CN104777408A - 基于物联网的开关柜局部放电tev在线监测系统 - Google Patents

基于物联网的开关柜局部放电tev在线监测系统 Download PDF

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孔鹏
张一鸣
王琳
钱勇
李榛
陈孝信
张亚新
许永鹏
盛戈皞
江秀臣
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Shanghai Jiaotong University
State Grid Corp of China SGCC
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Shanghai Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,包括:至少一个监测终端,其对开关柜局部放电TEV信号进行在线检测并生成相应的检测数据;TEV在线监测系统管理中心,其与所述监测终端之间通过无线自组织网络连接;所述监测终端通过无线自组织网络接收来自所述TEV在线监测系统管理中心的控制指令,并根据该指令将检测数据发送至所述TEV在线监测系统管理中心,所述TEV在线监测系统管理中心接收来自所述监测终端的检测数据并对其进行分析以评估所述开关柜的绝缘状况。

Description

基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种TEV(暂态地电压)在线监测装置,尤其涉及一种开关柜局部放电TEV在线监测系统。
背景技术
[0002] 开关柜是电力系统配电网的重要组成部分,10kV、35kV等金属封闭成套开关柜被广泛应用于各个变电站,这些开关设备运行的可靠性和安全性决定了供电的可靠性和安全性。开关柜设备在长期运行中必然存在电、热、化学及异常条件下形成的绝缘劣化,进而导致电气绝缘强度降低,甚至发生故障。测量开关柜设备内部的局部放电信号是目前预防开关柜设备绝缘故障的有效方法。
[0003] 如果局部放电发生在相对大地绝缘的一个高压的设备上,比如金属开关板或者电缆终端,电荷会从高压导体耦合到接地的金属外壳。这种电荷很少,通常情况是皮法级的,且耦合时间通常只有几个皮秒。
[0004] 当局部放电发生的时候,电磁波向放电两端传输。由于集肤效应的影响,在开关柜金属腔体内部传输的电磁波信号不能从外部直接探测到。但是,在金属外壳的一个开口处,电磁波可以传到外部空间。波上升沿在金属外壳的表面产生一个暂态的地电压,因此这项技术被称作TEV(暂态地电压)检测法。这个暂态电压的上升时间是纳秒级的,峰值从毫伏级到伏级不等。TEV的量值是放电峰值和传播路径的函数。传播路径的衰减是开关柜内部结构和开口大小的函数。
[0005] TEV作为开关柜状态维修的测试手段近年来已被国内各电力公司广泛接受,此方法通过监测开关柜设备发生局部放电过程中产生的TEV信号,对开关柜设备绝缘状态进行评估。目前,使用最广泛的是英国EA公司的TEV检测仪,该仪器使用简单方便,通过检测开关柜表面的TEV信号来检测开关柜内部存在的局部放电,但此类检测仪器在应用中存在诸多缺点:(1)检测仪为手持式检测仪,只有一个检测通道,检测效率低;(2)大量的开关柜需要定期检测,检测工作量巨大;(3)手持式检测仪没有数据存储功能,不能方便地对比及查询检测的历史信息;(4)单个检测仪的价格贵,成本高;(5)对于不适宜检测人员靠近的场合(如现场耐压试验),手持式检测设备不能适用。
发明内容
[0006] 本发明的目的之一是提供一种基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其能实现一路或多路无线检测通道,从而大大提尚检测效率。
[0007] 为了达到上述目的,本发明提供了一种基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其包括:
[0008] 至少一个监测终端,其对开关柜局部放电TEV信号进行在线检测并生成相应的检测数据;
[0009] TEV在线监测系统管理中心,其与所述监测终端之间通过无线自组织网络连接;
[0010] 所述监测终端通过无线自组织网络接收来自所述TEV在线监测系统管理中心的控制指令,并根据该指令将检测数据发送至所述TEV在线监测系统管理中心,所述TEV在线监测系统管理中心接收来自所述监测终端的检测数据并对其进行分析以评估所述开关柜的绝缘状况。
[0011] 本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其基于物联网技术,通过无线自组织网络,在一个或多个监测终端与TEV在线监测系统管理中心之间实现一路或多路无线检测通道,从而大大提高检测效率。本发明通过对多个监测终端的统一管理和集中诊断,可以高效率地同时在线进行大量开关柜的检测工作,节省了大量的人力和时间;同时,具有数据存储功能,能方便地对比及查询检测的历史信息;并且,监测终端的成本比单个检测仪要低,监测终端数量越多,成本优势越明显;对于不适宜检测人员靠近的场合(如现场耐压试验),手持式检测设备不能适用,而本发明不存在这样的问题。
[0012] 进一步地,在本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述监测终端包括:
[0013] 信号模块,其用于对开关柜局部放电TEV信号进行在线检测并转换为数字信号输出;
[0014] 存储模块,其用于数据存储;
[0015] 第一通讯模块,其用于数据通讯;
[0016] 第一电源模块,其用于电源供给;以及
[0017] 第一中央处理单元,其与所述信号模块、存储模块、第一通讯模块以及第一电源模块连接并对其进行控制:控制所述第一通讯模块接收来自所述TEV在线监测系统管理中心的控制指令,并根据该指令控制所述信号模块对开关柜局部放电TEV信号的在线检测,接收其输出的数字信号;控制所述存储模块存储所述数字信号,生成检测数据;将所述检测数据通过无线自组织网络发送至所述TEV在线监测系统管理中心。
[0018] 上述方案中,监测终端通过信号模块对开关柜局部放电TEV信号进行在线检测,并通过存储模块生成相应的检测数据;通过第一通讯模块实现监测终端与TEV在线监测系统管理中心之间的无线自组织网络连接,并基于该网络进行数据交换,包括所述检测数据及控制指令的数据交换。
[0019] 更进一步地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述监测终端还包括用户界面,其包括与所述第一中央处理单元连接的显示模块和输入模块,用于数据的输入和显示,从而完成对监测终端进行参数设置(例如设置报警阈值、背景阈值、工频周期(50hz或60hz)、工作模式(包含单次模式和连续模式)、增益控制(包含自动增益控制和手动增益控制)等等)。
[0020] 上述方案中,显示模块通常是液晶显示屏,输入模块通常是键盘,用于本发明与用户之间的人机交互。
[0021] 更进一步地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述信号模块包括依次相连的:
[0022] 传感器,其用于检测开关柜局部放电TEV信号并输出;
[0023] 放大模块,其用于接收所述传感器的输出信号并对其进行放大后输出;以及
[0024] AD转换模块,其用于接收所述放大模块的输出信号并对其进行AD转换后输出。
[0025] 在本技术方案中,放大模块的放大倍数可以根据开关柜局部放电TEV信号的幅值通过算法自匹配,由第一中央处理单元计算和控制。
[0026] 优选地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述存储模块包括:SD卡。SD卡主要用于检测数据的存储。此外,存储模块还可包括如SRAM、EEPROM等存储单元用于系统信息存储。
[0027] 优选地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述第一通讯丰吴块包括:
[0028] 第一 ZigBee模块,其与第一中央处理单元连接,该第一 ZigBee模块用于ZigBee组网,实现所述无线自组织网络连接。
[0029] 更进一步地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述第一通讯模块还包括USB接口。
[0030] 更进一步地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述第一电源模块包括:
[0031] 储能单元,其输出电能;
[0032] 电源管理单元,其与储能单元连接,电源管理单元对所述储能单元输出的电能进行转换分配,以提供适合所述监测终端中各模块电压等级的电源。
[0033] 在本技术方案中,储能单元可以是电池或是本领域内技术人员知晓的其他储能元件。
[0034] 优选地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述第一中央处理单元包括:第一微处理器,其与所述信号模块、存储模块、第一通讯模块以及第一电源模块分别连接。
[0035] 上述方案中,第一微处理器可以是ARM芯片;第一中央处理单元还可包括CPLD (复杂可编程逻辑器件)芯片,由CPLD对数据进行初步处理后再由ARM芯片做进一步处理,同时ARM芯片协调整个系统的各个硬件。
[0036] 在本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述监测终端的数量可以设置为12个。
[0037] 进一步地,在本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述TEV在线监测系统管理中心包括相互数据连接的:
[0038] 信号处理模块,其用于通过无线自组织网络对所述监测终端发出控制指令,以及接收来自所述监测终端的检测数据并输出;
[0039] 诊断中心,其用于生成所述控制指令并将其传输给所述信号处理模块,以及接收所述信号处理模块输出的检测数据并对其进行分析以评估所述开关柜的绝缘状况。
[0040] 上述方案中,TEV在线监测系统管理中心通过信号处理模块实现与监测终端之间的无线自组织网络连接;通过诊断中心生成控制指令,并通过信号处理模块发送控制指令;通过信号处理模块接收检测数据,并通过诊断中心对其进行分析以评估开关柜的绝缘状况。
[0041] 更进一步地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述信号处理模块包括:
[0042] 第二通讯模块,其用于数据通讯;
[0043] 第二电源模块,其用于电源供给;
[0044] 网络端口,其用于所述信号处理模块和诊断中心之间的数据传输;
[0045] 第二中央处理单元,其与所述第二通讯模块、第二电源模块以及网络端口连接并对其进行控制:控制所述第二通讯模块发送所述控制指令;控制所述第二通讯模块接收来自所述监测终端的检测数据;控制所述网络端口将所述检测数据输出至诊断中心。
[0046] 上述方案中,信号处理模块通过第二通讯模块实现与监测终端之间的无线自组织网络连接;第二电源模块可以是电池;通过网络端口实现与诊断中心之间的数据连接;通过第二中央处理单元控制控制指令的发送和检测数据的收发。
[0047] 优选地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述第二通讯模块包括:第二 ZigBee模块,其与第二中央处理单元连接,第二 ZigBee模块用于ZigBee组网,实现所述无线自组织网络连接。
[0048] 优选地,上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述第二中央处理单元包括:第二微处理器,其与所述第二通讯模块、第二电源模块以及网络端口分别连接。在本技术方案中,第二微处理器可以是MCU。
[0049] 上述基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述诊断中心可以包括:具有诊断功能的智能设备(例如笔记本电脑、PC机、工控机等),该智能设备可实现所述控制指令的生成,对所述检测数据的分析,以及对所述开关柜的绝缘状况的评估。
[0050] 进一步地,在本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统中,所述监测终端为具有磁性的监测终端,使用时能自动吸附在开关柜的金属外壳上。
[0051 ] 上述方案中,监测终端的磁性可以通过在其内部设置磁铁实现。
[0052] 本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,具有以下优点:
[0053] I)实现一路或多路检测通道,从而大大提高了检测效率;
[0054] 2)可以高效率地同时在线进行大量开关柜的检测工作,节省了大量的人力和时间;
[0055] 3)具有数据存储功能,能方便地对比及查询检测的历史信息;
[0056] 4)监测终端的成本比单个检测仪要低,监测终端数量越多,成本优势越明显;
[0057] 5)对于不适宜检测人员靠近的场合(如现场耐压试验),手持式检测设备不能适用,而本发明不存在这样的问题。
附图说明
[0058] 图1为本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的拓扑结构图。
[0059] 图2为本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的监测终端的结构示意框图。
[0060] 图3为本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的监测终端的硬件架构示意图。
[0061] 图4为本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的TEV在线监测系统管理中心的结构示意框图。
[0062] 图5为本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的TEV在线监测系统管理中心的硬件架构示意图。
具体实施方式
[0063] 以下将根据具体实施例及说明书附图对本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统做进一步说明,但是该说明并不构成对本发明的不当限定。
[0064] 图1显示了本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的拓扑结构。
[0065] 如图1所示,在该实施例中的系统包括:12个监测终端,其对12个开关柜局部放电TEV信号进行在线检测并生成相应的检测数据;TEV在线监测系统管理中心,其与监测终端之间通过ZigBee网络连接;监测终端通过ZigBee网络接收来自TEV在线监测系统管理中心的控制指令,并根据该指令将检测数据发送至TEV在线监测系统管理中心,TEV在线监测系统管理中心接收来自监测终端的检测数据并对其进行分析以评估开关柜的绝缘状况。
[0066] 图2示意了本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的监测终端的结构。
[0067] 如图2所示,在该实施例中的监测终端包括:信号模块,其包括依次相连的:传感器,其用于检测开关柜局部放电TEV信号并输出;放大模块,其用于接收传感器的输出信号并对其进行放大后输出;以及AD转换模块,其用于接收放大模块的输出信号并对其进行AD转换后输出;存储模块,其包括:SD卡,其用于检测数据的存储;SRAM,其用于系统缓存;EEPROM,其用于系统设置信息存储;第一通讯模块,包括:第一 ZigBee模块,其用于ZigBee组网;USB接口,其用于设置监测终端的基本信息;第一电源模块,包括:作为储能单元的锂电池,其输出电能;电源管理单元,其对锂电池输出的电能进行转换分配,以提供适合监测终端中各模块电压等级的电源;还包括一开关对第一电源模块输出的电源进行开启和关断的控制;用户界面,其包括液晶显示屏和键盘,用于对监测终端进行参数设置,并在液晶显示屏上显示;以及第一中央处理单元,包括CPLD芯片和ARM芯片,由CPLD对数据进行初步处理后再由ARM芯片做进一步处理,同时ARM芯片协调整个系统的各个硬件;第一中央处理单元与信号模块、存储模块、第一通讯模块、第一电源模块以及用户界面连接并对其进行控制:控制第一通讯模块接收来自TEV在线监测系统管理中心的控制指令,并根据该指令控制信号模块对开关柜局部放电TEV信号的在线检测,接收其输出的数字信号;控制存储模块存储数字信号,生成检测数据;将检测数据通过无线自组织网络发送至TEV在线监测系统管理中心。
[0068] 上述方案中,信号模块对开关柜局部放电TEV信号进行提取放大,放大倍数为0dB、20dB、40dB,通过第一中央处理单元控制模拟开关实现,具体放大倍数根据开关柜局部放电TEV信号幅值通过算法自匹配,通频带为IMHz-lOMHz,采用AD9266-20芯片作为AD转换芯片,采样频率为20MHz,分辨率为16位;锂电池电压为3.7V,由电源管理单元转换为各个模块所需的电压。
[0069] 图3示意了本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的监测终端的硬件架构。
[0070] 如图3所示,在该实施例中的监测终端的核心硬件包括:液晶屏1、主电路板2、SD卡槽3、第一 ZigBee模块4、绝缘板5、传感器6、锂电池7以及纽扣形磁铁8 ;以上各硬件均安装于塑料外壳9内;主电路板2用于安装液晶屏1、SD卡槽3以及其他模块;绝缘板5用于安装第一 ZigBee模块4以及传感器6。
[0071] 图4示意了本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的TEV在线监测系统管理中心的结构。
[0072] 如图4所示,在该实施例中的TEV在线监测系统管理中心包括相互数据连接的:信号处理模块,其包括:第二通讯模块,该第二通讯模块包括第二 ZigBee模块,用于ZigBee组网;第二电源模块,该第二电源模块包括锂电池;网络端口,该网络端口用于信号处理模块和诊断中心之间的数据传输;第二中央处理单元,该第二中央处理单元包括MCU,其与第二通讯模块、第二电源模块以及网络端口连接并对其进行控制:控制第二通讯模块发送控制指令;控制第二通讯模块接收来自监测终端的检测数据;控制网络端口将检测数据输出至诊断中心;信号处理模块还用于对所述监测终端进行基本信息的设置;诊断中心,其包括:安装有诊断程序的笔记本电脑,该笔记本电脑通过执行诊断程序实现控制指令的生成,对检测数据的分析,以及对开关柜的绝缘状况的评估。
[0073] 上述方案中,诊断程序包括绝缘分析软件程序,其主要包括数据采集程序、信号处理程序、TEV信号特征提取程序以及分析诊断程序。数据采集程序按照设定参数指定相应监测终端进行数据采集,并将采集到的数据进行保存;信号处理程序使用了 FIR滤波、FFT滤波、小波滤波等多种滤波算法,滤除现场的大量噪声干扰。诊断程序通过对相应开关柜局部放电TEV检测数据进行处理分析,判断相应开关柜局部放电的严重程度,进而对相应开关柜绝缘状态进行评估。
[0074] 图5示意了本发明所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统在一种实施方式下的TEV在线监测系统管理中心的硬件架构。
[0075] 如图5所示,在该实施例中的TEV在线监测系统管理中心的核心硬件包括:液晶屏10、主电路板11、网络端口 12、第二 ZigBee模块13、绝缘板14以及锂电池15 ;以上各硬件均安装于塑料外壳17内;主电路板11用于安装液晶屏10、网络端口 12以及其他模块;绝缘板14用于安装第二 ZigBee模块13以及锂电池15 ;还包括笔记本电脑16,其与网络端口12通过网线18连接。
[0076] 本实施例的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统使用时,对12个监测终端分别进行参数设置后,将其自动吸附在相应被测开关柜的金属外壳上,通过笔记本电脑进行远程在线控制监测。
[0077] 需要注意的是,以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例,随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的,均应属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,包括: 至少一个监测终端,其对开关柜局部放电TEV信号进行在线检测并生成相应的检测数据; TEV在线监测系统管理中心,其与所述监测终端之间通过无线自组织网络连接;所述监测终端通过无线自组织网络接收来自所述TEV在线监测系统管理中心的控制指令,并根据该指令将检测数据发送至所述TEV在线监测系统管理中心,所述TEV在线监测系统管理中心接收来自所述监测终端的检测数据并对其进行分析以评估所述开关柜的绝缘状况。
2.如权利要求1所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述监测终端包括: 信号模块,其用于对开关柜局部放电TEV信号进行在线检测并转换为数字信号输出; 存储模块,其用于数据存储; 第一通讯模块,其用于数据通讯; 第一电源模块,其用于电源供给;以及 第一中央处理单元,其与所述信号模块、存储模块、第一通讯模块以及第一电源模块连接并对其进行控制:控制所述第一通讯模块接收来自所述TEV在线监测系统管理中心的控制指令,并根据该指令控制所述信号模块对开关柜局部放电TEV信号的在线检测,接收其输出的数字信号;控制所述存储模块存储所述数字信号,生成检测数据;将所述检测数据通过无线自组织网络发送至所述TEV在线监测系统管理中心。
3.如权利要求2所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述监测终端还包括用户界面,其包括与所述第一中央处理单元连接的显示模块和输入模块。
4.如权利要求2所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述信号模块包括依次相连的: 传感器,其用于检测开关柜局部放电TEV信号并输出; 放大模块,其用于接收所述传感器的输出信号并对其进行放大后输出;以及 AD转换模块,其用于接收所述放大模块的输出信号并对其进行AD转换后输出。
5.如权利要求2所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述第一通讯模块包括:第一 ZigBee模块,其与第一中央处理单元连接。
6.如权利要求5所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述第一通讯模块还包括USB接口。
7.如权利要求2所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述第一电源模块包括: 储能单元,其输出电能; 电源管理单元,其与储能单元连接,所述电源管理单元对所述储能单元输出的电能进行转换分配,以提供适合所述监测终端中各模块电压等级的电源。
8.如权利要求2所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述第一中央处理单元包括:第一微处理器,其与所述信号模块、存储模块、第一通讯模块以及第一电源模块分别连接。
9.如权利要求1所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述TEV在线监测系统管理中心包括相互数据连接的: 信号处理模块,其通过无线自组织网络对所述监测终端发出控制指令,以及接收来自所述监测终端的检测数据并输出; 诊断中心,其生成所述控制指令并将其传输给所述信号处理模块,以及接收所述信号处理模块输出的检测数据并对其进行分析以评估所述开关柜的绝缘状况。
10.如权利要求9所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述信号处理模块包括: 第二通讯模块,其用于数据通讯; 第二电源模块,其用于电源供给; 网络端口,其用于所述信号处理模块和诊断中心之间的数据传输; 第二中央处理单元,其与所述第二通讯模块、第二电源模块以及网络端口分别连接并对其进行控制:控制所述第二通讯模块发送所述控制指令;控制所述第二通讯模块接收来自所述监测终端的检测数据;控制所述网络端口将所述检测数据输出至诊断中心。
11.如权利要求10所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述第二通讯模块包括:第二 ZigBee模块,其与第二中央处理单元连接。
12.如权利要求10所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述第二中央处理单元包括:第二微处理器,其与所述第二通讯模块、第二电源模块以及网络端口分别连接。
13.如权利要求1所述的基于物联网的开关柜局部放电TEV在线监测系统,其特征在于,所述监测终端为具有磁性的监测终端。
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