一种GIS局部放电光检测及定位仿真方法、系统、介质及终端

技术领域

本发明属于GIS设备仿真技术领域，尤其涉及一种GIS局部放电光检测及定位仿真方法。

背景技术

GIS是电力系统中关键的设备，在世界范围内已经获得了广泛应用，具有占地面积小、易于安装、可靠性高的优点。但其在安装运行的过程中难以避免会产生一些细微的缺陷，如金属微粒等，长时间的运行可能会导致局部放电，降低设备的绝缘能力，缩短运行寿命，若不及时采取检修措施可能会带来事故。

实际的GIS设备运行环境复杂，电磁干扰强，局部放电发生时会产生一些物理量，如超声、光信号、电磁波等，由此发展出了局部放电检测技术。光学法作为非电量的检测方法，具有抗电磁干扰能力强、信号传输损耗小的优点，有不可替代的优势，因此将其应用在GIS内的局部放电检测具有非常广泛的应用前景。随着光纤、光电转换技术的进步，光学法的灵敏度大大提高，出现了荧光光纤传感器、光纤超声传感器等，目前已有研究将其应用在GIS内的局部放电检测，但依然处在试验的阶段。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的光学传感器在实际应用过程中往往不能准确反映局部放电发生的位置，导致无法准确定位，并且关于此类局部放电定位仿真工作很少，而实际实验中会花费大量时间和成本。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用光学仿真来模拟GIS内局部放电并进行定位的方法。

本发明是这样实现的，一种GIS局部放电光检测及定位仿真方法包括：在Tracepro软件中建立T形GIS模型，并利用了T形GIS内光信号的传播特性，以及当局部放电源在GIS内不同位置、不同角度时，探测面上的总光通量分布图。根据总光通量图计算出对应探测位置的光辐照度，通过光辐照度值绘制不同距离，不同角度的辐照度曲线，然后根据曲线构建二次函数及三次函数模型，建立局部放电源位置与光辐照度的二次函数及三次函数关系，从而为实际局部放电探测提供一个定位的方法。

进一步，GIS局部放电光检测及定位仿真的方法包括以下步骤：

步骤一，对GIS实际形状进行分解，选中其中最典型的部分T型转角GIS使用Tracepro软件进行建模；

步骤二，在T形GIS模型里设置探测面；

步骤三，在T形GIS模型里设置局部放电源；

步骤四，在Tracepro里进行仿真，得到各探测面上的总光通量分布图。根据总光通量图计算出对应探测位置的光辐照度，建立局部放电源与光辐照度的数学函数关系。

进一步，步骤一中，对于本实验对建立的GIS模型，是根据GIS实际形状进行分解，选中其中最典型的部分T型转角GIS。GIS三端均开口，包括GIS外壳和内导杆，以及局部放电光源和各探测面。根据实际情况，需要在GIS内填充绝缘气体SF6。

进一步，步骤二中，对GIS内进行探测面设置。其中探测面是垂直于腔体内壁和内导体的圆环形表面；探测面采用完全透射体模型，对于局部放电源发出的光线不产生任何的吸收或折反射。

进一步，步骤三中，对GIS中放电源位置进行设置。距离GIS右端口1m处与A探测面平行的平面设置放电源。放电源的位置就在这个平面内，通过移动放电源来观测各探测面光通量情况。

进一步，步骤四中，在Tracepro里进行仿真。其中，光学局部放电信号的辐照度E

在公式中：S为光学传感器的接收面积；P

本发明将局部放电光源设置为理想点光源，即以单位长度为半径作一球面，并假设光源在空间中各个方向发出的辐射通量均匀分布。即仿真设置的局部放电光源为一球型点光源，以光通量形式且垂直于表面向外发出光线。通过仿真，得到对应探测面的光通量和辐照度值，通过建立局部放电源位置和探测位置的函数关系，获得局部放电源定位的方法。

本发明的另一目的在于通过仿真得到的局部放电源在不同位置时各探测面的光通量分布图，来反过来合理判断局部放电光源的位置，实现局部放电定位。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的GIS局部放电光检测及定位仿真方法的GIS内局部放电定位系统，该系统包括：

模型建立模块，使用Tracepro软件对GIS实际形状进行分解，选中其中最典型的部分T型转角GIS进行建模；

探测模块，在T型GIS内部设置9个不同探测面，用来做最终的仿真光通量的探测；

放电源模块，将局部放电缺陷等效为点光源，通过移动放电源的位置，观测放电源在不同位置时各探测面的光通量情况；

仿真分析模块，在Tracepro软件里进行光仿真，得到不同探测面的光通量图，代入公式计算得到光辐射度。利用这个原理反向思考，当在实际探测中得到探测器位置的辐射度，就能够反向计算出局部放电源的位置。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的光学仿真模拟GIS内局部放电定位方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的光学仿真模拟GIS内局部放电方法定位的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的光学仿真模拟GIS内局部放电定位系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明提供了一种快速，高效的仿真方法，使用了电脑仿真来模拟GIS在运行过程中出现的局部放电的现象。在GIS局部放电检测领域，通常使用的特高频检测法，超声波检测法很容易受到空间电磁干扰的影响。本发明提供了一种光检测法，利用Tracepro软件进行光仿真，能够模拟实际中用光纤传感器等进行光检测。另外，本发明通过仿真得到不同放电位置对应探测位置的光辐照度，进行反向计算，得到放电位置和探测位置光辐照度的对应函数关系，当实际检测时拥有探测器位置的光辐照度就能推测出放电位置，为光探测法提供了一定的技术支持。

本发明提供的光学仿真模拟GIS内局部放电定位方法与传统特高频检测、超声波检测方法相比，后者更依赖现场实验测试，在条件不足的情况下，本发明提供的方法会使仿真工作更容易实现。并且本发明针对仿真结果进行的计算也比较简单，不会造成工作量冗余的情况，很大程度上提高了检测效率。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明提供的GIS模型是根据GIS实际形状进行分解，选中其中最典型的部分T型转角GIS进行建模，既能够很好地代表GIS的结构特性，又能为仿真工作节省计算量和时间。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

本发明的技术方案转化后，将可以通过仿真的方法来模拟GIS中的局部放电并进行光检测，极大地降低了实际检测的成本，也能为GIS内光检测法提供一定的依据。同时本发明研究出的局部放电定位方法为能及时检测到局部放电位置提供一定的依据，可以加快检测出局部放电位置，减少事故的发生，降低维修成本。

(2)本发明的技术方案填补了一些技术空白：

针对GIS常见局部放电问题，传统的检测手段通常都是特高频检测法和超声波检测法，采用现场实验检测居多，很少有针对局部放电产生的光信号来进行检测，而且对应的光检测法也试验中也面临各种难关。本发明的关键优势在于，通过仿真来模拟实际局部放电并进行光检测，节约了检测成本和检测时间，并且能通过反向计算对局部放电位置实现定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种GIS局部放电光检测及定位仿真方法流程图；

图2是本发明实施例提供的GIS模型示意图；

图3是本发明实施例提供的局部放电源在y轴移动时A探测面的光通量图；

图4是本发明实施例提供的局部放电源在x轴移动时B探测面的光通量图；

图5是本发明实施例提供的局部放电源在y轴移动时A1,B1,C1探测面的光通量图；

图6是本发明实施例提供的局部放电源在x轴移动时A1,B1,C1探测面的光通量图；

图7是本发明实施例提供的不同局部放电源位置时各探测面(A、B、C)的辐照度值图；(a)局部放电源在y轴移动时A探测面的光辐照度；(b)局部放电源在x轴移动时A探测面的光辐照度；(c)局部放电源在y轴移动时B探测面的光辐照度；(d)局部放电源在x轴移动时B探测面的光辐照度；(e)局部放电源在y轴移动时C探测面的光辐照度；(f)局部放电源在x轴移动时C探测面的光辐照度。

图8是本发明实施例提供的不同局部放电源位置时A1、B1、C1的辐照度值图；(a)局部放电源在x轴移动时A1,B1,C1探测面的光辐照度；(b)局部放电源在y轴移动时A1,B1,C1探测面的光辐照度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种GIS局部放电光检测及定位仿真方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的一种GIS局部放电光检测及定位仿真方法包括以下步骤：

S101，对GIS实际形状进行分解，选中其中最典型的部分T型转角GIS使用Tracepro软件进行建模；

S102，在T形GIS模型里设置探测面和局部放电源；

S103，在Tracepro里进行仿真，得到各探测面上的总光通量分布图。

本发明实施例提供的一种GIS局部放电光检测及定位仿真系统如图2所示，具体包括：

模型建立模块，使用Tracepro软件对GIS实际形状进行分解，选中其中最典型的部分T型转角GIS进行建模；

探测模块，在T型GIS内部设置9个不同探测面，用来做最终的仿真光通量的探测；

放电源模块，将局部放电缺陷等效为点光源，通过移动放电源的位置，观测放电源在不同位置时各探测面的光通量情况；

仿真分析模块，在Tracepro软件里进行光仿真，得到不同探测面的光通量图，代入公式计算得到光辐射度。利用这个原理反向思考，建立起来了对应探测位置的辐照度值与局部放电源位置的函数关系。当得到探测器位置的辐射度值时，就能够反向计算出局部放电源的位置。

本发明实施例提供的一种GIS局部放电光检测及定位仿真方法具体包括：

1、对于本实验对建立的GIS模型，是根据GIS实际形状进行分解，选中其中最典型的部分T型转角GIS。其内导体半径为45mm，外壳半径为140mm，壁厚10mm。T型GIS腔体水平部分总长2.3m，垂直部分高1m，GIS三端均开口，外壳和导杆材料设置为抛光并氧化的中等光滑的铝，其表面参数：吸收系数0.3，镜面反射系数为0.25，漫反射系数为0.45；绝缘子材料设置为环氧树脂，其表面参数：吸收系数0.35，镜面反射系数为0.1，漫反射系数为0.55。

根据实际情况，需要在GIS内填充绝缘气体SF6。本文设置的GIS内部SF6气体的折射率为1.000783(标准状态情况下，真空的折射率为1)，对光信号的传播影响非常微弱。另外，SF6气体吸收光谱的带宽非常窄，在红外波段发生(一个是中红外10.482～0.638μm，另一个是16μm附近)，对于本文中的辐照度基本无影响，因此，在本文仿真条件下可忽略不计。

2、对GIS内进行探测面设置。其中探测面是垂直于腔体内壁和内导体的圆环形表面；距离GIS右端口每25cm设置一个探测面，分别记为A1、A2、A3探测面；同样，在距离左端、上端每25cm设置一个探测面，记为B1、B2、B3和C1、C2、C3探测面。

对GIS内进行放电源设置。距离GIS右端口1m处与A探测面平行的平面设置放电源。放电源的位置就在这个平面内，通过移动放电源来观测各探测面光通量情况。其中x50、x95、x140、x185分别代表x轴正方向50mm、95mm、140mm、185mm处，y轴同理。x轴表示水平方向，y轴表示垂直方向。

3、在Tracepro里进行仿真。本发明将局部放电光源设置为理想点光源，即以单位长度为半径作一球面，并假设光源在空间中各个方向发出的辐射通量均匀分布。即仿真设置的局部放电光源为一球型点光源，以光通量形式且垂直于表面向外发出光线。仿真设置局部放电光源发出的总光线数量为500000，总辐射通量为100W，波长与实际电晕放电光谱保持一致，设置在紫外光频率范围，中心波长为380nm。由于实际的局部放电源与仿真的局部放电源总光通量存在一定的差别，仿真结果不能说明在某个位置实际辐射的光通量大小，但能说明在不同位置的差别。

需特别说明，仿真中利用的点光源模型与实际局部放电的光功率参数有差别，所以本文提到的相对辐照度的概念是基于实际辐照度的一个相对值，并不能完全说明实际情况下辐照度的大小。虽然相对辐照度并不能说明实际情况下辐照度值的准确大小，但其变化趋势能反映实际的变化趋势。

本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合仿真过程的数据、图表等进行描述。

本发明实施例提供的一种GIS局部放电光检测及定位仿真方法，由图3和图4可见，各探测面上辐照度的分布均不相同，以局部放电源在y轴移动时A探测面的光通量图为例，如图3，局部放电源固定在某一方向时，随着探测面与距离的增大，光斑逐渐变淡，分布逐渐均匀，但相同分支上的光斑有相似性。这说明光学信号随着距离增加逐渐减弱，直射光作用逐渐减弱，反射光的作用逐渐成为主要作用。

同理，以局部放电源在y轴移动时B探测面的光通量图为例，如图4，首先在同一探测面时，局部放电源的位置不同，对应探测面的的总光通量和辐照度值不同，随着距离的增加二者的值逐渐减小。

接下来具体分析不同探测面的对比情况。由于探测面的数量较多，且根据上文描述，相同方向的探测面有相似规律，因此取A1,B1,C1探测面为例分别代表腔体的3部分，总光通量和辐照度值的部分结果如图5和图6所示。首先研究局部放电源沿着y轴移动时各探测面的情况。A1探测面上有明显的扇形光斑，光斑最亮的位置和放电源所在位置相同；随着放电源从靠近水平内导杆到外壳(y50-y185)的变化过程中，该扇形光斑面积逐渐增大，同时出现线条状光斑；面积增大的原因是当局部放电源离水平内导杆越远，被遮挡的直射光线越少。线条状光斑是由于通过该区域的反射光线较为密集所致。其次，由于部分B1探测面由于距离局部放电源较远，再加上水平内导杆和垂直内导杆的遮挡，因此没有明显的直射亮斑，主要由反射光线汇聚的小面积亮斑；当放电源位置逐渐靠近外壳时，也出现了线条状光斑。最后讨论C1探测面上的辐照度图，即设置在T型GIS垂直部分探测面上的辐照度图，其类似于扇形，但与A1探测面不同，当局部放电源在y轴移动时，C1探测面的扇形光斑主要受垂直内导杆遮挡的影响而产生，且随着探测距离增加，放电源离C1的距离越来越近，未被遮挡的部分光斑越来越亮。

其次研究局部放电源沿着x轴移动时各探测面的情况。首先A1探测面和y轴时规律类似，都有明显的扇形光斑且随着放电源与水平内导杆距离的增加，扇形光斑面积会增大，并且出现线状反射光斑。唯一不同的就是水平和垂直时扇形开口的方向不同。B1探测面的规律和y轴时不一样，因为在水平移动时没有了垂直内导杆的遮挡，因此有着和A1面相似的扇形状光斑，且在初始位置时局部放电源距离B1探测面的距离就比A1远，因此在X1处B1面的扇形面积要大于A1。C1探测面的规律和y轴也不一样，C1探测面上的光斑受到内导体和外壳的双重影响，呈现扇形光斑，且一部分光斑被外壳遮挡；随着探测距离的增加，光斑面积逐渐减小。

图7为不同局部放电源位置时各探测面(A、B、C)的辐照度值，其中，图7(a)、(c)、(e)代表局部放电源在y轴方向时，各探测面测得的辐照度值曲线，图7(b)、(d)、(f)代表局部放电源在x轴方向时，各探测面测得的辐照度值曲线。由图7可见，A、B、C三个位置中，A位置探测面的辐照度值最大、其次是C位置，B位置最小。同时，随着探测距离增加，相对辐照度值逐渐减小。造成这一现象的原因是由于T型结构的遮挡作用，以及探测距离对光学信号的衰减作用。另外，放电源无论在什么方向上，95、140位置时的相对辐照度值普遍比50、185稍大，即当放电源距离内导体和外壳稍远时，探测面上的相对辐照度值较大，而靠近内导体或外壳时的值较小。

根据图8可知，在局部放电源位于x轴，y轴不同位置时，其对应的每个探测面的辐照度值W与局部放电源到其所在平面中心点的距离x或者y成一定的比例关系，且由图可知，除了在y轴移动时，C1面的W与y成大致的三次函数关系，其余均大致呈二次函数关系。故此处可以假设局部放电源在x轴移动时，A1,B1,C1面的W1,W2,W3与x的函数关系为：

W

W

W

同理局部放电源在y轴移动时，A1,B1,C1面的W4,W5,W6与y的函数关系为：

W

W

W

以第一个公式为例，通过将不同的x值及其对应的W值代入，得到一个三元一次方程组，通过解方程组，得到对应的系数a

本发明完全基于仿真和理论，计算过程是在理想情况下进行的，但可以为实际应用及仿真提供一定的依据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。