基于5G專網的TEV+AE原理的高壓開關柜局放在線監測方法研究

高中天

（國能浙江南潯天然氣熱電有限公司，浙江 湖州 313000）

目前，高壓開關柜內部的故障探測大多在斷電后才能完成，實時在線探測技術較少。由于各種原因，高壓開關柜經常無法按周期進行大范圍斷電維修，因此對電力系統的安全運行提出了更高要求。另外，2次大停電檢修間，設備的絕緣狀況是未知的，一旦出現問題，無法及時解決。此外，高壓開關柜是把設備放在一個柜子中，一旦出現異常，操作人員查看時發現不了內部異常，紅外線測溫就會失效。各設備部件、母線、支撐絕緣子等到現場后，高壓開關柜將其再裝進外殼成一整體，并且必須經檢驗后，在現場裝配好。然而，在野外進行高壓力下的測定比室內試驗困難得多，一旦出現故障，其危害性會比過去的分散式開放裝置更嚴重，檢修周期也較長[1]。此外，由于開關箱產品越來越小型化，因此絕緣余量下降。尤其是夏季，室內溫度較高，濕度也更大，里面的絕緣元件會出現漏電現象且從外觀上完全看不出來[2]。為促進局部放電監測水平的進一步提升，該文將結合5G專網的TEV+AE原理，進行對高壓開關柜局放在線監測方法的設計和研究。

1 高壓開關柜局放信號數據增強

監測高壓開關柜局放時[3]，高壓開關柜發生局部放電的放電過程會產生短暫的瞬態電信號，這些瞬態信號可能具有較高的峰值電壓和頻率分量且較短暫，同時，局部放電通常是微弱的電流或電壓放電現象，因此，為了給高壓開關柜局放在線監測提供準確的有效數據[4]，需要增強所采集的高壓開關柜數據，從而更好地捕捉這些瞬態效應，提高信號的靈敏度和可檢測性，有效地檢測和分析微弱的局部放電信號，并在一定程度上抑制噪聲。該文在該部分引入高通濾波，并將該算法與峰值檢測算法相結合，以達到有效增強高壓開關柜局放信號數據的目的。在結合高通濾波和峰值檢測來增強局部放電信號過程中，進行算法處理的步驟如下。

首先，初始信號：獲取待處理的局部放電信號，將原始信號設為x（t），其中t為時間。

其次，高通濾波：應用高通濾波器濾除原始信號中的低頻成分和直流分量，保留高頻內容。高通濾波如公式（1）所示。

式中：y（t）表示高通濾波后的信號；LPE（x（t））表示低通濾波器對原始信號的濾波結果，用于提取低頻成分和直流分量。

最后，峰值檢測：對高通濾波后的信號進行峰值檢測，獲取信號的峰值部分。峰值檢測如公式（2）所示。

式中：z（t）表示峰值檢測后的信號；max表示取絕對值后的最大值操作；abs（·）表示取絕對值；α表示峰值檢測系數。

該算法使用高通濾波器濾除原始信號中的低頻和直流分量，突出信號的高頻成分和瞬態效應。然后峰值檢測提取峰值部分用于增強信號的強度和清晰度。經該算法處理后的高壓開關柜信號可以更好地突出局部放電信號，提高信號的可辨度和檢測能力。

2 基于5G專網TEV+AE原理的局部放電模式識別

在5G專網中，利用TEV的工作原理可以監控開關柜體表面瞬態地電壓。該方法能夠對裝置中的局部放電信號進行有效監控，同時還具有較強的抗干擾能力，可以進行對高壓開關柜的不停電的局部放電監測。在開關箱內，當發生局部放電時[5]，將產生一種以光速向四面八方迅速傳播的高頻電流[6]。電流場的趨膚效應會使電流場無法通過金屬盒，而是在金屬盒中傳輸。在金屬與絕緣連接的位置上，電流波會發生轉變，并產生電磁波。電磁波能夠在空隙中傳播。當電流波經過金屬外殼時，在外殼上會形成一個電壓，即1TEV。在5G專網的AE原理的基礎上，可對高壓開關柜的局部放電進行監測，在不改變設備原有運行模式的情況下，可以利用多個傳感器和接收到的時差對缺陷進行定位，并且監測過程中不會受電磁的影響。根據上述論述，該文提出一種基于5G專網的TEV+AE原理放電模式識別方式[7]。利用TEV+AE原理，將增強處理后的局部放電信號數據進行局放特征提取，得到歸一化的高壓開關柜各類典型絕緣缺陷局部放電信號特征，如公式（3）所示。

式中：x'（t）表示歸一化的高壓開關柜各類典型絕緣缺陷局部放電信號特征；n表示特征類型。

在該過程中，輸出量為高壓開關柜4種典型局部放電類型和無局部放電狀態，其表達式如公式（4）所示。

式中：Y表示輸出量集合；z1表示針板放電類型；z2表示內部放電類型；z3表示懸浮放電類型；z4表示絕緣子沿面放電類型；z5表示無局部放電狀態。

在確定輸入量和輸出量后，根據Mercer條件，選取不同的內積核函數構造SVM，構建如公式（5）所示的多項式核函數。

式中：d表示函數的階數；K（xi（t），x'（t））表示多項式核函數；β表示局放模式識別系數。

遺傳算法是一種模仿遺傳機制和自然界中的優勝劣汰原則的進化算法，具有良好的收斂性能、較少的計算時間和較高的魯棒性。但是，它也存在編程復雜、無法及時反饋網絡信息以及容易發生早熟等問題。為了解決這些問題，該文利用各種群遺傳算法來尋找開關柜局部放電模式識別的最優參數。尋優的流程如下：確定編碼方式—設置種群規模與種群數量—設定控制參數—設置適應度函數—移民操作—人工選擇操作—設置迭代終止判據—選擇、較差和變異—解碼—輸出最優參數。利用最優參數，將其代入上述核函數中，通過核函數的運算得到相應的輸出結果，并將其與上述5種不同局部放電類型進行比較，進行對放電模式的識別。

3 局部放電在線監測與預警

為了在線監測高壓開關柜局部放電，將上述運算以程序的方式輸入計算機中，并在實際應用前對上、下位機的通信功能進行測試。首先，在開關柜內部，將局部放電缺陷模型分別安裝好，并將TEV+AE信號調理單元的增益設定為60dB。設置高壓測試后，打開上位機，輸入用戶名和密碼，登錄到局部放電在線監測中。其次，調節器啟動，以0V為起點，對工作頻率電壓進行負載，并對高壓開關柜中的局部放電進行超高頻信號采集。分析局部放電在線監控的數據，并將局部放電監測數據與局部放電實際數據進行對比。根據得到的結果驗證數據通信可靠、穩定后，將其正式應用到高壓開關柜局部放電的在線監測中。針對局部放電的在線監測包括2種模式，一種為快速巡檢監測，另一種為重癥監護監測。2種在線監測的基本流程如圖1所示。

圖1 局部放電在線監測流程圖

從圖1所示的工作流程可以看出，無論是快速巡檢還是重癥監護，都需要連接相應的傳感器，并完成背景噪聲檢測等操作。二者的不同之處為快速巡檢需要對多臺高壓開關柜進行監測且需要反復操作，而重癥監護監測主要是對出現故障的高壓開關柜進行有針對性的長期的持續監測。對背景噪聲進行探測后，要根據所探測的噪聲決定局部放電的閾值，該數值會隨環境噪聲的變化而變化，探測時間通常不會少于1min。針對高壓開關柜不同局部放電類型及其程度，設置不同的預警等級，以便能更及時地發現高壓開關柜的異常并制定解決方案。

4 對比試驗

4.1 試驗準備

通過上述論述，并結合5G專網的TEV+AE原理，該文提出了一種全新的針對高壓開關柜局部放電的在線監測方法。為了驗證新的監測方法是否能夠應用于實際并解決現有監測方法在應用中存在的問題，將新的監測方法設置為試驗組，將基于特高頻法的監測方法設置為對照A組，將基于測量傳感器的監測方法設置為對照B組，進行對比試驗。

在高壓開關柜局部放電在線監測試驗中，需要搭建的硬件環境如下。1）局部放電缺陷模型的安裝，為了模擬真實的局部放電情況，需要在高壓開關柜內部安裝局部放電缺陷模型（可以是人工制造或仿真的電氣缺陷），以便進行試驗和監測。2）將TEV+AE信號調理單元增益設置為60dB，使用TEV（Transient Earth Voltage）和AE（Acoustic Emission）信號調理單元來接收和處理局部放電產生的超高頻信號。調整其增益為60dB，以確保能夠有效捕捉局部放電信號。3）高壓測試與工作頻率負載。進行高壓測試，即給高壓開關柜施加額定工作頻率的電壓。同時，通過負載模擬實際運行條件，以確保測試的真實性。4）連接相應的傳感器。適當選擇合適的傳感器，例如TEV傳感器和AE傳感器，將其連接到高壓開關柜內部，用于采集局部放電信號和聲發射信號。

通過配備和連接這些硬件設備，可以采集和監測局部放電信號，并進行后續數據分析和處理。由于在大氣條件下，高壓開關柜局部放電是一種隨機現象，各類型放電均有其特殊的統計特性，因此在試驗的過程中一次采集2000個頻率范圍內的極高頻率信號。但對針式平板放電而言，因其放電系數難以獲取，因此需要一次采集5000個工作頻率周期。鑒于高壓開關柜局部放電的類型較多，需要在試驗過程中設置多種不同組別，并分別利用3組監測方法完成對各放電類型的監測，包括針板放電類型、內部放電類型、懸浮放電類型和絕緣子沿面放電類型。在試驗過程中，升壓至某一時刻出現微弱的局部放電時，采集當前發出的信號，將相關數據保留并作為試驗數據。試驗研究的高壓開關柜具體參數見表1。

表1 高壓開關柜參數

4.2 試驗參數設置

開始試驗前，需要設置基于5G專網TEV+AE原理的高壓開關柜局放在線監測方法的算法參數，避免參數取值不同影響監測方法的性能，進而影響試驗的準確性。試驗參數設置見表2。根據表2數據設置在線監測方法的參數。

表2 試驗參數

4.3 結果分析

為了驗證3組監測方法的精度，將3組方法監測到的各類型下的放電次數作為試驗數據指標，將其與實際放電次數進行對比。如果二者相同，說明所對應的監測方法具有極高的監測精度；反之，如果二者相差較大，說明所對應的監測方法監測精度較低。根據上述論述，記錄每一種局部放電類型監測到的放電次數和實際放電次數，數據記錄見表3。

表3 3組監測方法監測結果記錄表

從表3中記錄的試驗數據可以看出，試驗組監測結果與各局部放電類型實際放電次數一致，而對照A組和對照B組每種類型所得監測結果與實際均存在2～5次的誤差。從上述試驗結果中可以發現，試驗組監測方法的監測準確率最高。將試驗組監測方法應用于實際，通過精確分析放電次數，可以判定高壓開關柜運行狀態，從而為開關柜放電提供更可靠的依據。

5 結語

該文提出的在線監測方法主要用于高壓開關柜局部放電監測，根據監測結果及時發現開關柜發生絕緣故障等異常問題的原因。并通過試驗將新的監測方法與現有的基于特高頻法的監測方法、基于測量傳感器的監測方法進行對比，可以看出該文監測方法具有更高的準確度，能夠為高壓開關柜局放提供更佳監測效果，可有效避免誤檢、漏檢等問題，且該監測方法的適應性更強，可適用于多種類型的高壓開關柜的局放監測與預警。