CN103513167B - 基于分布式网络平台的开关局部放电状态监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于分布式网络平台的开关局部放电状态监测装置，包括局放信号采集组件、CPU分析诊断组件、信息管理组件，局放信号采集组件与开关室内的超高频传感器及噪声传感器相连，采用FPGA进行局放信号高速采集及以太网转发，实现局放信号的采集及电压相位采集同步功能。CPU分析诊断组件实时处理局放信号采集组件上送的采样数据，采用高性能DSP处理器，对采样数据进行分析处理，判断局部放电类型，生成局部放电简报及PRPD、PRPS图谱。信息管理组件对CPU分析诊断组件处理结果进行管理，通过大容量数据存储、检索完成局部放电趋势统计查询功能。本发明的监测装置性能稳定、使用寿命高，提高电网运行可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统状态监测领域，具体涉及开关局部放电状态监测装置。
背景技术
由于开关内部场强很高，当设备内部存在一些缺陷时，就会在运行中发生局部放电现象。局部放电是导致开关设备绝缘劣化的主要原因之一，同时也是描述开关绝缘老化的重要特征。通过对局放信号的检测和分析，能判断开关内部是否存在某种绝缘隐患。目前，局放检测技术在开关设备中的应用已经越来越广泛。
开关设备是电力系统一次设备中检修、维护工作量最大的设备，据相关统计，大多数的维护费用花在开关上，且多半是花费在定期检修上。目前有些开关设备，尤其是GIS，用户都加装了局放在线监测系统，但运行效果不是很好，主要有以下几方面原因：
1）以往的局放状态监测装置厂商众多，由于行业内目前还没有统一的局放装置检测标准，大多数厂商多采用工控机实现，生产工艺、生产质量不达标，由于缺少现场运行经验，性能不稳定，装置使用寿命短，经常出现的问题是运行一段时间后，开关本体没有监测出问题，反而监测装置本身出现问题，用户频繁更换监测装置，带来了不必要的麻烦；
2）传统局放监测装置多数采用集中式采集模块设计，任一采集模块出现问题后，只能整装置替换，影响范围大；
3）传统局放在线监测多以监测系统形式出现，监测装置本身不具备就地分析功能，只具备局放信号采集转发功能，分析诊断功能由站控层监测系统完成，这种作法一方面增加网络带宽，不利于变电站内二次设备系统集成；另一方面系统互操作性很差，不同厂商的监测系统集成监测装置困难，传统意义上的在线监测信息不统一、通信协议不标准，通信方式多样化，监测系统、设备厂商多样化，用户及系统界面不统一，成为一个个信息孤岛，无法进行信息互动及高级应用；
4）运行管理部门不能随时掌握变电站重要设备运行情况，存在安全隐患；
5）为了解决互操作问题，不同厂商大多采用规约转换装置，增加建设费用，而且信息转换环节的增加会造成信息损失。
基于以上几点不足，既影响一次设备智能化技术及状态检修的发展水平，又存在安全隐患。
因此，需要寻求一种方法来解决此问题。本发明提出的基于DSP+FPGA分布式网络平台实现开关局部放电状态监测的装置，弥补了上述几点不足，监测装置以高可靠性、丰富的接口设备，做到通信标准化，工程实施免维护化，通过就地诊断功能，为高压设备状态监测提供技术基础，实时采集一次设备状态信息，为状态检修提供参考依据，使之代替定期检修，大大提高高压一次设备的利用率及寿命，能及时发现电力设备的安全隐患，预防事故发生，保证供电的可靠性，避免因停电检修所造成的损失，节约预防性定期检修的费用。这是在传统断路器基础上对智能断路器所做的新的尝试。
发明内容
为了解决传统局部放电状态监测装置性能不稳定、使用寿命短、可维护性差、互操作性差及误报警的问题，本发明公开了一种基于DSP+FPAG分布式网络平台实现开关局部放电状态监测装置。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于分布式网络平台的开关局部放电状态监测装置，所述监测装置包括多组局放信号采集组件、CPU分析诊断组件、信息管理组件；其特征在于：
所述局放信号采集组件、CPU分析诊断组件、信息管理组件之间通过所述监测装置内部高速以太网、CAN网和对时总线连接；
所述局放信号采集组件通过N型连接器及高频同轴电缆与安装在开关本体上的局放超高频传感器进行连接，所述局放信号采集组件采用FPGA挂载高速AD完成所述局放超高频传感器所采集的局部放电信号的放大、滤波、降频以及缓存；
所述CPU分析诊断组件通过所述监测装置内部高速以太网和CAN网与所述局放信号采集组件相连，接收局部放电信号的采样数据并对局放信号采集组件采样时序逻辑进行控制，局部放电信号的采样数据通过所述以太网传输，采样时序控制指令及组件配置信息通过CAN网传输，该CPU分析诊断组件的处理器采用DSP处理器，通过所述监测装置内部高速以太网收集局放信号采集组件的采样数据，对局部放电信号计算，判断放电类型，完成PRPD、PRPS图谱计算，生成局部放电事故简报，并通过监测装置内部高速以太网将所述局部放电事故简报及图谱上送至信息管理组件。
所述信息管理组件对CPU分析诊断组件的故障简报及图谱进行存储，通过大容量数据存储及检索完成局部放电趋势统计功能。
本发明还进一步包括以下优选技术方案：
所述监测装置至少有一组局放信号采集组件配置电压相位采集模块，所述电压相位采集模块用于完成开关本体电压相位同步采集功能，对交流电压信号进行隔离、整形后输出电压过零点相位脉冲，当采集到电压相位有效时，该局放信号采集组件通过监测装置内部对时总线向其它局放信号采集组件发送同步采集脉冲，监测装置内所有局放信号采集组件均根据电压相位同步脉冲完成同步采样。
所述信息管理组件还具备以太网口，通过IEC61850MMS协议与状态监测后台连接，对装置内部各组件进行配置管理及人机交互。
局放信号采集组件采用N型连接器以及高频同轴电缆线与局放传感器进行连接，通过通道配置可灵活适应内置及外置式超高频传感器、噪声传感器。装置内部可根据局放传感器数量灵活配置局放信号采集组件的数量。
监测装置具备就地分析功能，装置内置局放诊断特征参数数据库及大容量实时数据库，根据实时采样值提取局放特征参数，与内置的诊断特征参数数据进行模式匹配，根据匹配结果计算局部放电类型及放电趋势，形成开关运行诊断报告。
装置基于分布式网络平台，装置内组件数量及在装置内所处位置可灵活调整，装置内所有组件均采用工业级嵌入式实时处理器设计，装置具备硬件实时自检功能，装置性能稳定，使用寿命不低于10年。
本发明公开的这种基于DSP+FPGA分布式网络平台的开关局部放电状态监测装置的优点是，具备就地综合评估、实时状态预报的功能，能够通过站控层网络及时将断路器当前状态参量提供给变电站运行人员，有效的帮助运行人员对断路器运行情况进行分析和判断，提高了工作效率。
本发明的监测装置具有以下技术效果：
1、装置基于分布式网络平台，装置内组件采用模块化设计，可灵活配置，适应不同场合监测需求。
2、装置内所有组件均采用工业级嵌入式实时处理器设计，装置具备硬件实时自检功能，装置性能稳定，使用寿命长，装置在高电场、强磁场、温差大、多尘等外部条件较为恶劣的户外环境下工作正常，运行稳定，满足国家电网公司标准及相关技术规范的要求。
3、采用FPGA实现大容量数据通信吞吐能力，采用DSP实现强大的数据处理能力，采用嵌入式实时数据库完成大容量数据存储及检索。
4、IEC61850无缝信息构建，模型自动输出,现场调试、维护简单。
5、对外接口功能齐全，支持IEC61850MMS、IRIG-B码对时。
6、具备就地诊断功能,实现局部放电事故简报及PRPD、PRPS图谱本地存储及自动远传功能。
附图说明
图1是基于DSP+FPGA分布式网络平台实现开关局部放电状态的智能组件结构示意图；
图2是IEC61850配置过程。
具体实施方式
下面进一步结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案进行说明。
本发明公开了一种开关局部放电状态监测装置，如图1所示，该装置包括局放信号采集组件、CPU分析诊断组件、信息管理组件，各组件之间以及各组件和信息管理组件之间通过所述监测装置内部高速以太网和CAN网以及对时总线连接。各组件具体工作流程如下：局放超高频传感器或者噪声传感器耦合得到的信号通过N型连接器以及高频同轴电缆连接到监测装置，为了保护信号免受外界破坏，信号线通过金属软管走线。监测装置通过局放信号采集组件对局放信号进行调理，所述局放信号采集组件采用FPGA挂载高速AD进行信号采集，FPGA芯片引脚连接两块单通道AD采样芯片及存储器，FPGA读取监测装置内部对时总线上的采样脉冲，根据采样脉冲控制AD采样时钟，对启动或停止采样时序进行控制，当FPGA启动采样时，AD芯片启动工作，将采样数据通过FPGA缓存到内存中，当FPGA停止采样时，关闭AD采样时钟，FPGA将缓存中的采样数据通过装置内部以太网上送到CPU分析诊断组件。CPU分析诊断组件控制各采集组件的同步采样时序，实时接收采集组件的采样数据，采用高性能DSP处理器对采样数据进行信号滤波、脉冲提取、数据分析，根据内置的局放诊断特征参数数据库与实时计算的特征参数进行模式匹配，根据匹配结果判断局放类型，形成诊断报告及PRPD、PRPS图谱，并将上述报告及图谱上送至信号管理组件。信号管理组件配置大容量固态硬盘，采用高性能CPU处理器对CPU分析诊断组件上送的初步诊断报告进行本地存储，并根据历史报告形成局部放电趋势分析结果，最终将此结果通过IEC61850上送至站控层状态监测后台。监测装置本身也具有本地保存监测数据的能力，在网络失效或上级处理单元退出运行的情况下，仍能独立完成就地监测功能且保证数据不丢失。监测装置可接收变电站内IRIG-B码对时，保证装置与系统时钟同步。装置通过配置工具可实现人机交互，对监测组件数量、IEC61850通信模型进行在线配置，满足变电站内不同场合的监测需求。
各组件具体介绍如下:
（一）局放信号采集组件
局放信号采集组件是监测装置内最底层的采集单元，通过N型连接器及高频同轴电缆与安装在开关本体上的局放超高频传感器进行连接。每块局放信号采集组件完成两路超高频信号的采集、缓存、传输功能。每台监测装置会有一块局放信号采集组件配置电压相位采集模块，完成开关本体电压相位同步采集功能，对交流电压信号进行隔离、整形后输出电压过零点相位脉冲，当采集到电压相位有效时，局放信号采集组件通过装置内部总线向其它组件发送同步采集脉冲，装置内所有局放信号采集组件均根据电压相位同步脉冲完成同步采样。为实现局放信号40MHz同步采样，局放信号采集组件采用FPGA挂载高速AD完成数据高速采集、缓存，完成本次采样后，局放信号采集组件接收CPU分析诊断组件的采样传输指令，采样数据在CPU分析诊断组件召唤后通过FAGA挂载的以太网总线上送至CPU分析诊断组件。监测装置内采样时序由CPU分析诊断组件控制，装置内需要的局放信号采集组件数量、种类、采样参数等，可通过信息管理组件进行配置。
（二）CPU分析诊断组件
CPU分析诊断组件是监测装置的核心部分，一方面负责采样逻辑控制，另一方面是数据的分析诊断。CPU分析诊断组件向各局放信号采集组件发送采样命令，当收到局放信号采集组件采样结束命令后，开始发送采样召唤命令。为满足大容量采样数据传输和计算需求，CPU分析诊断组件核心部件采用高性能DSP处理器设计，保证网络吞吐量的同时，也保证数据计算分析的快速性。考虑到局放数据计算量很大，DSP搭载大容量RAM，对采样数据进行缓存，根据采样通道配置分别处理干扰通道和非干扰通道。首先，CPU分析诊断组件对采样数据进行脉冲提取，然后进行通道去噪，统计分析计算放电脉冲的幅值分布、相位分布、放电时间分布，得到最大放电量相位分布、平均放电量相位分布、放电次数相位分布、局部放电幅值分布等特征量。最后根据这些特征量与内置局放特征参数数据库进行模式匹配，从而得到局部放电类型，判断出局部放电是否发生，并将最终数据汇总为局部放电事故简报及PRPD、PRPS图谱，通过装置内部以太网将事故简报及图谱上传到信息管理组件，从而完成单次采样逻辑控制及计算，后续的采样过程同上述过程。
（三）信息管理组件
监测装置内信息管理组件具备局部放电趋势分析、数据管理和IEC61850通讯的功能。信息管理组件实时接收CPU分析诊断组件的局部放电事故简报及图谱，并将此信息实时存储在大容量固态硬盘内。考虑到局放事件存储量、检索量很大，信息管理组件采用嵌入式实时数据库完成数据存储、检索，根据每次的局部放电事故简报以及历史过程进行局部放电分析，最终得出局部放电是否发生的结论，避免误报警。数据管理模块又分为以下几个功能模块：通信管理模块、配置管理模块、录波管理模块、报告管理模块、历史数据记录模块、时钟管理模块。通信管理模块完成功能组件、PC配置工具送到信息管理组件的各种报文的解析，并将信息管理组件的数据信息按内部规约进行打包发送到相应的目的地址。配置管理模块完成装置所有配置信息的接收、解析、存储、校验、上送等功能。CPU分析诊断组件将局放录波数据发送到信息管理组件，录波管理模块按照录波配置将录波数据存储为录波文件。PC配置工具或IEC61850客户端召唤录波文件时，录波管理模块对存储录波文件进行检索，将文件索引或指定的文件数据上送。报告管理模块将功能组件上送的各类型报告信息按固定格式存储为报告文件。PC配置工具报告文件时，报告管理模块按类型对报告文件进行检索，将文件索引或指定的文件数据上送。历史数据记录模块将指定的监测数据按一定的时间间隔进行存储，将实时数据报存为历史曲线文件。时钟接收装置外部时钟源发送的对时信号，同步装置的系统时钟，再通过装置内部的对时总线，同步各功能组件的时间。
监测装置的IEC61850建模原则完全遵循《基于DLT860标准的变电设备在线监测装置应用规范》。通过自动建模工具导出标准模型文件。
支持的服务包括关联服务、数据读写服务、报告服务、控制服务、取代服务、定值服务、日志服务、文件服务。各功能监测IED使用专用的逻辑节点构建通信数据架构。
监测装置对外采用IEC61850通信。适用于开关局部放电状态监测的IEC61850模型如表格1所示：
表格1IEC61850信息建模
配置互操作获得方法
如图2所示，监测装置的配置工具根据断路器的配置信息，输出符合IEC61850标准局部放电监测的能力描述文件（ICD），工程人员根据开关和间隔层设备的icd文件通过智能变电站系统集成商的系统配置器配置生成变电站配置描述文件（SCD），智能接口设备的配置能够根据SCD文件分解出开关的配置后的描述文件（CID）和装置的配置文件（CFG）并通过当地文件服务下载到智能接口设备中。监测装置根据CID和CFG文件完成和间隔层设备的通信。上述配置过程和配置文件符合IEC61850标准，因此可以和其他厂家符合IEC61850的间隔层设备进行互操作。
以上详细描述了本发明在开关局部放电状态监测过程中的具体实施方式。
而本发明的范围不应局限于这些描述。任何在本发明原理范围内的修改、改进都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于分布式网络平台的开关局部放电状态监测装置，所述监测装置包括多组局放信号采集组件、CPU分析诊断组件、信息管理组件；其特征在于：
所述局放信号采集组件、CPU分析诊断组件、信息管理组件之间通过所述监测装置内部高速以太网、CAN网和对时总线连接；
所述局放信号采集组件通过N型连接器及高频同轴电缆与安装在开关本体上的局放超高频传感器进行连接，所述局放信号采集组件采用FPGA挂载高速AD完成所述局放超高频传感器所采集的局部放电信号的放大、滤波、降频以及缓存；
所述CPU分析诊断组件通过所述监测装置内部高速以太网和CAN网与所述局放信号采集组件相连，接收局部放电信号的采样数据并对局放信号采集组件采样时序逻辑进行控制，局部放电信号的采样数据通过所述以太网传输，采样时序控制指令及组件配置信息通过CAN网传输，该CPU分析诊断组件的处理器采用DSP处理器，通过所述监测装置内部高速以太网收集局放信号采集组件的采样数据，对局部放电信号计算，判断放电类型，完成PRPD、PRPS图谱计算，生成局部放电事故简报，并通过监测装置内部高速以太网将所述局部放电事故简报及图谱上送至信息管理组件；
所述信息管理组件对CPU分析诊断组件的故障简报及图谱进行存储，通过大容量数据存储及检索完成局部放电趋势统计功能。
2.根据权利要求1所述的基于分布式网络平台的开关局部放电状态监测装置，其特征在于：
所述监测装置至少有一组局放信号采集组件配置电压相位采集模块，所述电压相位采集模块用于完成开关本体电压相位同步采集功能，对交流电压信号进行隔离、整形后输出电压过零点相位脉冲，当采集到电压相位有效时，该局放信号采集组件通过监测装置内部对时总线向其它局放信号采集组件发送同步采集脉冲，监测装置内所有局放信号采集组件均根据电压相位同步脉冲完成同步采样。
3.根据权利要求1或2所述的基于分布式网络平台的开关局部放电状态监测装置，其特征在于：
所述信息管理组件还具备以太网口，通过IEC61850MMS协议与状态监测后台连接，对监测装置内部各组件进行配置管理及人机交互。
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