CN111272225A - 一种开关柜综合状态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关柜综合状态监测系统，其包括传感器子系统，用于采集开关柜的状态数据；综合状态分析子系统，用于基于所述状态数据进行开关柜状态综合分析和预测；数据集中子系统，包括设置于开关柜内的汇聚单元和设置于变电站处的集中器，用于收集所述状态数据并上传到所述综合状态分析子系统。本发明具有充分利用综合状态分析子系统的计算资源进行开关柜状态的单一分析和综合分析并预测其趋势，有助于提高分析并预测开关柜故障的准确率的效果。

Description

一种开关柜综合状态监测系统

技术领域

本发明涉及电力设备状态监测的技术领域，尤其是涉及一种开关柜综合状态监测系统。

背景技术

目前越来越多的电力用户要求在开关柜内部安装电气接点实时温度、机械性能、局部放电等的监测系统，但是由于中压开关柜内存在大电流、高电压，电磁环境极为恶劣等诸多困难因素，现有开关柜监测技术都存在着各种各样的局限性，绝大多数系统是应用于高电压等级的组合电器设备，且只能实现单一状态量的监测。

现有的公开号为CN108761320A的中国专利申请，公开了一种开关柜综合在线监测分析平台，主要集成温度监测系统、线圈监测系统及局放监测系统来收集开关柜的数据并传输到后台监视平台进行全方位在线监测。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：后台监视平台只是对采集到的开关柜状态数据简单地进行存储、展示和预警，没有充分利用后台监视平台的计算资源深入分析各项数据之间的关系来综合分析开关柜的状态并预测其趋势。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种开关柜综合状态监测系统，具有能够综合分析开关柜的状态并预测其趋势的效果。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

提供一种开关柜综合状态监测系统，包括：

传感器子系统，用于采集开关柜的状态数据；

综合状态分析子系统，用于基于所述状态数据进行开关柜状态综合分析和预测；

数据集中子系统，包括设置于开关柜内的汇聚单元和设置于变电站处的集中器，用于收集所述状态数据并上传到所述综合状态分析子系统。

通过采用上述技术方案，传感器子系统的各个传感器可以采集开关柜多维度的状态数据，通过数据集中子系统汇聚集中后上传到综合状态分析子系统，充分利用综合状态分析子系统的计算资源进行开关柜状态的单一分析和综合分析并预测其趋势，有助于提高分析并预测开关柜故障的准确率。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述传感器子系统包括触点温度传感器、环境温湿度传感器、局部放电传感器以及机械特性传感器。

通过采用上述技术方案，触点温度传感器、环境温湿度传感器、局部放电传感器以及机械特性传感器可以采集到开关柜的多个维度的状态数据，便于全面监测开关柜的状态，降低开关柜事故的发生概率。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述综合状态分析子系统包括：

数据接收及存储模块，用于接收所述数据集中器上传的所述状态数据并将数据存储到数据库；

数据计算分析模块，用于对所述状态数据进行计算、分析并输出结果；

预测模块，用于对所述传感器子系统采集的状态数据去耦合后进行故障预测。

通过采用上述技术方案，将上述状态数据通过数据接收及存储模块存储到数据库，便于数据计算分析模块快速写入读取状态数据、且对数据进行计算、分析可以获取开关柜的运行状态，然后通过预测模块对状态数据去耦合后进行故障预测，多方位、综合性地分析开关柜状态并预测其趋势。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述数据计算分析模块包括：

机械特性计算分析单元，用于根据所述机械特性传感器采集的开关柜机械特性状态数据计算开关分合闸和储能的特征值、并根据所述特征值综合分析开关柜的机械特性；

局部放电计算分析单元，用于根据所述局部放电传感器采集的开关柜局放状态数据计算局放特征值并根据所述局放特征值综合分析开关柜的局部放电特性。

通过采用上述技术方案，机械特性计算分析单元计算开关分合闸和储能的特征值以获取开关柜的机械特性、以及局部放电计算分析单元计算局放特征值以获取开关柜局部放电特性，从而可以判断开关的机械操作机构是否正常、局放的突变及发展趋势，并有助于查找异常点和异常情况，及时提醒运维人员进一步现场检测确认问题并处理。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述预测模块包括：

分值计算单元，用于计算各个传感器采集的状态数据的健康分值；

故障预测单元，用于将上述各个健康分值和预设的故障类型影响因子进行故障概率计算，并根据计算结果进行预测。

通过采用上述技术方案，将开关柜相互影响的各个因素通过历史状态数据的计算分析出来，可以解耦各种因素的相互影响，再在综合计算时重新组合，有助于提高分析预测故障的准确率，从而提高判断开关柜设备故障的准确度。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述触点温度传感器设置于高压带电导体部位并感应取电。

通过采用上述技术方案，触点温度传感器设置于高压带电导体部位并感应取电，可以延长触点温度传感器的使用寿命。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述触点温度传感器、所述环境温湿度传感器和所述局部放电传感器采用低功耗无线通信方式与所述数据集中子系统的汇聚单元连接。

通过采用上述技术方案，触点温度传感器、环境温湿度传感器和所述局部放电传感器采用低功耗无线通信方式与数据集中子系统的汇聚单元无线组网连接，形成一个物联网感知网络，从而可以以较低功耗采集大量开关柜状态数据。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述局部放电传感器采用MODBUS485通信方式与所述数据集中子系统的汇聚单元连接。

通过采用上述技术方案，采用MODBUS485将多个局部放电传感器同时与数据集中子系统的汇聚单元连接，可以提高数据传输的速度。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述数据集中子系统的集中器通过MQTT协议与所述综合状态分析子系统通信连接和数据传输。

通过采用上述技术方案，通过MQTT协议将数据集中子系统的集中器与综合状态分析子系统通信连接，提高了数据传输的安全性和可靠性。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述传感器子系统的传感器均采用非介入式安装。

通过采用上述技术方案，传感器子系统的各个传感器均采用非介入式安装，不需对原开关进行机械结构改造，不会对原开关机械、电气部件运行产生任何不良影响。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

1、传感器子系统的各个传感器可以采集开关柜多维度的状态数据，通过数据集中子系统汇聚集中后上传到综合状态分析子系统，充分利用综合状态分析子系统的计算资源进行开关柜状态的单一分析和综合分析并预测其趋势，有助于提高分析并预测开关柜故障的准确率；

2、传感器子系统和数据集中子系统无线组网连接，形成一个物联网感知网络，从而可以以较低功耗采集大量的、多维度开关柜状态数据；

3、传感器采用非介入式安装，不会对原开关机械、电气部件运行产生任何不良影响。

附图说明

图1是本发明公开的一种开关柜综合状态监测系统的结构示意图。

图2是图1中综合状态分析子系统102的结构示意图。

图3是本发明典型的开关断路器线圈电流波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，为本发明公开的一种开关柜综合状态监测系统的结构示意图，该系统包括：

传感器子系统101，用于采集开关柜的状态数据；

综合状态分析子系统102，用于基于所述状态数据进行开关柜状态综合分析和预测；

数据集中子系统103，包括设置于开关柜内的汇聚单元1031和设置于变电站处的集中器1032，用于收集所述状态数据并上传到所述综合状态分析子系统102。

其中，传感器子系统101包括触点温度传感器、环境温湿度传感器、局部放电传感器以及机械特性传感器，触点温度传感器、环境温湿度传感器和所述局部放电传感器采用低功耗无线通信方式与数据集中子系统的汇聚单元1031连接，例如各个传感器通过Zigbee/Lora等协议与数据集中子系统103的汇聚单元1031无线组网，形成一个物联网感知网络，并安装于开关柜处，采集开关柜的多种维度的状态数据，如触点温度传感器可以采集开关触头、电缆出线接头、母线连接点的温度，环境温湿度传感器可以监测获取包括开关柜内和电缆沟的环境温湿度、开关室内火灾温度监测、开关室内和开关柜轴流风机温度监测等，局部放电传感器可以通过超声波、地电波和特高频监测开关柜内导体、绝缘套管、支撑件、出线等的局部放电情况，使用霍尔传感器的机械特性传感器可以采集开关柜开关分/合闸线圈电流、储能电机电流、一次电流、振动等数据并通过有线方式与汇聚单元1031连接，汇聚单元1031与集中器1032可以通过RS485连接通信和数据传输；然后各个传感器将采集到的开关柜状态数据通过数据集中子系统102上传到上述综合状态分析子系统102并在该子系统102上对开关柜状态进行综合分析和趋势预测，从而既可以单独监测开关柜各项指标，也可以充分利用综合状态分析子系统102的计算资源综合分析各项数据之间的关系后预测开关柜的状态趋势。例如，通过触点温度传感器的数据可以监测开关触头和电缆接头部位的发热并及时预警，防止过热造成的异常，如导致发生爆炸、起火等恶性事件；通过环境温湿度传感器采集的数据可以监视和控制开关柜内、开关室的温湿度、轴流风机工作状态的温度，且 10kV开关及其部件的发热、局放、老化等受环境温湿度影响极大，通过监视和控制开关工作环境的温湿度等，可以让开关设备工作在适宜环境，提高开关及其部件的使用寿命，降低开关事故的发生概率。

进一步的，触点温度传感器设置于高压带电导体部位并感应取电，如通过电压感应取电、电流感应取电等从带电导体处取电，可以延长触点温度传感器的使用寿命；局部放电传感器采用MODBUS485通信方式、也可以通过微功耗无线方式（Lora协议）通信方式与数据集中子系统103的汇聚单元1031或变电站集中器1032连接，从而可以快速低功耗地传输数据；此外，数据集中子系统103的集中器1032通过MQTT协议与上述综合状态分析子系统102通信连接和数据传输，且数据均通过软件加密和硬件加密处理，提高了数据传输的安全性和可靠性。MQTT协议是一个轻量、简单、开放和易于实现的通信协议，广泛应用于硬件性能较低的终端设备以及网络状况糟糕的使用情况下。

进一步的，上述传感器子系统101的传感器均采用非介入式安装，通过这种安装方式，传感器可以非介入性地检测各种参量，不会引入寄生回路，不需要对原开关进行机械结构改造，不会对原开关机械、电气部件运行产生任何不良影响，如使用CT（电流互感）或霍尔传感器的机械特性传感器在开关分合闸过程中电流的采集，不需要将传感器接入原控制电路。

更进一步的，如图2所示，上述综合状态分析子系统102包括：

数据接收及存储模块1021，用于接收上述数据集中器1032上传的开关柜状态数据并将数据存储到数据库；如上所述，集中器1032通过MQTT协议与上述综合状态分析子系统102进行数据加密传输，综合状态分析子系统102通过数据接收及存储模块1021对数据解密和校验后存储到本地数据库中，便于加快大量数据的写入、读取以及高效管理。

数据计算分析模块1022，用于对状态数据进行计算、分析并输出结果，该数据计算分析模块1022进一步包括：

机械特性计算分析单元10221，用于根据所述机械特性传感器采集的开关柜机械特性状态数据计算开关分合闸和储能的特征值、并根据所述特征值综合分析开关柜的机械特性；通过机械特性传感器采集开关柜开关分/合闸线圈电流、储能电机电流、一次电流、振动数据，计算开关分、合闸及储能的时间特征值和能量特征值，以及开关分、合闸过程中特征时间点及特征时间点的电流，从而可以分析出分合闸继电器是否正常、分合闸机构回路是否卡涩、储能电机工作是否正常、储能机构机械是否卡涩以及开关的机械部件的状态等。在开关每次分合闸过程中，分合闸线圈电流是随时间变化的，变化波形中蕴藏着极为重要的信息，例如电磁铁线圈的电流波形中含有反映电磁铁本身以及所控制的锁扣机构和联锁触头在操作过程中的工作情况，包括铁心运动机构有无卡滞或脱扣、释能机械负载变动的情况、线圈的状态（如电阻是否正常）以及与铁心顶杆连接的锁扣机构的状态等。通过对分合闸操动线圈动作电流的监测，还可以大致了解开关（断路器）二次控制回路的工作情况及机械操动机构状况等，为断路器状态检修提供辅助判据。具体地，如图3所示的典型的开关断路器线圈电流波形图所示，其中， t0 为执行分/合命令时刻，线圈开始通电，是整个分/合动作的起始点； t1 为铁心开始运动的时刻，实际的铁心始动时刻要略早于 t1；t2 为铁心停止运动的时刻；t3 为断路器的辅助触点切断的时刻，电流开始减小，直到 t4时刻电流减为 0，整个动作结束。波形中的i1、i2、i3对应于 t1、t2、t3 时刻的电流值， 既可以反映电源电压、 线圈电阻以及电磁铁铁心的运行的速度信息，还可以用来作为分析动作的参考。根据开关分、合闸线圈电流的录波信息，分析分合闸的时间、能量和特性点t1、t2、t3及对应时刻的电流，从而判断开关的操作机构是否正常，是否存在卡阻及性能下降。

可以通过监测开关的储能电机电流，根据储能的时间、能量来监测储能电机及储能机械部分工作是否正常；结合一次电流传感器，还可以监测开关分闸次数及分故障电流记录，以便运维人员了解开关状态，到规定次数及时检查和维护；开关在正常运行时，以及分、合闸动作过程中，振动波形同样包含着开关机械结构、传动机构等的状态信息，通过对比振动的成分和形态，也可以分析出一定的开关机械特性信息，从而通过记录和分析电流、振动量，可以判断断路器各机械部件的状态和健康水平。

局部放电计算分析单元10222，用于根据所述局部放电传感器采集的开关柜局放状态数据计算局放特征值并根据所述局放特征值综合分析开关柜的局部放电特性；局部放电传感器可以采用特高频、超声波、地电波或者它们的组合来监测开关柜的局部放电情况，并通过分析局部放电时电磁波的部分频谱以及局放造成的超声波，来获取局放特征值如放电幅值、频率、能量等，并对这些特征值的实时数据、历史数据及相邻监测点进行综合对比分析，得出开关柜的局部放电特性并根据这些特性查找异常点和异常情况，及时提醒运维人员进一步现场检测确认问题并处理。

预测模块1023，用于对上述传感器子系统采集的状态数据去耦合后进行故障预测，该预测模块1023进一步包括：

分值计算单元10231，用于计算各个传感器采集的状态数据的健康分值；

故障预测单元10232，用于将上述各个健康分值和预设的故障类型影响因子进行故障概率计算，并根据计算结果进行预测。

在本实施列中，开关柜的环境温湿度参数、机械特性、触点温度和局放之间是相互影响的，对应的状态数据之间存在一定的关系。首先将开关柜设备健康状态分为环境温度、环境湿度、触点温度、机械健康状态、局放状态等几项指标，通过这几项健康状态指标来指示设备的健康状态，每项指示都是根据历史运行数据分析而得出的一个计算公式，各项指标通过分值计算单元10231根据实时数据各计算出一项分值；然后将开关设备的主要故障分为发热故障、局放故障、机械故障三种主要故障类型，并通过故障预测单元10232将上述不同项的健康状态指标分值与不同故障类型的影响因素项权重积相加，得到相应故障状态得分，根据此得分指示对应故障发生的概率。将开关柜相互影响的各个因素通过历史状态数据的计算分析出来，可以解耦各种因素的相互影响，再在综合计算时重新组合，有助于提高分析预测故障的准确率，从而提高判断开关柜设备故障的准确度。

本实施例的实施原理为：传感器子系统的各个传感器可以采集开关柜多维度的状态数据，通过数据集中子系统汇聚集中后上传到综合状态分析子系统，充分利用综合状态分析子系统的计算资源进行开关柜状态的单一分析和综合分析并预测其趋势，有助于提高分析并预测开关柜故障的准确率。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关柜综合状态监测系统，其特征在于，包括：

传感器子系统，用于采集开关柜的状态数据；

综合状态分析子系统，用于基于所述状态数据进行开关柜状态综合分析和预测；

数据集中子系统，包括设置于开关柜内的汇聚单元和设置于变电站处的集中器，用于收集所述状态数据并上传到所述综合状态分析子系统。

2.根据权利要求1所述的开关柜综合状态监测系统，其特征在于，所述传感器子系统包括触点温度传感器、环境温湿度传感器、局部放电传感器以及机械特性传感器。

3.根据权利要求2所述的开关柜综合状态监测系统，其特征在于，所述综合状态分析子系统包括：

数据接收及存储模块，用于接收所述数据集中器上传的所述状态数据并将数据存储到数据库；

数据计算分析模块，用于对所述状态数据进行计算、分析并输出结果；

预测模块，用于对所述传感器子系统采集的状态数据去耦合后进行故障预测。

4.根据权利要求3所述的开关柜综合状态监测系统，其特征在于，所述数据计算分析模块包括：

机械特性计算分析单元，用于根据所述机械特性传感器采集的开关柜机械特性状态数据计算开关分合闸和储能的特征值、并根据所述特征值综合分析开关柜的机械特性；

局部放电计算分析单元，用于根据所述局部放电传感器采集的开关柜局放状态数据计算局放特征值并根据所述局放特征值综合分析开关柜的局部放电特性。

5.根据权利要求4所述的开关柜综合状态监测系统，其特征在于，所述预测模块包括：

分值计算单元，用于计算各个传感器采集的状态数据的健康分值；

故障预测单元，用于将上述各个健康分值和预设的故障类型影响因子进行故障概率计算，并根据计算结果进行预测。

6.根据权利要求5所述的开关柜综合状态监测系统，其特征在于，所述触点温度传感器设置于高压带电导体部位并感应取电。

7.根据权利要求6所述的开关柜综合状态监测系统，其特征在于，所述触点温度传感器、所述环境温湿度传感器和所述局部放电传感器采用低功耗无线通信方式与所述数据集中子系统的汇聚单元连接。

8.根据权利要求7所述的开关柜综合状态监测系统，其特征在于，所述局部放电传感器采用MODBUS485通信方式与所述数据集中子系统的汇聚单元连接。

9.根据权利要求8所述的开关柜综合状态监测系统，其特征在于，所述数据集中子系统的集中器通过MQTT协议与所述综合状态分析子系统通信连接和数据传输。

10.根据权利要求9所述的开关柜综合状态监测系统，其特征在于，所述传感器子系统的传感器均采用非介入式安装。

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