CN111999572B - 基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法。针对于现有瓦斯继电器常误动、输出特征信息单一、气液两相信息挖掘不足等问题，提出一种高灵敏度的区间电容式传感器及其气液两相多特征的测量方法，具有电容差式测量与周期特征辨识的功能，以克服实际中变压器振动扰动、大电流下油流涌动等干扰问题，可充分、可靠地挖掘出变压器在运行过程中油流速率、游离气体速率及产气量等信息。并且，依托这类信息特征与变压器运行工况、内部故障类型之间的强关联关系，本方法可为变压器在线监测、新型的变压器非电量保护的实现提供实时参考数据。根据现有应用结果，验证了该方法的可靠性。

Description

基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线 监测装置及方法

技术领域

本发明属于电力设备在线监测及智能诊断领域，涉及一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法。

背景技术

油浸式电力变压器和电抗器是目前电力系统中关键性电力设备，分别起着电能传输、异常短路电流抑制的作用。当变压器内发生匝间短路或内部绝缘电弧的故障时，将出现油流、游离气体产出等现象，现有的气体继电器保护基于产气增多及油流过快的现象提出了轻瓦斯、重瓦斯保护，作为电力设备的非电量保护其已与变压器的差动保护配合构成了重要的主动保护系统。然而，近年来电力企业经常发生由于变压器本体瓦斯保护误动而引起变压器跳闸故障，造成电网运行可靠性和电力用户供电可靠性降低，其主要是由于外部地震、变压器自身振动、绕组瞬时变形引起的油流涌动等干扰造成了瓦斯保护误动，目前的处理方法是一旦瓦斯继电器动作，将彻底查清动作原因，当电力变压器本体无故障后方可继续投运，以避免瓦斯保护的误动造成干扰，但是该方法却极大地增加了现场工作，未起到主动保护的效果。

而对于油浸式电力变压器中重瓦斯保护主要利用变压器本体内部的绝缘油受气体膨胀压力下向油枕进行流动现象，在油流的作用下挡板承受压力超过设定压力值时，将触发重瓦斯保护；而轻瓦斯主要利用轻微故障下变压器内部持续气体累积作用，但达到设定积累值时触发轻瓦斯保护动作，即两种保护主要运用阈值油速、阈值气体体积量特征，无法掌握整个过程中其他气液两相流特征。因此，在一定程度上，并未充分地挖掘油流中所包含的变压器工况信息，其中包括了全过程的油速变化率、气体流速、游离气体产生速率等参量，限制了其在变压器运行工况上辨识准确性及可靠性，需要一种新的方法更可靠地挖掘出油流两相体多特征量。

为了获取气液两相流特征，目前较为成熟的方法包括了孔板法、转子流量法、靶式流量法、超声法、光学测量法以及电磁测量法，不同方法具有不同的特点及高适应性的应用环境，同时相互间也存在着一定局限性。针对变压器气液两相流气体多特征测量，需要解决多特征同步测量、扰动误测、运行环境恶劣、监测不可靠等问题，现有方法及技术无法充分地解决所有问题，需要提出一种新的检测方式以实现多参量、抗扰动、高可靠的实时性监测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于针对于现有气液两相流特征测量装置及方法的不足，提出了一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置及方法。基于区间电容值的变化，构建出区间化差异特征、整体变化特征等以实时地获取变压器内部气液两相流中油流流速、气体流速、游离气体产气速率及外部振动等特征量，充分利用了电容式传感的高可靠性特点，并运用对称布置、互差算法及工况识别算法识别出外部扰动，依托于所设计的智能信息设备完成数据处理、远程通信等功能，以实现抗扰动、高可靠、多参量的实时性监测工程目标。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，包括区间电容极板及流体管道结构；

所述区间电容极板及流体管道结构包括绝缘管道、地电极、多个曲形极板；所述绝缘管道内设有多个连接金属支撑件的油流探头，所述金属支撑件通过绝缘管道内侧壁上的运动轨道带动油流探头滑动，所述运动轨道内设有复位弹簧；所述油流探头的侧面设有多个V形极板；所述地电极设置在绝缘管道外，与弹簧连接；所述的多个曲形极板包裹在绝缘管道外侧壁上，与多个V形极板一一对应，构成电容的正负极系统，所述的多个曲形极板共同连接于同一电压源，并利用分布式微型电流传感器获取各模块上流通的电容电流；

在绝缘管道外侧包覆有金属屏蔽罩，用于隔离外部信号对电容测量的影响，采用多点接地的方式设计出均匀等地平面；在绝缘管道两端设有可调节尺寸的法兰连接结构，用于安装在不同尺寸管道上。

进一步，还包括信号采集及处理系统，具体包括输入电压源、高分辨率A/D变换器与高速信号读取模块、电流-电压转换模块、信号滤波模块、信号时频转化模块，

所述输入电压源连接曲面极板，并通过电压转换电路将实际电压幅值转换至信号采集模块有效区间内；

所述A/D变换器与高速信号读取模块实现电压信号的采集、存储；

所述电流-电压转换模块实现电流信号的转换，再通过多通道高分辨率A/D变换器及高速信号读取模块实现多通道电流信号的同步采集、存储；

所述信号滤波模块包括有源滤波电路、数字滤波电路，实现原始信号的滤波处理，减少干扰信号的影响；

所述信号时频转化模块利用FFT算法实现信号的时频变换，以获取不同参量的频率特征。

进一步，还包括数据分析及存储系统，具体包括数据分析硬件模块、存储模块，所述数据分析硬件模块具备FPU的高频可编程处理器核心，通过多通道特征识别、时域相关性计算、对称互差计算、状态评估算法，挖掘出各模块电容变化、参量波动特征、运行工况信息，对电力设备气液两相流体中油流流速、气体流速、气体含量、游离气体的产生速率进行辨识，并实现变压器基本工况的识别。

进一步，还包括装置自身测控系统，具体包括高温报警系统、电源异常报警系统、人机通信调控系统；

所述高温报警系统利用数字式分布式温度传感器对装置内部多点温度进行测量，并利用高速IIC选通芯片实现多点温度信息的传输、采集，基于内部温度预警方法实现异常温度的判定，并控制高温异常的预警电路实现温度异常状态的表征；

所述电源异常报警系统利用实时电压采集电路采集端口信号电压，并输入至比较电路中与设定的阈值电压进行比较，当输出电压低于阈值电压时，将触发电压异常报警电路；

所述人机通信调控系统完成对相应功能的选择、设备调试和显示。

进一步，还包括通信系统及电源系统，所述通信系统包括标准光纤接口、以太网接口及RS232/485接口、后端的连接线，利用中央处理器的DMA方式将存储单元中信息直接传输至通信端口，匹配站内IEC61850协议，实现装置与站内IDE设备、站内通信服务器之间信息上传、实时信息调用、远程控制；

所述电源系统包括外部电源供应系统、不间断电源系统、稳压系统、数模隔离系统，通过整流回路、逆变变频电路、稳压电路、滤波电路、多级分压电路实现±5V、±3V数、模电源电压、200Hz交流电压的稳定输出，搭建电压保护电路，避免大电压作用下装置造成损伤；并利用电池及稳压电路，满足外部电源质量差或故障条件下装置电能持续供应；通过较大的接地面及数模隔离电路，实现数字电源、模拟电源的隔离，避免信号之间的相互干扰，保证监测系统的信号完整性。

进一步，所述曲形极板与V形极板构成模块化电容，其电容大小表示为：

C_eq＝ε_eqK_eq (1)

K_eq＝K₀-K₁(|ΔL|)/L (3)

其中，C_eq为V形电容的等效电容值，V₁为气体体积，V₂为油流体积，V_s为电容内部总体积，ε_eq为等效介电常数，ε₁为气体介电常数，ε₂为绝缘油介电常数，K_eq为等效电容形状参量，K₀为无位移下基准电容形状参量，ΔL为电容的整体位移量，L为V形电容整体极板长度；

当气体进入不同的V形电容区间时，将影响V₁的大小，进一步导致区间电容的变化，即电容的变化反映为气体体积的含量，即单个区间内气体体积V_1,i表示为：

其中，ΔC_eq为电容值变化值，通过测量电容电流的方式进行运算，n为区间化电容子区间数量，V₁为总气体量；

依托于双电容对称安装方法，前-后双V形电容测量结构能够实现重复性测量出电容值，更为准确地获取不同区间内流过的气体体积量。而当气体流过前-后双电容结构后，将导致前-后电容具有相同波动变化，从前-后电容的变化曲线判定出第i个区间内气体流过前-后装置间距所花费时间长度为T_1,i，根据长度折算关系，得出第i个区间内部气体流速为式子(6)：

v_air,i＝(L+L₁)/T_1,i (6)

其中，L₁为前-后电容结构之间的距离；考虑到不同区间内气体流速具有不一致性，基于统计学方法获取均值、最大(小)值等统计量并将其作为评估气体流速的参量。

在无位移条件下V形极板与外部曲面极板的面积对称重合，电容有效面积为最大值S₀；当油流直接作用于电容结构前段圆弧端面时，将导致V形极板结构整体向后平移位移ΔL，即表现为电容极板有效面积发生变化，其有效面积变化与平移位移位置ΔL之间存在正比关系；油流前端V形结构整体向后平移ΔL，其大小与油流流速之间存在比例关系；而后端V性结构由于前端结构的阻碍作用，后端V性结构并未发生位移，其模块化电容变化只与流过区间内气体含量有关；通过互差法，获取相同位置前-后V形极板电容差值为ΔC_eq-1，2-i，导出平均电容变化值min(ΔC_eq)为进一步根据式(7)得出ΔL，其中油流流速根据式(8)得到：

v_oil＝a|ΔL| (8)

其中，v_oil为油流流速，a为位移-流速比例系数；

由于V形电容大小C_eq.i与电容电流I_i存在对应关系，根据式(9)得：

由于电源端电压U₀保持不变，运用多通道电流传感器获取各子模块的瞬时电流信号，以得到各子模块电容的瞬态变化值，并将该值作为评估内部气液两相流多参数的实测数据；

考虑实际运行中可能受到外部振动、内部油流涌动等干扰，该装置都可实现准备辨识、剔除。针对于外部振动扰动，由于电容模块设计及安装时具有对称性，两者在同一外部振动下将同时发生同向、同幅ΔL的位移，基于互差法的计算原理，同向-同幅振动所带来的位移量将被抵消掉，并不影响后面油速、气体流速的计算结果，即剔除了外部振动对于测量的干扰；针对于内部油流涌动干扰，考虑油流涌动所造成的油压变化具有周期的正-反方向上波动特性，利用装置获取正-反方向上油速v_oil-p、v_oil-op，通过周期识别的方式获取涌动周期T，将v_oil-op油速进行周期折算变化后，并通过正-反参量互差的方式剔除周期性油流涌动所带来的干扰，计算式如(10)：

v_oil＝v_oil-p-v_oil-op.e^-jT (10)。

进一步，所述油流探头能够双向测量，气泡流速误差小于5*10-5m3/s，本地数据存储周期为72h，扩展存储的深度为128G；标准220V/50Hz的交流源或15V的恒定直流源为装置供电。

另一方面，本发明提供一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测方法，包括以下步骤：

S1：初始化：启动装置自身测控系统对供电系统、运行工况进行检测，自检合格后进入气液两相流多特征测量状态；

S2：信号采集及数据分析周期：首先注入周期性电压信号，并利用多模块化电流信号采集器对各回路电流进行采集并输入至源滤波器进行滤波处理，之后将信号传输至A/D高速采集器，并利用高频中央处理器进行数字化滤波、FFT特征转化或依赖所设定的算法辨识出基本电容参数，将处理后的数据按照日期、特征类型存储至本地存储器中等待后续处理；

S3：将存储的数据进行调用分析，基于多通道特征识别、时域相关性计算、对称互差计算、状态评估算法获取气液两相流多特征，包括油流流速、气体流速、游离气体含量，并将该类特征量与历史数据进行对比，或基于智能算法挖掘出变压器的基本运行情况，以充分辨识出当前变压器运行工况，提前发现变压器内部三相短路、绕组间电弧放电或铁芯接地短路故障；当辨识出故障或不正常运行工况后，装置将启动预警系统，同时启动通信系统，向站级服务器发送异常指令，实现变压器异常工况的准确预警；当无故障，而站级服务器定期或指定下发信息调用的命令时，通信接口接受调用命令，并启动中央处理器中数据调出命令，从存储器中调出所需数据集进行分包处理、发送，从而实现历史监测数据的上传，期间采样器持续进行实时性数据采样；

S4：当达到装置的重置周期时，装置整体启动刷新，腾空内存及本体存储，进入步骤S1；当收到站控端的关闭命令或近地端关闭时，装置将中断运行，进入关闭状态。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明最先设计出区间电容式气液两相流多特征传感器，区间化的设计结构可将油管进行分割测量，不同子模块电容的变化可更为准确表征区间内气体含量，克服油管内部气体分布不均匀所带来粗略测量问题；同时，所设计的装置可测量油速、气体速率及游离气体产生速率等参量，为充分挖掘变压器运行工况信息提供更为充分的参考数据；

(2)本发明所设计的区间电容式气液两相流多特征传感器具有对称性结构，对于实际中所出现外部振动干扰、油流涌流干扰等，提出互差法以剥离实际干扰对参数测量的影响，保证了测量数据的可靠性、准确性；同时，依靠所设计的数据算法进一步辨识出外部振动、内部涌流强度等特征，为分析变压器运行工况及外部环境监测提供充分数据；

(3)本发明所提出的气液两相流多特征监测系统具有智能化数据处理、远程通信、自动调控等功能，可实现原始数据的本地处理、分析，依赖硬件化程序完成信息的挖掘，并利用远程通信模块与站控层服务器实现数据传递，所开发的自动调控功能可实现装置自身运行状态的诊断、调控，避免装置自身不可靠所引发的监测不可靠问题；

(4)本发明装置与系统使用方便，本发明方法操作简单。

本发明可广泛应用于多种气液两相流多参数测量场景，特别是依赖两相流特征的变压器保护设备。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的传感结构示意图

图2为本发明的数据采集结构示意图

图3为本发明装置原理框图

图4为本发明装置的供电系统结构框图

图5为本发明装置的程序图

附图标记：1-上法兰；2-下法兰；3-运动轨道；4-绝缘抗腐蚀层；5-绝缘管道；6-弹簧；7-V形极板；8-铜条；9-曲面极板；10-对称极板结构；11-分布式微型电流传感器，从1～n进行编号；12-油流探头；13-地电极；14-外部金属屏蔽罩；15-分布式电流采集器；16-信号电压源；17-数据分析硬件模块；18-电压信号采集线；19-电流信号传递单元；20-本地存储；21-通信系统；22-电源系统；23-外部电源供应系统；24-不间断电源系统。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1-4所示一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多特征的监测装置及方法，主要包括区间电容极板及流体管道结构、信号采集及处理系统、数据分析及存储系统、装置自身测控系统、通信系统及电源系统，其特征在于：

所述的区间电容极板及流体管道结构，主要包括了内部V形极板7、曲形极板9、油流探头12、弹簧6、绝缘管道5、地电极13、外部金属屏蔽罩14、管道端部连接结构1-2及整体性外部封装。其中，①内部V性极板7是由经过抗腐蚀处理后的铜薄片构成，薄片一端连接于中间油流探头上，N块极板7将管道空间分割为n个电容子区间，每个V形极板7与绝缘管道5外部的曲形极板9构成电容的正负极系统，内部V形极板通过铜条8与外部的地电极13连接，使内部极板其保持0电位。外部曲面极板9与内部V性极板子模块7具有对应性，共同分割了管道空间，构建出对应区间的电容结构；外部曲面极板共同连接于同一电压源，并利用分布式微型电流传感器11获取各模块上流通的电容电流，最终运用信号采集及数据分析方法，计算出各模块电容大小及其变化。当气体流过不同V形电容区间7-n时，考虑气体与绝缘油之间介电常数的差异，气体的流入改变内部电介质的分布，其含量及流通位置将引起各区间电容变化，即表现为区间电容值的波动特征与气体的流速、含量之间呈现着对应函数关系，基于各模块的波动特征、对称极板结构10的差异特征可准确地计算出各区间气体含量、气体的区间内平均流速信息；②两个V形电容组轴线上对称地安装着油流探头12，油流探头12所采用的金属经过了防油硫腐蚀处理，两个探头的圆弧端面分别感知油管内部正-反两方向的油流速度。当油流至圆弧端面处，将在端面上产生压力，进而推动着整体极板向后偏移，考虑零压力下内部V形极板7与曲形极板9长度、位置一一对应，内部极板的偏移将引起所有子模块电容值的等量变化，基于偏移量与等量变化量之间的关系，可进一步检测出油流流速的大小。同时，对称极板结构10可进一步解决外部机械振动所引起的干扰问题，某一时刻下内部油流单相运动主要引起一侧探头的动压而对称侧承受着静压，两者等量偏移量不一致，而外部振动将引起两者同向、同幅的偏移运动，偏移量具有一致性，因此基于对称互差法可杜绝地震、外部振动对于油流速测量的干扰；③内极板运动机械结构主要起机械支撑、极板运动约束及导电的作用，其由四条细支撑铜条8、运动轨道3及其内弹簧6支撑构成。铜条8一端连接着内部探头，另一端连接着运动轨道，压力作用将导致探头向后平移，进而带动铜条8的运动，依靠轨道3约束作用及弹簧6的支撑作用，使其位移量与所受流油压力之间满足一定线性关系，进而转换出压力大小。同时，弹簧6、采用导电材料，经过封装及引线后，其与地电极13进行连接，起到了导电作用；④绝缘管道5作为流体管道，选用硬度较大的、介电常数较小及抗腐蚀的高分子绝缘材料，或通过包覆绝缘抗腐蚀层4，其引导、约束着流体传输，并隔离了内外极板从而构建了内外极板电容结构；⑤分布式微型电流传感器11将各极板上的电压、电流信号引出，从信号完整性、杂散电容及布置容易程度上确定了外部极板端部连接的最佳信号引出方式，各信号线上采用并行封装形式，保证各回路电流之间不相互干扰，并为分布式微型电流传感器11提供传感器安装位置；⑥外部金属屏蔽罩14隔离外部信号对电容测量的影响，其采用多点接地的方式设计出均匀等地平面，隔断了外部空间对于电容极板的作用，降低了内部电容极板对于外部的杂散电容值，保证了测量信号的完整性；⑦管道端部连接结构采用法兰连接结构，包括上法兰1和下法兰2，调整法兰尺寸1-2可完成装置在不同管道内部的应用；整体性外部封装采用紧凑布置方式，固定各极板、信号线及机械结构的位置，避免外部振动对各附件的影响，保证信号测量的一致性。

所述的信号采集及处理系统，其主要包括了信号电压源16、分布式电流采集器15、信号滤波、信号的时频转化。其中，①利用正弦振荡器电路及二级稳压电路搭建出稳定的输入电压源，并将其施加于各外部曲面极板模块上；设计出电压转换电路将实际电压幅值转换至信号采集器有效区间内，并利用高分辨率的A/D变换器与高速信号读取模块，实现电压信号的采集、存储；②各模块电容值的变化将引起相应电流的变化，利用电流-电压转换模块实现电流信号的转换，再运用多通道高分辨率A/D变换器及高速信号读取模块实现多通道电流信号的同步采集、存储；③考虑原始电压、电流信号中所存在的热噪声、干扰信号，利用固定频率选通有源滤波电路、数字滤波电路实现原始信号的滤波处理，减少干扰信号的影响；④为了充分挖掘出信号中所涵盖的信息，利用FFT算法实现信号的时频变换，以获取不同参量的频率特征。

所述的数据分析及存储系统，其主要包括数据分析硬件模块17、存储模块20、数据处理算法。其中，①数据分析硬件模块17具备FPU的高频可编程处理器核心，可实现高精度、高速的浮点处理，利用编程、程序烧录的方式搭建出多数据处理处理单元，并可支持多类型通信接口，其通过电压信号采集线18连接信号电压源，通过电流信号传递单元19连接分布式电流采集器15；②选用外扩式SDRAM本地存储20扩大内存，提升处理器计算容量，满足复杂数据处理算法的需求；选用大容量、长周期、工业级外扩式NAND-FLASH扩展本地数据存储容量，以满足本地长周期原始数据、二次数据及辨识结果等数据的存储，为后期远程调用提供目标数据库；③数据处理算法包括了多通道特征识别、时域相关性计算、对称互差计算、状态评估等算法，以充分挖掘出各模块电容变化、参量波动特征、运行工况等信息，实现了对电力设备气液两相流体中油流流速、气体流速、气体含量、游离气体的产生速率等特征的辨识，并进一步可实现变压器基本工况的识别。

所述的装置自身测控系统，其主要包括高温报警系统、电源异常报警系统、人机通信调控系统。其中，①在实际运行情况中，为了防止高温油流或外部火源对监测装置造成严重损伤，设计出装置的高温预警系统。利用数字式分布式温度传感器对装置内部多点温度进行测量，并利用高速IIC选通芯片实现多点温度信息的传输、采集，基于内部温度预警方法实现异常温度的判定，并控制高温异常的预警电路实现温度异常状态的表征；②实际运行中由于独立电源能量不足或供电回路出现故障时，将导致输出的电压信号不稳定与检测信号的不准确。对此提出了低能耗的实时电压采集、比较电路及预警系统的电源异常报警系统，利用实时电压采集电路采集端口信号电压，并输入至比较电路中与设定的阈值电压进行比较，当输出电压低于阈值电压时，将触发电压异常报警电路；③人机通信系统包括了液晶显示屏、指示灯和按键，液晶显示屏采用多芯屏蔽线，与所述测控系统连接，用户用按键输入相关命令发送至所述的测控系统，完成相应功能的选择、设备调试，而所述的测控系统则将装置工作情况、参量信息发送至液晶显示屏而实现人机通信。

所述的通信系统21，包括了装置的标准光纤接口、以太网接口及RS232/485接口、后端的连接线等，利用中央处理器的DMA方式将存储单元中信息直接传输至通信端口，匹配站内IEC61850协议，实现装置与站内IDE设备、站内通信服务器之间信息上传、实时信息调用、远程控制等功能。

所述的电源系统22，包括了外部电源供应系统23、不间断电源系统24、稳压系统、数模隔离系统。其中，提供交流、直流电源接口，可满足不同背景下装置的交流或直流供电，设计了整流回路、逆变变频电路、稳压电路、滤波电路、多级分压电路可实现±5V、±3V数、模电源电压、200Hz交流电压的稳定输出，并搭建了电压保护电路，避免大电压作用下装置造成损伤；并利用电池及稳压电路设计出装置不间断电源系统，满足外部电源质量差或故障条件下装置电能持续供应；设计出较大的接地面及数模隔离电路，实现数字电源、模拟电源的隔离，可避免信号之间的相互干扰，保证监测系统的信号完整性。

所述的油流可实现双向测量，气泡流速误差可小于5*10-5m3/s,本地数据存储周期为72h，扩展存储的深度为128G；标准220V/50Hz的交流源或15V的恒定直流源可为装置供电；

管道的尺寸可根据实际应用位置进行调节，V形极板7的个数n可根据实际精度需求与管道尺寸进行调整，装置测量不仅限于油箱与油枕之间管道内，可扩展测量变压器任意管道内两相流体的多特征信息；

该装置测量不仅可应用于油浸式变压器，还可以用于包括电抗器等存在多种油、气两相流的设备；

如图5所示，本发明还提供一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测方法，利用上述装置，程序化地开展变压器气液两相流多特征测量，其特征在于具体方法步骤如下：

(1)初始化

上述装置接通电源后，装置系统按照预先设定进入初始化设定，装置启动自身测控系统对电源系统22、运行工况进行检测，自检合格后进入气液两相流多特征测量状态；

(2)定期信号采集及处理

第(1)步完成后，进入信号采集及数据分析周期，首先注入周期性电压信号，并利用分布式电流采集器15对各回路电流进行采集并输入至源滤波器进行滤波处理，之后将信号传输至A/D高速采集器，并利用数据分析硬件模块17进行数字化滤波、FFT特征转化或依赖所设定的算法辨识出基本电容参数，将处理后的数据按照日期、特征类型存储至本地存储器20中等待后续处理；

(3)数据分析及工况辨识

在第(2)步完成后，将存储的数据进行调用分析，基于多通道特征识别、时域相关性计算、对称互差计算、状态评估等算法获取气液两相流多特征，包括油流流速、气体流速、游离气体含量等，并将该类特征量与历史数据进行对比、或基于智能算法挖掘出变压器的基本运行情况，以充分辨识出当前变压器运行工况，提前发现变压器内部三相短路、绕组间电弧放电或铁芯接地短路等故障。当辨识出故障或不正常运行工况后，装置将启动预警系统，同时启动通信系统21，向站级服务器发送异常指令，实现变压器异常工况的准确预警；当无故障，而站级服务器定期或指定下发信息调用的命令时，通信接口接受调用命令，并启动数据分析硬件模块17中数据调出命令，从存储器20中调出所需数据集进行分包处理、发送，从而实现历史监测数据的上传，期间采样器持续进行实时性数据采样；

(4)结束

在(1)(2)(3)步完成后，当达到装置的重置周期时，装置整体启动刷新，腾空内存及本体存储，进入步骤(1)；当收到站控端的关闭命令或近地端关闭时，装置将中断运行，进入关闭状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：包括区间电容极板及流体管道结构；

所述区间电容极板及流体管道结构包括绝缘管道、地电极、多个曲形极板；所述绝缘管道内设有多个连接金属支撑件的油流探头，所述金属支撑件通过绝缘管道内侧壁上的运动轨道带动油流探头滑动，所述运动轨道内设有复位弹簧；所述油流探头的侧面设有多个V形极板；所述地电极设置在绝缘管道外，与弹簧连接；所述的多个曲形极板包裹在绝缘管道外侧壁上，与多个V形极板一一对应，构成电容的正负极系统，所述的多个曲形极板共同连接于同一电压源，并利用分布式微型电流传感器获取各模块上流通的电容电流；

在绝缘管道外侧包覆有金属屏蔽罩，用于隔离外部信号对电容测量的影响，采用多点接地的方式设计出均匀等地平面；在绝缘管道两端设有可调节尺寸的法兰连接结构，用于安装在不同尺寸管道上；

还包括通信系统及电源系统，所述通信系统包括标准光纤接口、以太网接口及RS232/485接口、后端的连接线，利用中央处理器的DMA方式将存储单元中信息直接传输至通信端口，匹配站内IEC61850协议，实现装置与站内IDE设备、站内通信服务器之间信息上传、实时信息调用、远程控制；

所述电源系统包括外部电源供应系统、不间断电源系统、稳压系统、数模隔离系统，通过整流回路、逆变变频电路、稳压电路、滤波电路、多级分压电路实现±5V、±3V数、模电源电压、200Hz交流电压的稳定输出，搭建电压保护电路，避免大电压作用下装置造成损伤；并利用电池及稳压电路，满足外部电源质量差或故障条件下装置电能持续供应；通过较大的接地面及数模隔离电路，实现数字电源、模拟电源的隔离，避免信号之间的相互干扰，保证监测系统的信号完整性；

所述曲形极板与V形极板构成模块化电容，其电容大小表示为：

C_eq＝ε_eqK_eq (1)

K_eq＝K₀-K₁(|ΔL|)/L (3)

其中，C_eq为V形电容的等效电容值，V₁为气体体积，V₂为油流体积，V_s为电容内部总体积，ε_eq为等效介电常数，ε₁为气体介电常数，ε₂为绝缘油介电常数，K_eq为等效电容形状参量，K₀为无位移下基准电容形状参量，ΔL为电容的整体位移量，L为V形电容整体极板长度；

当气体进入不同的V形电容区间时，将影响V₁的大小，进一步导致区间电容的变化，即电容的变化反映为气体体积的含量，即单个区间内气体体积V_1,i表示为：

其中，ΔC_eq为电容值变化值，通过测量电容电流的方式进行运算，n为区间化电容子区间数量，V₁为总气体量；

从前-后电容的变化曲线判定出第i个区间内气体流过前-后装置间距所花费时间长度为T_1,i，根据长度折算关系，得出第i个区间内部气体流速为式子(6)：

v_air,i＝(L+L₁)/T_1,i (6)

其中，L₁为前-后电容结构之间的距离；

在无位移条件下V形极板与外部曲面极板的面积对称重合，电容有效面积为最大值S₀；当油流直接作用于电容结构前段圆弧端面时，将导致V形极板结构整体向后平移位移ΔL，即表现为电容极板有效面积发生变化，其有效面积变化与平移位移位置ΔL之间存在正比关系；油流前端V形结构整体向后平移ΔL，其大小与油流流速之间存在比例关系；而后端V形结构由于前端结构的阻碍作用，后端V形结构并未发生位移，其模块化电容变化只与流过区间内气体含量有关；通过互差法，获取相同位置前-后V形极板电容差值为ΔC_eq-1，2-i，导出平均电容变化值min(ΔC_eq)为进一步根据式(7)得出ΔL，其中油流流速根据式(8)得到：

v_oil＝a|ΔL| (8)

其中，v_oil为油流流速，a为位移-流速比例系数；

由于V形电容大小C_eq.i与电容电流I_i存在对应关系，根据式(9)得：

由于电源端电压U₀保持不变，运用多通道电流传感器获取各子模块的瞬时电流信号，以得到各子模块电容的瞬态变化值，并将该值作为评估内部气液两相流多参数的实测数据；

针对于外部振动扰动，由于电容模块设计及安装时具有对称性，两者在同一外部振动下将同时发生同向、同幅ΔL的位移，基于互差法的计算原理，同向-同幅振动所带来的位移量将被抵消掉，并不影响后面油速、气体流速的计算结果，即剔除了外部振动对于测量的干扰；针对于内部油流涌动干扰，考虑油流涌动所造成的油压变化具有周期的正-反方向上波动特性，利用装置获取正-反方向上油速v_oil-p、v_oil-op，通过周期识别的方式获取涌动周期T，将v_oil-op油速进行周期折算变化后，并通过正-反参量互差的方式剔除周期性油流涌动所带来的干扰，计算式如(10)：

v_oil＝v_oil-p-v_oil-op.e^-jT (10)。

2.根据权利要求1所述的基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：还包括信号采集及处理系统，具体包括输入电压源、高分辨率A/D变换器与高速信号读取模块、电流-电压转换模块、信号滤波模块、信号时频转化模块，

所述输入电压源连接曲面极板，并通过电压转换电路将实际电压幅值转换至信号采集模块有效区间内；

所述A/D变换器与高速信号读取模块实现电压信号的采集、存储；

所述电流-电压转换模块实现电流信号的转换，再通过多通道高分辨率A/D变换器及高速信号读取模块实现多通道电流信号的同步采集、存储；

所述信号滤波模块包括有源滤波电路、数字滤波电路，实现原始信号的滤波处理，减少干扰信号的影响；

所述信号时频转化模块利用FFT算法实现信号的时频变换，以获取不同参量的频率特征。

3.根据权利要求1所述的基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：还包括数据分析及存储系统，具体包括数据分析硬件模块、存储模块，所述数据分析硬件模块具备FPU的高频可编程处理器核心，通过多通道特征识别、时域相关性计算、对称互差计算、状态评估算法，挖掘出各模块电容变化、参量波动特征、运行工况信息，对电力设备气液两相流体中油流流速、气体流速、气体含量、游离气体的产生速率进行辨识，并实现变压器基本工况的识别。

4.根据权利要求1所述的基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：还包括装置自身测控系统，具体包括高温报警系统、电源异常报警系统、人机通信调控系统；

所述高温报警系统利用数字式分布式温度传感器对装置内部多点温度进行测量，并利用高速IIC选通芯片实现多点温度信息的传输、采集，基于内部温度预警方法实现异常温度的判定，并控制高温异常的预警电路实现温度异常状态的表征；

所述电源异常报警系统利用实时电压采集电路采集端口信号电压，并输入至比较电路中与设定的阈值电压进行比较，当输出电压低于阈值电压时，将触发电压异常报警电路；

所述人机通信调控系统完成对相应功能的选择、设备调试和显示。

5.根据权利要求1所述的基于区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测装置，其特征在于：所述油流探头能够双向测量，气泡流速误差小于5*10-5m3/s，本地数据存储周期为72h，扩展存储的深度为128G；标准220V/50Hz的交流源或15V的恒定直流源为装置供电。

6.一种基于权利要求1-5任一所述电力设备气液两相流体多参量在线监测装置的区间电容式传感器的电力设备气液两相流体多参量在线监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：初始化：启动装置自身测控系统对供电系统、运行工况进行检测，自检合格后进入气液两相流多特征测量状态；

S2：信号采集及数据分析周期：首先注入周期性电压信号，并利用多模块化电流信号采集器对各回路电流进行采集并输入至源滤波器进行滤波处理，之后将信号传输至A/D高速采集器，并利用高频中央处理器进行数字化滤波、FFT特征转化或依赖所设定的算法辨识出基本电容参数，将处理后的数据按照日期、特征类型存储至本地存储器中等待后续处理；

S3：将存储的数据进行调用分析，基于多通道特征识别、时域相关性计算、对称互差计算、状态评估算法获取气液两相流多特征，包括油流流速、气体流速、游离气体含量，并将该类特征量与历史数据进行对比，或基于智能算法挖掘出变压器的基本运行情况，以充分辨识出当前变压器运行工况，提前发现变压器内部三相短路、绕组间电弧放电或铁芯接地短路故障；当辨识出故障或不正常运行工况后，装置将启动预警系统，同时启动通信系统，向站级服务器发送异常指令，实现变压器异常工况的准确预警；当无故障，而站级服务器定期或指定下发信息调用的命令时，通信接口接受调用命令，并启动中央处理器中数据调出命令，从存储器中调出所需数据集进行分包处理、发送，从而实现历史监测数据的上传，期间采样器持续进行实时性数据采样；

S4：当达到装置的重置周期时，装置整体启动刷新，腾空内存及本体存储，进入步骤S1；

当收到站控端的关闭命令或近地端关闭时，装置将中断运行，进入关闭状态。

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