CN110389284A - 配网柱上设备故障放电的检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统设备状态检测技术领域，特别是涉及一种配网柱上设备故障放电的检测系统及检测方法，该系统包含采集模块，用于采集配网柱上设备的工频周期信号、特高频信号和紫外光子信号；多路AD连续转换模块，用于将采集模块输出的模拟信号转换为数字信号；MCU模块，获得多路AD连续转换模块输出的数字信号，提取特高频信号幅值、时刻及其与工频周期的相位关系和紫外光子数；以及控制终端，通过通信模块与MCU模块连接，绘制PRPD图谱、显示紫外光子数、故障放电类型的识别及结果显示。本发明使用特高频法和紫外检测法实现配网柱上设备的非接触式检测，根据特高频法和紫外检测法的技术特征，实现内部放电和外部放电的识别。

Description

配网柱上设备故障放电的检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于电力系统设备状态检测技术领域，特别是涉及一种配网柱上设备故障放电的检测系统及检测方法。

背景技术

电力网络主要包括主网和配网，与主网相比配网结构更加复杂，设备数量更加庞大。目前针对主网设备的故障放电检测方法有多种，主要有高频脉冲电流法、超声波法、特高频法、紫外检测法和化学分析法。每种方法都有其自身的优势和相应的应用场景，并且在主网设备的故障放电检测中已经形成了相关的检测导则或标准。针对配电网设备的故障放电检测则缺乏相应的方法，目前在实际应用中，常常将主网设备故障放电的检测方法和设备直接用于配网设备的故障放电检测。由于主网设备大部分集中于变电站之中，而配网设备则依据负荷分布特征而分布十分分散。以配网柱上设备为例，主要设备有：变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器、绝缘子等，这些设备敞开式放置，长时间运行后不可避免的发生各种类型的故障放电。依据放电发生的位置不同，可将故障放电类型分为内部放电和外部放电两类。内部放电多为绝缘故障放电，外部放电主要为电晕放电、沿面放电等类型。当前方法为使用主网变电站内带电检测设备进行配网柱上设备故障放电的检测，工作量巨大、检测效率低下，且多种检测方法数据融合过程繁杂、放电类型识别困难等问题。因此，当下虽然开展了配网设备的带电检测工作，但是由于上述问题的存在，严重制约了配网柱上设备状态检测的效率和故障识别的准确度。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种配网柱上设备故障放电的检测系统及检测方法，使用特高频法和紫外检测法实现配网柱上设备的非接触式检测，根据特高频法和紫外检测法的技术特征，实现内部放电和外部放电的识别。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种配网柱上设备故障放电的检测系统，包含：

采集模块，用于采集配网柱上设备的工频周期信号、特高频信号和紫外光子信号；

多路AD连续转换模块，用于将采集模块输出的模拟信号转换为数字信号；

MCU模块，获得多路AD连续转换模块输出的数字信号，提取特高频信号幅值、时刻及其与工频周期的相位关系和紫外光子数；以及

控制终端，通过通信模块与MCU模块连接，绘制PRPD图谱、显示紫外光子数、故障放电类型的识别及结果显示。

进一步地，所述采集模块包括工频电场传感器模块、定向特高频传感器模块和紫外传感器模块；

所述工频电场传感器模块，用于获得工频周期信号；

所述定向特高频传感器模块，用于检测放电产生的特高频信号；

所述紫外传感器模块，用于检测外部放电产生的光子数。

进一步地，所述工频电场传感器模块包括工频电场传感器、低通滤波器、隔直器和放大器，所述工频电场传感器与低通滤波器、隔直器、放大器依次连接。

进一步地，所述定向特高频传感器模块包括定向特高频传感器、射频放大器、带阻滤波器和包络检波器，所述定向特高频传感器与射频放大器、带阻滤波器、包络检波器依次连接。

进一步地，所述紫外传感器模块包括紫外传感器、光电转换器和电压跟随器，所述紫外传感器与光电转换器、电压跟随器依次连接。

进一步地，还包括视频采集模块，其包含摄像头，用于检测人员在地面进行检测目标的瞄准。

进一步地，还包括程控云台，与MCU模块连接，所述定向特高频传感器模块、紫外传感器模块和视频采集模块均安装在程控平台上，所述视频采集模块的镜头方向、定向特高频传感器模块主向和紫外传感器模块的检测方向相一致。

进一步地，还包括移动巡检装置，所述工频电场传感器模块、定向特高频传感器模块、紫外传感器模块、视频采集模块、程控云台、多路AD连续转换模块、MCU模块和通信模块均布置在移动巡检装置的上方。

本发明还提供了一种基于上述的配网柱上设备故障放电的检测系统的检测方法，包含以下步骤：

步骤1，驱动移动巡检装置至配网柱上设备下方，操作控制终端调整程控云台角度，通过视频采集模块回传的视频将定向特高频传感器模块主向、紫外传感器模块的检测方向调整至正对配网柱上的设备；

步骤2，启动采集模块、MCU模块工作，采集三类传感器输出的信号，在控制终端显示PRPD图谱和紫外光子数，保存检测结果，并标记为正向检测结果；

步骤3，操作控制终端调整程控云台角度，将定向特高频传感器模块主向、紫外传感器模块的检测方向调整至背对配网柱上的设备；

步骤4，启动采集模块、MCU模块工作，采集三类传感器输出的信号，在控制终端显示PRPD图谱和紫外光子数，保存检测结果，并标记为反向检测结果；

步骤5，启动控制终端的故障放电类型识别功能，进行放电类型的实时判别，保存检测结果；

步骤6，驱动移动巡检装置至下一个检测位置，重复步骤1至步骤5。

进一步地，所述步骤5中故障放电类型识别方法的具体步骤如下：

步骤501，在实验室搭建配网柱上设备故障放电模拟试验平台，利用所述的配网柱上设备故障放电的检测系统进行内部放电、沿面放电、电晕放电和无故障放电模型的测试，获得PRPD图谱和紫外光子数的试验数据；

步骤502，建立并训练基于神经网络算法的PRPD图谱放电脉冲相位分布与工频周期的相关度识别模型，设定识别结果为相关和不相关；统计出放电模型情况下紫外光子数的临界值N；

步骤503，读取正向检测结果的PRPD图谱、紫外光子数x和反向检测结果的紫外光子数x'；

步骤504，提取PRPD图谱中放电脉冲的相位和幅值，输入相关度识别模型，获得相关度结果，计算正向检测结果和反向检测结果中紫外光子数之差Δx＝x-x'；

步骤505，放电类型判定；若Δx<N，且PRPD图谱中放电脉冲的相位与工频周期相关，判定放电类型为内部放电；若Δx>N，且PRPD图谱中放电脉冲的相位与工频周期相关，判定放电类型为沿面放电；若Δx>N，且PRPD图谱中没有放电脉冲或者放电脉冲的相位与工频周期不相关，判定放电类型为电晕放电；若Δx<N，且PRPD图谱中没有放电脉冲或者放电脉冲的相位与工频周期不相关，则判定放电类型为无故障放电或者外部干扰。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过采用特高频法结合紫外检测法对配网柱上设备故障放电进行检测，提升了故障放电检测的准确性，并能够有效地实现放电类型的识别。本发明采用移动巡检装置进行配网柱上设备的检测，克服了配网柱上设备分布广泛给传统检测方法带来困难，大幅提升配网设备故障放电检测的效率。本发明拓展了配网设备状态参数智能感知的领域，保证配网安全稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的配网柱上设备故障放电的检测系统的原理框图；

图2是配网柱上设备故障放电的检测系统的结构示意图；

图3是手机信号的PRPD图谱中放电脉冲相位与工频周期不相关的判别图；

图4是雷达信号的PRPD图谱中放电脉冲相位与工频周期不相关的判别图；

图5是悬浮电位体放电的PRPD图谱中放电脉冲相位与工频周期相关的判别图；

图6是沿面放电的PRPD图谱中放电脉冲相位与工频周期相关的判别图；

图7是低通滤波器的电路图；

图8是放大器的电路图；

图9是射频放大器的电路图；

图10是包络检波器的电路图；

图11是电压跟随器的电路图；

图12是多路AD连续转换模块的电路图。

图中序号所代表的含义为：1.工频电场传感器模块，2.定向特高频传感器模块，3.紫外传感器模块，4.程控平台，5.多路AD连续转换模块，6.MCU模块，7.通信模块，8.视频采集模块，9.控制终端，10.移动巡检装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作出创造性劳动前提下所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例的配网柱上设备故障放电的检测系统，包括工频电场传感器模块1、定向特高频传感器模块2、紫外传感器模块3、视频采集模块8、程控云台4、多路AD连续转换模块5、MCU模块6、通信模块7、控制终端9和移动巡检装置10。

工频电场传感器模块1，用于获得工频周期信号，包括工频电场传感器、低通滤波器、隔直器和放大器。如图7所示，低通滤波器的截止频率＜130Hz。工频电场传感器与低通滤波器、隔直器、放大器依次连接，如图8所示，放大器输出接入多路AD连续转换模块5的输入端。

定向特高频传感器模块2，用于检测放电产生的特高频信号，包括定向特高频传感器、射频放大器、带阻滤波器和包络检波器。定向特高频传感器的频带范围为300MHz～3GHz，或者为其中的某一个子频段。定向特高频传感器的方向角应小于120度。如图9所示，射频放大器的带宽与定向特高频传感器的频带一致。带阻滤波器的阻段频带为800MHz～1GHz和1.8GHz～2GHz。包络检波器的带宽与定向特高频传感器的频带一致。定向特高频传感器与射频放大器、带阻滤波器、包络检波器依次连接，如图10所示，包络检波器的输出接入多路AD连续转换模块5的输入端。

紫外传感器模块3，用于检测外部放电产生的光子数，包括紫外传感器、光电转换器和电压跟随器，如图11所示，电压跟随器的输出接入多路AD连续转换模块5的输入端。

视频采集模块8，用于检测过程中操作人员在地面对柱上设备的瞄准检测，包括摄像头、视频采集卡及相关通信接口。

程控云台4，通过USB、串行口、蓝牙、网络等接口与MCU模块6连接，接收MCU模块6的旋转、停止等指令，并根据指令进行相应的动作。定向特高频传感器模块2、紫外传感器模块3和视频采集模块8均安装在程控平台上，其中，视频采集模块8的镜头方向、定向特高频传感器模块2主向和紫外传感器模块3的检测方向相一致。

如图12所示，多路AD连续转换模块5，包括多路AD转换芯片、单片机和存储器。多路AD转换芯片至少具有三路独立同步采用通道，将工频电场传感器模块1、定向特高频传感器模块2和紫外传感器模块3输出的模拟信号转换为数字信号。多路AD转换芯片的每个采样通道的采样率在5MS/s及以上，采样位数在8bit及以上，本实例中多路AD转换芯片的型号为LTC2325。单片机控制多路AD转换芯片的采集时序并将转换结果暂存于存储器中，存储器具有两路读写通道，一路通道用于数据写入，一路通道用于数据读出，其中数据读出接口与MCU模块6的数据读写接口连接。

MCU模块6，获得多路AD连续转换模块5输出的三类信号，提取特高频信号幅值、时刻及其与工频周期的相位关系，并处理紫外传感器模块3所转换的数据获得紫外光子数；并且还可监控控制终端9指令解析和程控云台4控制。

通信模块7，包含但不限于USB、串行口、蓝牙、WiFI等有线或者无线通信接口，实现MCU模块6与控制终端9的通信和视频采集模块8与控制终端9的通信，实现检测结果、云台控制指令、视频信号等的传输。

控制终端9，可以为手机、平板电脑、笔记本电脑等，控制终端9由检测人员进行操作，具备视频采集模块8输出的实时显示、程控云台4控制指令下发、绘制PRPD图谱、显示紫外光子数、故障放电类型的识别及结果显示，移动巡检装置10的控制等功能。

移动巡检装置10，可以为巡检车辆、无人机等。如图2所示，工频电场传感器模块1、定向特高频传感器模块2、紫外传感器模块3、视频采集模块8、程控云台4、多路AD连续转换模块5、MCU模块6和通信模块7均布置在移动巡检装置10的上方。若移动巡检装置10为巡检车辆，则控制终端9与移动巡检装置10不再直接控制，巡检车辆由专职司机驾驶，检测人员通过控制终端9进行配网柱上设备故障放电的检测。若移动巡检装置10为无人机，控制终端9能够对无人机进行操控。

本实施例还提供了一种配网柱上设备故障放电的检测方法，包含以下步骤：

步骤S101，驱动移动巡检装置10至配网柱上设备下方附近15m范围内，操作控制终端9调整程控云台4角度，通过视频采集模块8回传的视频将定向特高频传感器模块2主向、紫外传感器模块3的检测方向调整至正对配网柱上的设备。

步骤S102，启动采集模块、MCU模块6工作，采集三类传感器输出的信号，在控制终端9显示PRPD图谱和紫外光子数；根据现场检测到的放电脉冲数适时停止采集模块、MCU模块6工作，保存检测结果，并标记为正向检测结果。

步骤S103，操作控制终端9调整程控云台4角度，将定向特高频传感器模块2主向、紫外传感器模块3的检测方向调整至背对配网柱上的设备。

步骤S104，启动采集模块、MCU模块6工作，采集三类传感器输出的信号，在控制终端9显示PRPD图谱和紫外光子数；根据现场检测到的放电脉冲数适时停止采集模块、MCU模块6工作，保存检测结果，并标记为反向检测结果。

步骤S105，启动控制终端9的故障放电类型识别功能，进行放电类型的实时判别，保存检测结果。

步骤S106，驱动移动巡检装置10至下一个检测位置，重复步骤S101至步骤S105。

上面步骤S105中，故障放电类型识别方法的具体步骤如下：

步骤S1051，在实验室搭建配网柱上设备故障放电模拟试验平台，利用所述的配网柱上设备故障放电的检测系统进行内部放电、沿面放电、电晕放电和无故障放电模型的测试，获得大量PRPD图谱和紫外光子数等试验数据。

步骤S1052，依据历史检测得到验证的PRPD图谱和实验室试验平台获得的PRPD图谱提取放电脉冲幅值和相位，建立并训练基于神经网络算法的PRPD图谱放电脉冲相位分布与工频周期的相关度识别模型，设定识别结果为相关和不相关，下面给出4种相关和不相关的判别实例，图3是手机信号的PRPD图谱中放电脉冲相位与工频周期不相关的判别图，图4是雷达信号的PRPD图谱中放电脉冲相位与工频周期不相关的判别图，图5是悬浮电位体放电的PRPD图谱中放电脉冲相位与工频周期相关的判别图，图6是沿面放电的PRPD图谱中放电脉冲相位与工频周期相关的判别图；统计出放电模型情况下紫外光子数的临界值N。

步骤S1053，读取正向检测结果的PRPD图谱、紫外光子数x和反向检测结果的紫外光子数x'。

步骤S1054，提取PRPD图谱中放电脉冲的相位和幅值，输入相关度识别模型，获得相关度结果，计算正向检测结果和反向检测结果中紫外光子数之差Δx＝x-x'。

步骤S1055，放电类型判定；若Δx<N，且PRPD图谱中放电脉冲的相位与工频周期相关，判定放电类型为内部放电；若Δx>N，且PRPD图谱中放电脉冲的相位与工频周期相关，判定放电类型为沿面放电；若Δx>N，且PRPD图谱中没有放电脉冲或者放电脉冲的相位与工频周期不相关，判定放电类型为电晕放电；若Δx<N，且PRPD图谱中没有放电脉冲或者放电脉冲的相位与工频周期不相关，则判定放电类型为无故障放电或者外部干扰。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来讲是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种配网柱上设备故障放电的检测系统，其特征在于，包含：

采集模块，用于采集配网柱上设备的工频周期信号、特高频信号和紫外光子信号；

多路AD连续转换模块，用于将采集模块输出的模拟信号转换为数字信号；

MCU模块，获得多路AD连续转换模块输出的数字信号，提取特高频信号幅值、时刻及其与工频周期的相位关系和紫外光子数；以及

控制终端，通过通信模块与MCU模块连接，绘制PRPD图谱、显示紫外光子数、故障放电类型的识别及结果显示。

2.根据权利要求1所述的配网柱上设备故障放电的检测系统，其特征在于，所述采集模块包括工频电场传感器模块、定向特高频传感器模块和紫外传感器模块；

所述工频电场传感器模块，用于获得工频周期信号；

所述定向特高频传感器模块，用于检测放电产生的特高频信号；

所述紫外传感器模块，用于检测外部放电产生的光子数。

3.根据权利要求2所述的配网柱上设备故障放电的检测系统，其特征在于，所述工频电场传感器模块包括工频电场传感器、低通滤波器、隔直器和放大器，所述工频电场传感器与低通滤波器、隔直器、放大器依次连接。

4.根据权利要求2所述的配网柱上设备故障放电的检测系统，其特征在于，所述定向特高频传感器模块包括定向特高频传感器、射频放大器、带阻滤波器和包络检波器，所述定向特高频传感器与射频放大器、带阻滤波器、包络检波器依次连接。

5.根据权利要求2所述的配网柱上设备故障放电的检测系统，其特征在于，所述紫外传感器模块包括紫外传感器、光电转换器和电压跟随器，所述紫外传感器与光电转换器、电压跟随器依次连接。

6.根据权利要求2所述的配网柱上设备故障放电的检测系统，其特征在于，还包括视频采集模块，其包含摄像头，用于检测人员在地面进行检测目标的瞄准。

7.根据权利要求6所述的配网柱上设备故障放电的检测系统，其特征在于，还包括程控云台，与MCU模块连接，所述定向特高频传感器模块、紫外传感器模块和视频采集模块均安装在程控平台上，所述视频采集模块的镜头方向、定向特高频传感器模块主向和紫外传感器模块的检测方向相一致。

8.根据权利要求7所述的配网柱上设备故障放电的检测系统，其特征在于，还包括移动巡检装置，所述工频电场传感器模块、定向特高频传感器模块、紫外传感器模块、视频采集模块、程控云台、多路AD连续转换模块、MCU模块和通信模块均布置在移动巡检装置的上方。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的配网柱上设备故障放电的检测系统的检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，驱动移动巡检装置至配网柱上设备下方，操作控制终端调整程控云台角度，通过视频采集模块回传的视频将定向特高频传感器模块主向、紫外传感器模块的检测方向调整至正对配网柱上的设备；

步骤2，启动采集模块、MCU模块工作，采集三类传感器输出的信号，在控制终端显示PRPD图谱和紫外光子数，保存检测结果，并标记为正向检测结果；

步骤3，操作控制终端调整程控云台角度，将定向特高频传感器模块主向、紫外传感器模块的检测方向调整至背对配网柱上的设备；

步骤4，启动采集模块、MCU模块工作，采集三类传感器输出的信号，在控制终端显示PRPD图谱和紫外光子数，保存检测结果，并标记为反向检测结果；

步骤5，启动控制终端的故障放电类型识别功能，进行放电类型的实时判别，保存检测结果；

步骤6，驱动移动巡检装置至下一个检测位置，重复步骤1至步骤5。

10.根据权利要求9所述的配网柱上设备故障放电的检测方法，其特征在于，所述步骤5中故障放电类型识别方法的具体步骤如下：

步骤501，在实验室搭建配网柱上设备故障放电模拟试验平台，利用所述的配网柱上设备故障放电的检测系统进行内部放电、沿面放电、电晕放电和无故障放电模型的测试，获得PRPD图谱和紫外光子数的试验数据；

步骤502，建立并训练基于神经网络算法的PRPD图谱放电脉冲相位分布与工频周期的相关度识别模型，设定识别结果为相关和不相关；统计出放电模型情况下紫外光子数的临界值N；

步骤503，读取正向检测结果的PRPD图谱、紫外光子数x和反向检测结果的紫外光子数x'；

步骤504，提取PRPD图谱中放电脉冲的相位和幅值，输入相关度识别模型，获得相关度结果，计算正向检测结果和反向检测结果中紫外光子数之差Δx＝x-x'；

步骤505，放电类型判定；若Δx<N，且PRPD图谱中放电脉冲的相位与工频周期相关，判定放电类型为内部放电；若Δx>N，且PRPD图谱中放电脉冲的相位与工频周期相关，判定放电类型为沿面放电；若Δx>N，且PRPD图谱中没有放电脉冲或者放电脉冲的相位与工频周期不相关，判定放电类型为电晕放电；若Δx<N，且PRPD图谱中没有放电脉冲或者放电脉冲的相位与工频周期不相关，则判定放电类型为无故障放电或者外部干扰。