CN108333505A - 基于wsn的高压断路器在线状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WSN的高压断路器在线状态监测系统，包括用于连接监测传感器并监测N个高压断路器在线运行状态的监测节点1、监测节点2、监测节点N和1个用于收集各节点监测数据并连接至云端的区域汇聚节点。本发明有益效果在于：把WSN技术引入到高压断路器在线状态监测系统中，以一组高压断路器为单位设置现场监测装置，实现了变电站或发电厂高压断路器运行状态信息的实时集群监测和最佳融合数据传输。用WSN取代传统有线监测装置，既减少设备现场布线、降低系统成本，又增加监测系统的灵活性、可维护性和可扩展性，有效解决了不同规模变电站、发电厂的高压断路器在线状态监测和运行过程中的增容与改造问题。

Description

基于WSN的高压断路器在线状态监测系统

技术领域

本发明属于监测系统，尤其是一种基于WSN的高压断路器在线状态监测系统。

背景技术

高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，在发电厂和变电所的配电装置中必不可少。高压断路器控制与保护的对象主要有发电机、输配电系统及其他电力设备，因此，高压断路器的可靠运行对电力系统的安全性及稳定性至关重要。伴随着电力系统安全可靠性指标的要求越来越高，传统的定期检修方法已不能满足实际应用需求，必将被基于在线监测的状态检修所取代。对高压断路器实行在线状态监测与故障诊断，能及时、正确的判断高压断路器的各种异常状态，及时预警发展中的事故隐患、预防和消除故障，防患于未然，提高高压断路器运行的可靠性、安全性和有效性，把故障损失降到最低水平；另外，采用在线状态监测代替以往的停电试验，可减少设备停电时间、节约试验费用，便于制定合理的检修维护制度，充分挖掘高压断路器的运用潜力、延长服役期限和使用寿命。

通过对高压断路器进行在线状态监测、故障成因分析、系统性能评估，可为其结构改进、优化设计、合理制造及安全运行提供有效的数据信息。实现高压断路器在线状态监测的前提是：正确获取所监测零部件的运行状态信号，首先要选择合适的监测传感器和信号获取装置，然后通过有线或无线的方式将监测数据传输至数据处理中心，以实现高压断路器运行状态信号的分析处理和故障诊断。基于有线连接的高压断路器运行状态监测系统，通常由具有现场总线（如CAN、PROFIBUS、LonWorks、FF等）接口的监测装置组成。由于存在：（1）系统成本较高，有线连接需要耗费大量的线缆和相应硬件，限制了安置在监测现场的监测装置的数量；（2）可维护性差，大量有线连接给状态监测系统的可靠运行带来风险，随着时间的推移，这些线缆不可避免地会发生老化或出现故障，导致维修复杂和高昂的维修成本；（3）缺少机动灵活性，系统一旦安装好，就不能随便增删监测点和改变布局；（4）监测对象和范围有限，对分布范围较广的高压断路器难以有效完成监测任务。以上不足影响了高压断路器状态监测与故障诊断的质量，无线传感器网络（Wireless Sensors Network，WSN）的提出与发展可在很大程度上解决这些问题。

WSN是一种分布式传感网络，其末梢是可以感知和监测外部参量的传感器或监测装置；它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作实时监测、感知和采集各种对象信息，并对其数据进行处理。WSN是通过节点多跳方式形成的一种分布式无线通信网络，没有固定的基础设施。随着网络通信技术在电气控制领域中的不断渗透及工业控制网络的不断发展，高压断路器在线状态监测系统也需要具有网络通信功能；其中，基于现场总线网络技术和无线传感器网络技术的高压断路器在线状态监测是当前研究的热点。

现有的高压断路器在线状态监测系统大都使用基于有线连接的高压断路器运行状态监测系统，而这种监测系统一般是布线复杂、消耗材料且输出精确度低输送效率慢，难以满足高压断路器运行工况要求。因此，开发一种适用于满足高压断路器运行工况的在线状态监测系统非常必要。

发明内容

针对目前高压断路器状态监测中所采用有线连接的高压断路器运行状态监测系统存在的不足，本发明公布了一种基于WSN的高压断路器在线状态监测系统。

本发明采用的技术方案是：一种基于WSN的高压断路器在线状态监测系统，包括用于连接监测传感器并监测N个高压断路器在线运行状态的监测节点1、监测节点2、监测节点N，N的大小取决于区域内高压断路器的台套数，1个用于收集各节点监测数据并连接至云端的区域汇聚节点，以及通过云端连接的远程任务管理节点；其特征是：监测传感器在线获取高压断路器运行中的状态参量，经各监测节点对传感器获取信号进行滤波、综合调理、实时监测数据处理、频谱细化、谱线搜索后得到高压断路器在线运行的状态特征信息，然后通过WSN网络传送到区域汇聚节点，区域汇聚节点的上位机、远程任务管理节点的上位机通过状态融合监测实现高压断路器运行状态的定性、定量分析，为高压断路器的维修决策提供可靠依据。

在本发明中，所述的监测节点是每组高压断路器设置1个，由传感器接口、信号综合调理单元、ADC单元、DSP&CPLD单元、WSN模块组成；传感器接口可连接振动、温度、位移、开关量、电压、电流、SF6气体状态检测传感器，信号综合调理单元在DSP&CPLD单元输出控制信号的控制下将多传感器获取的高压断路器运行状态信息进行滤波、变换、隔离、放大处理后得到的模拟量经ADC单元送DSP&CPLD单元、数字量直接送DSP&CPLD单元，DSP&CPLD单元经多传感器信息融合、频谱细化、谱线搜索提取高压断路器运行的故障特征信息通过WSN模块传输至WSN网络。

在本发明中，所述的区域汇聚节点包括用于分析管理和连接云端的上位机、用于汇聚WSN网络中各监测节点信息的WSN网关，各监测节点通过WSN方式形成一个多跳自组织网络以实现高压断路器运行状态信息的传输；汇聚节点的上位机根据在线监测的信息，结合该高压断路器的运行史，进行纵向比较分析，结合已知的结构特性和参数及环境条件，通过云端与同类断路器或其本身不同时期在线监测的结果进行横向比较，以明确故障征兆、原因和系统之间的相互关系，进而确定高压断路器故障的性质、程度、类别和部位，对故障类型、严重程度及原因等进行综合判断，并指明故障发展趋势，以指导维修策略及方法的制定。

在本发明中，所述的状态融合监测分为数据预处理、特征级融合和决策级融合三个阶段，各监测节点通过多个、多类传感器在线获取高压断路器运行中的各种状态参量，在各监测节点的传感器接口与信号综合调理单元一起对各状态参量的监测信号进行预处理、DSP&CPLD单元对采集数据优化处理、特征提取后得到各种信号的最佳融合值，在区域上位机的数据融合决策级诊断出高压断路器的运行状态并将结果输出到远程管理节点，通过在区域上位机和任务管理节点处建立数据管理库，结合现代数据管理、信息传输技术实现对高压断路器在线监测数据的历史和横向的管理，实现高压断路器从定期检修向状态检修转变。

本发明的有益效果是，把 WSN 技术引入到高压断路器在线状态监测系统中，以一组高压断路器为单位设置现场监测节点，实现了变电站或发电厂高压断路器运行状态信息的实时集群监测和最佳融合数据传输。用WSN取代传统有线监测装置，既减少设备现场布线、降低系统成本，又增加监测系统的灵活性、可维护性和可扩展性，有效解决了不同规模变电站、发电厂的高压断路器在线状态监测和运行过程中的增容与改造问题。本系统除用于高压断路器在线状态监测外，还可用于其它大型电气设备如变压器、隔离开关以及输电线路的在线状态监测，解决了有线网络布线复杂繁琐、浪费资源和人力物力的问题，有效提高电力系统中电气设备状态监测与故障诊断的效率与可靠性。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明实施例的监测节点结构图；

图3是本发明实施例的区域汇聚节点结构图；

图4是本发明实施例的状态融合监测系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图，附图1是本发明的系统结构框图。一种基于WSN的高压断路器在线状态监测系统，包括用于连接监测传感器并监测N个高压断路器在线运行状态的监测节点1、监测节点2、监测节点N，N的大小取决于区域内高压断路器的台套数，1个用于收集各节点监测数据并连接至云端的区域汇聚节点，以及通过云端连接的远程任务管理节点；其特征是：监测传感器在线获取高压断路器运行中的状态参量，经各监测节点对传感器获取信号进行滤波、综合调理、实时监测数据处理、频谱细化、谱线搜索后得到高压断路器在线运行的状态特征信息，然后通过WSN网络传送到区域汇聚节点，区域汇聚节点的上位机、远程任务管理节点的上位机通过状态融合监测实现高压断路器运行状态的定性、定量分析，为高压断路器的维修决策提供可靠依据。因此，本发明在系统的区域上位机和其任务管理节点处建立数据管理库，运用现代数据管理技术，结合信息传输技术，实现对高压断路器在线监测数据的历史和横向的管理。本发明状态监测系统采用基于WSN技术监测装置，取代传统有线监测装置，既减少设备现场布线、降低系统成本，又增加监测系统的灵活性、可维护性和可扩展性，有效解决了不同规模变电站、发电厂的高压断路器在线状态监测和运行过程中的增容与改造问题。

图2是本发明实施例的监测节点结构图。监测节点是以1组高压断路器为单位设置的，即每组高压断路器设置1个，由传感器接口、信号综合调理单元、ADC单元、DSP&CPLD单元、WSN模块组成；传感器接口可连接振动、温度、位移、开关量、电压、电流、SF6气体状态检测传感器，信号综合调理单元在DSP&CPLD单元输出控制信号的控制下将多传感器获取的高压断路器运行状态信息进行滤波、变换、隔离、放大处理后得到的模拟量经ADC单元送DSP&CPLD单元、数字量直接送DSP&CPLD单元，DSP&CPLD单元经多传感器信息融合、频谱细化、谱线搜索提取高压断路器运行的故障特征信息通过WSN模块传输至WSN网络。由于传感器输出信号微弱，不便于直接传输、采集处理和存储显示，通过本单元可以将电信号进行变换、隔离、放大、滤波等方式的处理，得到规范和标准的信号便于处理、接收或显示记录。ADC单元将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便于DSP&CPLD单元进行处理、存储、控制和显示。参考国内外同行的研究成果，以某变电站N组沈阳高压开关厂生产的 LW12-252 型SF6高压断路器为监测对象，并结合无线通信网络和 LW12-252 型断路器的结构特点，采用附图1所示的拓扑结构对高压断路器进行在线状态监测。为减少WSN无线通信的数据量，现场监测装置采用以DSP&CPLD为核心设计，可完成一组SF6高压断路器的在线状态监测与故障诊断，其基本结构如附图2所示。现场监测装置可连接用于监测高压断路器运行状态的振动温度、位移、开关量、电压电流、SF6气体状态等的传感器，在 DSP 嵌入式软件的控制下完成高压断路器多项参数的在线监测与故障诊断，监测诊断结果通过WSN无线网络发送给上位机。现场监测装置利用DSP数据处理能力强的特点，实时处理现场监测数据并将多个测量信号进行融合，把系统运行状态信息转换为设备各功能部件的故障特征信息，大大减少通信数据量以便于系统WSN网络的实现。

图3是本发明实施例的区域汇聚节点结构图。区域汇聚节点包括用于分析管理和连接云端的上位机、用于汇聚WSN网络中各监测节点信息的WSN网关，各监测节点通过WSN方式形成一个多跳自组织网络以实现高压断路器运行状态信息的传输；汇聚节点的上位机根据在线监测的信息，结合该高压断路器的运行史，进行纵向比较分析，结合已知的结构特性和参数及环境条件，通过云端与同类断路器或其本身不同时期在线监测的结果进行横向比较，以明确故障征兆、原因和系统之间的相互关系，进而确定高压断路器故障的性质、程度、类别和部位，对故障类型、严重程度及原因等进行综合判断，并指明故障发展趋势，以指导维修策略及方法的制定。WSN是一种应用型网络，针对不同的应用场合，需要配置不同的传感器（或监测装置）节点，网络通常由传感器节点、汇聚节点和管理节点组成。从硬件上看，WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心进行处理、分析和转发。高压断路器在线状态监测系统的WSN网络体系结构如图所示，系统将一个区域（如：变电站、发电厂等）内的所有高压断路器作为监测对象，每个高压断路器设置1个监测装置为1个传感器节点，区域上位机作为汇聚节点，在其上级主管单位设置任务管理节点。图中大量的监测节点部署在高压断路器分布区域中，实时监测高压断路器运行的状态信息，各监测节点通过多跳方式将监测数据信息汇聚到区域上位机，通过汇聚节点接入到Internet或其它网络，然后将监测信息传输给任务管理节点。汇聚节点必需具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它连接WSN网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的任务并把收集到的数据发到外部网络上。

附图4是本发明实施例的状态融合监测系统框图。状态融合监测分为数据预处理、特征级融合和决策级融合三个阶段，各监测节点通过多个、多类传感器在线获取高压断路器运行中的各种状态参量，在各监测节点的传感器接口与信号综合调理单元一起对各状态参量的监测信号进行预处理、DSP&CPLD单元对采集数据优化处理、特征提取后得到各种信号的最佳融合值，在区域上位机的数据融合决策级诊断出高压断路器的运行状态并将结果输出到远程管理节点，通过在区域上位机和任务管理节点处建立数据管理库，结合现代数据管理、信息传输技术实现对高压断路器在线监测数据的历史和横向的管理，实现高压断路器从定期检修向状态检修转变。由于系统的现场监测装置（监测节点）采用WSN无线传感器网络，其在存储容量、网络通信和计算处理等方面存在一定的资源限制，信息融合技术是解决此类问题的有效方法。传统的状态监测系统大多基于单参数特征，存在很大的不确定性，难以获得正确的监测诊断结果；在基于WSN的高压断路器在线状态监测系统中，可以测量或者观测的参数其实不止一个，不同的参数或者观测量通过信息融合方法能够为状态监测提供更多的信息，从而提高状态监测系统的性能。附图2所示的监测节点（现场监测装置）利用DSP较强的数据处理能力，实时处理现场监测数据并将多个测量信号进行融合，把系统运行状态信息转换为设备各功能部件的故障特征信息，大大减少通信数据量以便于WSN实现，系统的信息融合监测框图如图4所示，监测系统中引入多传感器信息融合技术，并根据高压断路器自身的结构特点，合理分布高压断路器的多类多个传感器，通过一些信息融合算法，可进一步得出高压断路器的结构模型。相对于传统的单一传感器状态监测系统而言，本系统具有信息的完整性、统一性、多样性和容错性等优点；综合利用多种传感器的信息以获得更可靠的监测结果，可以避免单一传感器的局限性限制，减少传感器不确定性误差的影响。附图4中所示的高压断路器状态融合监测系统，其数据融合分为三个阶段：数据预处理、特征级融合和决策级融合。首先通过多个、多类传感器在线获取高压断路器运行中的各种状态参量，在现场监测装置的传感器接口与信号综合调理单元一起对各状态参量的监测信号进行预处理；然后现场监测装置采集并保存各状态信息，对多组传感器中的同类传感器分别进行贝叶斯融合，优化处理、特征提取后得到各种信号的最佳融合值并通过WSN发送到区域上位机；最后在区域上位机的数据融合决策级诊断出高压断路器的运行状态，并将结果显示和输出到远程管理节点，通过在区域上位机和任务管理节点处建立数据管理库，运用现代数据管理技术，结合信息传输技术，实现对高压断路器在线监测数据的历史和横向的管理，实现从定期检修向状态检修转变。对于特征级的融合，大多方法来源于模式分类或者识别的方法；对于决策级，主要是基于各种不确定性测度的方法，比如Bayesian规则、证据理论和模糊决策等。

综上所述，本发明的基于WSN的高压断路器在线状态监测系统，包括用于连接监测传感器并监测N个高压断路器在线运行状态的监测节点1、监测节点2、监测节点N和1个用于收集各节点监测数据并连接至云端的区域汇聚节点；其有益效果在于：把 WSN 技术引入到高压断路器在线状态监测系统中，以一组高压断路器为单位设置现场监测装置，实现了变电站或发电厂高压断路器运行状态信息的实时集群监测和最佳融合数据传输。用WSN取代传统有线监测装置，既减少设备现场布线、降低系统成本，又增加监测系统的灵活性、可维护性和可扩展性，有效解决了不同规模变电站、发电厂的高压断路器在线状态监测和运行过程中的增容与改造问题。本系统除用于高压断路器在线状态监测外，还可用于其它大型电气设备如变压器、隔离开关以及输电线路的在线状态监测，解决了有线网络布线复杂繁琐、浪费资源和人力物力的问题，有效提高电力系统中电气设备状态监测与故障诊断的效率与可靠性。本系统除用于高压断路器在线状态监测外，还可用于其它大型电气设备如变压器、隔离开关以及输电线路的在线状态监测，解决了有线网络布线复杂繁琐、浪费资源和人力物力的问题，有效提高电力系统中电气设备状态监测与故障诊断的效率与可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于WSN的高压断路器在线状态监测系统，包括用于连接监测传感器并监测N个高压断路器在线运行状态的监测节点1、监测节点2、监测节点N，N的大小取决于区域内高压断路器的台套数，1个用于收集各节点监测数据并连接至云端的区域汇聚节点，以及通过云端连接的远程任务管理节点；其特征是：监测传感器在线获取高压断路器运行中的状态参量，经各监测节点对传感器获取信号进行滤波、综合调理、实时监测数据处理、频谱细化、谱线搜索后得到高压断路器在线运行的状态特征信息，然后通过WSN网络传送到区域汇聚节点，区域汇聚节点的上位机、远程任务管理节点的上位机通过状态融合监测实现高压断路器运行状态的定性、定量分析，为高压断路器的维修决策提供可靠依据。

2.根据权利要求1所述的基于WSN的高压断路器在线状态监测系统，其特征是：所述的监测节点是每组高压断路器设置1个，由传感器接口、信号综合调理单元、ADC单元、DSP&CPLD单元、WSN模块组成；传感器接口可连接振动、温度、位移、开关量、电压、电流、SF6气体状态检测传感器，信号综合调理单元在DSP&CPLD单元输出控制信号的控制下将多传感器获取的高压断路器运行状态信息进行滤波、变换、隔离、放大处理后得到的模拟量经ADC单元送DSP&CPLD单元、数字量直接送DSP&CPLD单元，DSP&CPLD单元经多传感器信息融合、频谱细化、谱线搜索提取高压断路器运行的故障特征信息通过WSN模块传输至WSN网络。

3.根据权利要求1所述的基于WSN的高压断路器在线状态监测系统，其特征是：所述的区域汇聚节点包括用于分析管理和连接云端的上位机、用于汇聚WSN网络中各监测节点信息的WSN网关，各监测节点通过WSN方式形成一个多跳自组织网络以实现高压断路器运行状态信息的传输；汇聚节点的上位机根据在线监测的信息，结合该高压断路器的运行史，进行纵向比较分析，结合已知的结构特性和参数及环境条件，通过云端与同类断路器或其本身不同时期在线监测的结果进行横向比较，以明确故障征兆、原因和系统之间的相互关系，进而确定高压断路器故障的性质、程度、类别和部位，对故障类型、严重程度及原因等进行综合判断，并指明故障发展趋势，以指导维修策略及方法的制定。

4.根据权利要求1所述的基于WSN的高压断路器在线状态监测系统，其特征是：所述的状态融合监测分为数据预处理、特征级融合和决策级融合三个阶段，各监测节点通过多个、多类传感器在线获取高压断路器运行中的各种状态参量，在各监测节点的传感器接口与信号综合调理单元一起对各状态参量的监测信号进行预处理、DSP&CPLD单元对采集数据优化处理、特征提取后得到各种信号的最佳融合值，在区域上位机的数据融合决策级诊断出高压断路器的运行状态并将结果输出到远程管理节点，通过在区域上位机和任务管理节点处建立数据管理库，结合现代数据管理、信息传输技术实现对高压断路器在线监测数据的历史和横向的管理，实现高压断路器从定期检修向状态检修转变。