CN103605069A - 基于非常规互感器实现开关局部放电监测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非常规互感器实现开关局部放电监测的方法和监测装置，监测装置接入合并单元MU的SV采样报文，对SV采样报文解码，检测开关电压过零点时刻，依赖外部同步时钟，精确计算通道延时，准确还原开关电压正弦波形。监测装置根据开关电压过零点时刻形成的采样脉冲实时采集安装在开关本体上的超高频局放传感器信息，对采样数据进行分析处理，判断局部放电类型，对局部放电趋势进行预警，实时反映开关绝缘状况。本发明有效解决智能变电站或数字化变电站里，开关电压为数字信号时，一些在线监测装置无法引入开关电压信号获得局部放电同步相位信息的问题，能早发现开关绝缘隐患缺陷，市场应用前景广阔。

Description

基于非常规互感器实现开关局部放电监测的装置和方法

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。

在常规变电站，开关局部放电状态监测装置采用电压抽取装置从互感器上引入交流信号获取相位信息，进行局部放电监测。但对于智能变电站，开关电压来自电子式（光电式）互感器，而非常规互感器，电压抽取装置已不再适用，同时传统接入电压模拟量信号的在线监测装置也不满足数字化接口需求，具体有以下几点：

1）不具备光纤接口，无法采集数字信号的采样数据值SV采样报文；

2）受到SV采样点数的限制，数字化SV报文还原为模拟信号有一定难度；

3）SV报文与局放超高频信号不同步；

基于以上几点不足，影响开关局部放电状态监测技术的发展。

因此，需要寻求一种方法来解决此问题。本发明提出的基于非常规互感器实现开关局部放电监测的方法，弥补了上述几点不足。这是在传统开关局部放电在线监测基础上对智能变电站局部放电状态监测所做的新的尝试。

发明内容

对于采用电子式或光电式互感器的智能变电站或数字化变电站，为了解决无法通过电压抽取装置获取电压相位的问题，解决传统局部放电监测装置无法接入SV信号问题，本发明提出了一种基于非常规互感器实现开关局部放电监测的方法以及监测装置。

本发明具体采用以下技术方案：

一种引入非常规互感器实现开关局部放电监测的装置，其特征在于：监测装置采集安装在开关本体上的超高频局放传感器所监测到的局部放电信息，实现对开关局部放电的监测。

所述监测装置包括信息管理组件、SV组件、多组局放信号采集组件（即局部放电信号采集组件）、CPU分析诊断组件；各组件之间通过装置内部CAN网和/或以太网和/或对时总线连接；

信息管理组件具备以太网口，与在线监测后台连接，完成其它组件的信息管理功能，具备IEC61850通信功能；

SV组件与合并单元相连，通过对SV采样报文解码，实现对开关电压的检测；

所述局放信号采集组件与安装在开关本体上的局放超高频传感器进行连接接收所述局放超高频传感器采集的开关内部的局部放电信号；

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，该CPU分析诊断组件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。

每台监测装置有一块SV组件，完成开关本体电压相位同步采集功能，将SV采样报文还原为对交流电压信号，并向采集组件输出电压过零点相位脉冲，当采集到电压相位过零点有效时，该局放信号采集组件通过装置内部总线向其它局放信号采集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。

SV组件与局放信号采集组件通过背板对时总线进行时间同步。

基于所述的监测装置的引入非常规互感器实现开关局部放电监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）监测装置上电后，实时监视SV组件通信状态，如果SV组件通信异常，采集组件会形成报警报告，通过装置内部CAN网传输至信息管理组件进行告警；

（2）实时采集合并单元MU的SV采样报文，对SV采样报文解码，计算开关电压参数，检测开关电压过零点时刻，依赖外部同步时钟，精确计算通道延时，准确还原开关电压正弦波形，形成传感器同步采集脉冲序列；

（3）通过安装在开关本体上的局放超高频传感器，根据相位同步采样脉冲序列实时采集超高频传感器信息，提取局部放电脉冲，诊断局部放电类型，计算局部放电趋势，反映开关本体绝缘状态，对局部放电诊断报告进行存储，通过信息管理组件将诊断报告远传；

（4）监测装置上电后，对监测装置硬件进行实时自检，自检异常后自动报警。

本发明具有以下技术效果：解决了智能变电站或数字化变电站里，开关电压为数字信号时，一些在线监测装置无法获取局部放电交流相位的问题。此外，所述监测装置对外采用IEC61850通信协议，也解决了传统在线监测装置通信协议不统一的问题，便于集成到智能变电站高级应用的一体化信息平台。

根据局部放电趋势可实时反映开关本体绝缘状态，为运行检修人员提供可靠的设备绝缘信息和科学的检修依据，从而达到减少生产事故发生，延长检修周期，减少停电检修次数和检修时间，提高设备利用率和整体经济效能的目的。有一定的发展潜力，市场应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明基于非常规互感器监测开关局部放电方法原理框图；

图2是本发明监测装置的结构图；

图3-1是本申请引入非常规互感器监测局部放电的方法流程图；

图3-2是SV检测方法流程图；

图3-3是时间同步处理方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示为引入非常规互感器监测开关局部放电的总体结构图，局部放电监测装置要求全站统一对时，保证合并单元MU与局部放电监测装置时间同步。通过对SV报文解码，搜索指定的开关电压采集通道，对开关电压通道进行傅氏滤波处理，计算电压有效值、谐波、系统频率等参数，根据系统同步时钟，计算开关电压过零点时刻，形成相位同步采样脉冲序列，根据同步采样指令对安装在开关本体上的局放超高频传感器进行实时采集，提取局部放电脉冲序列，计算局部放电量信息，诊断局部放电类型，计算局部放电趋势，从而诊断开关绝缘运行状态。下面分别就各部分内容的实现加以说明：

如图2所示为监测装置结构示意图，所述监测装置包括信息管理组件、SV组件、多组局放信号采集组件、CPU分析诊断组件；各组件之间通过装置内部CAN网、以太网、对时总线连接。各组件具体介绍如下:

（一）信息管理组件

信息管理组件具备监测装置内数据管理和IEC61850通讯的功能。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、报告管理模块、历史数据记录模块、时钟管理模块。通信管理模块完成局放信号采集组件、SV组件送到信息管理组件的各种报文的解析，并将上送到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CPU分析诊断组件。配置管理模块完成监测装置内CPU分析诊断组件的配置和描述信息的接收、解析、存储、校验、上送等功能。报告管理模块将CPU分析诊断组件及SV组件上送至信息管理组件的各类型报告信息按固定格式存储为告警报告文件。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。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、文件服务等。各功能监测装置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。监测装置的站控层网络通信遵循IEC61850通信协议。具备两个独立的以太网口。

（二）SV组件

监测装置的SV组件通过光纤以太网与间隔内合并单元的以太网口连接，完成开关电压数字信号采集。

（三）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SV组件，将SV采样报文还原为交流电压信息，完成开关本体电压相位同步采集功能，检测交流电压过零点有效信号（写明向那些组件或模块输出电压过零点相位脉冲）输出电压过零点相位脉冲，当采集到电压相位过零点有效时，该局放信号采集组件通过装置内部总线向其它局放信号采集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。

（四）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。

如图3-1所示为引入非常规互感器监测开关局部放电的监测方法流程图。本发明的监测方法包括以下步骤：

（1）监测装置上电后，实时监视SV通信状态，装置开辟SV单独采样缓冲区，如果在指定时间间隔内检测到采样缓冲区数据无效，则认为SV通信中断，由SV组件形成SV通信中断报文，通过CAN网将告警报文传送至信息管理组件，同时闭锁SV参数计算逻辑，SV组件形成点亮告警灯报文，通过CAN网传送至信息管理组件。相反，在SV通信中断状态下，如果检测到SV采样缓冲区有效数据更新，则认为SV通信恢复，由SV组件形成SV通信恢复报文，通过CAN网将恢复报文传送至信息管理组件，同时开放SV参数计算逻辑，由SV组件形成熄灭告警灯报文，通过CAN网传送至信息管理组件。

（2）实时采集合并单元MU的SV采样报文，对SV采样报文解码，如图3-2所示为SV检测方法流程图，SV组件以太网接收中断检测到以太网报文帧有效后，进行中断处理程序，通过以太网类型及SV配置信息对SV报文进行识别，识别SV报文有效后，进行SV报文解码逻辑。首先提取以太网MAC地址、SVID信息，与本地配置数据库进行匹配，匹配成功后，解析应用数据包，如果本帧报文时间同步位有效，且告警位无效，则进行采样值数据处理，将各通道数据信息、品质位存储在本地数据库。如果检测到线路电压通道，则进行线路电压过零点检测逻辑，根据采样数值进行相位跳变检测，将有效的电压过零点转变为采样脉冲输出至装置内部总线。为保证开关电压过零点计算的实时性，需要在以太网接收中断中判断相邻两个采样值的数据，如果发生过零点跳变，则根据线性比例与采样间隔，算出过零点时刻。通过对SV接收报文解码，实现对开关电压的检测。根据SV组件内SV订阅信息的配置，可对SV报文进行解码，并计算出有效值、谐波、系统频率等参数信息。检测开关电压过零点时刻，依赖外部同步时钟，精确计算通道延时，准确还原开关电压正弦波形。如图3-3所示为时间同步处理方法流程图，进入定时器中断后，将时间信息写入本地时钟芯片，同时将微秒计数器清零。考虑到电流数据采集与SV报文的同步性要求较高，需要将数据同步及通道延时在以太网中断中处理。根据SV报文中的采样计数器及本地微秒计数器，可计算本帧报文与合并单元MU采样报文的以太网传输延时，再结合MU的采样延时，即可精确计算开关电压过零点与实际开关电压采样的偏差。根据此时间偏差，计算通道延时，对发送采样脉冲时间序列做补偿，从而准确获得开关电压的相位。

（3）通过安装在开关本体上的局放超高频传感器，根据相位同步采样脉冲序列实时采集超高频传感器信息，根据CPU分析诊断组件采样逻辑对采样时序进行控制，当采集组件收到CPU分析诊断组件采样启动指令后，实时检测SV组件的采样脉冲，检测脉冲有效后，进行采样并将采样值传输至CPU分析诊断组件，CPU分析诊断组件对采样数据提取局部放电脉冲，计算出最大放电量、最小放电量、平均放电量、放电相位和放电次数，诊断局部放电类型，将上述这些测量量信息及采样波形通过装置内以太网传输至信息管理组件，信息管理组件根据历史数据计算局部放电趋势，反映开关本体绝缘状态，对局部放电诊断报告及图谱进行存储，通过信息管理组件将诊断报告远传至状态监测后台。

（4）装置上电后，对硬件进行实时自检，包括程序存储区是否异常、数据存储区是否异常，软件是否会正常进行定时器中断、以太网接收中断，装置内CAN网通信是否正常，缓冲区是否溢出等，如果检测到上述任一项内容不符合要求，则立即形成告警报文，通过信息管理组件上送至监控后台显示。

以上详细描述了本发明在引入非常规互感器监测开关局部放电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 (7)

1.一种引入非常规互感器实现开关局部放电监测的装置，其特征在于：监测装置采集安装在开关本体上的超高频局放传感器所监测到的局部放电信息，实现对开关局部放电的监测。

2.根据权利要求1所述的引入非常规互感器实现开关局部放电监测的装置，其特征在于：

所述监测装置包括信息管理组件、SV组件、多组局放信号采集组件、CPU分析诊断组件；各组件之间通过装置内部CAN网和/或以太网和/或对时总线连接；

信息管理组件具备以太网口，与在线监测后台连接，完成其它组件的信息管理功能，具备IEC61850通信功能；

SV组件与合并单元相连，通过对SV采样报文解码，实现对开关电压的检测；

所述局放信号采集组件与安装在开关本体上的局放超高频传感器进行连接接收所述局放超高频传感器采集的开关内部的局部放电信号。

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，该CPU分析诊断组件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。

3.根据权利要求2所述的引入非常规互感器实现开关局部放电监测的装置，其特征在于：

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。

4.根据权利要求2所述的引入非常规互感器实现开关局部放电监测的装置，其特征在于：

局部放电信号的采样数据通过所述以太网由局放信号采集组件传输至CPU分析诊断组件，采样时序控制指令由CPU分析诊断组件通过CAN网下达至局部放电信号采样组件，及采集组件的采样率及采样长度配置信息通过CAN网由CPU分析诊断组件进行设置；

所述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。

5.根据权利要求2所述的引入非常规互感器实现开关局部放电监测的装置，其特征在于：

每台监测装置有一块SV组件完成开关本体电压相位同步采集功能，将SV采样报文还原为交流电压信号，向局部放电信号采集组件输出电压过零点相位脉冲，当采集到电压相位过零点有效时，该SV组件通过装置内部的对时总线向其它局放信号采集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。

6.根据权利要求2或5所述的引入非常规互感器实现开关局部放电监测的装置，其特征在于：

所述SV组件与局放信号采集组件通过背板对时总线进行时间同步。

7.基于权利要求1-6中任一项权利要求所述装置的引入非常规互感器实现开关局部放电监测的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）监测装置上电后，实时监视SV组件通信状态，如果SV组件通信异常，SV组件会形成报警报告，通过装置内部CAN网传输至信息管理组件进行告警；

（2）通过SV组件实时采集合并单元MU的SV采样报文，对SV采样报文解码，计算开关电压参数，检测开关电压过零点时刻，依赖外部同步时钟，精确计算通道延时，准确还原开关电压正弦波形，形成传感器同步采集脉冲序列；

（3）通过安装在开关本体上的局放超高频传感器，根据相位同步采样脉冲序列实时采集超高频传感器信息，提取局部放电脉冲，诊断局部放电类型，计算局部放电趋势，反映开关本体绝缘状态，对局部放电诊断报告进行存储，通过信息管理组件将诊断报告远传；

（4）监测装置上电后，对监测装置硬件进行实时自检，自检异常后自动报警。

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