收這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行軟件去噪處理和圖譜顯示。隨著實(shí)驗(yàn)電壓的升高，局放信號(hào)PRPD（脈沖相位圖）和PRPS（三維脈序相位圖）圖譜如圖10所示。

對(duì)比圖10（a）、（b）、（c）可以很直觀地總結(jié)出高壓母線金屬尖刺缺陷的局放特征，在實(shí)驗(yàn)電壓較小時(shí)，放點(diǎn)處于初始階段，在電源電壓負(fù)半周期出現(xiàn)放電脈沖，但數(shù)量并不多，而在正半周期基本沒(méi)有出現(xiàn)放電脈沖。隨著實(shí)驗(yàn)電壓的升高，負(fù)半周期出現(xiàn)大量放電脈沖，而正半周期的放電脈沖數(shù)量也開(kāi)始逐漸增加。當(dāng)實(shí)驗(yàn)電壓升高到一定程度時(shí)，正負(fù)周期的放電脈沖都更加密集，但負(fù)半周期的放電脈沖始終要比正半周期強(qiáng)烈。

總結(jié)有關(guān)高壓母線金屬尖刺缺陷放電特性的研究可知[19-20]，在放電初始階段，由于尖端在電源電壓負(fù)半周期是負(fù)極性，而尖端附近的空氣電離出的電子質(zhì)量小、移動(dòng)速度快，向地電位端快速移動(dòng)，剩下的正離子在尖端產(chǎn)生的電場(chǎng)與高壓端對(duì)尖端產(chǎn)生的電場(chǎng)疊加，增大了尖端附近的場(chǎng)強(qiáng)，因此負(fù)半周期產(chǎn)生放電的幾率增大。而在正半周期，由于正離子質(zhì)量大、移動(dòng)慢，與快速向尖端移動(dòng)的電子中和，減弱了尖端附近的電場(chǎng)，使發(fā)生放電的幾率降低。在實(shí)驗(yàn)電源電壓升高到一定程度時(shí)，在正半周期會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣體電離，大量正離子向地電位端移動(dòng)，相當(dāng)于減少了兩級(jí)之間的距離，氣體持續(xù)電離發(fā)生電子崩最終形成流注放電，故隨著電源電壓升高，在正半周期也將出現(xiàn)一定的放電脈沖。這一結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，可知本系統(tǒng)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

選取實(shí)驗(yàn)電壓逐漸升高時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，運(yùn)行本系統(tǒng)局放信號(hào)特征參數(shù)計(jì)算功能，顯示相應(yīng)的圖譜，運(yùn)行結(jié)果如圖11所示，數(shù)據(jù)處理結(jié)果分為6個(gè)小圖譜窗口進(jìn)行顯示，分別為放電次數(shù)-放電量圖、放電量-相位圖、最大放電量-相位圖、總放電量-相位圖、平均放電量-相位圖和總放電次-相位圖，圖中u+，u-代表正負(fù)周期，參數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖12所示，研究人員可以實(shí)時(shí)根據(jù)這些圖譜和參數(shù)，快速準(zhǔn)確地掌握GIS的局部放電情況。本文中視在放電量的標(biāo)定采用文獻(xiàn)[21]中提出的一元線性多項(xiàng)式回歸方法進(jìn)行局放幅值（mV）和視在放電量（pC）的標(biāo)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一套多通信接口的GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于MFC設(shè)計(jì)了局放在線監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件系統(tǒng)，包括操作界面模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)模塊4大模塊的設(shè)計(jì)，提出了將提升雙樹(shù)復(fù)小波算法應(yīng)用于GIS局部放電在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)去噪處理領(lǐng)域中，并在核心數(shù)據(jù)處理模塊中實(shí)現(xiàn)，大大提高了算法的運(yùn)算效率和程序的運(yùn)行效率。測(cè)試結(jié)果表明，本監(jiān)測(cè)軟件界面友好，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，多通信方式使其能夠適用多種監(jiān)測(cè)設(shè)備，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

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Research and Design of OnlineM onitoring System for GISPartialDischarge

CHENXiaolin，WANGFeng，TANYanghong，HUANGChizhi，XUSongzhi，XIEWangjun
（Collegeof Electricaland Information Engineering，Hunan University，Changsha410082，China）

In order tomonitor the partial discharge in gas insulated switchgear（GIS）more efficiently and accurately，a setofonlinemonitoring system for GISpartial dischargewithmultiple communication interfaces is designed，which can improve the poor compatibility and weak real-time data processing ability in the currentmainstream devices.Consider?ing the denoising ability of dual-tree complex wavelet transform and the computational ability of lifting wavelet trans?form，a lifting dual-tree complex wavelet transform is put forward as the core of data processingmodule to denoise the monitoring data，and partial discharge oscillograms are shown in the user interface.The partial discharge characteristic parametersof the de-noised data are calculated based on the statistical characteristic parameters.The results of simula?tion and experimentshow that this system has friendlyman-machine interface，stronger data processing and characteris?tic parameter calculation ability.Compared with other onlinemonitoring systems，itsmeasurement result is direct and accurate，which canmeet the real-time requirements in theonlinemonitoring ofGISpartialdischarge.Italso hashigher application value to theengineering practice.

partial discharge；onlinemonitoring；lifting dual-tree complex wavelet transform；software system；de?noise processing；gas insulated switchgear（GIS）

TM85

A

1003-8930（2017）03-0042-08

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.007

陳曉林（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)、電力設(shè)備監(jiān)測(cè)軟件技術(shù)。Email：370316494@qq. com

2015-07-08；

2016-08-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61102039）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012CB215106）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2014AA052600）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（NCET-11-0130）

汪沨（1972—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。Email：wangfeng55@263.net

譚陽(yáng)紅（1971—），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾〔靶盘?hào)處理和故障診斷、智能與實(shí)時(shí)信息處理。Email：tanyho@126.com