CN103323753A - 基于光子型定位紫外局放在线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光子型定位紫外局放在线监测系统，包括数据采集终端、无线通讯基站和后台分析系统，数据采集终端包括光子型定位紫外探测器、温湿度传感器、风速传感器和风向传感器，光子型定位紫外探测器、温湿度传感器、风速传感器和风向传感器与中央数据处理单元相连，中央数据处理单元与后台分析系统无线连接，所述光子型定位紫外探测器、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器将采集的输变电设备电晕放电产生的紫外光子数、温湿度、风速和风向信息输出给中央数据处理单元，中央数据处理单元再将信息统一打包传输给后台分析系统，后台分析系统根据这些信息进行分析、判断，准确的发现输变电设备局部放电及故障缺陷具有结构合理，使用方便的特点。

Description

基于光子型定位紫外局放在线监测系统

技术领域

本发明涉及特高压输变电技术领域，适用于输变电设备紫外电晕检测及故障判别，具体涉及一种基于光子型定位紫外局放在线监测系统。

背景技术

随着电网规模的不断扩大，电力负荷要求的不断提高，电网系统中使用的各种类型高压设备的损坏、故障也会不断增加，相应对预防性维护的要求也不断提高。输、供电线路和变电站配、变电装置等主要设备在大气环境下工作，在某些情况下会出现绝缘性能的降低或结构缺陷，如何在故障或缺陷发展成为严重事故前将它检测出来，一直以来都是状态检测领域的技术难点，也是电力行业设备维护人员的一项重要任务。

目前，针对输变电设备的电晕放电检测主要有：人工巡查检测、脉冲电流检测、红外检测、超声电晕检测和紫外检测等方法：人工巡查检测不但费时费力，而且检测效果也易受外界因素影响；脉冲电流检测抗干扰能力差不太适合超高电压检测，而且仪器体积较大；红外检测能检出时，往往设备已发热，属于后期检测，不能适应现在输变电状态监测的要求；超声电晕检测对设备的早期故障检测不灵敏，在野外也很难达到理想的效果。紫外检测主要采用紫外成像仪进行电晕检测，国外电力行业把紫外成像仪应用到输变电日常检测、施工验收、车载系统、直升机巡线、直升机带电水冲洗等领域，取得了可观的经济效益。但是，这种检测方式存在实时性差的问题，由于电网运行设备数量庞大，通过紫外成像仪人工巡检工作量巨大，且人为观测受地域、气候、经验及其他诸多因素影响，难以及时对全网设备带电运行电晕风险及时提出安全评价，迫切需要一种能对电网重要输变电设备进行实时电晕检测的系统，具备全天候检测功能，及时预警、报警。在发现异常状况后再有针对性的进行人工检测。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的目的是提供一种基于光子型定位紫外局放在线监测系统，能够防止特高压强电磁场的干扰，测量准确；能够对超（特）高压输变电设备高压运行中的输变电设备有效的实时在线缺陷检测，可准确监测设备电晕异常状况，对检测结果进行分析判断；总结判断设备异常、故障的检测规律，制定紫外在线检测诊断方法和判断依据，当检测到的紫外光子数达到一定程度分析判断运行设备故障缺陷达到上限危险临界值时发出报警信息，提示管理人员应对报警点予以重视或采取必要的预防措施，具有结构合理，使用方便的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于光子型定位紫外局放在线监测系统，包括数据采集终端、无线通讯基站和后台分析系统，所述数据采集终端设在杆塔上，所述数据采集终端包括光子型定位紫外探测器、温湿度传感器、风速传感器和风向传感器，光子型定位紫外探测器、温湿度传感器、风速传感器和风向传感器与中央数据处理单元相连，中央数据处理单元与后台分析系统无线连接；所述光子型定位紫外探测器、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器将采集的输变电设备电晕放电产生的紫外光子数、温湿度、风速和风向信息输出给中央数据处理单元，中央数据处理单元再将信息统一打包传输给后台分析系统，后台分析系统对接收到信息进行分析，并判断输变电设备局部放电是否有故障。

作为对本发明的改进，所述的光子型紫外探测器、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器和中央数据处理单元均与蓄电池相连，蓄电池与太阳能电池板或风力发电装置相连，蓄电池为所述的光子型紫外探测器、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器和中央数据处理单元供电。

作为对本发明的改进，所述的光子型定位紫外探测器是采用紫外光加上可见光叠加的光子型定位紫外探测器。

作为对本发明的改进，所述的中央数据处理单元与后台分析系统之间是通过无线通信基站相连的。

作为对本发明的改进，所述的中央数据处理单元的微处理器模块IC1采用的是MSP430芯片。

作为对本发明的改进，所述的中央数据处理单元的电源转换电路IC3的1、2脚短接后，与电容C17的负极连接并接地，电源转换电路IC3的3、4脚短接后与电容C17的正极连接，电源转换电路IC3的5、6、7脚短接后与滤波电容C19的正极连接，滤波电容C19的另一端接地。

作为对本发明的改进，所述的中央数据处理单元7的时钟电路，时钟电路的1脚接在电源VCC上，2、3脚分别与振荡器的两端连接，4脚接地，时钟电路的引脚5、6、7分别与微处理器模块IC1的串口的17、18、22引脚相接。

作为对本发明的改进，所述光子型定位紫外探测器外设有屏蔽盒。

作为对本发明的改进，所述的光子型紫外探测器的底座固定在杆塔的主横担处，采用安装支架安装在与杆塔横担水平面方向。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）国外进口的紫外成像仪：是通过可见光相机对探测到的紫外光子进行成像，并对画面进行切割，然后根据每个切割框里的光子数量，先进行点位判别，得出大概的光子数量，通过模糊数学计算得出光子数量，属于对光子数量的定性分析，所检测到的光子数量并非实际的光子数量。 

2）本发明采用的光子型定位紫外探测器，输变电设备电晕放电检测能准确定量测量局部放电现象所产生的紫外光子数。克服了传统硅紫外增强探测器、紫外光电倍增管、微通道板探测器、紫外CCD等类型传感器的缺点。同时满足高压电晕探测、超高灵敏度光子计数、电晕定位等电网特高压设备紫外检测的要求。与超声、化学、脉冲、红外热成像、超高频技术探测等技术相比，光子型定位紫外探测器造价低，易集成，有高灵敏度和高可靠性，操作简单，能准确、定量的探测高压设备的早期放电，克服了其他探测技术在此领域难以定量表示放电程度等弱点。

本发明还具有以下创新点：

（1）全球灵敏度最高的光子型紫外探测器；

（2）紫外光通道数字变焦；

（3）可见光通道快速光学变焦；

（4）紫外光与可见光通道自动对焦；

（5）优异的背景降噪技术；

（6）国际及国内首创的智能实时在线监测系统；

本发明的先进之处在于所述的紫外探测技术，对特殊区域实现无人值守不间断检测，数据采集终端低功耗的实现。通过本发明技术的实践应用智能紫外实时在线诊断监测系统能有效、直观地观测到高压设备放电的情况，为故障检测提供了新的强大的诊断手段，紫外非成像在线检测与红外成像技术、紫外成像技术是互补关系，紫外检测放电异常，红外检测发热异常，原理完全不同，各自具有不可互替的优点，检测目的、应用方法也各具特性。紫外非成像在线检测造价低、适应性强，可准确实时发现电晕放电现象，但不能准确定位放电点，发现异常后再由光子型定位紫外探测器确定故障点。这三项技术的结合应用，将会大大增强高压设备故障点的全面检测能力，大大完善电力系统的故障检测系统。

通过对电气设备电晕放电强度的检测，及时发现设备运行中的隐患，及时处理，可以预防、减少设备发生故障而带来的重大损失，具有良好的经济效益。紫外在线检测可以在设备不停电的情况下进行远距离检测，无需登高操作检测设备，在保证检测人员安全的同时，减少了设备停电时间，提高了供电可靠性。

紫外检测法的基本原理是准确探测电晕辐射出的240～280nm波段紫外光子数信号，与其他检测手段相比，紫外电晕在线监测系统具有抗干扰能力强、放电点定位准确和灵敏度高的特点，同时具有简单可靠、准确高效，组网运行、安全方便、造价低廉等优点。

本发明采用的核心技术光子型紫外探测器与国外进口的紫外成像仪相比，在探测方式上，有绝对的优势。 

本发明采用的光子型定位紫外探测器，采用高性能紫外焦平面探测技术，采用定量测量。克服了传统硅紫外增强探测器、紫外光电倍增管、微通道板探测器、紫外CCD等类型传感器的缺点。同时满足高压电晕探测、超高灵敏度光子计数、电晕定位等电网特高压设备紫外检测的要求。与超声、化学、脉冲、红外热成像、超高频技术探测等技术相比，光子型定位紫外探测器造价低，易集成，有高灵敏度和高可靠性，操作简单，能准确、定量的探测高压设备的早期放电，克服了其他探测技术在此领域难以定量表示放电程度等弱点。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的机械结构示意图。

图3是本发明的光子型紫外探测器结构示意图。

图4是本发明的中央数据处理单元的电源转换电路示意图。

图5是本发明的数据处理单元和主控制电路示意图。

图6是图5中的数据处理单元的时钟电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的作进一步详细说明。

参见图1和图2，图1和图2揭示的是一种基于光子型定位紫外局放在线监测系统，包括数据采集终端100、无线通讯基站200和后台分析系统8，杆塔9上设有光子型紫外探测器3、温湿度传感器4、风速传感器5和风向传感器6，光子型紫外探测器3采用紫外加可见光一体化探测器。光子型紫外探测器3、温湿度传感器4、风速传感器5和风向传感器6与中央数据处理单元7相连，中央数据处理单元7与后台分析系统8无线连接；所述光子型定位紫外探测器、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器将采集的输变电设备电晕放电产生的紫外光子数、温湿度、风速和风向信息输出给中央数据处理单元，中央数据处理单元再将信息统一打包传输给后台分析系统，后台分析系统对接收到信息进行分析、判断，快速准确地发现输变电设备局部放电及故障缺陷。

所述的光子型紫外探测器3、温湿度传感器4、风速传感器5和风向传感器6和中央数据处理单元7均与蓄电池2相连，蓄电池2与太阳能电池板1相连，蓄电池2为上述设备供电。

所述光子型紫外探测器外设有屏蔽盒，用于避免特高压强电磁场的干扰。

所述的光子型紫外探测器3、温湿度传感器4、风速传感器5、风向传感器6、中央数据处理单元7均与蓄电池2相连，蓄电池2与太阳能电池板1相连。

所述的中央数据处理单元7与后台分析系统8之间通过无线通信基站200相连。

所述的中央数据处理单元7的微处理器优选MSP430芯片。

所述的数据采集终端包括太阳能电池板1或风力发电装置给蓄电池2充电，通过光子型定位紫外探测器3、温湿度传感器4、风速传感器5、风向传感器6将采集信息输出给中央数据处理单元7进行处理，中央数据处理单元7将结果打包、存储并传输给后台分析系统8。

所述温湿度传感器4、风速传感器5和风向传感器6，安装在杆塔主横档上，用户测量环境温度、湿度及风速风向信息，并通过双层屏蔽线将采集信息发送至中央数据处理单元7。

参见图3，图3为光子型定位紫外探测器3的结构示意图，其连接关系如下：

将光子型定位紫外探测器3的底座10固定在杆塔的主横担处，安装采用安装支架安装在杆塔横担水平面方向，使被测摄像头对着监测范围，光子型定位紫外探测器3用于电网重要输变电设备进行实时电晕检测，所测的信号通过信号输出线11连接到中央数据处理单元7。

所述中央数据处理单元7将所述环境温度、环境湿度、环境风速、环境风向进行模数转换，打包后通过无线网络发送至后台分析系统8；

所述后台分析系统8用于利用所述环境温度以及紫外电晕光子数等信息对电网重要输变电设备进行实时电晕检测。对检测结果进行分析判断；总结判断设备异常、故障的检测规律，制定紫外在线检测诊断方法和判断依据。当检测到的紫外光子数达到一定程度，分析判断运行设备故障缺陷达到上限危险临界值时，发出报警信息。

光子型紫外探测器3的特点：

1）采用光子型紫外探测器，是基于溶质分子吸收紫外光的原理设计的检测器，其工作原理是Lambert-Beer定律，即当一束单色光透过流动池时，若流动相不吸收光，则吸收度A与吸光组分的浓度C和流动池的光径长度L成正比。物理上测得物质的透光率，然后取负对数得到吸收度。

2）光子型紫外探测器灵敏度高、噪音低、线性范围宽、有较好的选择性，对环境温度、流动相组成变化和流速波动不太敏感。由于灵敏高，因此即使是那些光吸收小、消光系数低的物质也可用UV检测器进行微量分析。

参见图4，图4中央数据处理单元7的电源转换电路图，微处理器模块IC3的引脚1、引脚2短接后，再接入电容C17的负极并接地，微处理器模块IC3的引脚3、引脚4短接后接入电容C17的正极，集成电路IC3的引脚5、引脚6、引脚7短接后接入滤波电容C19的正极，滤波电容C19的负极接地。将供电电源转化为装置需要的电压量，为装置提供一个稳定的工作电压，并减少外界干扰对装置的影响。

参见图5，图5是中央数据处理单元7的数据处理和主控制电路图，本发明实施例采用的微处理器模块优选MSP430芯片。

微处理器模块MSP430是具有超低功耗特点的16位单片机，本发明选用MSP430F149，其功耗电流已经达到了mA级。它是功能强大的CPU内核:16位CPU和高效的RISC指令系统，无外扩的数据地址总线，在8MHz时可达到125ns的指令周期，具有16个快速响应中断，能及时处理各种紧急事件。丰富的片内外围功能模块：12位的A/D转换器ADC12内包括采样/保持功能的ADC内核、转换存储逻辑、内部参考电平发生器、多种时钟源、采样及转换时序电路。有8个外通道,4个内通道，高达200kbps的采样速率，多种采样方式。两路USART通信串口，可用于UART和SPI模式;片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器，6个并行口Pl～P6, 48条I/O口线，其具有64KＢ的闪存,用于存储采集数据。

芯片MSP430工作在1.8～3.6V电压下，有正常工作模式AM和4种低功耗工作模式，即LPM1、LPM2、LPM3、LPM4模式。

微处理器模块可以方便地在各种工作模式之间切换。在实际应用环境中，系统可根据现场不同的运行情况对装置的工作模式进行随时切换。

工作模式有高效模式：在监测中发现线路有异常情况时提高工作频率。

正常模式：此模式说明系统工作一切正常，监测的线路无异常情况发生。

低功耗模式：系统处于自动保护模式。

管理功能为系统可根据现场具体情况调整系统的工作模式如上述，可发挥系统的最佳性能。它根据所测范围的电晕情况、现场温度、湿度、风速、风向利用故障缺陷诊断分析技术及紫外探测技术，可以得出输变电设备故障缺陷隐患点的发展趋势，根据光子型紫外探测器实时在线准确监测输变电设备电晕异常状况。对检测结果进行分析判断；总结判断设备异常、故障的检测规律，制定紫外在线检测诊断方法和判断依据。当检测到的紫外光子数达到一定程度，分析判断运行设备故障缺陷达到上限危险临界值时，发出报警信息，提示管理人员应对报警点予以重视或采取必要的预防措施。

参见图6，图6为中央数据处理单元7的时钟电路图，时钟电路IC8的引脚1接在电源VCC上，引脚2、引脚3分别与振荡器的两端连接，引脚4接地，时钟电路的引脚5、引脚6、引脚7分别接入微处理器模块的串口的引脚17、引脚18和引脚22引上。时钟电路为数据采集终端提供一个准确的时间。

当光子型紫外探测器3监测到杆塔9周围的输变电设备电晕情况，该信息通过CDMA/GPRS/3G无线网络对数据进行传输到后台系统，监控人员看到信息后即可根据现场反映的实际情况采取预防措施。所述的中央数据处理单元7由信号去噪、光子型紫外探测器3探测范围内的输变电设备电晕放电光子数记录、现场温度、湿度、风速、风向参数的记录、发送及接收控制电路组成。所述的后台分析系统的计算机8由工控机、操作系统、数据库、服务器软件和用户客户端软件组成。

本发明通过高性能光子型紫外探测器，实时采集设备缺陷点处的紫外光子信息（包含准确的紫外光子数值和现场照片）和现场所处的气象环境信息（温度、湿度、风速、风向等参数），后台分析系统综合各种影响因素（距离、增益、温度、湿度、风力）利用神经网络和模糊计算的技术进行分析，结合数据库的横向和纵向对比，最终得出设备缺陷点处的真实紫外光子数值，并根据设备缺陷程度和紫外光子数值之间的变换关系确定设备缺陷目前的程度，进而对存在安全隐患的故障点进行报警。

Claims (8)

1.一种基于光子型定位紫外局放在线监测系统，其特征在于，包括数据采集终端（100）、无线通讯基站（200）和后台分析系统（8），所述数据采集终端（100）设在杆塔（9）上，所述数据采集终端（100）包括光子型定位紫外探测器（3）、温湿度传感器（4）、风速传感器（5）和风向传感器（6），光子型定位紫外探测器（3）、温湿度传感器（4）、风速传感器（5）和风向传感器（6）与中央数据处理单元（7）相连，中央数据处理单元（7）与后台分析系统（8）无线连接；所述光子型定位紫外探测器（3）、温湿度传感器（4）、风速传感器（5）、风向传感器（6）将采集的输变电设备电晕放电产生的紫外光子数、温湿度、风速和风向信息输出给中央数据处理单元，中央数据处理单元再将信息统一打包传输给后台分析系统，后台分析系统对接收到信息进行分析，并判断输变电设备局部放电是否有故障。

2.根据权利要求1所述的基于光子型定位紫外局放在线监测系统，其特征在于，所述的光子型紫外探测器（3）、温湿度传感器（4）、风速传感器（5）、风向传感器（6）和中央数据处理单元（7）均与蓄电池（2）相连，蓄电池（2）与太阳能电池板（1）相连，蓄电池（2）为所述的光子型紫外探测器（3）、温湿度传感器（4）、风速传感器（5）、风向传感器（6）和中央数据处理单元（7）供电。

3.根据权利要求1所述的基于光子型定位紫外局放在线监测系统，其特征在于，所述的光子型定位紫外探测器（3）是采用紫外光加上可见光叠加的光子型定位紫外探测器。

4.根据权利要求1所述的基于光子型定位紫外局放在线监测系统，其特征在于，所述的中央数据处理单元（7）与后台分析系统（8）之间是通过无线通信基站相连的。

5.根据权利要求1所述的基于光子型定位紫外局放在线监测系统，其特征在于，所述的中央数据处理单元（7）的微处理器模块（IC1）采用的是MSP430芯片。

6.根据权利要求1所述的一种基于光子型定位紫外局放在线监测系统，其特征在于，所述的中央数据处理单元（7）的电源转换电路（IC3）的1、2脚短接后，与电容（C17）的负极连接并接地，电源转换电路（IC3）的3、4脚短接后与电容（C17）的正极连接，电源转换电路（IC3）的5、6、7脚短接后与滤波电容（C19）的正极连接，滤波电容（C19）的另一端接地。

7.根据权利要求1所述的基于光子型定位紫外局放在线监测系统，其特征在于，所述的中央数据处理单元（7）的时钟电路，时钟电路的1脚接在电源VCC上，2、3脚分别与振荡器的两端连接，4脚接地，时钟电路的引脚5、6、7分别与微处理器模块（IC1）的串口的17、18、22引脚相接。

8.根据权利要求1所述的基于光子型定位紫外局放在线监测系统，其特征在于，所述光子型定位紫外探测器外设有屏蔽盒。

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