CN106323456A - 一种声测式电力设备运行状态监测仪及监测方法 - Google Patents

一种声测式电力设备运行状态监测仪及监测方法 Download PDF

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    • G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups

Abstract

本发明涉及一种声测式电力设备运行状态监测仪及检测方法，属于电力设备运行状态监测技术领域，监测仪包括声音传感器、SPI接口的数据采集卡与驱动模块、AC/DC适配器、DC5V‑DC3V转换模块以及ARM模块，声音传感器经3P传感器连接线分别连接至数据采集卡，数据采集卡连接驱动模块，驱动模块连接ARM模块，AC/DC适配器连接DC5V‑DC3V转换模块，DC5V‑DC3V转换模块连接驱动模块。借助所涉及的监测仪能够对电力设备运行状况实现在线实时监测，实现了对电力设备及时、准确、可靠的监测效果，从而及时发现出现故障的电力设备，使故障在第一时间得到处理，提高了电网维护的效率及故障排除的准确性，整体上使因电力设备局部问题导致的电网系统运行中止率显著降低。

Description

一种声测式电力设备运行状态监测仪及监测方法
技术领域
本发明涉及电力设备运行状态监测技术领域，具体涉及到的是一种声测式电力设备运行状态监测仪及监测方法。
背景技术
在现有技术中，电力主设备在运行过程中，常会由于负载的变化而导致设备内部电压的剧烈波动，同时由于设备内部的缺陷也会引起绝缘体产生电离而发生放电。在此过程中，总是伴随着高频电流脉冲、电磁辐射及声、光、热和化学过程等现象。根据这些不同现象，分别采用相应的方法来测量，各自测得的量值都可用来反映设备内部缺陷和故障存在的程度和状况。
例如电力变压器在运行时，本体(铁心、绕组)及冷却装置的振动都会发出声音。磁滞伸缩和绕组匝间电动力所引起的振动是电力变压器本体振动最主要的来源，本体振动通过铁心垫脚和绝缘油两条路径传递给油箱壁，使油箱壁产生振动，进而产生本体噪声，并以声波的形式向四周发射。冷却装置自身产生振动与噪声，并通过接头等将振动传递到油箱壁。通过监测电力变压器在正常运行或出现故障时发出的不同声音，能够更好地了解变压器的运行状况，有经验的人员可以通过辨别变压器发出的声音判断变压器当前状态。例如：“嗡嗡”声是正常运行的声响；高且沉重的“嗡嗡”声是变压器经受个别大功率电气设备的起动电流冲击或者变压器过负荷严重时的声响；“噼啪”的清脆击铁声是高压瓷套管引线通过空气对变压器外壳的放电声，是变压器油箱上部缺油所致。但是受局限于工作人员的经验，不仅判断准确性不高，而且较难实现在线实时或连续检测。此外对在微小变化时产生的声音无法靠经验人工判断。
鉴于依靠人工监测，不但耗时费力，而且存在人为因素的不可靠性，不能满足要求的对电力网络及时、准确、可靠监测的要求。所以，目前实现电力设备运行状况的实时监测是亟待解决的技术问题。
如上所述，由于电力设备在发生事故或异常前，设备运行产生的声音与正常状态下的运行声音会有变化，所以借助对电力设备正常运行和各种异常运行工况下产生的声音的不同，可以设计一种监测设备对电力设备运行状况进行实时监测。
发明内容
鉴于目前因不能够对电力设备运行状况实现及时、准确、可靠的监测，而致使在电力设备运行异常或者故障时，不能够及时发现使故障得到消除，导致电力系统大面积运行中止，造成损失的问题，本发明提供了一种声测式电力设备运行状态监测仪及监测方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种声测式电力设备运行状态监测仪，包括一组声音传感器、SPI接口的数据采集卡、SPI接口的驱动模块、AC/DC适配器、DC5V-DC3V转换模块以及ARM模块；所述声音传感器经3P传感器连接线分别连接至所述数据采集卡，所述数据采集卡连接所述驱动模块，所述驱动模块连接ARM模块；所述AC/DC适配器连接所述DC5V-DC3V转换模块，所述DC5V-DC3V转换模块连接所述驱动模块。
优选地，还包括SD卡模块，所述SD卡模块连接所述ARM模块。
优选地，还包括以太网控制模块，所述以太网控制模块连接所述ARM模块。
优选地，还包括按键模块和显示模块，所述按键模块及所述显示模块分别连接所述ARM模块。
优选地，还包括分别连接所述ARM模块的232接口1和232接口2。
优选地，所述的一组声音传感器布为16个，对应地，所述数据采集卡为16路16位数据采集卡。
本发明还提供了一种声测式电力设备运行状态监测方法，所述监测方法借助数学建模手段，为经处理得到的电力设备在正常运行工况下和在各种异常运行工况下发出的声音信号，分别建立数学模型，通过数学模型分析得到各种工况下的声音阈值，从而确定出报警声音阈值；
电力设备发出的声音信号的收集及处理过程为：
①布置在电力设备表面的声音传感器接受电力设备发出的声音并形成传感信号传送至数据采集卡；②所述数据采集卡输出的数字信号通过内置20MHZ晶振的驱动模块来实现与ARM模块的数据交互；③在ARM模块中，对传送至的数字信号进行处理分析，得到实时状态下所采集声音对应的声音阈值，并将得到的声音阈值与设定的报警声音阈值对比，而实现对电力设备运行状况的实时监测和预警。
本发明的有益效果是：借助本发明所涉及的一种声测式电力设备运行状态监测仪，能够对电力设备运行状况实现在线实时监测。即所述声音传感器与数据采集卡将电力设备发出的声音实时进行采集，并由模拟信号转换为数字信号。AC/DC适配器与DC5V-DC3V转换模块，其中AC/DC适配器将222v交流电压转换为5v直流电压，为各模块的运行提供持续稳定的直流电源，所述DC5V-DC3V转换模块将DC5V电压值转换为DC3V电压，为所述驱动模块提供持续稳定的工作电源。转换所得的数字信号通过设置在所述数据采集卡与所述ARM模块之间的驱动模块，使所述数据采集卡与所述ARM模块之间完成数据交互。实现了对电力设备及时、准确、可靠的监测效果，从而能够及时发现出现故障的电力设备，使故障在第一时间得到处理，提高了电网维护的效率及故障排除的准确性，整体上使因电力设备局部问题导致的电网系统运行中止率显著降低。
所述声测式电力设备运行状态监测仪中所涉及SD卡模块经总线连接所述ARM模块，能够按照所述ARM模块的指令，存储采集转化所得的声音信息。
所述声测式电力设备运行状态监测仪中所涉及的以太网控制模块，实现所述ARM模块与外部支持以太网协议的设备进行数据交互。
所述声测式电力设备运行状态监测仪中所涉及的按键模块和显示模块相配合使用，能为人机交互提供友好的界面，可以在所述ARM模块控制下，显示监测点的声音实时值，报警声音阈值、监测时间等信息，通过配合按键模块，实现报警声音阈值等参数的设置。
所述声测式电力设备运行状态监测仪中所涉及的分别连接所述ARM模块的232接口1和232接口2，分别为所述监测仪程序拷贝、系统升级、参数配置提供串行接口，以及为实现ARM模块与外部支持232串行协议的设备进行数据交互提供串行接口，同时，也可通过外置232-485转换模块，实现ARM模块与外部支持485协议的设备进行数据交互。
本发明所涉及的一种声测式电力设备运行状态监测方法，以数学建模分析为基础，通过对电力设备发出声音信号的采集、处理及分析对比声音阈值的不同，能够实现对电力设备运行状况的在线实时监测，从而能够及时发现出现故障的电力设备，并作出预警，使故障在第一时间得到处理，提高了电网维护的效率及故障排除的准确性，整体上使因局部电力设备问题导致的电网系统运行故障率显著降低。
附图说明
图1为本发明的连接结构示意图。
具体实施方式
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示的一种声测式电力设备运行状态监测仪，包括16个声音传感器(即一组声音传感器为16个)、一个SPI接口的数据采集卡、以及与所述数据采集卡对应的亦为SPI接口的驱动模块、AC/DC适配器、DC5V-DC3V转换模块以及ARM模块。在图1中所述声音传感器为声音传感器1、声音传感器2、声音传感器3，依次排序直至声音传感器16，即采集信号来源为16个检测位置，所以分析处理的信号所得结果具有好的可靠性，分析结果体现整体性和局部性。对于检测位置可以扩展到64位，即设置64个声音传感器来采集信号。声音传感器具体数目的设置及位置的布置根据对应电力设备的体积及结构的复杂程度具体而定。所述声音传感器经3P传感器连接线分别连接至所述数据采集卡，在所述3P传感器连接线中一路为+5V、一路为+0V、一路为声音传感器输出的模拟电压。对应设置的16个声音传感器，所述数据采集卡为SPI接口的16路16位数据采集卡，所述16路16位数据采集卡连接所述驱动模块，可输入16路模拟信号，输出16位数字信号。所述驱动模块支持SPI协议，内置20MHZ晶振，连接ARM模块，实现所述16路16位数据采集卡与所述ARM模块之间的数据交互。
所述AC/DC适配器连接所述DC5V-DC3V转换模块，所述DC5V-DC3V转换模块连接所述驱动模块。所述AC/DC适配器将222v交流电压转换为5v直流电压，从而为检测仪中的相应模块提供持续稳定的DC5V工作电源，所述DC5V-DC3V转换模块将DC5V电压值转换为DC3V电压，为所述驱动模块提供持续稳定的工作电源。
在图1中，设置了SD卡模块，所述SD卡模块连接所述ARM模块，能够按照ARM模块的指令，存储采集转化所得的声音信息。设置了以太网控制模块，所述以太网控制模块连接所述ARM模块，能实现ARM模块与外部支持无线数传协议的设备进行数据交互。图中RJ45表示网线水晶头。设置了2*4按键模块和TFT显示模块，所述2*4按键模块及所述TFT显示模块分别连接所述ARM模块。所述2*4按键模块及所述TFT显示模块配合使用能为人机交互提供友好的界面，可以在ARM模块控制下，显示16个监测点的声音实时值，报警声音阈值等信息，通过配合2*4按键模块，实现报警声音阈值等参数的设置。设置了分别连接所述ARM模块的232接口1和232接口2。所述232接口1为所述监测仪程序拷贝、系统升级、参数配置提供串行接口；所述232接口2为实现所述ARM模块与外部支持232串行协议的设备进行数据交互提供串行接口，同时，也可通过外置232-485转换模块，实现ARM模块与外部支持485协议的设备进行数据交互。
所述ARM模块按照预置的程序指令，控制上述所涉及到的各功能模块之间数据交互。
本发明所涉及到的声测式电力设备运行状态监测仪，应用的理论基础是通过对电力设备正常运行和各种异常运行工况下产生的声音进行数学建模，分析得出了电力设备运行状态变化前后的声音阈值。即监测仪的应用基于前期数学建模得到的分析结论及数学建模的分析手段本身。
在前述数学建模得到的结论的前提下，借助本发明所涉及的声测式电力设备运行状态监测仪，通过对电力设备在运行时产生的声音(信号)进行侦听，并将声音(信号)由模拟信号转换形成的数字信号传送给ARM模块，在ARM模块中可对数字信号进行处理分析，而得到实时状态下所采集声音对应的声音阈值，并将得到的声音阈值与设定的报警声音阈值对比，而实现对电力设备运行状况的实时监测和预警。
应用中ARM模块还能够将得到的数字信号及分析而得的信息与外部设备进行交互，在外部设备(或者模块)的支持下实现对侦听的声音信号的多样化分析处理，得到多样化的监测结论。所涉及的数学建模的具体过程不属于本发明的技术保护范围，其依靠现有技术并结合设计目的可以完成。但是对获取的声音信号进行数学建模处理得出不同状态下的声音阈值的设计属于本发明的保护范围。涉及到的外部设备可在现有设备中根据目的需要具体选择，其对于本发明中ARM模块仅起到辅助支持作用。
本发明还提供了一种声测式电力设备运行状态监测方法，所述监测方法借助数学建模手段，为经处理得到的电力设备在正常运行工况下和在各种异常运行工况下发出的声音信号，分别建立数学模型，通过数学模型分析得到各种工况下的声音阈值，从而确定出报警声音阈值；
电力设备发出的声音信号的收集及处理过程为：
①布置在电力设备表面的声音传感器接受电力设备发出的声音并形成传感信号传送至数据采集卡；②所述数据采集卡输出的数字信号通过内置20MHZ晶振的驱动模块来实现与ARM模块的数据交互；③在ARM模块中，对传送至的数字信号进行处理分析，得到实时状态下所采集声音对应的声音阈值，并将得到的声音阈值与设定的报警声音阈值对比，而实现对电力设备运行状况的实时监测和预警。
本发明所涉及的一种声测式电力设备运行状态监测方法，以数学建模分析为基础，通过对电力设备发出声音信号的采集、处理及分析对比声音阈值的不同，能够实现对电力设备运行状况的在线实时监测，从而能够及时发现出现故障的电力设备，并作出预警，使故障在第一时间得到处理，提高了电网维护的效率及故障排除的准确性，整体上使因局部电力设备问题导致的电网系统运行故障率显著降低。
综上所述，本发明所涉及到的声测式电力设备运行状态监测仪和监测方法，均能够实现对绝缘子运行状况的在线实时监测，得到及时、准确且可靠的结果，所以本发明有效克服了现有技术中的一些实际问题从而有很高的利用价值和使用意义。
上述实施方式仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，对于熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，可对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种声测式电力设备运行状态监测仪，其特征在于：包括一组声音传感器、SPI接口的数据采集卡、SPI接口的驱动模块、AC/DC适配器、DC5V-DC3V转换模块以及ARM模块；所述声音传感器经3P传感器连接线分别连接至所述数据采集卡，所述数据采集卡连接所述驱动模块，所述驱动模块连接ARM模块；所述AC/DC适配器连接所述DC5V-DC3V转换模块，所述DC5V-DC3V转换模块连接所述驱动模块。
2.根据权利要求1所述的一种声测式电力设备运行状态监测仪，其特征在于：还包括SD卡模块，所述SD卡模块连接所述ARM模块。
3.根据权利要求1所述的一种声测式电力设备运行状态监测仪，其特征在于：还包括以太网控制模块，所述以太网控制模块连接所述ARM模块。
4.根据权利要求1所述的一种声测式电力设备运行状态监测仪，其特征在于：还包括按键模块和显示模块，所述按键模块及所述显示模块分别连接所述ARM模块。
5.根据权利要求1所述的一种声测式电力设备运行状态监测仪，其特征在于：还包括分别连接所述ARM模块的232接口1和232接口2。
6.根据权利要求1所述的一种声测式电力设备运行状态监测仪，其特征在于：所述的一组声音传感器为16个，对应地，所述数据采集卡为16路16位数据采集卡。
7.一种声测式电力设备运行状态监测方法，所述监测方法借助数学建模手段，为经处理得到的电力设备在正常运行工况下和在各种异常运行工况下发出的声音信号，分别建立数学模型，通过数学模型分析得到各种工况下的声音阈值，从而确定出报警声音阈值；
电力设备发出的声音信号的收集及处理过程为：
①布置在电力设备表面的声音传感器接受电力设备发出的声音并形成传感信号传送至数据采集卡；
②所述数据采集卡输出的数字信号通过内置20MHZ晶振的驱动模块来实现与ARM模块的数据交互；
③在ARM模块中，对传送至的数字信号进行处理分析，得到实时状态下所采集声音对应的声音阈值，并将得到的声音阈值与设定的报警声音阈值对比，而实现对电力设备运行状况的实时监测和预警。
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