CN111307430B - 一种gis机械缺陷定位装置及其缺陷判定、定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GIS机械缺陷定位装置，用于设置在GIS设备上并对其内部结构存在的缺陷进行检测定位，包括多个传感器和用于接收单个或多个GIS设备上的所有所述传感器的采集器；所述采集器中内置有变换模型，所述变换模型根据单个GIS设备上的所有所述传感器的振动信号计算振动源的特征值，并根据特征值判断是否出现缺陷；同时根据振动源的振幅谱和相位谱，并通过采集器内置的反褶积运算模型得到振动源与所有传感器的相对位置从而对缺陷位置进行定位。该技术通过非侵入式安装，对GIS设备实现实时监测，智能预警；为电力维护人员提供精准的缺陷定位，减少维护时间，为电网稳定运行提供保障。

Description

一种GIS机械缺陷定位装置及其缺陷判定、定位方法

技术领域

本发明属于电气检测设备技术领域，具体涉及一种GIS机械缺陷定位装置及其缺陷判定、定位方法。

背景技术

GIS英文全称为GAS insulated SWITCHGEAR，是气体绝缘全封闭组合电器。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小。

也就是说，整个GIS设备是一种具有多个功能部件的一体式电气装置，由于其封闭特性，故障发生后难以检测；GIS设备在生产、安装、验收、运行过程中存在问题，最终将导致故障的发生；GIS设备其体积大，器件多，一旦出现异常问题，排查困难。

目前GIS机械缺陷检测装置，在GIS表面安装单个或者多个独立的传感器，对传感器的信号进行获取；虽能检测出GIS设备是否存在机械缺陷，但无法对缺陷位置进行精准定位，将加大电力维护人员的工作时间和维护成本。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种GIS机械缺陷定位装置，同时公开采用该设备进行GIS缺陷判定、定位的方法，通过采用非侵入式的安装方式，避免破坏其气密性，同时又能够高效检测，具有低功耗长时间稳定运行的优势。

本发明所采用的技术方案为：

一种GIS机械缺陷定位装置，用于设置在GIS设备上并对其内部结构存在的缺陷进行检测定位，包括多个传感器和用于接收单个或多个GIS设备上的所有所述传感器的采集器；

所述采集器中内置有变换模型，所述变换模型根据单个GIS设备上的所有所述传感器的振动信号计算振动源的特征值，并根据特征值判断是否出现缺陷；

同时根据振动源的振幅谱和相位谱，并通过采集器内置的反褶积运算模型得到振动源与所有传感器的相对位置从而对缺陷位置进行定位。

因为GIS设备中存在有多种功能部件，在工作时无法对内部进行探查，则一旦出现故障也无法及时的获取到具体状况，虽然最彻底的处理方式是打开外壳对其内部进行检修，但由于无法获取到内部运行状态，若定期检修对其气密性造成影响。则最佳维护方式是在外部不打开外壳的情况下进行缺陷检测，在确认没有出现故障或者发现可能出现故障的时不对其进行进一步的探查。

而现有的探测方式有多种，包括声波、振动和射线探测，其中常常使用X射线探测，从而对其内部结构进行成像检测，根据得到的数字图像进行分析，从而能够得到较为直观的结果。但这种方式需要将X射线设备放置在GIS设备一侧，人工操作进行，不仅费时费力，成本较高，且只能定期进行检修，特别是户外电气设施中，检测设备难以到达，则导致其无法有效及时的反馈。

而采用超声波或振动检测，得到的均为反射信号，根据得到的数据进行分析，并根据已经确定的特征值对照表，从而来判定是否出现缺陷。这两种检测方式常用于机械设备的无损检测中，虽然无法得到较为直观的图像数据，但根据特征值进行分析更加准确，且成本较低，采用低功耗的传感器能够进行实时检测。

本发明是一种用于检测GIS设备机械缺陷的系统，通过设置的传感器来检测产生机械缺陷的部件的信号特征值，上述的两种检测传感器均能够应用在GIS设备的缺陷检测中，但由于本发明中主要采用子波提取法对缺陷进行定位，则所述传感器选用振动传感器，具体来说是一种加速度传感器。

通过多个传感器实时反馈GIS设备中所产生的振动信号，并由采集器来进行数据转换和分析。通过变换模型对振动信号进行时域-频域的变换分析，从而获得多个不同频率的波形数据，并根据已经确定的频率对照表进行判断，一旦出现特定频域内的波形则定义为出现缺陷特征。

然后再通过反褶积运算模型来计算每个产生缺陷特征的波形源与传感器之间的相对位置，同时结合多个传感器的相对位置信息进行精确定位。所谓的反褶积即为解卷积，是常用于对地震信号处理的方法，通过提取子波并分离，从而恢复反射系数序列，对多个传感器的滤波数据进行对比从而得到相对距离。

本发明的优势在于，原有的超声波和X光检测方式能耗较高，采用低能耗的振动传感器精度较低，通过本发明的系统不仅能够长时间稳定独立运行，无需人员到达现场进行操作，同时又能够准确检测其内部是否出现机械缺陷，并对机械缺陷源进行定位。

进一步的，所述传感器贴合在GIS设备表面，并通过数据线与采集器连接。

因为传感器体积较小，可便于设置在GIS设备外部任意位置，则为了便于其布置，可采用独立电池供电和无线传输模式与采集器进行数据连接，但本发明中采用的设备为了长时间持续运行，则最好是统一供电的方式。即通过数据线与采集器连接，而采集器连接供电源，由供电源给采集器及所有传感器统一进行供电，同时采集器与传感器之间的数据传递相较于无线传输方式更加稳定高效。

进一步的，用于连接安装在同个GIS设备上的传感器的采集器通过设有同步信号串线对连接的所有传感器进行同步校准。

进一步的，所述采集器包括MCU、多核计算模块和存储模块，所述变换模型和反褶积运算模型设置在多核计算模块中；

所述MCU接受外部传感器的振动信号并通过多核计算模块计算得到结果，并通过设有的无线通信模块向远端发送实时计算结果进行反馈。

进一步的，在同个GIS设备上采用一体式固定结构将多个所述传感器以等间距或等圆心角方式环绕固定在GIS设备表面，所述采集器与传感器有线连接。

所谓的等间距设置，是将GIS设备的外壳作为一个标准多边形模型看待，则为了便于设置采集器，将其均匀的布置在外壳表面。而GIS设备一般为圆柱状外壳，则以等圆心角方式进行间隔设置。

进一步的，所述无线通信模块采用2g、3g、4g和5g模式中的一种或多种。

一种缺陷判定、定位方法，采用上述中所述的GIS机械缺陷定位装置，由所述变换模型将同个GIS设备上的所有所述传感器传来的振动信息进行傅里叶变换并提取特征值的频率和幅值数据，以频率在50-2500Hz以及幅值超过0.01g的数据作为特征值进行缺陷判断；

并根据每个传感器提取的特征值进行反褶积运算得到振动源与每个传感器之间的相对位置定位缺陷位置。

进一步的，提取的所述特征值中出现50Hz的奇数倍的频率即判定为异常缺陷；

提取的所述特征值中出现100Hz的整数倍且不包含100Hz本身的频率即判定为机械缺陷。

首先，通过FFT变换所得到特征值中，当频率和幅值同时满足以上两个要求的数据作为判断样本，而出现50Hz奇数倍，也就是50、150、250……50(2n-1)，则判断为异常缺陷，出现该缺陷信息时，同样采集器会将信息发送至远端的服务器中进行反馈，而服务器或后端的分析平台进行分析判定工作。

如果出现200、300……100n(n≠1)的频率，则判定为常规的机械缺陷，采集器同时会将数据传输至远端的服务器中进行反馈，并由服务器向终端设备发送警报，则由工作人员判定是否需要现场维修。

进一步的，对经过反褶积计算后的滤波数据域A进行同位对比，计算出时间位移值，同时计算出数据域A的自相关系数B、基本波形和期望波形的互相关函数C，对B、C函数进行比较计算相位得出相对距离。

S1.对振动信号进行傅里叶变换后的数据取对数，获得对数谱；

S2.然后对获得的对数谱进行傅里叶反变换并得到对数谱序列；

S3.对得到的对数谱序列进行高通滤波得到反射系数对数谱序列；

S4.对反射系数对数谱序列进行傅里叶变换得到反射系数的对数谱；

S5.然后对反射系数的对数谱取指数得到反射系数的频谱，并对反射系数的频谱进行傅里叶变换得到反射系数的序列。

本发明的有益效果为：

本发明采用低能耗的振动传感器精度较低，不仅能够长时间稳定独立运行，无需人员到达现场进行操作，同时又能够准确检测其内部是否出现机械缺陷，并对机械缺陷源进行定位。

附图说明

图1是本发明实施例3和实施例4中的定位装置的结构示意图；

图2是本发明中所采用的采集器的结构框架图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

GIS，一种气体绝缘金属封闭开关设备，由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，上述设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的绝缘气体。

该设备常用与变电站中，属于常规配电装置，因为其外部采用金属外壳进行封闭，其内部又填充有绝缘气体，虽然可对其内部的多个部件提供较好的保护效果，但同时一旦内部部件出现故障，也无法及时察觉，从而给后续设备运行带来隐患。

则针对该设备需要定时进行维护探查，为了避免出现故障，需要对其内部部件进行检测，一旦出现的机械缺陷则需要进行维护。

本实施例公开一种用于GIS设备的机械缺陷探测定位装置，该装置以非侵入式的安装方式对其内部的部件进行数据采集，其主要包括多个独立的传感器和采集器，每个GIS设备的外壳上均设有对应数量的传感器，且在每个GIS设备上均设有一个分别连接所有传感器的采集器。

本实施中的传感器即为一种加速度传感器，其通过通信线缆与采集器连接。同时采集器通过设有的无线传输模块将数据传输至远端的服务器中，且通过外部设有的供电源进行供电。

则在本实施例中，所有传感器以并联的形式与采集器连接，采集器设置有多个连接端口，且通过同样的通信线缆连接。该通信线缆同时传递电源电流、通信信号和同步信号，而通过采集器中设有的MCU进行数据接收和输出。

在采集器中还设置有多核计算模块和存储模块，多核计算模块中包含有反褶积运算模型和变换模型，MCU接收到单次传感器传输的检测数据后暂存在存储模块中，并由多核计算模块进行数据分析。其中通过变换模型对采集的振动波数据进行傅里叶变换得到多个频率的波形数据，同时根据存储的频率对照表进行对比，一旦出现确定为缺陷的数据值则通过反褶积运算模型进一步计算，将子波提出并根据得到的滤波数据域进行同位对比，从而通过多个传感器的同步数据对比得到缺陷的定位数据，进而判断出现缺陷的部件信息，一并发送至远端的服务器中进行反馈。

实施例2：

本实施例公开一种GIS机械缺陷定位装置，包括多个传感器和用于接收单个或多个GIS设备上的所有所述传感器的采集器。

其中，采集器包括MCU、多核计算模块和存储模块，MCU接受外部传感器的振动信号并通过多核计算模块计算得到结果，并通过设有的无线通信模块向远端发送实时计算结果进行反馈。

采集器中内置有变换模型，所述变换模型根据单个GIS设备上的所有所述传感器的振动信号计算振动源的特征值，并根据特征值判断是否出现缺陷。

同时根据振动源的振幅谱和相位谱，并通过采集器内置的反褶积运算模型得到振动源与所有传感器的相对位置从而对缺陷位置进行定位，而变换模型和反褶积运算模型设置在多核计算模块中。

传感器通过通信线缆与采集器连接，同时采集器通过设有的无线传输模块将数据传输至远端的服务器中，且通过外部设有的供电源进行供电。所有传感器以并联的形式与采集器连接，采集器设置有多个连接端口，且通过同样的通信线缆连接。该通信线缆同时传递电源电流、通信信号和同步信号，而通过采集器中设有的MCU进行数据接收和输出。

本实施例中为了便于设置，所述传感器均为独立的个体，其外部设有信号传输口，并在外壳一侧设有贴合在GIS设备表面的贴合端面，所谓的贴合端面是一种具有较大表面积的薄壁结构，其与传感器的外壳可拆卸连接，一般为卡接或者螺栓连接。可根据不同的GIS设备外壳形状而选用适型的贴合端面，再安装在传感器上。且贴合端面上设有镂空区域，便于传感器的检测端面穿出并与贴合端面共面。

而本实施例中的传感器是直接贴合在GIS设备表面，贴合方式分为粘胶和磁吸两种，粘胶采用较为稳定的耐候型胶体，同时增大粘接面积，以保证其固定的稳定性高。而磁吸式主要用于室内设置的GIS设备，户外主要采用粘胶结构。

实施例3：

本实施例公开一种GIS机械缺陷定位装置，包括多个传感器和用于接收单个或多个GIS设备上的所有所述传感器的采集器。

其中，采集器包括MCU、多核计算模块和存储模块，MCU接受外部传感器的振动信号并通过多核计算模块计算得到结果，并通过设有的无线通信模块向远端发送实时计算结果进行反馈。

采集器中内置有变换模型，所述变换模型根据单个GIS设备上的所有所述传感器的振动信号计算振动源的特征值，并根据特征值判断是否出现缺陷。

同时根据振动源的振幅谱和相位谱，并通过采集器内置的反褶积运算模型得到振动源与所有传感器的相对位置从而对缺陷位置进行定位，而变换模型和反褶积运算模型设置在多核计算模块中。

传感器通过通信线缆与采集器连接，同时采集器通过设有的无线传输模块将数据传输至远端的服务器中，且通过外部设有的供电源进行供电。所有传感器以串联的形式与采集器连接，即通过同一根通信线缆进行数据传输，将其中一个传感器作为信息融合中心并将数据发送至采集器中。

而该通信线缆同时传递电源电流、通信信号和同步信号，而通过采集器中设有的MCU进行数据接收和输出。

其中，同一个GIS设备上的传感器和采集器均设置在同一固定架上，该固定架贴合在GIS设备表面，且用于固定多个传感器，使其稳定贴合在GIS设备表面，同时还便于线束的布置。

实施例4：

本实施例公开一种用于GIS设备的机械缺陷探测定位装置，如图1和图2所示，主要包括多个独立的传感器和采集器，每个GIS设备的外壳上均设有对应数量的传感器，且在每个GIS设备上均设有一个分别连接所有传感器的采集器。

其中，传感器即为一种加速度传感器，其通过通信线缆与采集器连接。同时采集器通过设有的无线传输模块将数据传输至远端的服务器中，且通过外部设有的供电源进行供电。

则在本实施例中，所有传感器以串联的形式与采集器连接，也就是采用同一根通信线缆连接。该通信线缆同时传递电源电流、通信信号和同步信号，而通过采集器中设有的MCU进行数据接收和输出。具体地，多个传感器设置等间距设置在同一根绑扎带上，而所述通信线缆则内置在绑扎带内部，通过将该绑扎带嵌套在GIS设备的外壳上进行固定。而采集器设置在绑扎带外部，同时通过线缆与外部的供电源连接，在采集器外部还设有天线，用于将数据发送至远端的服务器中。

在采集器中还设置有多核计算模块和存储模块，多核计算模块中包含有反褶积运算模型和变换模型，MCU接收到单次传感器传输的检测数据后暂存在存储模块中，并由多核计算模块进行数据分析。

本实施例的数据分析方式如下：

首先由变换模型通过傅里叶变换将每个传感器的检测数据转换为包含有多个频率的信号域。

以频率在50-2500Hz以及幅值超过0.01g的信号域中的数据作为特征值进行缺陷判断；而提取的特征值中出现50Hz的奇数倍的频率即判定为异常缺陷；出现100Hz的整数倍且不包含100Hz本身的频率即判定为机械缺陷。

所谓的50Hz奇数倍，也就是50、150、250……50(2n-1)，则判断为异常缺陷，出现该缺陷信息时，同样采集器会将信息发送至远端的服务器中进行反馈，而服务器或后端的分析平台进行分析判定工作。

如果出现200、300……100n(n≠1)的频率，100Hz的整数倍且不包含100Hz本身，则判定为常规的机械缺陷，采集器同时会将数据传输至远端的服务器中进行反馈，并由服务器向终端设备发送警报，则由工作人员判定是否需要现场维修。

然后进行同态反褶积运算：

对原始信号进行滤波运算后，经过反函数转换到原始函数域的广义线性滤波；

根据每个传感器提取的特征值，对每个振动信号进行以下几个步骤的处理；

对振动信号求傅里叶变换后取对数，获得振动记录的对数谱lnX(W)；

对lnX(W)求傅里叶反变换，得到振动记录对数谱序列^x(t)；

对振动记录对数谱序列^x(t)进行高通滤波得到反射系数对数谱序列^r(t)；

对^r(t)进行傅里叶变换，得到反射系数r(t)的对数谱lnR(W)；

再对对数谱lnR(W)取指数，得到反射系数r(t)的频谱R(W)；

最后再对振动子波频谱R(W)进行傅里叶反变换得到反射系数序列r(t)。

对经过反褶积计算后的滤波数据域A进行同位对比，计算出时间位移值，同时计算出数据域A的自相关系数B、基本波形和期望波形的互相关函数C，对B、C函数进行比较计算相位得出相对距离。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (4)

1.一种缺陷判定、定位方法，其特征在于：通过GIS机械缺陷定位装置对同个GIS设备进行检测；

其中，GIS机械缺陷定位装置包括多个传感器和用于接收单个或多个GIS设备上的所有所述传感器的采集器；

所述采集器中内置有变换模型，所述变换模型根据单个GIS设备上的所有所述传感器的振动信号计算振动源的特征值，并根据特征值判断是否出现缺陷；

同时根据振动源的振幅谱和相位谱，并通过采集器内置的反褶积运算模型得到振动源与所有传感器的相对位置从而对缺陷位置进行定位；

用于连接安装在同个GIS设备上的传感器的采集器通过设有同步信号串线对连接的所有传感器进行同步校准；

所述采集器包括MCU、多核计算模块和存储模块，所述变换模型和反褶积运算模型设置在多核计算模块中；

所述MCU接受外部传感器的振动信号并通过多核计算模块计算得到结果，并通过设有的无线通信模块向远端发送实时计算结果进行反馈；

由所述变换模型将同个GIS设备上的所有所述传感器传来的振动信息进行傅里叶变换并提取特征值的频率和幅值数据，以频率在50-2500Hz以及幅值超过0.01g的数据作为特征值进行缺陷判断；

并根据每个传感器提取的特征值进行反褶积运算得到振动源与每个传感器之间的相对位置定位缺陷位置；

其中，提取的所述特征值中出现50Hz的奇数倍的频率即判定为异常缺陷；

提取的所述特征值中出现100Hz的整数倍且不包含100Hz本身的频率即判定为机械缺陷；

对经过反褶积计算后的滤波数据域A进行同位对比，计算出时间位移值，同时计算出数据域A的自相关系数B、基本波形和期望波形的互相关函数C，对B、C函数进行比较计算相位得出相对距离。

2.根据权利要求1所述的一种缺陷判定、定位方法，其特征在于：所述传感器贴合在GIS设备表面，并通过数据线与采集器连接。

3.根据权利要求2所述的一种缺陷判定、定位方法，其特征在于：在同个GIS设备上采用一体式固定结构将多个所述传感器以等间距或等圆心角方式环绕固定在GIS设备表面，所述采集器与传感器有线连接。

4.根据权利要求3所述的一种缺陷判定、定位方法，其特征在于：所述无线通信模块采用2g、3g、4g和5g模式中的一种或多种。

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