基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究

趙普志，李洪淵

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，烏魯木齊830063；2.塔里木大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，阿拉爾843300）

多種高壓系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，系統(tǒng)中高壓設(shè)備的絕緣性能是影響系統(tǒng)可靠性與安全性的關(guān)鍵因素。一般來(lái)說(shuō)，高壓設(shè)備很難做到徹底絕緣，因此，電力系統(tǒng)中的各高壓設(shè)備始終影響著系統(tǒng)的平穩(wěn)、安全運(yùn)行[1]。

高壓套管在高壓設(shè)備中起連接絕緣與支撐作用，是變壓器連接外部的裝置與重要構(gòu)成部件，對(duì)高壓設(shè)備的絕緣性能起決定性作用，因此也是維護(hù)高壓系統(tǒng)平穩(wěn)、安全運(yùn)行的主要影響因素[2]。高壓設(shè)備故障數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高壓套管發(fā)生故障是造成電抗器與變壓器突然停運(yùn)的主因。加之高壓電力系統(tǒng)和高壓電力設(shè)備的不斷擴(kuò)充與迅速發(fā)展，高壓套管隨著容量的擴(kuò)展與變壓器的持續(xù)老化必將承受更大的負(fù)載與熱應(yīng)力[3]。高壓套管的種類(lèi)繁多，目前應(yīng)用最為廣泛的是GOE 型高壓套管，多數(shù)變壓器中都使用了GOE 型高壓套管。故在此利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法。

1 監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采集與處理

在基于物聯(lián)網(wǎng)對(duì)GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，需要使用數(shù)字示波器對(duì)GOE 型高壓套管運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。數(shù)字示波器具體設(shè)置見(jiàn)表1。

利用數(shù)字示波器中的正常觸發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)GOE型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，觸發(fā)信號(hào)會(huì)對(duì)波形進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)[4]。利用衰減器處理油箱中的傳感器天線輸出信號(hào)對(duì)示波器的兩端端口進(jìn)行保護(hù)，衰減器的頻率為-20 dB，并通過(guò)外置傳感器在特定外部位置對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)大于30 組[5]。

表1 數(shù)字示波器的具體設(shè)置Tab.1 Specific settings of digital oscilloscope

在此基礎(chǔ)上，對(duì)采集到的GOE 型高壓套管運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用小波去噪方式進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪處理[6]，主要是利用MatLab 內(nèi)的小波wden 去噪函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)中的特高頻局放信號(hào)實(shí)施去噪處理。具體的處理方式如下：對(duì)采集到的GOE 型高壓套管運(yùn)行數(shù)據(jù)中的PD 信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)小波變換對(duì)檢測(cè)信號(hào)實(shí)施多分辨率分析，對(duì)檢測(cè)信號(hào)內(nèi)含有的頻率成分不同的信號(hào)進(jìn)行分解，將其分解至多種小波尺度上，根據(jù)各種小波尺度的具體分量對(duì)PD 信號(hào)里的各種頻率成分進(jìn)行分析，從而對(duì)PD 信號(hào)實(shí)施降噪處理與分析[7]。

然后，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施頻譜轉(zhuǎn)換處理，即通過(guò)Mat-Lab 內(nèi)的FFT 算法，實(shí)施采集信號(hào)的頻譜分析處理，獲取信號(hào)的實(shí)際頻譜分布狀況，并對(duì)其實(shí)施歸一化處理，得到對(duì)應(yīng)的頻譜歸一化圖，再對(duì)歸一化結(jié)果實(shí)現(xiàn)平方運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量譜圖，利用極小值與極大值的提取來(lái)獲取信號(hào)能量譜圖的對(duì)應(yīng)峰值頻點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)頻譜轉(zhuǎn)換[8]。

1.2 構(gòu)建Debye 模型

在完成數(shù)據(jù)采集與處理的基礎(chǔ)上構(gòu)建Debye模型，并利用Debye 模型對(duì)絕緣油紙產(chǎn)生的極化進(jìn)行等效模擬。在此共構(gòu)建7 條模型支路，以更好地展現(xiàn)絕緣油紙產(chǎn)生的極化響應(yīng)。絕緣油紙結(jié)構(gòu)為5層[9]。具體模型參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 模型參數(shù)設(shè)置Tab.2 Model parameter settings

在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建Debye 模型，Debye 模型可體現(xiàn)損耗介質(zhì)因數(shù)介電譜頻域曲線與電容量曲線。具體如圖1，圖2 所示。

圖1 電容量曲線Fig.1 Capacitance curve

圖2 介質(zhì)損耗因數(shù)介電譜頻域曲線Fig.2 Frequency domain curve of ldielectric loss factor dielectric spectrum

1.3 多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)

以所構(gòu)建的Debye 模型為依據(jù)，獲取絕緣紙實(shí)際聚合度倒數(shù)差與GOE 型高壓套管實(shí)際FDS 曲線的具體關(guān)系[10]。從而，利用FDS 曲線獲取絕緣紙聚合度，再利用聚合度判斷GOE 型高壓套管的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GOE 型高壓套管多元狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)。

對(duì)絕緣紙實(shí)施聚合度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，所用絕緣紙的最初聚合度為1025，在其各個(gè)絕緣老化時(shí)期對(duì)實(shí)際聚合度值進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 獲取測(cè)試結(jié)果Tab.3 Obtaining test results

對(duì)表3 測(cè)試結(jié)果實(shí)施聚合度分析，獲取聚合度的絕緣老化時(shí)間與倒數(shù)差的函數(shù)關(guān)系。聚合度的絕緣老化時(shí)間與倒數(shù)差呈現(xiàn)反比例關(guān)系，即

式中：t 為老化時(shí)間；Pt為絕緣紙t 時(shí)刻的具體聚合度；P0為絕緣紙最初聚合度；k 為聚合度倒數(shù)差。

根據(jù)式（1），獲得聚合度絕緣老化時(shí)間與倒數(shù)差的實(shí)際擬合曲線，如圖3 所示。

圖3 聚合度絕緣老化時(shí)間與倒數(shù)差的實(shí)際擬合曲線Fig.3 Actual fitting curve of polymerization aging time and reciprocal difference

GOE 型高壓套管的絕緣老化時(shí)間與FDS 曲線之間的函數(shù)關(guān)系需要通過(guò)電容量測(cè)試獲取。利用IDAX-300 在10-3～103Hz 激勵(lì)掃頻頻率范圍內(nèi)，對(duì)各個(gè)絕緣老化時(shí)期GOE 型高壓套管的具體FDS 曲線進(jìn)行測(cè)量。對(duì)該測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果為GOE 型高壓套管的絕緣老化時(shí)間與FDS 曲線之間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系。

在此基礎(chǔ)上，將絕緣老化時(shí)間作為中間變量，獲取絕緣紙實(shí)際聚合度倒數(shù)差與GOE 型高壓套管實(shí)際FDS 曲線的具體關(guān)系，且對(duì)二者進(jìn)行擬合。發(fā)現(xiàn)二者擬合優(yōu)度很高，且呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系。由此表明，通過(guò)測(cè)量GOE 型高壓套管的FDS 曲線能夠獲取實(shí)際絕緣紙聚合度，也就是只需獲取GOE 型高壓套管絕緣紙的最初聚合度或更換的新絕緣紙的具體聚合度，即可通過(guò)GOE 型高壓套管的實(shí)際FDS曲線評(píng)估其具體絕緣狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GOE 型高壓套管多元狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

2 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的有效性，設(shè)計(jì)了仿真測(cè)試試驗(yàn)。選擇3個(gè)相同的GOE 型高壓套管作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其實(shí)施FDS 曲線測(cè)量，并利用測(cè)量的FDS 曲線獲取實(shí)際絕緣紙聚合度，對(duì)其實(shí)施多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)。測(cè)量試驗(yàn)高壓套管的FDS 曲線需要通過(guò)響應(yīng)頻率分析儀來(lái)完成，選用型號(hào)IDAX-350 的響應(yīng)頻率分析儀。該分析儀實(shí)物如圖4 所示，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

圖4 IDAX-350 響應(yīng)頻率分析儀Fig.4 IDAX-350 response frequency analyzer

表4 IDAX-350 響應(yīng)頻率分析儀的相關(guān)參數(shù)Tab.4 Relevant parameters of IDAX-350 response frequency analyzer

響應(yīng)頻率分析儀的電壓掃頻激勵(lì)可以利用電纜線向被試品施加，然后采集其內(nèi)部電壓信號(hào)的相角與幅值，利用USB 將數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳輸，通過(guò)內(nèi)部軟件進(jìn)行分析計(jì)算。試驗(yàn)設(shè)定的電壓施加激勵(lì)為200 V，掃頻范圍為10-3～103Hz。測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Measurement site

為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，將文獻(xiàn)[11]基于數(shù)據(jù)分析變壓器套管在線監(jiān)測(cè)預(yù)警的方法和文獻(xiàn)[12]基于內(nèi)部壓強(qiáng)響應(yīng)變壓器套管在線監(jiān)測(cè)的方法，作為對(duì)比方案，不同方法的聚合度測(cè)試準(zhǔn)確性以及隱藏信息關(guān)聯(lián)識(shí)別率。

2.2 結(jié)果與分析

測(cè)試不同方法的聚合度測(cè)試準(zhǔn)確性，聚合度測(cè)試準(zhǔn)確性越高，說(shuō)明監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性越強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同方法的聚合度測(cè)試準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Accuracy test results of polymerization degree test of different methods

由圖可見(jiàn)，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，只有所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的聚合度測(cè)試準(zhǔn)確性在穩(wěn)步上升，最高的有效抗攻擊效率可達(dá)到97%，而另外2 種對(duì)比方法的分流過(guò)程的聚合度測(cè)試準(zhǔn)確性不僅沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，且聚合度測(cè)試準(zhǔn)確性的數(shù)值均低于本文方法。由此可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性更強(qiáng)。

在此基礎(chǔ)上，還測(cè)試了不同方法的隱藏信息關(guān)聯(lián)識(shí)別率，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。隱藏信息關(guān)聯(lián)識(shí)別率越高，說(shuō)明監(jiān)測(cè)方法對(duì)絕緣紙實(shí)際聚合度倒數(shù)差與套管實(shí)際FDS 曲線間具體關(guān)系的識(shí)別能力越強(qiáng)。

圖7 不同方法的隱藏信息關(guān)聯(lián)識(shí)別率試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of hidden information association recognition rate of different methods

由圖可見(jiàn)，與2 種傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法相比，基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法可以大大提高隱藏信息關(guān)聯(lián)識(shí)別率，隱藏信息關(guān)聯(lián)識(shí)別率最高可達(dá)94.5%，最低為92%，明顯高于另外2 種對(duì)比方法。

綜上，本文方法對(duì)絕緣紙實(shí)際聚合度倒數(shù)差與套管實(shí)際FDS 曲線間具體關(guān)系的識(shí)別效果更好，從而提高了最終監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

所研究設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的GOE 型高壓套管多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了聚合度測(cè)試準(zhǔn)確性的提升，并且能夠?qū)㈦[藏信息關(guān)聯(lián)識(shí)別率保持在一個(gè)較高的水準(zhǔn)內(nèi)，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)GOE 型高壓套管的無(wú)損監(jiān)測(cè)，對(duì)于維護(hù)變壓器和其他高壓電力設(shè)備的穩(wěn)定和安全具有重要意義。