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[摘 要] 电力系统中高压开关柜的应用， 可在输配电、 电能转换等环节中发挥通断、 控制及保护作用。高压开柜的绝缘介质之所以会有老化的现象出现，往往都是局部放电引起的。通过在线监测高压开关柜局部放电状况，能将柜体在设计、制造及安装等方面存在的缺陷及时检测并发现，通过对绝缘老化情况的评价，能为设备运行提供安全保障。文章从高压开关柜局部放电在线监测硬件系统总体方案入手，阐述了系统构建内容及软件方案，以供参考与借鉴。
[关键词]高压开关柜;局部放电;在线监测;监测系统
[中图分类号]TM591;TM855 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Research on Partial Discharge Online Monitoring System for High Voltage Switchgear
Lei Zhao-hong
[Abstract]The application of high voltage switchgear in power system can play the role of on-off， control and protection in transmission and distribution， power conversion and other links. The reason for the aging of insulating medium is often caused by partial discharge. Through on-line monitoring of partial discharge of high-voltage switchgear， the defects in design， manufacture and installation of the cabinet can be detected and found in time. Through the evaluation of insulation aging， the safety guarantee for equipment operation can be provided. Based on this， this paper starts with the overall scheme of partial discharge on-line monitoring hardware system of high voltage switchgear， and expounds the system construction content and software scheme for reference.
[Keywords]high voltage switchgear; Partial discharge; online monitoring; monitoring system
高壓开关柜结构复杂，长时间运行时因自身电、热、化学等作用或环境的影响，会导致绝缘材料面临物理性损坏，影响设备正常运行，最后造成设备损坏或停电事故。局部放电表示因有水分、毛刺、气泡等杂质存在于气体、液体、固体电介质中，电场会产生畸变，局部介质中会出现并电离场强更大的电场强度，此时会有电离放电现象发生。为了将潜在故障因素尽快发现并找出，将重要的参考供于状态检修使用，有必要围绕高压开关柜局部放电现象研究在线监测，稳定高压开关柜的运行状态，从而为电网供电提供可靠性保障。
1 在线监测系统硬件系统总体方案
图1展示了高压开关柜局部放电在线监测系统的框架图。
高压开关柜内配备了负责超高频电磁信号接收的超高频天线，信号接收进来后在高频同轴电缆的作用下传输至信号调理单元，后续历经带通滤波电路和滤波、检波及放大器的一系列处理，并再次传输至高速数据采集模块进行采集，此时能成功将采集的模拟信号向数字信号转换，在计算机内输入数字信号后，计算、分析及显示等工作就此完成。
该系统功能包括： ①检测局放信号，完成信号放电特征的提取。以统计计算数据为根据，绘制工频周期放电分布图、放电频率（放电量）—相位谱图等;②兼具自动与手动采集模式，通过自动采集模式的运用，能在线监测局部放电信号;③面向采集的信号展开抗干扰处理，如放大、滤波等，带动信号信噪比的提高;④能够判断、辅助识别内部局部放电模式，可实现放电严重程度的准确判断;⑤能联系上级调度控制中心，具备数据查询、阈值报警及导出功能。
2 在线监测系统构建
2.1 超高频天线
超高频天线包含内置式与柜体外探头式两种天线，两者区别在于安装位置。前者多为能屏蔽柜体外部干扰的电容式探头天线，但开关柜柜体可能出现电场分布变化的情况，引起放电现象。后者虽然灵敏度和抗干扰能力偏弱，但能维持开关柜内部电场分布。本系统设计中，超高频天线选择内置式微带天线类型。该天线有价格低廉、质量轻、体积小等特点，且在与电路集成、载体共形方面独具优势。微带天线馈电包含两种，分别为微带线与同轴探针馈电。以实际需求为根据，制作为形状不一的辐射贴片，其性能各有差异。微带天线呈现出平面结构的外形，在高压开关柜内安置时，基本不会影响内部绝缘。
2.2 带通滤波电路
面向超高频天线采集信号提取放电特征信号时，滤波处理原始信号是至关重要的环节。理想的带通滤波器通带内为一个常数，阻带内信号为零，信号不衰减， 通带与阻带间省去了过渡带。但是，此类理想特性通过集总线性网络实际上不能实现，往往采取适宜种类的滤波器尽量获取与理想目标更贴近的情况。常用的带通滤波器包含巴特沃斯型、椭圆函数、贝塞尔型和切比雪夫Ⅰ型与Ⅱ型等多种类型，其中巴特沃斯型滤波器虽然不会对通过信号造成太大的影响，但是陡峭的滚降不会出现在截止频率处;贝塞尔型滤波器中，会有幅值影响通过信号的情况出现，且不具备理想的滤除特性;切比雪夫Ⅰ型滤波器能获取更贴近理想情况的截止频率幅频特性，但信号通过时会产生等幅纹波;切比雪夫Ⅱ型滤波器中，能最大限度减少对信号的影响，然而同样有等幅纹波存在阻带中。为了将噪声信号干扰有效滤除，本设计在对上述滤波器工作性质展开衡量考虑之后，确定了切比雪夫Ⅰ型滤波器。 2.3 低噪声放大电路
超高频电磁波信号随着折射反射次数的增加，会出现衰减的情况，同时电磁波信号会因无源滤波方式而适当衰减。基于此，为了补偿信号衰减，需要安置放大器。低噪声放大器可在维持低噪声系数的基础上，实现增益较高的工作性能，应用于无线电装置中频或高频前置放大电路或较高灵敏度电子探测设备放大电路，能取得良好的成效。低噪声放大器设计中，需要将噪声系数、稳定性和增益等参数满足。由于在设计本系统时，考虑到放大信号处于500 MHz～1.5 Ghz频带，增益不得低于20 dB，噪声系数不得高于1.5 dB。
2.4 检波电路
由于是参照信号峰值与相位信息确定超高频放电信号特征信息，故而需关注的对象仅包含信号峰值与相位信息。为将超高频放电信号特征信息获取，采样装置需要相对较高的采样频率，同时能支持大量数据的记录、存储和处理。参照奈圭斯特采样定律得知，控制数据最小采样率为两倍采样信号以上，此时即可将频率混叠的情况规避。而达到GHz/s采样频率的高速采集卡，其本身具备较高的价格，同时处于工作状态时会有较大发热量，此类问题也存在与高速大容量存储器内。鉴于系统实用性、工作环境及成本价格等因素，尽量排除硬采高频信号的方式。包络检波技术支持获取高频信号包络线，结合普通采样装置或电路就能获取经处理后的信号峰值与相位信息，此时能更好地满足数据采集系统设计要求。同时，检波电路设计中，通过包络检波技术的应用，能将信号频率大幅降低，且能将有用的信息完整保留。
2.5 数据采集模块
滤波、放大及检波等环节后的局部放电信号，通过数据采集单元待信号模拟完成后， 再转化为数字信号。整个在线监测系统中，数据采集单元发挥联系前后的作用，其性能会对整个监测系统准确性构成直接影响。
局部放电信号经检波放大电路处理后，输出信号频率最高能达到15 MHz。参照奈圭斯特采样定律得知，有限带宽信号中，控制数据最小采样率为两倍采样信号以上，此时即可将频率混叠的情况规避。具体应用中，为了能更准确地采集数据，每个输入信号周期需要维持不低于5～10次的采样次数，也就是频率需要比信号最高频率高出5～10倍。数据采集模块在向上位机传输信息时，需要保障高速、连续且不间断。
3 系统监测软件方案
系统监测软件中，配备了支持用户使用和控制系统运行的友好对话界面。系统监测软件控制硬件完成信息采集后，能将初始及处理后的数据保存，且能将历史数据保留，并评估放电趋势、放电诊断。本系统监测软件方案面向模块化设计思想展开设计，结合分层分级设计思路，最终可获取高效率的系统软件编程，能为后续软件设计、维护及拓展功能提供便利。从功能上来看，系统监测软件主要由用户登录与管理、数据库、网络通信及智能诊断等多个模块组成。
（1）用户登录与管理模块。该模块是软件系统中必不可缺的一部分，是为系统和数据安全性提供保障的关键。内部设计了密码登录，要求注册人员登录时需要输入个人权限信息，且根据人员权限限制了可供操作的范围。
（2）数据库模块。该模块旨在进行不同类数据的采集、存储等，是系统各应用程序的基础，在设计时必须能够实现数据的高效管理。
（3）网络通信模块。该模块主要包含了数据采集与调度通信。数据采集通过关联FPGA，在RS485通信总线协议的运用下，能够及时、不断地将采样数字信号向上位机存储器存入，上位机发出的控制信号可向FPGA及时传输。
（4）智能诊断模块。该模块包含了数据处理、放电模式识别及局部放电发展趋势分析等，是系统检测软件的关键所在。该模块在数据处理功能的运用下，能够完成放电特征信息的提取，同时以统计特征为根据，识别局部放电模式并诊断故障。所以，智能诊断模块中，数据处理部分属于核心内容，是智能诊断其他功能赖以实现的基础。
4 结语
综上所述，本文围绕高压开关柜局部放电，从硬件和软件等两方面设计了在线监测系统，该系统能够将高压开关柜局部放电及时发现、预警并尽快实施对应的处理措施，有利于高压开关柜运行状态感知能力的提高，能够辅助制定科学合理的检修策略。同时，通过该系统的应用，能将盲目检测的情况规避，且能使停电次数与时长减少，最终能为电网运行提供安全可靠的保障。
參考文献
[1] 许璞轩，周辽，刘冲，等.高压开关柜局放监测系统研究[J].电力安全技术，2020，22（10）：38-45.
[2] 陈卓，冀红伟，张昊.基于泛在物联网的高压开关柜局放在线监测系统研究[J].机电信息，2020（20）：37-39.
[3] 吴斌，王春雷.高压开关柜群智能在线监测系统方法探究[J].电工技术，2019（24）：40-42.
[4] 陈庆荣.高压开关柜局部放电在线监测技术研究与应用策略[J].科技与创新，2019（23）：158-159.
[5] 李庆才.局部放电监测在高压开关柜状态检修中的应用[J].中国设备工程，2019（6）：82-83.
[6] 李鑫.高压开关柜局部放电在线监测系统研究[D].淄博：山东理工大学，2016.
[7] 申成兵.高压开关柜局部放电在线监测系统的研究[D].镇江：江苏科技大学，2013.
[8] 查坚卿，艾春，盛守贫，等.基于侵入式带电监测技术的中高压开关柜局部放电在线监测系统的研究[J].华东电力，2014（11）：2397-2400.
[关键词]高压开关柜;局部放电;在线监测;监测系统
[中图分类号]TM591;TM855 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）05–00–02
Research on Partial Discharge Online Monitoring System for High Voltage Switchgear
Lei Zhao-hong
[Abstract]The application of high voltage switchgear in power system can play the role of on-off， control and protection in transmission and distribution， power conversion and other links. The reason for the aging of insulating medium is often caused by partial discharge. Through on-line monitoring of partial discharge of high-voltage switchgear， the defects in design， manufacture and installation of the cabinet can be detected and found in time. Through the evaluation of insulation aging， the safety guarantee for equipment operation can be provided. Based on this， this paper starts with the overall scheme of partial discharge on-line monitoring hardware system of high voltage switchgear， and expounds the system construction content and software scheme for reference.
[Keywords]high voltage switchgear; Partial discharge; online monitoring; monitoring system
高壓开关柜结构复杂，长时间运行时因自身电、热、化学等作用或环境的影响，会导致绝缘材料面临物理性损坏，影响设备正常运行，最后造成设备损坏或停电事故。局部放电表示因有水分、毛刺、气泡等杂质存在于气体、液体、固体电介质中，电场会产生畸变，局部介质中会出现并电离场强更大的电场强度，此时会有电离放电现象发生。为了将潜在故障因素尽快发现并找出，将重要的参考供于状态检修使用，有必要围绕高压开关柜局部放电现象研究在线监测，稳定高压开关柜的运行状态，从而为电网供电提供可靠性保障。
1 在线监测系统硬件系统总体方案
图1展示了高压开关柜局部放电在线监测系统的框架图。
高压开关柜内配备了负责超高频电磁信号接收的超高频天线，信号接收进来后在高频同轴电缆的作用下传输至信号调理单元，后续历经带通滤波电路和滤波、检波及放大器的一系列处理，并再次传输至高速数据采集模块进行采集，此时能成功将采集的模拟信号向数字信号转换，在计算机内输入数字信号后，计算、分析及显示等工作就此完成。
该系统功能包括： ①检测局放信号，完成信号放电特征的提取。以统计计算数据为根据，绘制工频周期放电分布图、放电频率（放电量）—相位谱图等;②兼具自动与手动采集模式，通过自动采集模式的运用，能在线监测局部放电信号;③面向采集的信号展开抗干扰处理，如放大、滤波等，带动信号信噪比的提高;④能够判断、辅助识别内部局部放电模式，可实现放电严重程度的准确判断;⑤能联系上级调度控制中心，具备数据查询、阈值报警及导出功能。
2 在线监测系统构建
2.1 超高频天线
超高频天线包含内置式与柜体外探头式两种天线，两者区别在于安装位置。前者多为能屏蔽柜体外部干扰的电容式探头天线，但开关柜柜体可能出现电场分布变化的情况，引起放电现象。后者虽然灵敏度和抗干扰能力偏弱，但能维持开关柜内部电场分布。本系统设计中，超高频天线选择内置式微带天线类型。该天线有价格低廉、质量轻、体积小等特点，且在与电路集成、载体共形方面独具优势。微带天线馈电包含两种，分别为微带线与同轴探针馈电。以实际需求为根据，制作为形状不一的辐射贴片，其性能各有差异。微带天线呈现出平面结构的外形，在高压开关柜内安置时，基本不会影响内部绝缘。
2.2 带通滤波电路
面向超高频天线采集信号提取放电特征信号时，滤波处理原始信号是至关重要的环节。理想的带通滤波器通带内为一个常数，阻带内信号为零，信号不衰减， 通带与阻带间省去了过渡带。但是，此类理想特性通过集总线性网络实际上不能实现，往往采取适宜种类的滤波器尽量获取与理想目标更贴近的情况。常用的带通滤波器包含巴特沃斯型、椭圆函数、贝塞尔型和切比雪夫Ⅰ型与Ⅱ型等多种类型，其中巴特沃斯型滤波器虽然不会对通过信号造成太大的影响，但是陡峭的滚降不会出现在截止频率处;贝塞尔型滤波器中，会有幅值影响通过信号的情况出现，且不具备理想的滤除特性;切比雪夫Ⅰ型滤波器能获取更贴近理想情况的截止频率幅频特性，但信号通过时会产生等幅纹波;切比雪夫Ⅱ型滤波器中，能最大限度减少对信号的影响，然而同样有等幅纹波存在阻带中。为了将噪声信号干扰有效滤除，本设计在对上述滤波器工作性质展开衡量考虑之后，确定了切比雪夫Ⅰ型滤波器。 2.3 低噪声放大电路
超高频电磁波信号随着折射反射次数的增加，会出现衰减的情况，同时电磁波信号会因无源滤波方式而适当衰减。基于此，为了补偿信号衰减，需要安置放大器。低噪声放大器可在维持低噪声系数的基础上，实现增益较高的工作性能，应用于无线电装置中频或高频前置放大电路或较高灵敏度电子探测设备放大电路，能取得良好的成效。低噪声放大器设计中，需要将噪声系数、稳定性和增益等参数满足。由于在设计本系统时，考虑到放大信号处于500 MHz～1.5 Ghz频带，增益不得低于20 dB，噪声系数不得高于1.5 dB。
2.4 检波电路
由于是参照信号峰值与相位信息确定超高频放电信号特征信息，故而需关注的对象仅包含信号峰值与相位信息。为将超高频放电信号特征信息获取，采样装置需要相对较高的采样频率，同时能支持大量数据的记录、存储和处理。参照奈圭斯特采样定律得知，控制数据最小采样率为两倍采样信号以上，此时即可将频率混叠的情况规避。而达到GHz/s采样频率的高速采集卡，其本身具备较高的价格，同时处于工作状态时会有较大发热量，此类问题也存在与高速大容量存储器内。鉴于系统实用性、工作环境及成本价格等因素，尽量排除硬采高频信号的方式。包络检波技术支持获取高频信号包络线，结合普通采样装置或电路就能获取经处理后的信号峰值与相位信息，此时能更好地满足数据采集系统设计要求。同时，检波电路设计中，通过包络检波技术的应用，能将信号频率大幅降低，且能将有用的信息完整保留。
2.5 数据采集模块
滤波、放大及检波等环节后的局部放电信号，通过数据采集单元待信号模拟完成后， 再转化为数字信号。整个在线监测系统中，数据采集单元发挥联系前后的作用，其性能会对整个监测系统准确性构成直接影响。
局部放电信号经检波放大电路处理后，输出信号频率最高能达到15 MHz。参照奈圭斯特采样定律得知，有限带宽信号中，控制数据最小采样率为两倍采样信号以上，此时即可将频率混叠的情况规避。具体应用中，为了能更准确地采集数据，每个输入信号周期需要维持不低于5～10次的采样次数，也就是频率需要比信号最高频率高出5～10倍。数据采集模块在向上位机传输信息时，需要保障高速、连续且不间断。
3 系统监测软件方案
系统监测软件中，配备了支持用户使用和控制系统运行的友好对话界面。系统监测软件控制硬件完成信息采集后，能将初始及处理后的数据保存，且能将历史数据保留，并评估放电趋势、放电诊断。本系统监测软件方案面向模块化设计思想展开设计，结合分层分级设计思路，最终可获取高效率的系统软件编程，能为后续软件设计、维护及拓展功能提供便利。从功能上来看，系统监测软件主要由用户登录与管理、数据库、网络通信及智能诊断等多个模块组成。
（1）用户登录与管理模块。该模块是软件系统中必不可缺的一部分，是为系统和数据安全性提供保障的关键。内部设计了密码登录，要求注册人员登录时需要输入个人权限信息，且根据人员权限限制了可供操作的范围。
（2）数据库模块。该模块旨在进行不同类数据的采集、存储等，是系统各应用程序的基础，在设计时必须能够实现数据的高效管理。
（3）网络通信模块。该模块主要包含了数据采集与调度通信。数据采集通过关联FPGA，在RS485通信总线协议的运用下，能够及时、不断地将采样数字信号向上位机存储器存入，上位机发出的控制信号可向FPGA及时传输。
（4）智能诊断模块。该模块包含了数据处理、放电模式识别及局部放电发展趋势分析等，是系统检测软件的关键所在。该模块在数据处理功能的运用下，能够完成放电特征信息的提取，同时以统计特征为根据，识别局部放电模式并诊断故障。所以，智能诊断模块中，数据处理部分属于核心内容，是智能诊断其他功能赖以实现的基础。
4 结语
综上所述，本文围绕高压开关柜局部放电，从硬件和软件等两方面设计了在线监测系统，该系统能够将高压开关柜局部放电及时发现、预警并尽快实施对应的处理措施，有利于高压开关柜运行状态感知能力的提高，能够辅助制定科学合理的检修策略。同时，通过该系统的应用，能将盲目检测的情况规避，且能使停电次数与时长减少，最终能为电网运行提供安全可靠的保障。
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