CN110865250A - 融合电流监测的配电设备状态监测装置及发热检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种融合电流监测的配电设备状态监测装置及发热检测方法，包括交互层、物理层和通信层；所述物理层包括：温度采集模块，用于采集配电设备的温度；电流采集模块，用于采集配电设备电流；数据处理与传输控制模块，包括数据处理子模块与通信子模块，所述数据处理子模块用于对采集到的温度及电流数据进行融合分析，并由通信子模块将分析结果发送至所述交互层；以及为物理层供电的自具电源模块。本发明所述的配电设备发热异常检测方法，利用“温升每电流平方密度值”作为特征值，对温升以及电流平方值构成的二维分布区间进行划分，可以识别出将正常工作电流引起的温升，使得配电设备的状态评价的结果具有更高的准确度和可信度。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电设备状态监测装置以及检测配电设备异常发热的方法，尤其涉及一种融合电流监测的配电设备状态监测装置及配电设备异常发热的检测方法。
背景技术
配电网作为电网的重要组成部分，是影响电网供电可靠性的关键环节，统计发现，影响配电设备运行安全的主要因素是设备发热及放电。将物联网技术应用于电网运检领域，有利于整合电网信息资源，实现电网信息的精细化、模型化和可视化，但目前物联网在电网的应用还较为简单。配电物联网作为物联网技术在电网运检中的新应用，运用物联网技术提高配电设备或者线路的可观、可测、可控能力是配电网未来的重要发展方向。
为了解决配电设备的可观及可测的问题，随着配电设备数量增加以及观测需求不断提升，大量的不同类型的传感器被布置在配电网中。传感器数量的增加一方面使得传感器安装的难度增加，同一个观测点往往需要设置两个甚至更多个传感器才能够满足系统观测需求；另一方面，传感器数量的增加也使得传感器网络变得更加复杂，大量传感器带来的成倍增加的电源线、数据线降低了系统的安全性以及可靠性。如何降低传感器的数量，实现传感器的集成化、小型化以及无线化是应对传感器数量不断增加需要解决的关键问题。
在获得可靠的观测数据的基础上，针对配电设备发热的主要监测变量为温度。现有的单一利用温度对配电设备进行评价的方法，没有兼顾配电设备的实际运行电流，无法有效评估是设备运行电流增加导致的自然温升、还是设备缺陷导致的异常温升，存在片面性。如何兼顾温度以及实际的运行电流对配电设备状态进行划分及评价，是综合利用观测数据并实现全面客观评价的关键。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种融合电流监测的配电设备状态监测装置及发热检测方法，能够同时采集配电设备的电流、温度数据并进行融合分析，对配电设备异常发热情况进行更精确的检测。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种融合电流监测的配电设备状态监测装置，包括交互层、物理层和通信层；所述物理层包括：温度采集模块，用于采集配电设备的温度；电流采集模块，用于采集配电设备的电流；数据处理与传输控制模块，用于对采集到的温度及电流数据进行结合分析，并将分析结果发送至所述交互层；以及为装置供电的自具电源模块。所述数据处理与传输控制模块包括用于分析数据的数据处理子模块与用于传输信息的通信子模块。其中，为保证测量精度以及尽量减小装置占用体积，所述温度采集模块优选采用铂电阻传感器采集温度信息，所述电流采集模块优选采用霍尔元件采集电流信息。
所述交互层用于提供物理层与用户的信息交互接口，为用户提供交互信息。
所述通信层用于与物理层进行数据交互。所述通信层采用LoRa网关实现物联网通信。
在一种温度和电流数据融合分析的方案中，所述数据处理子模块中集成有模型层，用于存储配电设备电流的平方与其对应温升的试验数据，所述实验数据用于作为比对数据以对温度及电流数据进行结合分析；所述结合分析是将配电设备的温升与电流平方的数据在所述试验数据形成的二维区间中进行比对，分析落入二维区间的位置。
为满足传感器的低功耗应用需求，所述数据处理与传输控制模块中的通信子模块通常是处于休眠状态的，由定时器唤醒，唤醒后对外接收并传送数据。
利用上述融合电流监测的配电设备状态监测装置，本发明提出一种配电设备发热检测的方法，包括以下步骤：
(1)所述通信层获取外部环境温度值T0；
(2)所述温度采集模块采集得到配电设备当前的温度值T1；
(3)所述电流采集模块采集得到配电设备当前的电流值I；
(4)所述数据处理与传输控制模块计算温升每电流平方密度值，计算公式如下，其中ΔT为温升：
△T＝T1-T0
(5)根据配电设备电流的平方与其对应温升的试验数据，在所述试验数据形成的二维区间中对实测的温度与电流数据进行结合分析，确定配电设备当前所处的状态，并将分析结果发送至所述交互层。
其中，步骤(5)中确定配电设备当前所处的状态，具体包括以下过程：
(11)获取配电设备电流的平方与其上若干位置点对应温升的试验数据，所述试验数据包括配电设备在密封状态下使用低压设备、敞开状态下使用低压设备以及在敞开状态下使用高压设备时，对应的配电设备电流的平方与对应温升的数据；
(12)根据数据作出折线图，在所述折线图的二维平面中，试验数据所形成的折线将所述二维平面划分为4个区域，由下至上对应危急程度逐渐攀升的四种状态；
(13)以电流值的平方I2确定横轴坐标位置，以温升值ΔT作为纵轴坐标位置，确定设备状态对应的坐标点；
(14)根据所述坐标点所在区间，确定配电设备当前所处的状态。
另外，还提出了一种配电设备发热预测的方法，包括以下步骤：
(1)所述通信层获取外部环境温度值T0；
(2)所述温度采集模块采集得到配电设备当前的温度值T1；
(3)所述电流采集模块采集得到配电设备当前的电流值I；
(4)所述数据处理与传输控制模块计算温升每电流平方密度值，计算公式如下，其中ΔT为温升：
△T＝T1-T0
(5)根据配电设备电流的平方分别与其对应温升的试验数据，在所述试验数据形成的二维区间中对实测的温度与电流数据进行结合分析，预测配电设备未来的状态，并将分析结果发送至所述交互层。
其中，步骤(5)中预测配电设备未来的状态，具体包括以下过程：
(21)获取配电设备电流的平方与其上若干位置点对应温升的试验数据，所述试验数据包括配电设备在密封状态下使用低压设备、敞开状态下使用低压设备以及在敞开状态下使用高压设备时，对应的配电设备电流的平方与对应温升的数据；
(22)根据数据作出折线图，在所述折线图的二维平面中，试验数据所形成的折线将所述二维平面划分为4个区域，由下至上对应危急程度逐渐攀升的四种状态；
(23)以电流值的平方I2确定横轴坐标位置，以温升值ΔT作为纵轴坐标位置，确定设备状态对应的坐标点；
(24)连接所述坐标点及坐标原点并延长，形成配电设备的预测线；
(25)根据所述预测线延长部分的走向及所在区间，预测配电设备未来的状态。
有益效果：相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：1)为了解决配电设备状态监测过程中电流、温度状态融合分析的问题，本发明不采用单一维度的温度阈值作为评价设备状态的衡量指标，避免了单一温度状态评价的局限性；2)本发明通过对采集的温度、电流数据之间的相关性进行分析，对温升以及电流平方值构成的二维分布区间进行划分，以二维区间代替一维区间，可以识别出将正常工作电流引起的温升，使得配电设备的状态评价的结果具有更高的准确度和可信度；3)利用“温升每电流平方密度值”作为特征值，可以实现一种经济且具有实际可操作性的配电设备工况预测方法。
附图说明
图1是本发明所述的监测装置结构图；
图2是本发明所述的检测方法流程图；
图3是本发明所述的配电设备状态区间划分的试验依据；
图4是本发明所述的配电设备状态确定及其异常发热状态预测示意图；
图5是本发明所述的铂电阻测温电桥电路图；
图6是铂电阻阻值与温度的相关关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的融合电流监测的配电设备状态监测装置如图1所示。
功能模块S1交互层。交互层负责提供物理层与用户的信息交互接口。交互层信息来源于物理层的数据处理与传输控制模块。交互层提供的传感器交互信息包含数据显示信息S11，状态显示信息S12以及状态预测信息S13。其中，数据显示信息S11，包括电流值I，设备温度值T1，环境温度值T0以及温升值ΔT；状态显示信息S12，包括危急、严重、一般以及优化四种状态信息，即用于显示当前配电设备所处的状态信息；状态预测信息显示用于显示所预测的配电设备未来的状态信息。状态预测信息S13，包括危急、严重、一般以及优化四种状态预测信息。
功能模块S2模型层。模型层包含融合电流状态的配电设备温度知识，模型层集成在功能模块S3中的S31数据处理与传输控制模块内。模型层包含的融合电流状态的配电设备温度知识，以图3所示的配电设备实验数据为依据。本例中以塑壳断路器和高压断路器为例，在敞开和密封两种不同测试条件下，分别测试其电流值的平方所对应的温升值。实验数据中温升数据以及电流平方数据由功能模块S3中的S31数据处理与传输控制模块提供。其中温升值ΔT由S33温度采集模块测得的温度T1以及由功能模块S4获取的标准温度采集点提供的环境温度值T0计算得到；电流平方数据由S34电流采集模块测得的电流值I计算得到。模型层状态划分结合配电设备状态危害度等级，将状态区间划分为危急、严重、一般以及优化四种状态。
功能模块S3物理层。物理层包含4个子功能模块，S31数据处理与传输控制模块、S32自具电源模块、S33温度采集模块、S34电流采集模块。
功能模块S4通信层，负责与物理层S3中的S31数据处理与传输控制子模块进行数据交互。为了保持传感器具有较低功耗特性，传感器端的LoRa通信模块处于休眠状态，由定时器唤醒。唤醒后，对外接收并传送数据。
如图2所示，为利用上述融合电流监测的配电设备状态监测装置，对配电设备进行异常发热检测的流程图。
步骤S101从LoRa网关获取外部环境温度值T0；为了满足传感器的低功耗应用需求，传感器端的LoRa通信模块处于休眠状态，由定时器定时唤醒。唤醒后，向LoRa网关请求并获取外部环境温度值T0。
步骤S102根据测得的电压信号Uo，计算铂电阻的阻值RPt；
步骤S103根据不同温度下的阻值RPt，确定设备当前的温度值T1；由图6给出的铂电阻阻值与温度之间的近似线性的相关性关系，在已知阻值RPt的情况下，可以容易获得设备当前的温度值T1。本发明不限于采用除图5所示的电桥电路以外的信号转换电路对铂电阻阻值进行测量。
步骤S104根据霍尔传感器的测试结果确定测量点的电流值I；
然后，通过采集得到的电流值和温度值分析配电设备当前所处的状态以及预测其未来的状态。包括以下过程：
步骤S105计算“温升每电流平方密度值”ΔT/I2；
ΔT＝T1-T0
步骤S106确定配电设备的当前状态，本实施例中以断路器进行具体的说明。首先以图3所示的断路器实验数据为依据，进行状态划分。试验数据包括(1)在密封状态下使用低压断路器时，断路器进线端和出线端对应的电流的平方与温升的数据，(2)在敞开状态下使用低压断路器时，断路器进线端和出线端对应的电流的平方与温升的数据，(3)在敞开状态下使用高压设备时断路器时，断路器进线端和出线端对应的电流的平方与温升的数据。选择进线端和出线端是由于在断路器中这两个位置的温差最明显，实际操作过程中，可以选择配电设备上多个温升变化不同的位置来代替。
(52)根据数据作出折线图，在所述折线图的二维平面中，试验数据所形成的折线将所述二维平面划分为4个区域，由下至上对应危急程度逐渐攀升的四种状态；
在此二维区间中，以步骤S104确定的电流值的平方I2确定横轴坐标位置，以步骤S105确定的温升值ΔT确定纵轴坐标位置，由此确定设备状态对应的坐标点；以坐标点所属区间，确定配电设备状态。
步骤S107预测配电设备的状态；以步骤S105计算得到的温升每电流平方密度值作为斜率，在图4状态区间划分中经过坐标原点，给出当前状态下，配电设备的状态预测曲线。据此，工程人员即可在不同的电流工况下，对配电设备的温升状态进行预测。
实际操作过程中，本发明所述的配电设备状态监测装置及方法对异常发热情况的检测和预测准确性达到了95％以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种融合电流监测的配电设备状态监测装置，其特征在于：包括交互层、物理层和通信层；
所述物理层包括：温度采集模块，用于采集配电设备的温度；电流采集模块，用于采集配电设备的电流；数据处理与传输控制模块，用于对采集到的温度及电流数据进行结合分析，并将分析结果发送至所述交互层；以及为装置供电的自具电源模块；
所述交互层用于提供物理层与用户的信息交互接口，为用户提供交互信息；
所述通信层用于与物理层进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的融合电流监测的配电设备状态监测装置，其特征在于：所述数据处理与传输控制模块包括用于分析数据的数据处理子模块与用于传输信息的通信子模块。
3.根据权利要求2所述的融合电流监测的配电设备状态监测装置，其特征在于：所述数据处理子模块中还集成有模型层，用于存储配电设备电流的平方与其对应温升的试验数据，所述实验数据用于作为比对数据以对温度及电流数据进行结合分析；所述结合分析是将配电设备的温升与电流平方的数据在所述试验数据形成的二维区间中进行比对，分析落入二维区间的位置。
4.根据权利要求1所述的融合电流监测的配电设备状态监测装置，其特征在于：所述通信层采用LoRa网关实现。
5.根据权利要求1所述的融合电流监测的配电设备状态监测装置，其特征在于：所述数据处理与传输控制模块中的通信子模块处于休眠状态，由定时器唤醒，唤醒后对外接收并传送数据。
6.一种利用权利要求1所述的融合电流监测的配电设备状态监测装置进行配电设备发热检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)所述通信层获取外部环境温度值T0；
(2)所述温度采集模块采集得到配电设备当前的温度值T1；
(3)所述电流采集模块采集得到配电设备当前的电流值I；
(4)所述数据处理与传输控制模块计算温升每电流平方密度值；
(5)所述数据处理与传输控制模块调用配电设备电流的平方与其对应温升的试验数据，在所述试验数据形成的二维区间中对实测的温度与电流数据进行结合分析，确定配电设备当前所处的状态，并将分析结果发送至所述交互层。
7.根据权利要求6所述的配电设备发热检测方法，其特征在于，步骤(5)中所述的确定配电设备当前所处的状态，包括以下过程：
(11)获取配电设备电流的平方与其上若干位置点对应温升的试验数据，所述试验数据包括配电设备在密封状态下使用低压设备、敞开状态下使用低压设备以及在敞开状态下使用高压设备时，对应的配电设备电流的平方与对应温升的数据；
(12)根据数据作出折线图，在所述折线图的二维平面中，试验数据所形成的折线将所述二维平面划分为4个区域，由下至上对应危急程度逐渐攀升的四种状态；
(13)以电流值的平方I2确定横轴坐标位置，以温升值ΔT作为纵轴坐标位置，确定设备状态对应的坐标点；
(14)根据所述坐标点所在区间，确定配电设备当前所处的状态。
8.一种利用权利要求1所述的融合电流监测的配电设备状态监测装置进行配电设备发热预测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)所述通信层获取外部环境温度值T0；
(2)所述温度采集模块采集得到配电设备当前的温度值T1；
(3)所述电流采集模块采集得到配电设备当前的电流值I；
(4)所述数据处理与传输控制模块计算温升每电流平方密度值；
(5)所述数据处理与传输控制模块调用配电设备电流的平方与其对应温升的试验数据，在所述试验数据形成的二维区间中对实测的温度与电流数据进行结合分析，预测配电设备未来的状态，并将分析结果发送至所述交互层。
9.根据权利要求8所述的配电设备发热检测方法，其特征在于，步骤(5)中所述的预测配电设备未来的状态，包括以下过程：
(21)获取配电设备电流的平方与其上若干位置点对应温升的试验数据，所述试验数据包括配电设备在密封状态下使用低压设备、敞开状态下使用低压设备以及在敞开状态下使用高压设备时，对应的配电设备电流的平方与温升的数据；
(22)根据数据作出折线图，在所述折线图的二维平面中，试验数据所形成的折线将所述二维平面划分为4个区域，由下至上对应危急程度逐渐攀升的四种状态；
(23)以电流值的平方I2确定横轴坐标位置，以温升值ΔT作为纵轴坐标位置，确定设备状态对应的坐标点；
(24)连接所述坐标点及坐标原点并延长，形成配电设备的预测线；
(25)根据所述预测线延长部分的走向及所在区间，预测配电设备未来的状态。
10.根据权利要求8所述的配电设备发热检测方法，其特征在于：所述温升每电流平方密度值的计算公式如下，其中ΔT为温升：
ΔT＝T1-T0
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200306 |