GIS四种缺陷局放UHF信号标定技术研究_王辉

第40卷第21期电力系统保护与控制Vol.40No.212012年11月1日PowerSystemProtectionandControlNov.1,2012GIS四种缺陷局放UHF信号标定技术研究王辉1，郭志红1，云玉新1,李秀卫1,钱勇2，黄成军2，江秀臣2（1.山东电力集团公司电力科学研究院，山东济南250002；2.上海交通大学电气工程系，上海200240）摘要：为了对GIS不同绝缘缺陷局放超高频(UltraHighFrequency,UHF)信号与视在放电量(pC)之间的对应关系，即UHF信号标定技术进行研究，在GIS内模拟了四种典型缺陷模型，选取300～400MHz、700～800MHz、1.4～1.5GHz以及0.3～3GHz等四种检测频段，对不同缺陷UHF信号标定进行研究，并采用多种数学回归模型和拟合优度校验指标对标定结果分别进行回归分析和拟合优度校验分析。研究发现，同一类型缺陷在不同检测频段上UHF信号幅值(mV)与视在放电量(pC)之间存在较为明显的对应关系，不同频段间对应关系存在差异，可以近似采用一元线性多项式回归模型对不同类型缺陷UHF信号幅值进行放电量标定。关键词：GIS；局部放电；超高频标定；数学回归模型；拟合优度校验ResearchofUHFcalibrationtechniqueforfourkindsofpartialdischargedefectsinGISWANGHui1,GUOZhi-hong1,YUNYu-xin1,LIXiu-wei1，QIANYong2,HUANGCheng-jun2,JIANGXiu-chen2(1.ElectricPowerResearchInstitute,ShandongElectricPowerCorporation,Jinan250002,China;2.DepartmentofElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)Abstract:InordertoanalyzethecorrespondingrelationsbetweenUHFsignalsfromdifferentkindsofdefectsinGISandapparentdischarge(pC),thatisthecalibrationtechniqueforUHFsignals,fourcommondefectsinGISareproposedinthispaper,andfourfrequencybandsincludingthe300~400MHz,700~800MHz,1.4~1.5GHzand0.3~3GHz,areselectedtocalibratetheUHFsignalofeachdefect.Afterthatdifferentmathematicalregressionmodelsandthecalibrationindexesofgoodnessoffitareestablishedfortheregressionandcalibrationanalysisoftheresults.Aftertheresearch,wefindthatthereisobviouscorrespondingrelationbetweentheamplitude(mV)andapparentdischargeforthesametypeofdefectsindifferentkindsofdetectionfrequencybands.Besides,therearedifferencesbetweendifferentbands,andtheunarylinearpolynomialregressionmodelmaybeapproximatelyusedforcalibratingtheUHFsignalamplitudefordifferentkindsofdefects.Keywords:partialdischarge;GIS;UHFcalibration;mathematicalregressionmodels;verificationforgoodnessoffit中图分类号：TM83文献标识码：A文章编号：1674-3415(2012)21-0007-070引言随着GIS等开关设备在电力系统中的应用越来越广泛，其安全稳定运行对保障系统的稳定至关重要。局部放电（PartialDischarge,PD）检测是掌握GIS内部运行状况，及时发现潜在绝缘缺陷的一种行之有效的方法，通过局放检测还可对内部缺陷进行分类和识别，有助于现场对事故GIS进行分析[1-4]。传统的基于IEC推荐的常规检测法虽然可以直观地给出局部放电所产生的视在放电量(pC)大小，但受制于检测频带和所需配套检测装置，无法用于现场局部放电检测。目前广泛用于现场检测的超高频（UHF）法，最初是由英国中央电力局于20世纪80年代提出[5-7]。它是利用UHF传感器接收GIS内部放电所激发的电磁波，虽然可以实现局部放电的检测和放电源的定位分析，但其输出UHF信号波形仅对放电电流变化率做出反应，与电荷量的变化没有直接关系，且仅能给出以幅值(mV)或能量(dBm)为单位的UHF信号大小，无法提供GIS内部真实放电量的信息，而放电量的大小往往能直接反映内部缺陷的严重程度，指导制定维修策略。因此，寻找UHF信号与视在放电量之间的对应关系，即UHF信号标定问题，是目前急需解决的问题。目前，国外一些学者已对UHF信号标定工作开展了一系列研究工作，并取得一些成果。如Hoshino等[8]分析了不同UHF传感器所输出信号幅值(mV)与视在放电量之间的对应关系。Kurrer等人[9]分析了不同尺寸缺陷模型放电UHF信号幅值与视在放电量-8-电力系统保护与控制之间的对应关系。Wonjong等人[10]基于UHF信号能量(dBm)对局部放电进行标定，同时给出了放电能量与视在放电量之间的对应关系曲线。Ohtsuka等人[11]分析了GIS内不同位置缺陷放电UHF信号峰峰值与视在放电量之间的对应关系，但并没有深入进行标定分析。Cleary等人[12]定性分析了UHF信号能量与视在放电量之间的对应关系。国内对UHF标定研究工作起步较晚[13-15]，且由于实验对象简单且模型较为单一，因此这些研究还具有一定的局限性。综上所述，基于UHF的GIS局部放电标定技术是目前局放领域研究的热点和难点，还没有形成统一的并且具有普适性的标定标准以及能根据局放UHF信号的幅值、能量以及其他一些参考量来对视在放电量进行精确估计的方法。为此，本文对UHF信号标定问题做了一些研究工作。通过制作典型缺陷模型，选取四种检测频段对不同类型缺陷局放UHF信号幅值(mV)与视在放电量(pC)之间的对应关系进行标定研究，采用多种数学回归模型和拟合优度校验指标对标定结果进行回归分析和拟合优度校验分析，最后给出最优拟合函数，具有重要的现实意义。1试验装置及缺陷类型图1所示为对GIS试品进行局放检测试验所需装置连接回路示意图。该装置回路主要包括无局放高压电源、126kVGIS试品、便携式GIS局放检测系统、局放仪检测系统以及高速数字示波器。GIS局部放电是由各种绝缘缺陷造成的，不同缺陷所产生的局放类型也不尽相同。本文设计了四种GIS典型绝缘缺陷模型，包括高压导体金属突出物、浮动电极、绝缘内部气隙和外壳底部自由金属微粒，可分别模拟电晕放电、悬浮电极放电、气隙放电和微粒放电，用于局放检测试验。模型制作示意图如图2所示，放置于GIS内的实物图如图3所示。其中，GIS内部充有0.4MPa的SF6气体。限流电阻耦合电容示波器IEC60270局放仪/便携检测装置自耦变压器T1升压变压器T2380VACUHF放大器UHF传感器局放仪放大器GIS腔体测量阻抗图1试验装置回路Fig.1Sketchofexperimentdevice高压端有机玻璃接地端环氧树脂气隙SF6气体高压端有机玻璃接地端SF6气体金属微粒高压端有机玻璃接地端环氧树脂金属SF6气体高压端有机玻璃接地端SF6气体(a)针尖模型(b)悬浮电极(c)金属微粒(d)绝缘气隙图2典型缺陷模型示意图Fig.2Schematicdiagramoftypicaldefectmodels(a)高压导体针尖(b)悬浮电极(c)金属微粒(d)绝缘气隙图3GIS典型缺陷模型实物图Fig.3FourkindsoftypicaldefectsinactualGIS2数学回归模型本文通过数学回归方法，分析UHF信号与视在放电量之间潜在的因果关系，建立回归数学模型，并用数学模型来表现其具体的对应关系。根据实测数据来求解模型的各个参数，然后根据可信度，即拟合优度指标来评价回归模型是否能够很好地拟合实测数据。所用到的数学回归模型主要包括如下四种[16-17]。（1）一元线性多项式回归模型(LinearPolynomial，LP)一元线性回归模型是回归模型的最基本形式，它只包括一个自变量和一个因变量，二者的关系可王辉，等GIS四种缺陷局放UHF信号标定技术研究-9-以用一条直线近似表出，其总体回归模型为ε++=baxyii（1）式中：yi为因变量；xi为自变量；a和b分别为回归方程斜率和截距；ε为误差项的随机变量。（2）一元二次多项式回归模型(QuadraticPolynomial,QP)cbxaxyiii++=2（2）式中：yi为因变量；xi为自变量；a和b为回归方程一次和二次系数；c为截距。（3）指数回归模型(Exponential,Exp)()eibxiya=（3）式中：yi为因变量；xi为自变量；a和b为指数模型的参数。（4）傅里叶回归模型(Fourier,Fr)()()iiixcxbayωωsincos++=（4）式中：yi为因变量；xi为自变量；a、b和c是傅里叶模型的参数。3拟合优度分析在对标定结果进行回归分析并得到拟合方程后，如何评判这些拟合方程的优劣，即寻找能反映UHF信号与视在放电量之间最优对应关系的拟合方程，即是拟合优度校验分析的内容。拟合优度（GoodnessofFit）是指回归方程对观测值的拟合程度。主要是运用各种判定系数指标，检验一批分类数据所来自总体的分布是否与某种理论分布相一致，也即检验模型对样本观测值的拟合程度。当解释变量为多元时，要使用调整的拟合优度，以解决变量元素增加对拟合优度的影响。本文所用到的拟合优度检验指标主要包括[15-16]。（1）误差项平方和(SumofSquaresforError,SSE)误差项平方和是反映每个样本各观测值的离散状况，又称为组内平方和或残差平方和。这些误差或残差的平方和是一个用最小二乘法极小化的量，其数值越小，曲线拟合度越好。21ˆ()niiiSSEyY==−∑（5）式中：n为样本个数；yi为试验观察值(实际值)；ˆiY为回归预测值(拟合值)。（2）可决系数R2（coefficientofdetermination，R-square）可决系数R2衡量的是回归方程整体的拟合度，是表达因变量与所有自变量之间的总体关系。R2取值范围在0~1之间，它是一个非负统计量，如果样本回归线对样本观测值拟合程度越好，各样本观测点与回归线靠得越近，由样本回归做出解释的回归平方和与总误差平方和越相近，其值越接近于1；反之，拟合程度越差，相差越大。SSTSSESSTSSRR−==12（6）（3）惩罚因数R2adj（DegreeofFreedomAdjustR-Square,R2adj）针对可决系数R2将随着模型解释变量的增多而不断增加的问题，需要对由于解释变量增多而造成的自由度丢失施加一个惩罚项，其中的一个标准就是惩罚因数R2adj。从模型预测角度来说，其度量值越低，模型的预测也越好。()22adj111nRRnK−⎡⎤=−−⎢⎥−⎣⎦（7）式中：n为样本个数；K为解释变量的个数。（4）均方根误差RMSE(Ro