CN103713241B - 基于m-bus的局部放电监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于M‑BUS的局部放电监测系统与方法，所述系统包括：并接在同一高频屏蔽信号总线上的多个局部放电传感电路，将检测到的局部放电信号上传至高频屏蔽信号总线；高频屏蔽信号总线，用于连接局部放电传感电路，一端与数据采集及控制终端相连，另一端为开路端；M‑BUS控制线，用于控制信号开关电路、以及电源开关电路；数据采集及控制终端，分别连接高频屏蔽信号总线、以及M‑BUS控制线。本发明安装调试简单，是高灵敏度和高准确度的局部放电监测方法，可以对变电站全站多个电力设备进行在线监测，能够及时发现绝缘缺陷并实现初定位，提高设备运行安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号监测与定位方法，尤其涉及一种变电站多源局部放电信号的在线监测与定位方法，具体涉及基于M-BUS的局部放电监测方法与系统。
背景技术
局部放电检测作为绝缘诊断的重要手段，因其能及时有效地反映电力系统电气设备的绝缘状况，正为电力部门所普及。
目前国内外基本都是针对变电站的具体电力设备进行局部放电监测与监测技术的研究，主要应用的检测原理和方法包括脉冲电流法、特高频法(UHF)、超声波法、化学法、光学法等，其中特高频法和超声波法是比较实用可行的方法。
目前局部放电检测的重点和难点在于使用低成本的方案，在实施局部放电检测过程中实现局部放电源的定位与放电程度的评估，从而实现电力设备绝缘状态的评估。
目前对于变电站设备的局部放电监测和定位主要针对GIS、变压器、容性设备等具体单一设备进行，对要监测的设备各自安装一套监测系统。而变电站中的任何高压电力设备均可能会发生局部放电故障，要想对全站进行一次电气设备实施监测，就需要安装多套监测装置，再对其进行综合。这样的监测系统架构，所需费用极高，监测系统的使用效率也低，而且对众多在线监测装置本身的维护工作量也很大。
随着经济和社会的发展，对供电可靠性的要求越来越高，研制一种低成本、高可靠性、能够实现对全站高压电气设备进行实时状态监测、定位的新型在线监测装置非常有必要。
从文献查阅的结果看，现有技术提出了如下几种变电站全站监测的方法。
第一种是使用固定安装式或者车载式特高频天线阵列，基于天线阵列接收局部放电特高频信号的时差进行局部放电源的三维或者方向角的定位。其基于电磁波空间定位技术，改变以往对单个设备安装在线监测装置的常规做法，在全站的立体空间安装一组超宽带UHF传感器阵列接收局部放电发出的电磁波信号，利用各个传感器接收到的信号的时差，计算定位局部放电位置。用一套装置对全站设备进行局部放电的监测，获取和分析整个变电站站域的放电情况。
该第一种方案的不足之处是，由于传感器设置距离设备较远，因为信号在空气中的衰减，该技术适合于比较明显的局部放电检测，且设备成本比较高。
第二种是采用传感器并联的方式，所有信号均在一环状信号总线上传输，信号直接的隔离通过自触发开关实现，该系统基于所并联信号传输到信号环两端存在固定时差，且各个信号的传播时差不同而实现局放源的定位。该系统可以实现一套系统同步监测多个电力设备，但系统的不足之处是对采集系统的采样率有一定的要求，信号时差计算的精度也对相邻传感器在信号总线上的连接距离提出了一定的要求。
该第二种方案的不足之处是，对采集系统的采样率有一定的要求。信号时差计算的精度也对相邻传感器在信号总线上的连接距离提出了一定的要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是：在变电站电力设备上按照监测要求安装局部放电传感电路，该局部放电传感电路包括局部放电传感器及其信号调理电路。多个局部放电传感电路通过一个M-BUS控制的开关电路并行连接到一高频屏蔽线上。局部放电传感电路的供电由M-BUS提供，传感信号的上传均由M-BUS控制的开关所控制。从而实现一套局部放电监测系统，监测变电站全站多个电力设备的目的。而各个局部放电传感器所传感局部放电信号的上传由M-BUS控制，系统采用轮换的方式从1至n依次打开每一个开关，保证每次只接通1路传感信号，从而识别所传感信号的位置，再通过直接传输信号与高频屏蔽线终端反射信号的时差进行定位验证，通过直接传输信号与反射信号的幅值对局部放电源信号进行幅值评估。
根据本发明的一个方面，提供一种基于M-BUS的局部放电监测系统，包括如下部分：
-并接在同一高频屏蔽信号总线上的多个局部放电传感电路Si，i＝1～n，局部放电传感电路包括局部放电传感器、信号调理电路、信号开关电路、以及电源开关电路，局部放电传感器检测到的局部放电信号经信号调理电路形成检波脉冲信号，检波脉冲信号经信号开关电路上传至高频屏蔽信号总线；
-高频屏蔽信号总线，用于连接局部放电传感电路，一端与数据采集及控制终端相连，另一端为开路端；
-M-BUS控制线，用于控制信号开关电路、以及电源开关电路；
-数据采集及控制终端，分别连接高频屏蔽信号总线、以及M-BUS控制线。
优选地，数据采集及控制终端通过M-BUS控制线以轮换的方式依次接通各路局部放电传感电路，从而识别局部放电信号所对应局放信号源的位置，再通过检波脉冲信号的直接传输信号与反射信号的时差进行定位验证，通过直接传输信号与反射信号的幅值评估局部放电信号的幅值；数据采集及控制终端通过M-BUS控制线经电源开关电路向信号调理电路供电；
其中，直接传输信号，是指检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后直接到达数据采集及控制终端的信号，反射信号，是指检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后先到达高频屏蔽信号总线开路端再经反射到达数据采集及控制终端的信号。
优选地，数据采集及控制终端根据下式评估局部放电信号的幅值：
其中，A为局部放电传感电路Si所传感到的局部放电信号经过信号调理电路放大并检波后所得信号的最大幅值，a为检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后直接到达数据采集及控制终端通道的路径距离，b为检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后到达高频屏蔽信号总线开路端的路径距离，x为高频屏蔽信号总线对于检波脉冲信号的衰减，A0为检波脉冲信号直接到达数据采集及控制终端处采集到的幅值，A1为检波脉冲信号传向高频屏蔽信号总线开口端再全反射回数据采集及控制终端处采集到幅值，e为自然常数。
优选地，局部放电传感器包括如下传感器中的任一种或任多种传感器：
-特高频传感器；
-高频电流传感器；
-超声传感器。
优选地，数据采集及控制终端通过M-BUS控制线，使得：
-在信号开关电路闭合连通前控制电源开关电路闭合连通，以向局部放电传感电路的信号调理电路供电；
-在关断信号调理电路的电源前先使得信号开关电路关闭。
优选地，高频屏蔽信号总线的长度小于或等于500米。
根据本发明的另一个方面，还提供一种基于M-BUS的局部放电监测方法，具体为：令多个局部放电传感电路Si，i＝1～n，并接到同一高频屏蔽信号总线上，其中，局部放电传感电路包括局部放电传感器、信号调理电路、信号开关电路、以及电源开关电路，局部放电传感器检测到的局部放电信号经信号调理电路形成检波脉冲信号，检波脉冲信号经信号开关电路上传至高频屏蔽信号总线；其中，高频屏蔽信号总线的一端为信号输出端，另一端为开路端；
利用M-BUS控制线，对信号开关电路和电源开关电路进行开闭控制，并通过电源开关电路向信号调理电路供电；
通过M-BUS控制线以轮换的方式依次接通各路局部放电传感电路，从而识别局部放电信号所对应局放信号源的位置；再在高频屏蔽信号总线的信号输出端，通过检波脉冲信号的直接传输信号与反射信号的时差进行定位验证，通过直接传输信号与反射信号的幅值评估局部放电信号的幅值；
其中，直接传输信号，是指检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后直接到达信号输出端的信号，反射信号，是指检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后先到达高频屏蔽信号总线开路端再经反射到达信号输出端的信号。
优选地，根据下式评估局部放电信号的幅值：
其中，A为局部放电传感电路Si所传感到的局部放电信号经过信号调理电路放大并检波后所得信号的最大幅值，a为检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后直接到达高频屏蔽信号总线的信号输出端的路径距离，b为检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后到达高频屏蔽信号总线开路端的路径距离，x为高频屏蔽信号总线对于检波脉冲信号的衰减，A0为检波脉冲信号直接到达高频屏蔽信号总线的信号输出端处采集到的幅值，A1为检波脉冲信号传向高频屏蔽信号总线开口端再全反射回高频屏蔽信号总线的信号输出端处采集到幅值，e为自然常数。
优选地，通过M-BUS控制线，使得：
-在信号开关电路闭合连通前控制电源开关电路闭合连通，以向局部放电传感电路的信号调理电路供电；
-在关断信号调理电路的电源前先使得信号开关电路关闭。
优选地，高频屏蔽信号总线的长度小于或等于500米；局部放电传感器包括如下传感器中的任一种或任多种传感器：
-特高频传感器；
-高频电流传感器；
-超声传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本系统安装调试简单，提供了一种低成本、高灵敏度和高准确度的局部放电监测方法，可以对变电站全站多个电力设备进行在线监测，能够及时发现绝缘缺陷并实现初定位，提高设备运行安全。
2)本系统的局部放电传感电路由M-BUS供电，实现控制电路向传感电路供电的方案，现场省去了传感电路的电源系统，系统更加简单、可靠与稳定。
3)采用适用局部放电带电检测的传感器：特高频传感器、高频电流传感器和超声传感器，该类传感器安装在所监测电力设备附近或安装在电力设备内部，具有形式灵活，灵敏度高，抗干扰能力强的特点。
4)所传感信号经过信号调理电路转换为频率小于10MHz的检波信号，可在高频屏蔽线内远距离传输。
5)大大降低了变电站设备局部放电在线监测的成本，有助于更多的变电站安装和使用局部放电在线监测设备，提前发现缺陷，减少停电事故的发生，从而提高变电站的智能化水平。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基本原理示意及系统结构图。
图2为局部放电检波信号幅值衰减及所检测信号幅值分布。
图中：
1为局部放电传感电路；
11为局部放电传感器；
12为信号调理电路；
13为信号开关电路；
14为电源开关电路；
2为M-BUS控制线；
3为高频屏蔽信号总线；
4为数据采集及控制终端；
41为M-BUS接口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的技术方案的基本原理如图1所示：多个局部放电传感电路Si(i＝1～n)所传感信号通过三通连接件(N型三通接头)，并接在同一高频屏蔽信号总线上。每个局部放电传感电路中的局部放电传感器检测的局部放电信号均经过放大器放大与前置滤波及检波处理，降频后形成检波脉冲信号。该高频屏蔽信号总线一端接至一数据采集系统，另一端开路，从而实现一套局部放电监测系统，监测多个电力设备的目的。
监测系统结构，如图1所示，主要包括4个部分：
1)局部放电传感电路：含局部放电传感器、信号调理电路和开关电路。局部放电传感器可以是3种基于不同原理的适合于局部放电带电检测的传感器，包括特高频传感器、高频电流传感器、超声传感器。局部放电传感器所传的传感信号经过高频信号线连接至信号调理电路。信号调理电路主要包括放大器、滤波器、检波器，完成信号放大、滤波、信号降频与器件保护作用。开关电路主要为M-BUS控制的两路开关(信号开关和电源开关)，信号开关控制信号的上传，电源开关控制电源的通断。信号开关常态为断开状态，该断开状态下本路传感的局部放电信号不能上传，同时其他路信号也不会因为该路信号的存在而产生衰减。电源开关用于控制局部放电传感电路内信号调理部分的供电。保证信号开关闭合前局部放电传感电路的信号调理电路已经供电，在关断信号调理电路的电源前先关闭信号开关。这样使得所有连接的传感终端任何时候都最多只有一路传感终端消耗电能，整个系统的负载很小。
2)高频屏蔽信号总线：信号环线为一高频屏蔽线，连接至局部放电传感电路的连接处时，通过一信号三通(N型三通)进行信号线的对接。高频屏蔽信号总线的一端与数据采集及控制终端的数据采集卡相连，另一端开路。
3)数据采集及控制终端：数据采集及控制终端为一带控制器(比如工控机)、以及至少包含1路输入的数据采集单元，还包含一可转换为M-BUS的数据接口，可完成数据采集与初步处理，同时通过M-BUS控制安装在局部放电传感电路的开关。控制控制单元信号的上传，实现局放信号源的定位功能，数据与控制单元也可与远程监控单元进行数据通信，实现监测数据的进一步上传。
4)M-BUS控制线：由安装在数据采集及控制单元的数据转接口与M-BUS控制线控制终端组成。M-BUS控制线同时向局部放电传感电路供电。
监测系统技术要求和应用范围：
1)特高频信号传感的局部放电信号频率范围在500MHz～1.5GHz。
2)特高频滤波器的通道频率范围为300MHz～500MHz，600MHz～800MHz，1.1GHz～1.3GHz。
3)特高频放大器的增益不小于30dB，检波器为包络检波，时间常数不大于1μs。
4)高频电流信号传感的局部放电信号频率范围在1MHz～80MHz。
5)高频电流滤波器的通道频率范围为1MHz高通滤波器。
6)高频电流放大器的增益不小于20dB，检波器为功率检波，时间常数不大于100μs。
7)超声信号传感的局部放电信号频率范围在20KHz～80KHz。
8)超声信号滤波器的通道频率范围为1MHz高通滤波器。
9)超声信号放大器的增益不小于20dB(高可至60dB)，检波器为功率检波，时间常数不大于1ms。
10)考虑到检波信号沿高频信号总线向两端传输，在总线上有一定的衰减，高频信号总线的长度不超过500m，以保证每个传感器所接收的局部放电信号及其在高频屏蔽信号线开路端反射的信号均能传播到信号数据采集卡，且有一定的幅值。
放电幅值计算方法：
局部放电传感电路所传感的局部放电信号通过高频屏蔽信号线传输到数据采集卡，不同的传感终端经过屏蔽信号线到达数据采集卡的距离不一样，信号衰减各不相同，而同一套监测系统对局部放电监测给出的信号标定需要一致的标准。故要想获取局部放电原始信号幅值，必须对两通道采集到的信号进行还原。
如图2所示，仍然假设，当局部放电传感电路Si接收到局部放电特高频信号经过放大并检波后，其信号最大幅值为A，进入有线信号环，其到达数据采集及控制终端通道的路径距离为a米，到达高频屏蔽信号总线开路端的路径距离为b米。假设有线信号环对于局部放电检波信号的衰减为x db/米。传感信号直接到达数据采集及控制终端处采集到幅值为A0，传感信号传向高频屏蔽信号总线再全反射回数据采集及控制终端处采集到幅值为A1，e为自然常数。
则：
0.5A*ea*x/20*0.5A*eb+(a+b)*x/20＝A0*A1 (1)
0.25A2*e2(a+b)*x/20＝A0*A1 (2)
式中A前的0.5表示信号作为传感终端的局部放电传感电路传入高频屏蔽信号总线后向两边传输，能量一分为二，两个方向的信号所占能量均为传感信号的0.5倍。式中a+b即为高频屏蔽信号总线的总长度，则对于一个已知屏蔽信号环长度的特定系统而言，任意一个局部放电传感电路所传感信号沿高频屏蔽信号总线向两边传播，到达数据采集及控制终端所经历的总长度等于e2(a+b)*x/20，该值固定不变，且对任意一个局部放电传感电路而言，其相等。
该值可以通过已知幅值A的标准检波信号校准测出。则校准过后，数据采集及控制终端采集到的任意局部放电检波信号都可由下式求出。
通过式(3)，便可还原局部放电最初的幅值。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种基于M-BUS的局部放电监测系统，其特征在于，包括如下部分：
-并接在同一高频屏蔽信号总线上的多个局部放电传感电路Si，i＝1～n，局部放电传感电路包括局部放电传感器、信号调理电路、信号开关电路、以及电源开关电路，局部放电传感器检测到的局部放电信号经信号调理电路形成检波脉冲信号，检波脉冲信号经信号开关电路上传至高频屏蔽信号总线；
-高频屏蔽信号总线，用于连接局部放电传感电路，一端与数据采集及控制终端相连，另一端为开路端；
-M-BUS控制线，用于控制信号开关电路、以及电源开关电路；
-数据采集及控制终端，分别连接高频屏蔽信号总线、以及M-BUS控制线；
数据采集及控制终端通过M-BUS控制线以轮换的方式依次接通各路局部放电传感电路，从而识别局部放电信号所对应局放信号源的位置，再通过检波脉冲信号的直接传输信号与反射信号的时差进行定位验证，通过直接传输信号与反射信号的幅值评估局部放电信号的幅值；数据采集及控制终端通过M-BUS控制线经电源开关电路向信号调理电路供电；
其中，直接传输信号，是指检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后直接到达数据采集及控制终端的信号，反射信号，是指检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后先到达高频屏蔽信号总线开路端再经反射到达数据采集及控制终端的信号。
2.根据权利要求1所述的基于M-BUS的局部放电监测系统，其特征在于，数据采集及控制终端根据下式评估局部放电信号的幅值：
其中，A为局部放电传感电路Si所传感到的局部放电信号经过信号调理电路放大并检波后所得信号的最大幅值，a为检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后直接到达数据采集及控制终端通道的路径距离，b为检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后到达高频屏蔽信号总线开路端的路径距离，x为高频屏蔽信号总线对于检波脉冲信号的衰减，A0为检波脉冲信号直接到达数据采集及控制终端处采集到的幅值，A1为检波脉冲信号传向高频屏蔽信号总线开口端再全反射回数据采集及控制终端处采集到幅值，e为自然常数。
3.根据权利要求1所述的基于M-BUS的局部放电监测系统，其特征在于，局部放电传感器包括如下传感器中的任一种或任多种传感器：
-特高频传感器；
-高频电流传感器；
-超声传感器。
4.根据权利要求1所述的基于M-BUS的局部放电监测系统，其特征在于，数据采集及控制终端通过M-BUS控制线，使得：
-在信号开关电路闭合连通前控制电源开关电路闭合连通，以向局部放电传感电路的信号调理电路供电；
-在关断信号调理电路的电源前先使得信号开关电路关闭。
5.根据权利要求1所述的基于M-BUS的局部放电监测系统，其特征在于，高频屏蔽信号总线的长度小于或等于500米。
6.一种根据权利要求1所述的基于M-BUS的局部放电监测系统的监测方法，其特征在于，具体为：
令多个局部放电传感电路Si，i＝1～n，并接到同一高频屏蔽信号总线上，其中，局部放电传感电路包括局部放电传感器、信号调理电路、信号开关电路、以及电源开关电路，局部放电传感器检测到的局部放电信号经信号调理电路形成检波脉冲信号，检波脉冲信号经信号开关电路上传至高频屏蔽信号总线；其中，高频屏蔽信号总线的一端为信号输出端，另一端为开路端；
利用M-BUS控制线，对信号开关电路和电源开关电路进行开闭控制，并通过电源开关电路向信号调理电路供电；
通过M-BUS控制线以轮换的方式依次接通各路局部放电传感电路，从而识别局部放电信号所对应局放信号源的位置；再在高频屏蔽信号总线的信号输出端，通过检波脉冲信号的直接传输信号与反射信号的时差进行定位验证，通过直接传输信号与反射信号的幅值评估局部放电信号的幅值；
其中，直接传输信号，是指检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后直接到达信号输出端的信号，反射信号，是指检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后先到达高频屏蔽信号总线开路端再经反射到达信号输出端的信号。
7.根据权利要求6所述的基于M-BUS的局部放电监测系统的监测方法，其特征在于，根据下式评估局部放电信号的幅值：
其中，A为局部放电传感电路Si所传感到的局部放电信号经过信号调理电路放大并检波后所得信号的最大幅值，a为检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后直接到达高频屏蔽信号总线的信号输出端的路径距离，b为检波脉冲信号进入高频屏蔽信号总线后到达高频屏蔽信号总线开路端的路径距离，x为高频屏蔽信号总线对于检波脉冲信号的衰减，A0为检波脉冲信号直接到达高频屏蔽信号总线的信号输出端处采集到的幅值，A1为检波脉冲信号传向高频屏蔽信号总线开口端再全反射回高频屏蔽信号总线的信号输出端处采集到幅值，e为自然常数。
8.根据权利要求6所述的基于M-BUS的局部放电监测系统的监测方法，其特征在于，通过M-BUS控制线，使得：
-在信号开关电路闭合连通前控制电源开关电路闭合连通，以向局部放电传感电路的信号调理电路供电；
-在关断信号调理电路的电源前先使得信号开关电路关闭。
9.根据权利要求6所述的基于M-BUS的局部放电监测系统的监测方法，其特征在于，高频屏蔽信号总线的长度小于或等于500米；局部放电传感器包括如下传感器中的任一种或任多种传感器：
-特高频传感器；
-高频电流传感器；
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