CN111308239A - 一种用于gis状态在线监测的无线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于GIS状态在线监测的无线监测系统，多功能汇聚节点，用于获取被测GIS的运行数据以及智能局放装置发送的局放数据，并根据获取的运行数据和局放数据计算被测GIS的局放程度，同时控制电源同步无线发射装置工作；电源同步无线发射装置，通过多功能汇聚节点的控制，在协议约定时刻发出工频相位同步信号至智能局放装置；智能局放装置，根据电源同步无线发射装置提供的工频相位同步信号采集包括高频UHF和接触式超声AE的局放数据，并发送至多功能汇聚节点。本发明具有多参量检测、易于故障的分析和判断、免除现场布置电源线和网络通信数据线的工程施工，加快了工期以及降低了施工成本等特点。
Description
技术领域
本发明涉及电力与通讯技术领域，具体地，涉及一种用于电力、石化、铁路行业高压GIS设备故障在线监测的用于GIS状态在线监测的无线监测系统。
背景技术
伴随着国家经济发展，电网也得到了迅速发展，电网系统运行电压等级不断提高，网络规模也不断扩大，对电网的安全稳定供电提出了越来越高的要求。电网设备的运行状态对电网的可靠性影响巨大，特别是GIS高压设备，一旦出现故障，往往会造成巨大的经济损失和社会影响，因此，提高电力设备的运行可靠性具有重要意义。
电力行业传统设备安全检测大多采用人工定期检测的方式，人工检测具有劳动强度大，危险系数高等明显缺点。并且因为故障的偶发性，常常不能及时的发现故障，从而出现漏报等问题。
市场上已有的GIS在线监测系统，一般需要布置电源线和数据通信线缆，同时，这种系统功能相对单一，只能检测GIS局放指标。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种用于GIS状态在线监测的无线监测系统，针对GIS设备状态进行监测。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种用于GIS状态在线监测的无线监测系统，包括：多功能汇聚节点、智能局放装置和电源同步无线发射装置，所述智能局放装置分别与多功能汇聚节点和电源同步无线发射装置之间无线通讯连接，所述多功能汇聚节点与电源同步无线发射装置控制连接；其中：
所述多功能汇聚节点，用于获取被测GIS的运行数据以及智能局放装置发送的局放数据，并根据获取的运行数据和局放数据计算被测GIS的局放程度，同时控制电源同步无线发射装置工作；
所述电源同步无线发射装置，通过多功能汇聚节点的控制，在协议约定时刻发出工频相位同步信号至智能局放装置；
所述智能局放装置，根据电源同步无线发射装置提供的工频相位同步信号采集包括高频UHF和超声AE的局放数据，并发送至多功能汇聚节点。
优选地，所述多功能汇聚节点，包括：相互连接的CPU模块和AC/DC电源模块以及分别与CPU模块和AC/DC电源模块连接的通信模块、可见光摄像头模块、局放数据LORA传输模块、红外成像测温模块、声音传感器和温湿度传感器；其中：
所述CPU模块作为多功能汇聚节点的中枢部件，设有多个不同类型的工业接口，用于：
-上电初始化所有连接的模块；
-通过局放数据LORA传输模块接收局放数据；
-通过可见光摄像头模块、红外成像测温模块、声音传感器和温湿度传感器获取被测GIS运行数据，并根据接收到的局放数据和运行数据计算被测GIS局放程度；
-控制电源同步无线发射装置发出工频相位同步信号；
所述AC/DC电源模块用于将接入的220V工频电压转换为多功能汇聚节点内部各模块的电源。
优选地，所述CPU模块还通过局放数据LORA传输模块定时给智能局放装置进行授时，以便所有局放装置能够同时采样。
优选地，所述CPU模块还通过局放数据LORA传输模块确认智能局放装置的状态信息。
优选地，所述CPU模块还通过通信模块，周期性的将接收到的局放数据、被测GIS运行数据和被测GIS局放程度结果传输至用户服务器或者云端。
优选地，所述CPU模块采用4核CORTEX A7内核。
优选地，所述CPU模块计算被测GIS局放程度的方法为，通过综合当前局放采样值强度、局放采样值历史数据以及局放放电趋势得到。
优选地，所述通信模块采用3G/4G无线通信模块或太网有线通信模块。
优选地，所述可见光摄像头模块包括CMOS感光芯片、镜头、红外补光灯以及滤光片切换器；其中：
所述红外补光灯通过CPU模块控制开启或关闭；
所述滤光片切换器通过CPU模块控制进行滤光片自动切换；
所述CMOS感光芯片的分辨率从720P、1080P到1600P可选，编解码帧率≥30fps@720P；
所述滤光片切换器上的红外滤光玻璃镀IR/AR膜，波长在400-630nm之间的平均透过率Tave≥96％。
优选地，所述红外成像测温模块用于获取被测GIS不同位置的温度，并利用采集到的温度数据生成热图。
优选地，所述多功能汇聚节点还包括报警模块，所述报警模块与CPU模块连接，用于根据CPU模块计算被测GIS局放程度数据实施报警。
优选地，所述智能局放装置，包括：相互连接的MCU模块及供电模块以及分别与MCU模块及供电模块连接的局放采样和调理电路、LoRa通信模块a以及LoRa通信模块b；其中：
所述MCU模块通过LoRa通信模块a接收电源同步无线发射装置发出的工频相位同步信号，并根据同步信号输出局放信号采集指令至局放采样和调理电路；同时，将局放采样和调理电路采集到的局放数据通过LoRa通信模块b发送至多功能汇聚节点；
所述局放采样和调理电路根据局放信号采集指令，采集包括高频UHF和超声AE的局放数据并进行处理后，输出至MCU模块；
所述供电模块通过电源管理电路分别向MCU模块、局放采样和调理电路、LoRa通信模块a以及LoRa通信模块b供电。
优选地，所述局放采样和调理电路包括：用于采集高频UHF局放信号和超声AE局放信号的局放传感器以及对高频UHF局放信号和超声AE局放信号进行滤波、增益放大以及检波处理的调理电路。
优选地，所述供电模块采用可充电的锂离子电池组。
优选地，所述智能局放装置还设有防水防尘组件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，针对GIS设备状态进行监测，其中智能局放装置采用接触式方式，安装在GIS的绝缘盆子上，用于检测GIS的绝缘特性随着运行时间的变化。
本发明提供的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，对GIS不同间隔的温度检测是非接触式的，采用高分辨率的红外测温模组(即红外成像测温模块)，不仅可以在较远距离获取GIS不同位置的准确温度，显示当前热图中的最高、最低、中心温度以及用户关心的任意位置温度,还可以利用采集到的矩阵温度数据生成热图，以方便快速可靠的定位故障部位。所述系统根据国标、行标或经验数据对不同设备的温度报警阈值的设置及时把警告、报警信息推送到用户后台的报警模块。
本发明提供的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，还集成了可见光摄像头模块、声音传感器和温湿度传感器，用于获取可见光视频图像、环境温湿度以及环境声音传感器，这些非接触方式采集到的信息，可协助GIS设备及运行环境异常状态分析及诊断，获取更准确，更快速的结果。
本发明提供的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，获取上述不同类型的在线监测数据以及初步诊断结果，通过多功能汇聚节点的以太网接口或3G/4G无线通信模块发送到后台服务器或者云服务器，为大数据计算和智能算法的应用提供了必要的条件。
本发明提供的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，具有多参量检测、多参量的数据融合处理，更易于故障的分析和判断、系统能自动进行连续监测、数据处理和存储、采集时间间隔可设、具有自检和报警功能、具有良好的抗干扰能力和合理的检测灵敏度、免除现场布置电源线和网络通信数据线的工程施工，加快了工期，也降低了施工成本以及在线监测降低了人力物力支出，节省成本等特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例所提供的用于GIS状态在线监测的无线监测系统结构示意图。
图2为本发明实施例所提供的多功能汇聚节点组成框图。
图3为本发明实施例所提供的智能局放装置组成框图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种用于GIS状态在线监测的无线监测系统，所述系统包括：多功能汇聚节点、智能局放装置和电源同步无线发射装置，所述智能局放装置分别与多功能汇聚节点和电源同步无线发射装置之间无线通讯连接，所述多功能汇聚节点与电源同步无线发射装置控制连接；其中：
所述多功能汇聚节点，用于获取被测GIS的运行数据以及智能局放装置发送的局放数据，并根据获取的运行数据和局放数据计算被测GIS的局放程度，同时控制电源同步无线发射装置工作；
所述电源同步无线发射装置，通过多功能汇聚节点的控制，在协议约定时刻发出工频相位同步信号至智能局放装置；
所述智能局放装置，根据电源同步无线发射装置提供的工频相位同步信号采集包括高频UHF和接触式超声AE的局放数据，并发送至多功能汇聚节点。
下面结合附图，对本发明实施例所提供的技术方案进一步详细描述。
本发明实施例所提供的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其系统架构如图1所示，包含多功能汇聚节点、智能局放装置和电源同步无线发射装置。
所述多功能汇聚节点通过LORA模块的无线方式采集智能局放装置发送的局放数据，同时还通过内部不同软硬件组成模块获取现场高压设备的运行数据，所述运行数据包括：温度和热图数据、环境温湿度、环境声音采样、可见光视频等数据。这些运行数据的获取绝大部分通过非接触式方式获取，免去常规传感器现场布线和高压设备停电安装对生产任务的影响。
所述智能局放装置产生的局部放电为特高频UHF和接触式超声AE二合一的形式。装置集成了UHF和AE各自的局放传感器、信号调理单元、A/D采集单元、数据无线收发单元以及低功耗MCU控制等主要模块。因为采用高能量密度的电池组供电，配合低功耗软硬件组成模块设计和无线通讯设计，满足长时间工作，且现场安装简单，无需布线。
电源同步无线发射装置由多功能汇聚节点控制，在协议约定时刻发出220V工频相位同步信号给智能局放装置的局放传感器，以使现场所有智能局放装置同时采集GIS的局放信号。
多功能汇聚节点的组成及功能描述如图2所示，包括：基于4核CORTEX A7内核的CPU模块，与CPU模块连接的通信模块、可见光摄像头模块、局放数据LORA传输模块、红外成像测温模块、声音传感器、温湿度传感器，以及220V AC/DC电源模块。
1)基于4核CORTEX A7内核(运行速度1.2GHz)的CPU模块是整个多功能汇聚节点的中枢，具有种类繁多的工业接口，负责上电初始化所有连接的模块。根据工作流程和低功耗软件协议，通过局放数据LORA传输模块定时给现场所有智能局放装置进行授时和状态确认。工作时，控制电源同步无线发射装置发出工频相位同步信号，以使智能局放装置收到同步信号后，立即进行局放信号的采样，在协议规定时刻发送各自的局放数据。
CPU模块除了采集局放、红外测温、声音、温湿度等数据外，还利用较为强大的运算能力，结合绝对幅值法和相对趋势法，综合当前局放采样值强度、局放采样值历史数据以及局放放电趋势，计算被测GIS局放严重程度，是否报警；通过红外成像测温模块获取的GIS关键部位(主要是指主要是GIS PT部位)温度是否超标，通过辅助的温湿度传感器和声音传感器采集的数据，得到更准确的结果。此时多功能汇聚节点还涵盖了边缘计算的功能。
2)通信模块根据设置，周期性的把CPU模块中得到的GIS局放严重程度计算结果和局放、红外测温、声音、温湿度等核心传感器数据传输到用户服务器或者云端，便于用户及时了解设备的运行状态。
所述多功能汇聚节点的通信模块，可以采用3G/4G无线通信模块，还可以采用以太网有线通信模块，以利用已敷设的通讯线路资源和节省无线数据流量资费。
3)可见光摄像头模块采用了大尺寸、高灵敏的CMOS感光芯片，分辨率从720P、1080P到1600P可选，编解码帧率≥30fps@720P。除此之外，模块还包含了镜头、红外补光灯、滤光片切换器。滤光片切换器上的红外滤光玻璃镀IR/AR膜，波长400-630nm之间的平均透过率Tave≥96％，以保证暗光下的成像效果。可见光摄像头模块由CPU模块控制，完成日夜环境自动检测和滤光片自动切换的功能，实现白天色彩逼真，晚上图像清晰的效果。镜头、CMOS感光芯片、红外补光灯、滤光片切换器的硬件电路与现有技术中的结构相同，此处不再详细说明。
4)红外成像测温模块主要负责对被测GIS进行温度的测试。该模块具有分辨力高、测试距离远、可距离补偿等特点，同时，还可以根据生成的热图，实现异常高温点的诊断；
5)局放数据LoRa传输模块主要接收智能局放装置上传的局放数据以及实现配置功能，能够实现对射频功率、频点、调制解调带宽、扩频因子等关键因素进行灵活配置。
6)温湿度传感器和声音传感器可实现对被测GIS环境的监测，作为辅助参数，参与GIS设备故障分析和严重等级的确定。
7)220V AC/DC供电模块主要把接入的220V工频电压转换成多功能汇聚节点内部各模块的电源，该模块具有良好的浪涌/ESD等EMC性能。
智能局放装置的组成及功能描述如图3所示，包括：MCU模块、局放采样和调理电路、LoRa通信模块、供电模块。
1)MCU模块。本装置一个大的特点是平均待机功耗极低，以满足用户长期3-5年的工作要求。根据功耗和功能的综合需求，采用的MCU模块内核为CORTEX M0+。此内核休眠状态下最低可达到1uA以下的电流。再辅选低静态电流的芯片和灵活的外围局放采样和调理电路、LoRa通信模块的供电电路设计，以实现整个装置的低功耗目标。
2)局放采样和调理电路。包括用于采集300-1.5G特高频局放信号的传感器和对特高频信号进行滤波，增益放大，检波等处理的调理电路，以及用于采集超声AE局放信号的局放传感器和对超声AE局放信号进行滤波、增益放大以及检波处理的调理电路，通过对前端局放传感器和后端调理电路的整合，不光有效减小的设备的体积，还可以避免之前产品传感器和调理电路分离时会耦合部分环境射频干扰的问题。
局放数据经过调理电路的处理后，通过A/D采样电路输出至MCU模块。
3)LoRa通信模块。Lora通信模块采用Lora的低功耗无线传输技术，具有非常高的链路预算和灵敏度，适合远距离数据传输，同时该技术可以免费使用，降低了使用成本。
智能局放装置内有两个Lora通信模块，其中一个用于接收电源同步无线发射装置发出的同步信号，依据此信号即刻开始采集特高频和超声局放数据。另一个用于把采集且压缩后的局放数据发送到多功能汇聚节点。
4)供电模块(包括锂离子电池组及充电电路)。所述供电模块使用锂离子电池供电，根据单次充电之后系统使用年限设计容量。并支持不拆机进行外部充电，也可直接更换电池，具体视现场情况，以最大程度的提升可维护性。
本智能局放装置充分考虑室外使用的恶劣环境，做到防水防尘，具有较强的环境适应性。
在本发明实施例中：
多功能汇聚节点通过LORA的无线方式采集智能局放装置发送的局放数据外，还通过内部不同软硬件组成模块获取现场高压设备的温度和热图数据、环境温湿度、环境声音采样、可见光视频等数据。这些数据的获取绝大部分通过非接触式方式获取，免去常规传感器现场布线和高压设备停电安装对生产任务的影响。
智能局放装置采集的局放数据为特高频UHF和接触式超声AE二合一的形式。装置集成了UHF和AE各自的传感器、信号调理单元、A/D采集单元、数据无线收发单元以及低功耗MCU控制等主要模块。因为采用高能量密度的电池组供电，配合低功耗软硬件设计和无线设计，满足长时间工作，且现场安装简单，无需布线。
智能局放装置采用大容量电池供电，不用现场取电和布线施工。满足单次使用的使用年限之后，可通过不拆设备快速充电或更换电池的方式来补充电量。
智能局放装置在线监测同时使用UHF特高频和AE超声波两种技术实施不间断的局放信号监测。配合软体，可提高故障判断的及时率和准确率。
将接触式的局放检测和非接触式的红外温度、温湿度、声音检测集成在一个系统内。在现有技术条件下，最大限度的整合了局放接触式检测的高可靠性和其他参量非接触检测的便利性。
本发明实施例所提供的系统，实现对GIS设备的绝缘缺陷监测、表面温度监测等多种物理量的测量和分析，并根据设定的报警条件实时预警。
本发明上述实施例提供的可以对变电站GIS(气体绝缘开关设备)设备的状态进行在线监测的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，具有非接触式温度、接触式局放、环境温湿度、可见光视频、声音等各类传感器进行数据采集、无线数据传输、数据处理和故障诊断/报警等多种功能。
多参量的传感器数据采集和分析易对GIS的运行状态、故障类型和报警级别做出及时、准确的判断。
本发明上述实施例提供的系统，具有如下特点：
1、系统功能集成度高；
2、适用范围广：能在高温、低温、高湿等环境条件下可靠运行，防水防尘；
3、使用方便：实时接收现场监测设备采集的数据，实现人机交互，能够早期发现缺陷，及时给予报警，提高变电站人员的工作效率。
4、安装方便：值守在线监测设备体积小，重量轻，快速安装，无需施工队布置网络和电源。
5、多参量检测，包括：非接触式温度检测、含高分辨率热图、接触式的UHF/AE局放检测、环境温湿度、可见光视频、声音检测。
6、多参量的数据融合处理，更易于故障的分析和判断。
7、能自动进行连续监测、数据处理和存储；采集时间间隔可设。
8、具有报警功能；
9、具有良好的抗干扰能力和合理的检测灵敏度；
10、免除现场布置电源线和网络通信数据线的工程施工，加快了工期，也降低了施工成本。
11、在线监测降低了人力物力支出，节省成本。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，包括：多功能汇聚节点、智能局放装置和电源同步无线发射装置，所述智能局放装置分别与多功能汇聚节点和电源同步无线发射装置之间无线通讯连接，所述多功能汇聚节点与电源同步无线发射装置控制连接；其中：
所述多功能汇聚节点，用于获取被测GIS的运行数据以及智能局放装置发送的局放数据，并根据获取的运行数据和局放数据计算被测GIS的局放程度，同时控制电源同步无线发射装置工作；
所述电源同步无线发射装置，通过多功能汇聚节点的控制，在协议约定时刻发出工频相位同步信号至智能局放装置；
所述智能局放装置，根据电源同步无线发射装置提供的工频相位同步信号采集包括高频UHF和超声AE的局放数据，并发送至多功能汇聚节点。
2.根据权利要求1所述的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，所述多功能汇聚节点，包括：相互连接的CPU模块和AC/DC电源模块以及分别与CPU模块和AC/DC电源模块连接的通信模块、可见光摄像头模块、局放数据LORA传输模块、红外成像测温模块、声音传感器和温湿度传感器；其中：
所述CPU模块作为多功能汇聚节点的中枢部件，设有多个不同类型的工业接口，用于：
-上电初始化所有连接的模块；
-通过局放数据LORA传输模块接收局放数据；
-通过可见光摄像头模块、红外成像测温模块、声音传感器和温湿度传感器获取被测GIS运行数据，并根据接收到的局放数据和运行数据计算被测GIS局放程度；
-控制电源同步无线发射装置发出工频相位同步信号；
所述AC/DC电源模块用于将接入的220V工频电压转换为多功能汇聚节点内部各模块的电源。
3.根据权利要求2所述的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，所述CPU模块还包括如下任意一项或任意多项：
-通过局放数据LORA传输模块定时给智能局放装置进行授时，以便所有局放装置能够同时采样；
-通过局放数据LORA传输模块确认智能局放装置的状态信息；
-通过通信模块，周期性的将接收到的局放数据、被测GIS运行数据和被测GIS局放程度结果传输至用户服务器或者云端；
-采用4核CORTEX A7内核；
-被测GIS局放程度，通过综合当前局放采样值强度、局放采样值历史数据以及局放放电趋势得到。
4.根据权利要求2所述的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，所述通信模块采用3G/4G无线通信模块或太网有线通信模块。
5.根据权利要求2所述的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，所述可见光摄像头模块包括CMOS感光芯片、镜头、红外补光灯以及滤光片切换器；其中：
所述红外补光灯通过CPU模块控制开启或关闭；
所述滤光片切换器通过CPU模块控制进行滤光片自动切换；
所述CMOS感光芯片的分辨率从720P、1080P到1600P可选，编解码帧率≥30fps@720P；
所述滤光片切换器上的红外滤光玻璃镀IR/AR膜，波长在400-630nm之间的平均透过率Tave≥96％。
6.根据权利要求2所述的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，所述红外成像测温模块用于获取被测GIS不同位置的温度，并利用采集到的温度数据生成热图。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，所述多功能汇聚节点还包括报警模块，所述报警模块与CPU模块连接，用于根据CPU模块计算被测GIS局放程度数据实施报警。
8.根据权利要求1所述的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，所述智能局放装置，包括：相互连接的MCU模块及供电模块以及分别与MCU模块及供电模块连接的局放采样和调理电路、LoRa通信模块a以及LoRa通信模块b；其中：
所述MCU模块通过LoRa通信模块a接收电源同步无线发射装置发出的工频相位同步信号，并根据同步信号输出局放信号采集指令至局放采样和调理电路；同时，将局放采样和调理电路采集到的局放数据通过LoRa通信模块b发送至多功能汇聚节点；
所述局放采样和调理电路根据局放信号采集指令，采集包括高频UHF和超声AE的局放数据并进行处理后，输出至MCU模块；
所述供电模块通过电源管理电路分别向MCU模块、局放采样和调理电路、LoRa通信模块a以及LoRa通信模块b供电。
9.根据权利要求8所述的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，所述局放采样和调理电路包括：用于采集高频UHF局放信号和超声AE局放信号的局放传感器以及对高频UHF局放信号和超声AE局放信号进行滤波、增益放大以及检波处理的调理电路。
10.根据权利要求8所述的用于GIS状态在线监测的无线监测系统，其特征在于，所述供电模块采用可充电的锂离子电池组；和/或
所述智能局放装置还设有防水防尘组件。
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