CN110553801A - 一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器及系统，气体密度监测器包括智能微处理器、压力传感器、温度传感器、通讯模块、存储器。智能微处理器分别与温度传感器、压力传感器、通讯模块相连接，以设定的采样频率获取压力传感器采集的压力信号和温度传感器采集的温度信号，根据气体压力‑温度特性，计算得到相应的气体密度值P20。智能微处理器包括边缘计算单元，边缘计算单元把P20进行深度计算处理，得到准确的密度值智能微处理器还具有对所监测的电气设备的漏气告示信息及气体补气管控功能。本发明能对气体绝缘电气设备做出准确的在线监测与故障诊断，当气体绝缘电气设备发生漏气时能够更加及时发现，保障电网安全。

Description

一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器及系统
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种应用在高压、中压电气设备上，基于边缘计算的多功能气体密度监测器及系统。
背景技术
目前，SF6(六氟化硫)电气设备已广泛应用在电力部门、工矿企业，促进了电力行业的快速发展。近年来，随着经济高速发展，我国电力系统容量急剧扩大，SF6电气设备用量越来越多。SF6气体在高压电气设备中的作用是灭弧和绝缘，高压电气设备内SF6气体的密度降低和微水含量如果超标将严重影响SF6高压电气设备的安全运行：SF6气体密度降低至一定程度将导致绝缘和灭弧性能的降低或丧失。
随着无人值守变电站向网络化、数字化方向发展以及对遥控、遥测的要求不断加强，对SF6电气设备的气体密度和微水含量状态的在线监测具有重要的现实意义。随着中国智能电网的不断大力发展，智能高压电气设备作为智能变电站的重要组成部分和关键节点，对智能电网的安全起着举足轻重的作用。高压电气设备目前大多为SF6气体绝缘设备，如果气体密度降低(如泄漏等引起)将严重影响设备的电气性能，对安全运行造成严重隐患。目前在线监测SF6高压电气设备中的气体密度值已经非常普遍了，而现有的气体密度监测系统(气体密度监测器)基本上是：1)应用远传式SF6气体密度监测器实现密度、压力和温度的采集，上传，实现气体密度在线监测；2)应用气体密度变送器实现密度、压力和温度的采集，上传，实现气体密度在线监测。SF6气体密度监测器是核心和关键部件，目前的气体密度监测器还保留传统的机械式，如申请人之前的专利公布的气体密度监测器，包括压力检测器、温度补偿元件、信号发生器、信号调节机构。由于高压变电站现场运行的环境恶劣，环境温度变化大，现有的机械式密度监测器精密度较差、测量不准，无法在压力轻微变化时进行动作，反映不出电气设备的微漏状态，难以满足精准测量、精准管控的要求。
边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算技术取得突破，意味着许多控制将通过本地设备实现而无需交由云端，处理过程将在本地边缘计算层完成，这无疑将大大提升处理效率，减轻云端的负荷。
如何利用边缘计算，研制一种能实现精准测量的气体密度监测器是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器及系统，以解决上述技术背景中提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本申请第一个方面提供了一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器。
本申请第二个方面提供了一种基于边缘计算的多功能气体密度监测系统，所述系统由第一个方面所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器构成，或者包括第一个方面所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器。
本申请所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，包括：智能微处理器、压力传感器、温度传感器、通讯模块、存储器；其中，
所述智能微处理器分别与温度传感器、压力传感器、通讯模块相连接，以设定的采样频率获取压力传感器采集的压力信号和温度传感器采集的温度信号，根据气体压力-温度特性，计算得到相应的气体密度值P20；
所述智能微处理器包括边缘计算单元，所述边缘计算单元将所监测的气体密度值P20与设定的漏气报警密度值进行比对，当所监测的气体密度值P20等于或小于设定的漏气报警密度值时，所述监测器发出漏气报警信号，或发出漏气报警信号接点，或发出漏气告示信息，或上传漏气告示信息；所述边缘计算单元将所监测的气体密度值P20与设定需要补气的密度值进行比对，当所监测的气体密度值P20等于或小于需要补气的密度值时，所述监测器发出补气报警信号，或发出补气报警信号接点，或发出补气告示信息，或上传补气告示信息；或者，
所述边缘计算单元将计算得到的气体密度值P20进行深度计算处理，得到准确的密度值所述边缘计算单元将所述准确的密度值与设定的漏气报警密度值进行比对，当所述准确的密度值等于或小于设定的漏气报警密度值时，所述监测器发出漏气报警信号，或发出漏气报警信号接点，或发出漏气告示信息，或上传漏气告示信息；或者，所述边缘计算单元将所述准确的密度值与设定需要补气的密度值进行比对，当所述准确的密度值等于或小于需要补气的密度值时，所述监测器发出补气报警信号，或发出补气报警信号接点，或发出补气告示信息，或上传补气告示信息。
优选地，所述气体密度值P20换算为20℃的压力值。
优选地，所述深度计算处理包括：所述边缘计算单元对所监测的气体密度值P20采用平均值法(均值法)计算得到气体密度值P20的平均值该平均值就是准确的密度值
更优选地，所述平均值法为：在设定的时间间隔内，设定采集频率，将全部采集得到的不同时间点的N个气体密度值进行平均值计算处理，得到气体密度值P20的平均值从而得到准确的密度值或者，在设定的时间间隔里、设定温度间隔步长，把全部温度范围内采集得到的N个不同温度值的密度值进行平均值计算处理，得到其气体密度值P20的平均值从而得到准确的密度值或者，在设定的时间间隔里、设定压力间隔步长，把全部压力变化范围内采集得到的N个不同压力值的密度值进行平均值计算处理，得到其气体密度值P20的平均值从而得到准确的密度值其中，N为大于等于1的正整数。
更优选地，所述均值法中，把明显异常的气体密度值先进行删除，具体可以通过设定合理的区间范围，把在设定的合理的区间范围以外的气体密度值进行删除处理；或者删除至少一个最大值、和/或删除至少一个最小值。
优选地，所述深度计算处理包括：所述边缘计算单元对一定间隔时间的气体密度值P20进行傅里叶变换，转换成对应的频谱，把周期性成份滤掉，然后计算得到准确的密度值
优选地，所述深度计算处理包括：所述边缘计算单元对一定间隔时间的气体密度值P20按照时间序列分解为趋势性成份、周期性成份和随机成份，按照趋势性成份判断气体泄漏状况。
优选地，所述边缘计算单元判断气体发生泄漏了，智能微处理器发出报警信号或报警信息；所述报警信号通过信号线上传到目标设备，或者，所述报警信息通过通讯模块上传到目标设备或目标平台。
优选地，所述准确的密度值漏气告示信息、补气告示信息通过通讯模块上传至目标设备或目标平台；和/或，所述准确的密度值对应的压力值、温度值通过通讯模块上传至目标设备或目标平台；和/或，所述气体密度值P20通过通讯模块上传至目标设备或目标平台。
优选地，所述边缘计算单元完成对数据的分析、判定及数据存储，依据设定的告警策略给出相应的告警信号。
优选地，所述边缘计算单元计算所监测的气体密度值P20的趋势变化值△P20，在设定的时间间隔，当趋势变化值△P20低于或高于设定的趋势变化值△时，所述气体密度监测器发出报警信号，或发出报警信号接点，或发出报警信息，或上传告示信息。
更优选地，所述趋势变化值△P20为：在设定的时间间隔里、设定采集频率，把全部采集得到的不同时间点的N个气体密度值进行平均值计算处理，得到其气体密度值P20的平均值然后设定趋势计算周期T周期，得到趋势变化值即平均值前后周期T周期的差值；或者，
在设定的时间间隔T间隔，所监测的电气设备的气体密度值P20的趋势变化值即密度值P20前后时间间隔T间隔的差值；或者，设定时间间隔T间隔，设定时间长度T长度，采用在设定的时间间隔T间隔、设定采集频率，把全部采集得到的不同时间点的N个气体密度值P20进行累计计算得到累计值∑P20，得到趋势变化值即前后时间长度T长度累计值∑P20之间的差值；
其中，N为大于等于1的正整数。
更优选地，当气体密度值P20的趋势变化是变小的，其变小的趋势变化值大于或等于设定的趋势变化值时，智能微处理器通过气体密度监测器的报警接点信号线上传异常信息，或者，智能微处理器通过通讯模块上传异常信号。
优选地，所述边缘计算单元计算所监测的电气设备的漏气率L，所述漏气率式中：t为设定的时间间隔，△P20t为时间间隔t内的密度值变化量，为时间间隔t前一时刻的密度值，为过了时间间隔t时刻的密度值；所述气体监测器及时更新发出漏气率L告示信息；或者，所述气体密度监测器及时更新上传漏气率L告示信息。
更优选地，所述边缘计算单元修正漏气率L所设定的时间间隔值t。
更优选地，所述边缘计算单元计算所监测的电气设备的补气时间T补气时间，所述补气时间式中，为设定需要补气的密度值；所述气体密度监测器及时更新发出补气时间告示信息，或及时更新上传补气时间信息。
更优选地，所述边缘计算单元计算所监测的电气设备的气室需要的气体总质量Q总＝ρ需要×V，式中，ρ需要为需要补气的质量密度，根据需要补气的密度值 及其气体特性得到，V为电气设备的气室体积；计算所监测的电气设备的气室目前的气体质量Q目前＝ρ目前×V，式中，ρ目前为目前气体的质量密度，根据目前监测的气体密度值P20及其气体特性得到；由计算出的气体总质量Q总和目前的气体质量Q目前计算气体补气质量Q补气＝Q总-Q目前；所述气体密度监测器及时更新发出气体补气质量告示信息，或及时更新上传气体补气质量信息。
优选地，所述边缘计算单元将所监测的趋势性成份值与设定的趋势性成份值进行比对，当所监测的趋势性成份值等于或大于设定的趋势性成份值时，所述气体密度监测器发出漏气报警信号，或发出漏气报警信号接点，或发出漏气告示信息，或上传漏气告示信息；或者，
所述边缘计算单元在设定的时间间隔T间隔，将所监测的气体密度值P20的趋势变化值△P20与设定的气体密度值P20的趋势变化值进行比对，当所监测的气体密度值P20的趋势变化值△P20等于或大于所设定的气体密度值P20的趋势变化值时，所述气体密度监测器发出漏气报警信号，或发出漏气报警信号接点，或发出漏气告示信息，或上传漏气告示信息；或者，
所述边缘计算单元将所监测的漏气率L与设定的漏气率L设定进行比对，当所监测的漏气率L等于或大于所设定的漏气率L设定时，所述气体密度监测器发出漏气报警信号，或发出漏气报警信号接点，或发出漏气告示信息，或上传漏气告示信息。
优选地，所述气体密度监测器还包括电子告示信号接点，所述电子告示信号接点还与所述智能微处理器相连接；当所监测的电气设备的气体密度值低于或高于所设定的密度值时，所述电子告示信号接点发生动作输出告示接点信号；或者，当所监测的电气设备的气体压力值低于或高于所设定的压力值P设定时，所述电子告示信号接点发生动作输出告示接点信号；或者，当所监测的电气设备的气体温度值低于或高于所设定的温度值T设定时，所述电子告示信号接点发生动作输出告示接点信号；或者，当所监测的电气设备的气体温度值达到所设定的温度阈值T设定阈值，且所监测的电气设备的气体压力值低于或高于设定的压力值P设定时，所述电子告示信号接点发生动作输出告示接点信号。
更优选地，所述告示接点信号包括报警、和/或闭锁。
更优选地，所述电子告示信号接点包括电磁监测器、固态监测器、时间监测器、功率监测器、可控硅、电子开关、电接点、光耦、DI、MOS场效应管、三极管、二极管、MOS FET监测器中的一种或几种。
更优选地，所述设定的压力值P设定、所述设定的温度值T设定、所述设定的温度阈值T设定阈值均可以在线修改和存储。
更优选地，所述气体密度监测器将监测的数据及其信息通过所述电子告示信号接点以规律的编码形式进行上传，所述电子告示信号接点并联或串联于专用线、或其它线上。具体地，所述监测的数据及其信息包括：监测的气体密度值、压力值、温度值、异常信息(电气设备的气体密度值过低漏气现象、压力过高、温度过高、气体密度监测器的压力传感器、温度传感器等自身异常现象)，自身诊断结果。
优选地，所述气体密度监测器能够输入补气事件、和/或放气测试事件，并能根据对应的补气事件、和/或放气测试事件对气体密度值P20进行新的计算或调整。
更优选地，所述气体密度监测器在一定的短时间内，监测到气体密度值P20逐渐增大，就判断为补气事件，当气体密度值P20为最大值时，判断为补气事件结束，并对准确的密度值进行新的计算或调整。
更优选地，所述气体密度监测器在一定的短时间内，监测到气体密度值P20逐渐下降，就判断为放气测试(微水或分解物)事件，当气体密度值P20为最小值时，判断为放气测试事件结束，并对准确的密度值进行新的计算或调整。
更优选地，所述气体密度监测器记录补气事件、和/或放气测试事件。如记录补气时间、和/或补气次数、和/或气体质量。
优选地，所述气体密度监测器还包括显示机构，所述显示机构包括具有示值显示的数码器件或液晶器件。
优选地，所述压力传感器通过绝缘件密封固定在压力传感器固定座上，压力传感器的外壳与压力传感器固定座之间是绝缘的。
优选地，当所述气体密度值P20小于或等于设定的密度值时，智能微处理器通过气体密度监测器的报警接点信号线上传异常信号；或者，智能微处理器通过通讯模块上传异常信号。
优选地，所述气体密度监测器还包括监测气体微水值的微水传感器，当气体微水值超过设定值时，所述气体密度监测器发出微水超标告示信息，或上传微水超标告示信息。
优选地，所述气体密度监测器还包括在线监测气体分解物的分解物传感器，当气体分解物的含量超过设定值时，所述气体密度监测器发出分解物含量超标告示信息，或上传分解物含量超标告示信息。
优选地，所述智能微处理器基于微处理器的嵌入式系统内嵌算法及控制程序，自动控制整个气体密度监测器的监测过程，包含所有外设、逻辑及输入输出。
优选地，所述智能微处理器基于通用计算机、工控机、ARM芯片、AI芯片、CPU、MCU、FPGA、PLC等、工控主板、嵌入式主控板等内嵌算法及控制程序，自动控制整个过程，包含所有外设、逻辑及输入输出。
优选地，所述智能微处理器具有电气接口，所述电气接口完成测试数据存储，和/或测试数据导出，和/或测试数据打印，和/或与上位机进行数据通讯，和/或输入模拟量、数字量信息。
更优选地，所述电气接口设有防止用户误接造成接口损坏、和/或防止电磁干扰的电气接口保护电路。
优选地，所述通讯模块和智能微处理器一体化设计在一起。
更优选地，所述通讯模块的通讯方式为有线通讯或无线通讯方式。
进一步地，所述有线通讯方式包括RS232总线、RS485总线、CAN-BUS总线、光纤以太网、4-20mA、Hart、IIC、SPI、Wire、同轴电缆、PLC电力载波、电缆线中的一种或几种。
进一步地，所述无线通讯方式包括传感器内置5G/NB-IOT通讯模块(如5G、NB-IOT)、2G/3G/4G/5G、WIFI、蓝牙、Lora、Lorawan、Zigbee、红外、超声波、声波、卫星、光波、量子通信、声呐中的一种或几种。
优选地，所述边缘计算单元还包括分析系统(例如，专家管理分析系统)，对气体密度值监测、设备漏气、气体密度监测器性能、监测元件进行检测分析、判定。
优选地，所述压力传感器、所述温度传感器为一体化结构；或者，
所述智能微处理器、通讯模块、存储器为一体化设计；或者，
所述智能微处理器、存储器为一体化设计；或者，
所述智能微处理器、通讯模块为一体化设计。
优选地，所述气体密度监测器还包括对电场起屏蔽作用的电场屏蔽件，所述电场屏蔽件设置在压力传感器和/或气体密度监测器外面；和/或，
所述气体密度监测器还包括对磁场起屏蔽作用的磁场屏蔽件，所述磁场屏蔽件设置在压力传感器和/或气体密度监测器外面。
上述屏蔽件利用屏蔽材料的反射和/或吸收作用，以减少EMI辐射，屏蔽材料的添置可有效减少或清除不必要的缝隙，抑制电磁耦合辐射，降低电磁泄漏和干扰；可采用较高导电、导磁性能的材料作为电磁屏蔽材料(如铁)，一般要求屏蔽性能达40～60dB，具体就是把气体密度监测器密封在一个带有屏蔽材料制成的壳体内，良好的密封，可以克服由于缝隙的导电不连续性，产生电磁泄漏而引起的干扰问题。
优选地，所述智能微处理器的控制通过现场控制，和/或通过所述后台监控终端控制。
优选地，所述气体密度监测器还包括用于人机交互的显示界面，实时显示当前的数据，和/或支持数据输入。具体地，包括实时在线气体密度值显示、压力值显示、温度值显示、变化趋势分析、历史数据查询、实时告警等。
更优选地，所述气体密度监测器支持密度监测器基本信息输入，所述密度监测器基本信息包括、但不限于出厂编号、精度要求、额定参数、制造厂、运行位置中的一种或几种。
优选地，所述边缘计算单元具有多个不同时间间隔的准确的密度值
更优选地，所述多个不同时间间隔的准确的密度值通过通讯模块上传到目标设备或目标平台。
优选地，所述气体密度监测器还包括机械部分，所述机械部分包括压力检测器、温度补偿元件、若干信号发生器、信号调节机构；所述信号发生器包括微动开关或磁助式电接点；所述压力检测器包括巴登管或波纹管；所述温度补偿元件采用双金属片构成的补偿元件或者充有补偿气体的补偿元件。
更优选地，所述机械部分还包括机芯、指针和刻度盘，所述指针安装于所述机芯上且设于所述刻度盘之前，所述指针结合所述刻度盘显示气体密度值。
更优选地，至少有一个温度传感器设置在所述机械部分的温度补偿元件附近、或设置在温度补偿元件上，或集成于所述温度补偿元件中。优选地，至少有一个所述温度传感器设置在所述机械部分的压力检测器靠近温度补偿元件的一端。
更优选地，所述气体密度监测器还包括至少一个绝缘件，所述绝缘件设于所述压力传感器与其壳体之间；或者，所述绝缘件设于所述压力传感器与机械部分的壳体之间，或者，所述绝缘件设于所述压力传感器的壳体与所述气体密度监测器的壳体之间。
更优选地，所述气体密度监测器的电子告示信号接点与所述信号发生器串联和/或并联，或者，所述电子告示信号接点串联或并联于信号发生器所对应的控制回路上。
更优选地，所述基于边缘计算的多功能气体密度监测系统监测到的包括、但不限于准确的密度值漏气率L、趋势变化值△P20、漏气信息、补气信息、实时数据、实时曲线中的一种或几种，可以上传到手机或其它目标终端，便于掌控。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
提供一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器及系统，通过智能微处理器运算处理得到所监测的电气设备的气体密度值P20，智能微处理器的边缘计算单元对气体密度值P20进行深度计算处理，得到准确的密度值用来反映电气设备长期运行时，电气设备气室的气体密度值状态，适合于监测电气设备的微漏状态或中型漏气状态，反映电气设备气室的气体密度值变化趋势；P20用来反映电气设备当前的运行情况，适合于监测电气设备的大漏状态，及时反映电气设备的重大漏气事件。本申请能对气体绝缘电气设备做出准确的在线监测与故障诊断，当气体绝缘电气设备发生漏气时能够更加及时发现，保障电网安全。
附图说明
构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是实施例一的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器的侧面结构示意图；
图2是实施例一的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器的正面结构示意图；
图3是实施例一的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器的原理框图；
图4是实施例二的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测系统的结构示意图；
图5是实施例三的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器及系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一：
图1和图2为实施例一的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器的结构示意图。如图1、图2所示，一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，包括机械部分1和与机械部分相对独立的电子部分2。
机械部分1包括：机械部分壳体101，以及设于所述机械部分壳体内的基座102、端座108、压力检测器103、温度补偿元件104、机芯105、指针106、刻度盘1012、端座108、信号调节机构107、若干信号发生器109。其中，压力检测器103的一端和温度补偿元件104的一端均固定于端座108上，压力检测器103的另一端密封连接在基座102上，温度补偿元件104的另一端通过显示连杆与机芯105连接或者温度补偿元件104的另一端直接与机芯105连接，指针106安装于机芯105上且设于刻度盘1012之前。所述信号发生器109可以采用微动开关或磁助式电接点，通过信号发生器109输出气体密度监测器的接点信号。所述压力检测器103可以采用巴登管或波纹管。温度补偿元件104可以采用补偿片或壳体内封闭的气体。
电子部分2包括：温度传感器3，电子部分壳体2010，以及设于所述电子部分壳体2010内的压力传感器201、智能微处理器202、通讯模块4、电源(电源模块)203。所述压力传感器201通过绝缘件204、205、206与传感器外壳207以及传感器固定座209相连接；或者所述压力传感器201通过若干绝缘件204、205、206密封固定在压力传感器固定座209上，所述压力传感器201在气路上与压力检测器103相连通。所述温度传感器3设置在所述机械部分的温度补偿元件104附近、或设置在温度补偿元件104上，或集成于所述温度补偿元件104中。所述机械部分壳体101和电子部分壳体2010是相互独立或隔开的，所述智能微处理器202分别与温度传感器3、压力传感器201、通讯模块4相连接。在传感器外壳207的内部设置有屏蔽件208，以提高气体密度监测器的抗干扰能力；同时在电子部分壳体2010的内侧(或外部)设置有屏蔽件2011，进一步提高气体密度监测器的抗干扰能力。
气体密度监测器还可以包括：充油型密度监测器、无油型密度监测器、气体密度表、气体密度开关或者气体压力表。在本实施例的气体密度监测器内，基于压力检测器103并利用温度补偿元件104对变化的压力和温度进行修正，以反映(六氟化硫)气体密度的变化。即在被测介质(六氟化硫)气体的压力作用下，由于有了温度补偿元件104的作用，(六氟化硫)气体密度值变化时，(六氟化硫)气体的压力值也相应的变化，迫使压力检测器103的末端产生相应的弹性变形位移，借助于温度补偿元件104，传递给机芯105，机芯105又传递给指针106，遂将被测的六氟化硫气体密度值在刻度盘1012上指示出来。信号发生器109作为输出报警闭锁接点信号。这样气体密度监测器就能把(六氟化硫)气体密度值显示出来了。如果漏气了，六氟化硫气体密度值下降了，压力检测器103产生相应的反向位移，通过温度补偿元件104，传递给机芯105，机芯105又传递给指针106，指针106就往示值小的方向走，在刻度盘1012上具体显示漏气程度，并且通过信号发生器109输出(报警闭锁)接点信号，通过机械原理监视和控制电气开关等设备中的六氟化硫气体密度，使电气设备安全工作。
所述智能微处理器202的边缘计算单元具有多个不同时间间隔的准确的密度值例如，多个不同时间间隔的准确的密度值分别对应一个年度时间间隔的准确的密度值分别对应一个季度时间间隔的准确的密度值分别对应一个月度时间间隔的准确的密度值分别对应一个星期时间间隔的准确的密度值分别对应一个一天时间间隔的准确的密度值所述的多个不同时间间隔的准确的密度值通过通讯模块上传到目标设备或目标平台，进而实现更加准确在线监测电气设备的气体密度值。一般来说，密度值和密度值适合于微漏的电气设备的判断；而密度值和密度值适合于中型漏气的电气设备的判断；而密度值 和密度值P20(实时)适合于重大漏气的电气设备的判断。通过多级计算，多层监控，即保证安全，又提高精准性能，同时也创新性地解决了业内难题：气体密度监测器与电气设备的气室间的温差问题。
图3为本发明实施例一的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器的原理框图。如图3所示，智能微处理器202可以是：通用计算机、工控机、CPU、单片机、ARM芯片、AI芯片、量子芯片、光子芯片、MCU、FPGA、PLC等、工控主板、嵌入式主控板等；电源203可以是：开关电源、交流220V、直流电源、LDO、可编程电源、太阳能、蓄电池、充电电池、电池等。智能微处理器202通过压力传感器201采集压力信号P，通过温度传感器3采集温度信号T，利用SF6气体压力和温度之间关系的数学模型，采用软测量的方法，计算得到相应的气体密度值P20(即20℃的的压力值P20)，且通过通讯模块4能够远传气体密度值P20，或气体密度值P20、压力值、温度值，或压力值、温度值，进而实现在线监测电气设备的气体密度值P20，或气体密度值P20、压力值、温度值，或压力值、温度值。例如气体密度监测器通过RS-485等数据通讯方式接入到变电站综合自动化在线监测系统中，并远传至无人值班站中心监控站，在变电站当地和远方的中心监控站进行实时监测，实现了SF6电气设备中SF6气体密度的在线监测。
本发明技术产品，由于所述温度传感器3和温度补偿元件104设置在一起；或所述温度传感器3直接设置在温度补偿元件104上；或所述温度传感器3设置在温度补偿元件104附近，使得气体密度监测器的机械部分检测的温度和电子部分检测的温度一致，大大提高了气体密度监测器的测试精度，经过这样新的设计处理，气体密度监测器的性能大大提高。
另外，所述气体密度监测器还包括隔热件5，所述隔热件5设置在机械部分壳体101和电子部分壳体2010之间；或所述隔热件设置在电源(电源模块)处。所述电源(电源模块)203在位置上远离温度传感器3和温度补偿元件104。
所述密度监测器的电子部分还包括屏蔽件2011，所述屏蔽件2011能够对电场、和/或磁场起到屏蔽作用。所述屏蔽件2011设置在电子部分壳体2010的内部或外部。所述压力传感器201设有屏蔽件208。所述智能微处理器202和/或通讯模块4设有屏蔽件。
所述气体密度监测器还包括若干绝缘件，通过若干绝缘件实现所述压力传感器201与电子部分壳体2010、机械部分壳体101是绝缘的；或者所述传感器外壳207和气体密度监测器的壳体是绝缘的。经过这样的创新设计和处理，气体密度监测器的性能大大提高。
具体经过对比测试，从表1可以看出，采用本专利技术的气体密度监测器的精度、抗干扰能力和稳定性比现有技术的气体密度监测器更好，可以大幅度提高气体密度监测器的精度和抗干扰能力，保障电网可靠安全运行。
表1本申请的气体密度监测器和现有技术的气体密度监测器的性能对比表
另外，本申请气体密度监测器的所述机械部分壳体101内充有防震液，机械部分壳体101内还设置有引出线密封件，所述温度传感器3的连接线通过引出线密封件与智能微处理器202相连接。所述气体密度监测器还包括设备连接接头1010，所述设备连接接头设置在机械部分1或电子部分2上。所述通讯模块4设置在电子部分壳体2010处或机械部分壳体101处，或者所述通讯模块4和智能微处理器202一体化设计在一起，所述气体密度监测器通过通讯模块4实现远距离传输测试数据和/或结果等信息，通讯模块4的通讯方式可以是有线或无线方式。所述压力传感器201设置在电子部分壳体2010内，或机械部分壳体101内。所述智能微处理器202基于微处理器的嵌入式系统内嵌算法及控制程序，自动控制整个监测过程，包含所有外设、逻辑及输入输出。所述智能微处理器202基于通用计算机、工控机、ARM芯片、AI芯片、CPU、MCU、FPGA、PLC等、工控主板、嵌入式主控板等内嵌算法及控制程序，自动控制整个监测过程，包含所有外设、逻辑及输入输出。
所述智能微处理器202采集压力传感器201、温度传感器3的压力信号、温度信号，依据气体特性换算成20℃的的压力值P20(即气体密度值P20)，即气体密度监测器具有压力、温度测量及软件换算功能。所述智能微处理器202可测量相对压力及绝对压力类型的气体密度监测器。所述气体密度监测器具有人机交互功能：具有数据显示界面，可实时刷新当前数据值；具有数据输入功能，可以输入参数设定值。所述智能微处理器202具有电气接口，可以完成测试数据存储；和/或测试数据导出；和/或测试数据可打印；和/或可与上位机进行数据通讯；和/或可输入模拟量、数字量信息。所述气体密度监测器的电气接口带有保护功能，误接不会造成接口损坏；或/和不会受到电磁场的干扰。气体密度监测器还包括多通接头，所述气体密度监测器的电子部分2设置在多通接头上；或者，所述气体密度监测器还包括多通接头、自封阀，所述的电子部分2、自封阀安装在多通接头上。所述的压力检测器103、压力传感器201通过连接管连接在一起。所述电子部分2设置在气体密度监测器的机械部分壳体101的后面或壳体上，或设备连接接头1010上。还包括时钟，时钟设置在智能微处理器202上，可以记录测试时间。所述电源(电源模块)203还包括供电电源电路，或者电池，或者可循环充电电池，或太阳能，或互感器取电得到的电源，或感应电源等。智能微处理器202的控制可以通过现场控制，也可以通过后台控制，或两者相互互动完成控制。气体密度监测器具有实时在线气体密度值、压力值、温度值等数据显示、变化趋势分析、历史数据查询、实时告警等功能。所述智能微处理器202的电路上包括保护元器件，特别是抗干扰元器件。所述气体密度监测器还包括微水传感器，能够在线监测气体微水值。所述气体密度监测器还包括分解物传感器，能够在线监测气体分解物。所述气体密度监测器具有自诊断功能，能够对异常及时告示，例如断线、短路报警、传感器损坏等告示。气体密度监测器的密度在线监测到气体压力有升高趋势时，应该及时提出异常告示。气体密度监测器还包括摄像头，对气体密度监测器自身进行监控。气体密度监测器含有对电子元器件环境温度的保护，防止过低温度或过高温度工作，使其工作在允许的温度范围内，例如，可以设置加热器和/或散热器(风扇)，在低温时开启加热器，在高温时开启散热器(风扇)，保证压力传感器201和/或集成电路等电子元件可以在低温或高温环境下可靠工作。气体密度监测器具有数据分析、数据处理功能，能够对电气设备、密度监测器自身进行相应的故障诊断和预测。
实施例二：
图4为本发明实施例二的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测系统。如
图4所示，多个设有六氟化硫气室的高压电气设备、多个气体密度监测器均依次通过集线器、IEC61850协议转换器与后台监控终端连接。其中，每个气体密度监测器分别设置在对应的六氟化硫气室的高压电气设备上。
本实施例中，后台监控终端PC通过集线器HUB0与多个集线器HUB(HUB1、HUB2、……HUBm)通讯。每个集线器HUB连接一组气体密度监测器，如集线器HUB1连接气体密度监测器Z11、Z12、……Z1n，集线器HUB2连接气体密度监测器Z21、Z22、……Z2n，……，集线器HUBm连接气体密度监测器Zm1、Zm2、……Zmn，其中，m、n均为自然数。
后台监控终端包括：1)后台软件平台：基于Windows、Linux及其他等，或VxWorks、Android、Unix、UCos、FreeRTOS、RTX、embOS、MacOS。2)后台软件关键业务模块：例如权限管理、设备管理、数据存储于查询等，以及用户管理、报警管理、实时数据、历史数据、实时曲线、历史曲线、配置管理、数据采集、数据解析、记录条件、异常处理等。3)界面组态：例如Form界面、Web界面、组态界面等。所述基于边缘计算的多功能气体密度监测系统监测到的包括、但不限于准确的密度值漏气率L、趋势变化值△P20、漏气信息、补气信息、实时数据、实时曲线中的一种或几种，可以上传到手机或其它目标终端，便于掌控。
实施例三：
图5是本发明实施例三的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测系统。本实施例较实施例二增加了网络交换机Gateway、综合应用服务器Server、规约转换器/在线监测智能单元ProC。本实施例中，后台监控终端PC通过网络交换机Gateway连接两个综合应用服务器Server1、Server2，两个综合应用服务器Server1、Server2通过站控层A网和B网与多个规约转换器/在线监测智能单元ProC(ProC1、ProC2、……ProCn)通讯，规约转换器/在线监测智能单元ProC通过R5485网络与多个集线器HUB(HUB1、HUB2、……HUBm)通讯。每个集线器HUB连接一组气体密度监测器，如集线器HUB1连接气体密度监测器Z11、Z12、……Z1n，集线器HUB2连接气体密度监测器Z21、Z22、……Z2n，……，集线器HUBm连接气体密度监测器Zm1、Zm2、……Zmn，其中，m、n均为自然数。
综上所述，本申请所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器及系统，通过智能微处理器运算处理得到所监测的电气设备的气体密度值P20，智能微处理器的边缘计算单元对气体密度值P20进行深度计算处理，得到准确的密度值用来反映电气设备长期运行时，电气设备气室的气体密度值状态，适合于监测电气设备的微漏状态或中型漏气状态，反映电气设备气室的气体密度值变化趋势；P20用来反映电气设备当前的运行情况，适合于监测电气设备的大漏状态，及时反映电气设备的重大漏气事件。总之，本申请能对气体绝缘电气设备做出准确的在线监测与故障诊断，当气体绝缘电气设备发生漏气时能够更加及时发现，为生产维护提供很大的帮助，保障了电网可靠安全运行。
本申请的气体密度监测器泛指远传气体密度继电器、气体密度变送器、气体密度监测装置。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于，包括：智能微处理器、压力传感器、温度传感器、通讯模块、存储器；其中，
所述智能微处理器分别与温度传感器、压力传感器、通讯模块相连接，以设定的采样频率获取压力传感器采集的压力信号和温度传感器采集的温度信号，根据气体压力-温度特性，计算得到相应的气体密度值P20；
所述智能微处理器包括边缘计算单元，所述边缘计算单元将所监测的气体密度值P20与设定的漏气报警密度值进行比对，当所监测的气体密度值P20等于或小于设定的漏气报警密度值时，所述监测器发出漏气报警信号，或发出漏气报警信号接点，或发出漏气告示信息，或上传漏气告示信息；所述边缘计算单元将所监测的气体密度值P20与设定需要补气的密度值进行比对，当所监测的气体密度值P20等于或小于需要补气的密度值时，所述监测器发出补气报警信号，或发出补气报警信号接点，或发出补气告示信息，或上传补气告示信息；或者，
所述边缘计算单元将计算得到的气体密度值P20进行深度计算处理，得到准确的密度值所述边缘计算单元将所述准确的密度值与设定的漏气报警密度值进行比对，当所述准确的密度值等于或小于设定的漏气报警密度值时，所述监测器发出漏气报警信号，或发出漏气报警信号接点，或发出漏气告示信息，或上传漏气告示信息；或者，所述边缘计算单元将所述准确的密度值与设定需要补气的密度值进行比对，当所述准确的密度值等于或小于需要补气的密度值时，所述监测器发出补气报警信号，或发出补气报警信号接点，或发出补气告示信息，或上传补气告示信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述深度计算处理包括：所述边缘计算单元对所监测的气体密度值P20采用平均值法计算得到气体密度值P20的平均值该平均值就是准确的密度值其中，
所述平均值法为：在设定的时间间隔内，设定采集频率，将全部采集得到的不同时间点的N个气体密度值进行平均值计算处理，得到气体密度值P20的平均值从而得到准确的密度值或者，
在设定的时间间隔里、设定温度间隔步长，把全部温度范围内采集得到的N个不同温度值的密度值进行平均值计算处理，得到其气体密度值P20的平均值从而得到准确的密度值或者，
在设定的时间间隔里、设定压力间隔步长，把全部压力变化范围内采集得到的N个不同压力值的密度值进行平均值计算处理，得到其气体密度值P20的平均值从而得到准确的密度值
其中，N为大于等于1的正整数。
3.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于，所述深度计算处理包括：所述边缘计算单元对一定间隔时间的气体密度值P20进行傅里叶变换，转换成对应的频谱，把周期性成份滤掉，然后计算得到准确的密度值
4.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于，所述深度计算处理包括：所述边缘计算单元对一定间隔时间的气体密度值P20按照时间序列分解为趋势性成份、周期性成份和随机成份，按照趋势性成份判断气体泄漏状况，即当所监测的趋势性成份值等于或大于设定的趋势性成份值时，所述气体密度监测器发出漏气报警信号，或发出漏气报警信号接点，或发出漏气告示信息，或上传漏气告示信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述准确的密度值漏气告示信息、补气告示信息通过通讯模块上传至目标设备或目标平台；和/或，所述准确的密度值对应的压力值、温度值通过通讯模块上传至目标设备或目标平台；和/或，所述气体密度值P20通过通讯模块上传至目标设备或目标平台。
6.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述边缘计算单元计算所监测的气体密度值P20的趋势变化值△P20，在设定的时间间隔，当趋势变化值△P20低于或高于设定的趋势变化值时，所述气体密度监测器发出报警信号，或发出报警信号接点，或发出报警信息，或上传告示信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述趋势变化值△P20为：在设定的时间间隔里、设定采集频率，把全部采集得到的不同时间点的N个气体密度值进行平均值计算处理，得到其气体密度值P20的平均值然后设定趋势计算周期T周期，得到趋势变化值即平均值前后周期T周期的差值；或者，
在设定的时间间隔T间隔，所监测的电气设备的气体密度值P20的趋势变化值即密度值P20前后时间间隔T间隔的差值；或者，
设定时间间隔T间隔，设定时间长度T长度，采用在设定的时间间隔T间隔、设定采集频率，把全部采集得到的不同时间点的N个气体密度值P20进行累计计算得到累计值∑P20，得到趋势变化值即前后时间长度T长度累计值∑P20之间的差值；
其中，N为大于等于1的正整数。
8.根据权利要求6所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：当气体密度值P20的趋势变化是变小的，其变小的趋势变化值大于或等于设定的趋势变化值时，智能微处理器通过气体密度监测器的报警接点信号线上传异常信息，或者，智能微处理器通过通讯模块上传异常信号。
9.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述边缘计算单元计算所监测的电气设备的漏气率L，所述漏气率L＝式中：t为设定的时间间隔，△P20t为时间间隔t内的密度值变化量，为时间间隔t前一时刻的密度值，为过了时间间隔t时刻的密度值；所述气体监测器及时更新发出漏气率L告示信息；或者，所述气体密度监测器及时更新上传漏气率L告示信息。
10.根据权利要求9所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述边缘计算单元计算所监测的电气设备的补气时间T补气时间，所述补气时间式中，为设定需要补气的密度值；所述气体密度监测器及时更新发出补气时间告示信息，或及时更新上传补气时间信息；和/或，
所述边缘计算单元计算所监测的电气设备的气室需要的气体总质量Q总＝ρ需要×V，式中，ρ需要为需要补气的质量密度，根据需要补气的密度值及其气体特性得到，V为电气设备的气室体积；计算所监测的电气设备的气室目前的气体质量Q目前＝ρ目前×V，式中，ρ目前为目前气体的质量密度，根据目前监测的气体密度值P20及其气体特性得到；由计算出的气体总质量Q总和目前的气体质量Q目前计算气体补气质量Q补气＝Q总-Q目前；所述气体密度监测器及时更新发出气体补气质量告示信息，或及时更新上传气体补气质量信息。
11.根据权利要求9所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述边缘计算单元将所监测的漏气率L与设定的漏气率L设定进行比对，当所监测的漏气率L等于或大于所设定的漏气率L设定时，所述气体密度监测器发出漏气报警信号，或发出漏气报警信号接点，或发出漏气告示信息，或上传漏气告示信息。
12.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述气体密度监测器还包括电子告示信号接点，所述电子告示信号接点还与所述智能微处理器相连接；当所监测的电气设备的气体密度值低于或高于所设定的密度值时，所述电子告示信号接点发生动作输出告示接点信号；或者，当所监测的电气设备的气体压力值低于或高于所设定的压力值P设定时，所述电子告示信号接点发生动作输出告示接点信号；或者，当所监测的电气设备的气体温度值低于或高于所设定的温度值T设定时，所述电子告示信号接点发生动作输出告示接点信号；或者，当所监测的电气设备的气体温度值达到所设定的温度阈值T设定阈值，且所监测的电气设备的气体压力值低于或高于设定的压力值P设定时，所述电子告示信号接点发生动作输出告示接点信号；
其中，所述告示接点信号包括报警、和/或闭锁。
13.根据权利要求12所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述电子告示信号接点包括电磁监测器、固态监测器、时间监测器、功率监测器、可控硅、电子开关、电接点、光耦、DI、MOS场效应管、三极管、二极管、MOS FET监测器中的一种或几种。
14.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述气体密度监测器能够输入补气事件、和/或放气测试事件，并能根据对应的补气事件、和/或放气测试事件对气体密度值P20进行新的计算或调整。
15.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述气体密度监测器还包括显示机构，所述显示机构包括具有示值显示的数码器件或液晶器件。
16.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：当所述气体密度值P20小于或等于设定的密度值时，智能微处理器通过气体密度监测器的报警接点信号线上传异常信号；或者，智能微处理器通过通讯模块上传异常信号。
17.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述气体密度监测器还包括监测气体微水值的微水传感器，当气体微水值超过设定值时，所述气体密度监测器发出微水超标告示信息，或上传微水超标告示信息；和/或，
所述气体密度监测器还包括在线监测气体分解物的分解物传感器，当气体分解物的含量超过设定值时，所述气体密度监测器发出分解物含量超标告示信息，或上传分解物含量超标告示信息。
18.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述智能微处理器基于微处理器的嵌入式系统内嵌算法及控制程序，自动控制整个气体密度监测器的监测过程，包含所有外设、逻辑及输入输出。
19.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述智能微处理器具有电气接口，所述电气接口完成测试数据存储，和/或测试数据导出，和/或测试数据打印，和/或与上位机进行数据通讯，和/或输入模拟量、数字量信息。
20.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述通讯模块的通讯方式为有线通讯或无线通讯方式。
21.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述压力传感器、所述温度传感器为一体化结构；或者，
所述智能微处理器、通讯模块、存储器为一体化设计；或者，
所述智能微处理器、存储器为一体化设计；或者，
所述智能微处理器、通讯模块为一体化设计。
22.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述智能微处理器的控制通过现场控制，和/或通过所述后台监控终端控制。
23.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述气体密度监测器还包括用于人机交互的显示界面，实时显示当前的数据，和/或支持数据输入。
24.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器，其特征在于：所述边缘计算单元具有多个不同时间间隔的准确的密度值所述多个不同时间间隔的准确的密度值通过通讯模块上传到目标设备或目标平台。
25.一种基于边缘计算的多功能气体密度监测系统，其特征在于：所述系统由权利要求1至24任一项所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器构成；或者，所述系统包括权利要求1至24任一项所述的一种基于边缘计算的多功能气体密度监测器。
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