CN111308283A - 一种多功能开关柜工作状态传感器及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能开关柜工作状态传感器及预警方法，其中，开关柜工作状态传感器由电源电路、红外温度采集电路、环境温湿度采集电路、局部放电采集电路、微光视频采集电路、CPU电路和通信电路组成；CPU电路完成红外温度数据、环境温湿度数据、局部放电数据、热像图、微光视频信号的采集、多状态参数协同计算分析、产生告警记录、图像合成、存储、数据和告警信号输出的通信控制等功能，通过该传感器测多个状态参量且各状态监测参数之间具有高度的时间相容性，对各个参量综合关联分析，并将原始采样数据和初步分析结果送给后台系统进行站级设备间综合分析，实现真实可行的开关柜计划检修到状态检修的转变。

Description

一种多功能开关柜工作状态传感器及预警方法

技术领域

本发明涉及开关柜工作状态检测领域，特别是一种多功能开关柜工作状态传感器及预警方法。

背景技术

随着用户用电量的增加，开关柜的数量越来越多，变电管理所对开关柜内电气设备的安全运行缺乏提前知晓的手段；检修及维护的工作量成指数倍增长。目前，很多地方都是按计划停电检修，这种方式存在的主要问题是盲目，因为不知道检修的开关柜是否有问题或者存在什么问题，只能全检，或按规程、按时间检修，更有甚者在检修过程中引入新的问题。还有一个更重要的原因是检修是需要停电的，停下电来检修并不能真实反映电气设备在运行情况下的真实状态。

针对该问题，很多开关柜在线监测装置应运而生。基于开关柜某个参量监测的产品很多，比如电气连接点的温度监测、开关柜内局部放电信号监测、开关柜内环境温湿度的控制等产品，这些产品从不同角度监测中低压设备的工作状态，给出了相对分散或单一的监测数据和告警信号。传统的传感器检测的数据只是单一的物理量，数据可追溯性差；要完成多个状态监测时，传感器安装难度大、影响电气安全距离、设备和人工成本高、系统的可维护性差，也无法获取故障特征量之间的关联关系。

据统计开关柜故障率最高的就是绝缘故障，由于开关柜绝缘内部往往存在气泡和杂质等缺陷，这些缺陷会引起局部电场不均，从而导致局部放电，局部放电又会造成开关柜内绝缘损坏，从而使其无法正常运行，因此对局部放电进行监测就能有效的预警开关柜的绝缘故障。局部放电破坏的过程呈现出长期而又缓慢的特点，采用局部放电传感器对局部放电信号进行连续监测，可以发现开关柜内部的放电频度、强度、相位和劣化趋势等，有效防止绝缘故障的发生。

开关柜内部大多数故障发生的前兆都是温度异常，特别是绝缘故障和载流故障，对于温度的监测是提前预警开关柜缺陷故障最有效的方法。接触式测温覆盖在测温物体表面，从本质上说他改变了电气设备的物理特性。通过非接触方式使用红外成像测温即满足高压开关柜对电气设备的测温要求，又在同一个视场内观察到整个空间的发热分布，能更加方便的找到故障发热点。

环境温度的升高不利于电气设备散热，可引起电气连接点的温度升高，影响电气设备的载荷能力。环境湿度的升高则会影响电气设备的绝缘水平，导致局部放电、拉弧、短路、燃弧等故障或事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能开关柜工作状态传感器及预警方法，实现开关柜状态量的综合多维度分析，缺陷预警准确高效；通过对环境温湿度的连续记录，可以了解不同运行环境下的开关柜内部小环境状态，为改善开关柜的运行状态提供重要基础数据。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种多功能开关柜工作状态传感器，包括电源电路、红外温度采集电路、环境温湿度采集电路、局部放电采集电路、微光视频采集电路、CPU电路、通信电路；

所述电源电路用于将外部电源转换为各模块电路所需的电压电流，并提供电磁兼容和电路保护措施；

所述红外温度采集电路用于采集开关柜外表面或者内部电气连接点温度，获取开关柜外表面或者内部电气连接点温度场分布情况；

所述环境温湿度采集电路用于采集开关柜所处环境温湿度信息，或者开关柜内电缆室、母线室、断路器室的环境温湿度信息；

所述局部放电采集电路用于通过超声波技术，把开关柜内部的局部放电产生的超声波转换成电信号，检测局部放电的大小、周期、相位和位置；

所述微光视频采集电路用于通过微光成像技术将在夜间或低照度下提取的光学图像增，放大并转换成为增强的光学图像，实现夜间或低照度下肉眼的直接观察；

所述CPU电路完成红外温度数据、环境温湿度数据、局部放电数据、热像图和微光视频信号的接收、多状态参数协同计算分析、产生告警记录、图像合成、存储、数据和告警信号输出的通信控制功能；

所述通信电路是本多功能开关柜工作状态传感器的对外通信接口及电磁兼容防护单元。

进一步地，所述CPU电路由ARM处理器、内存RAM和FLASH存储器组成。

进一步地，所述局部放电采集电路具体为：包括依次连接的超声波传感器、前置放大电路、整流滤波电路、二级放大电路，所述二级放大电路分别连接低速ADC和高速ADC，低速ADC和高速ADC共同连接至CPU电路。

进一步地，所述红外温度采集电路具体为：红外镜头、红外传感器和CPU电路依次连接，所述CPU电路再通过校准电路连接至红外传感器。

进一步地，所述微光视频采集电路具体为：可见光镜头、摄像头和CPU电路依次相连，所述CPU电路还连接到补光电路。

进一步地，所述环境温湿度采集电路具体为：温湿度传感器连接至CPU电路，所述温湿度传感器采用数字式传感器，CPU电路通过总线直接读取温湿度传感器内部数据。

一种采用上述传感器的预警方法，包括以下步骤：

步骤1：获取状态量信息，包括开关柜外表面或者内部电气连接点温度场分布数据、环境温湿度数据、局部放电信号、热像图、微光视频；

步骤2：预设权重因子细化最大相关性和最小冗余判据，结合增量搜索法得到嵌套式的待选特征集合，通过支持向量机对原始特征集合进行分类筛选，形成最优特征子集，提取故障特征状态量；

步骤3：采用图像识别算法分析热像图和可见光视频或照片中的温度场或物理形变信息，并度量两个形变参数，提供给缺陷分析算法；

步骤4：缺陷算法分析程序引入权重因子对具有局部保持、全局分离的两种分值进行加权，形成改进的拉普拉斯分值法对故障特征量重要度进行排序，再利用关联线性回归方程整合排序的故障特征量，获取最终的缺陷数据特征；

步骤5：根据缺陷数据特征判断故障类型，包括：局部放电预警、温度超限预警、形变缺陷预警或者多种缺陷并存；

步骤6：根据预警分析结果，产生告警信息，工作人:通过后台系统远程查看故障点热像图和微光视频，确认现场状况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明设备集成化高，便于安装，经济实惠；

2）利用超声波局部放电监测技术，可在开关柜柜外即可监测局部放电缺陷；

3）利用红外成像技术监测开关柜外表面或者内部电气连接点温度场分布；

4）利用微光成像技术将在夜间或低照度下提取的微弱的光学图像增，实现夜间或低照度下肉眼的直接观察；

5）传感器结构极度小型化；

6）传感器可通过开关柜表面同时监测三台开关柜的工作状态信息，也可用于开关柜内部监测电缆室、母线室、断路器室的工作状态信息，这时可直接吸附于开关柜壁内侧，快速固定，无需开孔或者螺丝等额外固定附件和措施；

7）传感器内置了图像识别算法，可发现热像图和可见光视频或照片中的温度场或物理形变异常；

8）传感器内置了多参量缺陷预警关联算法，可实现开关柜状态量的综合多维度分析，缺陷预警准确高效。

附图说明

图1是本发明开关柜工作状态传感器架构图。

图2是本发明开关柜工作状态传感器外形立体图。

图3是本发明开关柜工作状态传感器外形主视图。

图4是本发明开关柜工作状态传感器外形后视图。

图5是本发明开关柜工作状态传感器外形左视图。

图6是本发明开关柜工作状态传感器外形右视图。

图7是本发明开关柜工作状态传感器外形仰视图。

图8是本发明开关柜工作状态传感器安装位置示意图。

图9是本发明开关柜工作状态传感器预警过程示意图。

图10是本发明开关柜工作状态传感器中局部放电采集过程示意图。

图11是本发明开关柜工作状态传感器中红外温度采集过程示意图。

图12是本发明开关柜工作状态传感器中微光视频采集过程示意图。

图13是本发明开关柜工作状态传感器中环境温湿度采集过程示意图。

图中：红外探头1；补光镜头2；微光视频镜头3；外壳4；局部放电探测器5；通信及电源接口6；环境温湿度探测器7；盖板螺钉8；安装孔9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的一种多功能开关柜工作状态传感器，通过该传感器测多个状态参量：局部放电信号、环境温湿度、开关柜表面或内部电气连接点温度、红外热像图、微光视频等，各状态监测参数之间具有高度的时间相容性，可针对地对各个参量综合关联分析，并可将原始采样数据和初步分析结果送给后台系统进行站级设备间综合分析，从而实现真实可行的开关柜计划检修到状态检修的转变。

如图1所示，本发明传感器结构为：包括电源电路、红外温度采集电路、环境温湿度采集电路、局部放电采集电路、微光视频采集电路、CPU电路、通信电路。电源电路负责将外部电源转换为各模块电路所需的电压（流），并提供必要的电磁兼容和电路保护措施。红外温度采集电路采集开关柜外表面或者内部电气连接点温度，获取开关柜外表面或者内部电气连接点温度场分布情况。环境温湿度采集电路采集变电所、配电室等开关柜所处环境温湿度信息，或者开关柜内电缆室、母线室、断路器室的环境温湿度信息。局部放电采集电路通过超声波技术，把开关柜内部的局部放电产生的超声波转换成电信号，检测局部放电的大小、周期、相位和位置。微光视频采集电路利用微光成像技术将在夜间或低照度下提取的微弱的光学图像增，强放大几十万倍转换成为增强的光学图像，实现夜间或低照度下肉眼的直接观察。CPU电路完成红外温度数据、环境温湿度数据、局部放电数据、热像图、微光视频信号的采集、多状态参数协同计算分析、产生告警记录、图像合成、存储、数据和告警信号输出的通信控制等功能。通信电路是多功能传感器的对外通信接口及电磁兼容防护部分，如RS-485或者以太网。

图2-图7为多功能的开关柜工作状态传感器的外形结构，包括红外探头1、补光镜头2、微光视频镜头3、外壳4、局部放电探测器5、通信及电源接口6、环境温湿度探测器7、盖板螺钉8、安装孔9以及内置于后盖板内的强磁铁（图中未示出）。红外探头1类型为红外点阵测温，利用热红外线，非接触的检测开关柜表面温度场分布，视场角90°×90°，热灵敏度0.3K RMS @1Hz。补光镜头2采用双LED补光镜头。微光视频镜头3利用微光成像的原理，将在夜间或低照度下提取的微弱的光学图像通过像增强器转换成为增强的光学图像，实现夜间或低照度下的直接观察。微光视频镜头3具有自动对焦、自动曝光、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平校准等图样控制功能，视场角120°×90°。外壳4采用铝合金金属外壳，抗电磁干扰能力强。局部放电采集器5通过超声波技术，把开关柜内部的局部放电产生的超声波转换成电信号，检测局部放电的大小和位置。通信接口协议为RS-485或以太网，支持标准MODBUS协议；电源采用12～36VDC输入；通信及电源接口6为航空插口直接对接安装，安装便利，具备防尘和防潮能力。多功能开关柜工作状态传感器可通过盖板螺钉8及安装孔9安装至支架上（常用于开关柜表面监测），也可通过强磁铁吸附于金属柜壁上（常用于开关柜内部监测）。

本发明开关柜工作状态传感器常用尺寸为：46mm×89mm×47.5mm（长×宽×厚），温度测量范围为-40℃ ~ +120℃，温度测试精度为±0.3℃，湿度测量范围为0~100%RH，湿度测量精度为±2%RH，工作温度为-20℃ ~ +80℃，存储温度为-40℃ ~ +80℃，防护等级为IP54，电磁兼容性符合CE标准。

图8为多功能的开关柜工作状态传感器的柜外安装位置。固定支架安装至变电室或配电室墙顶面，多功能的开关柜工作状态传感器安装至固定支架上。一台多功能的开关柜工作状态传感器监测范围为三台开关柜。当然，多功能开关柜工作状态传感器也可安装于柜内电缆室，用于监测本柜电缆室内包括断路器出线铜排、CT下端铜排、电缆头、避雷器等处电气连接点的温度场、电缆室的局放信号和环境温湿度。

本发明同时提供了一种多功能开关柜工作状态传感器的预警方法，如图9所示，具体如下：

1）获取开关柜外表面或者内部电气连接点温度场分布数据、环境温湿度数据、局部放电信号、热像图、微光视频等多个状态量信息；

2）预设权重因子细化最大相关性和最小冗余判据，结合增量搜索法得到嵌套式的待选特征集合，通过支持向量机对原始特征集合进行分类筛选，形成最优特征子集，提取故障特征状态量；

3）图像识别算法分析热像图和可见光视频或照片中的温度场或物理形变信息，并度量两个形变参数，提供给缺陷分析算法；

4）缺陷算法分析引入权重因子对具有局部保持、全局分离的两种分值进行加权，形成改进的拉普拉斯分值法对故障特征量重要度进行排序，再利用关联线性回归方程整合排序的故障特征量，获取最终的缺陷数据特征；

5）根据缺陷数据特征判断故障类型，如：局部放电预警、温度超限预警、形变缺陷预警或者多种缺陷并存等；

6）根据预警分析结果，产生告警信息，工作人员可通过后台系统远程查看故障点热像图和微光视频，确认现场状况，做出相应决策，如立刻停电检修、状态检修计划、报警指示等辅助决策。

传感器内置的多参量缺陷预警关联算法实现具体情况具体分析，如：当局部放电信号产生时，系统会加强温度监测灵敏度，升高其回归方程系数，根据局部放电信号的强度、相位、频度，系数按不同比例增加，使得最终缺陷值更容易达到报价阈值。当环境温度降低时升高回归方程温度系数，使低温状态下的温升更明显影响缺陷值；当环境温度升高时降低回归方程温度系数，使高温状态下的温升不容易引起误报。

如图10所示，局部放电采集电路结构为：包括依次连接的超声波传感器、前置放大电路、整流滤波电路、二级放大电路，所述二级放大电路分别连接低速ADC和高速ADC，低速ADC和高速ADC共同连接至CPU电路。

超声波传感器：超声波传感器常用的材料是压电晶体或压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应将接收的超声波振动转换成电信号。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路。

前置放大电路：主要作用完成阻抗匹配，由于超声波传感器得到的超声信号十分微弱，噪声背景强且信号源阻抗较大，为了适应后面采集电路的电压要求，须经过放大电路将超声波传感器的输出信号进行放大。

整流滤波电路：传感器在现场采集的信号不可避免地要受到来自外界的电磁干扰信号的影响，而传感器和放大电路本身也可能产生一些噪声信号，严重时待测信号将被淹没。若直接将信号输入采样保持器，将使采样得到的数据出现误差，严重时甚至于得不出正确的结论。为此我们需要对采集的信号进行滤波处理，抑制杂散干扰信号，提高系统的信噪比。

二级放大电路：与前置放大电路级联组成，主要作用是使输出的模拟信号满足 AD转换器的输入要求。

低速ADC：分为2路信号采集，低速ADC用于检测是否有放电信号，CPU循环采集低速ADC信号与设定的阀值比较，如果信号的值大于设定的阈值电压，则认为存在局部放电现象，CPU就会触发高速采样电路，对局部放电信号进行高速数据采集和存储，反之，如果采样信号的值小于我们设定的阈值电压，则认为电路中不存在局部放电现象，CPU不会触发高速采样电路。

高速ADC：与低速ADC配合，完成局放信号数据采集。

CPU电路：由ARM处理器、内存RAM和FLASH存储器组成，是系统的核心组件。CPU将局放数据通过通信电路传输到后台处理软件，完成分析、存储、显示、报警等功能。

如图11所示，红外温度采集电路结构为：红外镜头、红外传感器和CPU电路依次连接，所述CPU电路再通过校准电路连接至红外传感器。

自然界中凡是绝对温度高于0 K的物体都会产生红外辐射，物体的红外辐射特性、辐射能量的大小及其按波长的分布等，与物体的表面温度有着十分密切的关系。通过被测物体红外辐射能量的测量，能准确地确定物体的表面温度，这就是红外测温的基本原理。热成像技术是根据所有物体都发热这一事实来实现的。借助热图上的能量强弱可以测量到温度的分布，通过软件进行伪彩色处理，将伪彩色图像显示。

红外镜头：红外镜头采用光学设计方法、特殊的光学锗玻璃材料以及特殊渡膜等，以提高透射率并保护锗透镜表面，消除了可见光和红外光的干扰。具有聚焦和过滤功能。

红外传感器：由光电探测器、信号放大器及信号处理等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照传感器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。本文红外传感器采用256×192像素非制冷红外焦平面传感器。

校准电路：用于红外传感器测量温度值的校准，包含机械挡板、电磁驱动电路等。与CPU配合完成温度测温的校准。

CPU电路：读取红外传感器AD采样数据、背景噪声数据、采样电压等数据计算出被测物温度矩阵数据。CPU将红外温度矩阵数据通过通信电路传输给后台处理软件，完成红外伪彩色显示、温度记录、温度报警等功能。

如图12所示，微光视频采集电路结构为：可见光镜头、摄像头和CPU电路依次相连，所述CPU电路还连接到补光电路。

可见光镜头：镜头作为摄像机的前端部件，采用定焦广角镜头，能近距离拍摄下整个开关柜图像。

摄像头：采用200万像素低光照摄像头，能在光线较弱的情况下拍摄开关柜，能分辨开关柜面板指示灯运行情况。

补光电路：在摄像头需要补光时，开启补光LED，有助于摄像头拍摄清晰画面。

CPU电路：将摄像头拍摄数据进行H265编码等数据压缩处理。CPU将压缩后的数据通过通信电路传输到后台处理软件，后台软件进行视频显示，图像分析等功能。

如图13所示，环境温湿度采集电路结构为：温湿度传感器连接至CPU电路，所述温湿度传感器采用数字式传感器，CPU电路通过总线直接读取温湿度传感器内部数据。

温湿度传感器采用数字式传感器，CPU电路通过总线可直接读取温湿度传感器内部数据，CPU将温湿度数据通过通信电路传输给后台处理软件，后台处理软件结合红外测温数据综合分析，完成温度报警等功能。

Claims (7)

1.一种多功能开关柜工作状态传感器，其特征在于，包括电源电路、红外温度采集电路、环境温湿度采集电路、局部放电采集电路、微光视频采集电路、CPU电路、通信电路；

所述电源电路用于将外部电源转换为各模块电路所需的电压电流，并提供电磁兼容和电路保护措施；

所述红外温度采集电路用于采集开关柜外表面或者内部电气连接点温度，获取开关柜外表面或者内部电气连接点温度场分布情况；

所述环境温湿度采集电路用于采集开关柜所处环境温湿度信息，或者开关柜内电缆室、母线室、断路器室的环境温湿度信息；

所述局部放电采集电路用于通过超声波技术，把开关柜内部的局部放电产生的超声波转换成电信号，检测局部放电的大小、周期、相位和位置；

所述微光视频采集电路用于通过微光成像技术将在夜间或低照度下提取的光学图像增，放大并转换成为增强的光学图像，实现夜间或低照度下肉眼的直接观察；

所述CPU电路完成红外温度数据、环境温湿度数据、局部放电数据、热像图和微光视频信号的接收、多状态参数协同计算分析、产生告警记录、图像合成、存储、数据和告警信号输出的通信控制功能；

所述通信电路是本多功能开关柜工作状态传感器的对外通信接口及电磁兼容防护单元。

2.根据权利要求1所述的一种多功能开关柜工作状态传感器，其特征在于，所述CPU电路由ARM处理器、内存RAM和FLASH存储器组成。

3.根据权利要求1所述的一种多功能开关柜工作状态传感器，其特征在于，所述局部放电采集电路具体为：包括依次连接的超声波传感器、前置放大电路、整流滤波电路、二级放大电路，所述二级放大电路分别连接低速ADC和高速ADC，低速ADC和高速ADC共同连接至CPU电路。

4.根据权利要求1所述的一种多功能开关柜工作状态传感器，其特征在于，所述红外温度采集电路具体为：红外镜头、红外传感器和CPU电路依次连接，所述CPU电路再通过校准电路连接至红外传感器。

5.根据权利要求1所述的一种多功能开关柜工作状态传感器，其特征在于，所述微光视频采集电路具体为：可见光镜头、摄像头和CPU电路依次相连，所述CPU电路还连接到补光电路。

6.根据权利要求1所述的一种多功能开关柜工作状态传感器，其特征在于，所述环境温湿度采集电路具体为：温湿度传感器连接至CPU电路，所述温湿度传感器采用数字式传感器，CPU电路通过总线直接读取温湿度传感器内部数据。

7.一种采用如权利要求1所述传感器的预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取状态量信息，包括开关柜外表面或者内部电气连接点温度场分布数据、环境温湿度数据、局部放电信号、热像图、微光视频；

步骤2：预设权重因子细化最大相关性和最小冗余判据，结合增量搜索法得到嵌套式的待选特征集合，通过支持向量机对原始特征集合进行分类筛选，形成最优特征子集，提取故障特征状态量；

步骤3：采用图像识别算法分析热像图和可见光视频或照片中的温度场或物理形变信息，并度量两个形变参数，提供给缺陷分析算法；

步骤4：缺陷算法分析程序引入权重因子对具有局部保持、全局分离的两种分值进行加权，形成改进的拉普拉斯分值法对故障特征量重要度进行排序，再利用关联线性回归方程整合排序的故障特征量，获取最终的缺陷数据特征；

步骤5：根据缺陷数据特征判断故障类型，包括：局部放电预警、温度超限预警、形变缺陷预警或者多种缺陷并存；

步骤6：根据预警分析结果，产生告警信息，工作人:通过后台系统远程查看故障点热像图和微光视频，确认现场状况。

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