CN112629684A - 一种用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，包括温度发送端、采集器和显示终端；所述的温度发送端安装在开关柜内部，主要由无线MCU、以及分别与无线MCU相连接的数字温度传感器、无线发射天线、感应取电模块和电流采集模块组成；所述的温度发送端通过无线发射天线与采集器进行无线数据传输；所述的采集器与显示终端通过GPRS通信网络进行数据传输。本发明结构简单、体积小、抗干扰能力强，实现了对温度的实时监测，利用温升预警综合判断算法和温升预测模型对早发现早处理，并对未来温升趋势进行预测判断未来故障发生可能性，进一步提高保护能力。
Description
技术领域
本发明属于电力设备技术领域，尤其涉及了一种用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统。
背景技术
开关柜是一种成套开关设备，内部结构包括断路器、操作机构、传感器等各种保护装置，开关柜主要作用是在电力系统稳定运行时进行开合、控制保护用电设备。由于开关柜内部高压电器会产生电阻损耗、磁滞涡流损耗以及介质损耗且开合结构出现氧化磨损，断路器触头老化和母线接头松动等都会使得开关柜内部温度升高，开关柜密闭性强且通风性差若热量不能及时排出，过高的温升会使触头和电缆压接点过热烧毁，甚至导致开关柜起火停电爆炸等严重事故，开关柜内部电力设备运行异常或故障通常表现为温度的升高，因此开关柜的温度在线检测以及预警是对电力设备监控最直接有效的手段对电力系统的可靠性以及安全性具有重要意义。
目前有多种测温技术主要包括接触式测温以及非接触式测温，比较传统的方法--示温蜡片法简单直观但测温精度不高且需要值班人员定期查看，光纤测温法难以适应开关柜内部密闭窄小环境存在布线复杂的问题，若长期工作光纤表面存在污秽会导致爬电故障，红外测温法易受物体遮挡存在安装问题。当前的预警系统缺乏对测温数据的进一步分析处理多采用单一温度阈值设置，容易因误差的产生而引起误判，更缺少通过温升趋势的预测判断未来故障发生的可能性的操作。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供了一种用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统。本发明可以实时监测开关柜内部电力设备的状态和数据并可以进行可靠预警以及未来温升趋势预测判断未来故障且能够在开关柜内部高电磁场、大电流的环境下稳定长久运行。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，包括温度发送端、采集器和显示终端；所述的温度发送端安装在开关柜内部，主要由无线MCU、以及分别与无线MCU相连接的数字温度传感器、无线发射天线、感应取电模块和电流采集模块组成；所述的温度发送端通过无线发射天线与采集器进行无线数据传输；所述的采集器与显示终端通过GPRS通信网络进行数据传输。
进一步说明，所述采集器包括数据处理单片机、以及分别与数据处理单片机相连接的无线射频接收模块、存储器、报警器、GPRS模块和显示屏；所述的数据处理单片机通过无线射频接收模块与温度发送端相连接，接收温度发送端传输过来的温度和电流数据并进行数据处理；所述的数据处理单片机通过GPRS模块将实时数据传输给显示终端；所述的存储器用于储存基本数据信息，包括实时温度、历史温度、电流采样数据、基本信息数据；所述的报警器用于进行温升预警判别不同缺陷告警以及温升预测未来故障告警；所述的显示屏用于显示基本数据信息和告警信息。
进一步说明，所述的显示终端为Ipad或者手机或者电脑。
进一步说明，所述的数字温度传感器采用DS18B20贴片；所述的电流采集模块采用罗氏线圈采样，无铁芯磁饱和；所述的感应取电模块独立于电流采集模块采用感应线圈取电，直接感应电磁能量获取电能，经过滤波、整流、稳压电路对无线MCU进行供电；所述的无线MCU为超低功耗单片机；所述的无线发射天线为PCB天线，并采用覆铜接地处理增强抗干扰能力。
进一步说明，所述的温度发送端还包括保护外壳；所述的无线MCU、数字温度传感器、无线发射天线和电流采集模块均分别固定安装在保护外壳内部；所述的保护外壳设有用于放置氮化硼导热块的凹槽，所述的数字温度传感器紧贴着氮化硼导热块。
进一步说明，所述的保护外壳设有绑带通孔。所述的温度发送端设有若干个，分别通过钢扎带固定安装在开关柜内部的梅花触头、母排以及电缆接头处，并设置不同ID以区分不同位置，便于后续数据处理单片机的数据处理与分析。
进一步说明，所述的感应取电模块包括感应线圈、整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块电路；所述的感应线圈应为4000扎且缠绕在所述钢扎带上；所述钢扎带为导磁材料，感应线圈通过感应电磁能量转化为电能，通过电路中电容进行储能供电；所述的整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块电路设置在保护外壳内部。
进一步说明，所述的保护外壳采用环氧树脂材料制成，可以有效绝缘耐高温保护内部零件及电路。
进一步说明，所述的采集器的数据处理单片机的数据处理包括预警判别和预测算法处理。
进一步说明，所述的预警判别具体是指单点告警法和多点差动法；所述的单点告警法包括高温告警、温升越限告警、温升过速告警；所述高温告警为所述数字温度传感器采集的温度超过80℃，所述电流采集模块采集到的工作电流在额定电流以内，则所述报警器发出初级告警信息；所述温升越限告警为测温点温升超过70K，工作电流在额定电流以内，则所述报警器发出二级告警信息；所述温升过速告警为测温点实时温升速率大于1K/min，且连续十个测温点温升速率超限，则所述报警器发出紧急缺陷信息；所述的多点差动法包括柜内同相横向超差告警、柜内异相横向超差告警、同类柜型横向超差告警，所述柜内同相横向超差告警为同一时刻同一开关柜的同一相的不同测温点之间的温升差若超过5K，结合不同测温点相对温差作为辅助判断依据设置提示告警、一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷不同缺陷等级所述报警器进行相应告警；所述柜内异相横向超差告警为同一时刻同一开关柜内不同相的不同测温点之间的温升若超过5K，结合不同测温点相对温差作为辅助判断依据设置提示告警、一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷不同缺陷等级所述报警器进行相应告警；所述同类柜型横向超差告警为同一时刻，同一站内、同类柜间，不同测温点之间温升超过5K，结合不同测温点相对温差作为辅助判断依据设置提示告警、一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷不同缺陷等级所述报警器进行相应告警；所述预测算法是将所述数字温度传感器采集的温度和所述电流采集模块的采样电流作为输入量，结合电器学知识得到温升预测模型，将温度变化趋势作为输出量得到每一测温点理论温升值。
本发明的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统工作过程为：
所述温度发送端的保护外壳为环氧树脂材料，通过钢扎带穿插保护外壳上的绑带通孔分别固定于梅花触头、母排以及电缆接头处进行温度和电流采样并根据测温不同位置设置ID，数字温度传感器采用DS18B20贴片，通过直接接触保护外壳凹槽内的导热块实现接触式测温，只需单根总线即可进行温度数据的传输，电流采集模块采用罗氏线圈进行电流采样，无磁饱和，感应取电模块的感应线圈独立于罗氏线圈利用电磁感应原理获取电能，并经过整流、滤波以及稳压进行稳定的直流供电，感应线圈获取的电能通过电容进行储能，当储能电压超过3.8V时，无线MCU即开始进行电流信号采样，感应取电模块停止对无线MCU进行供电，此时电流和温度采样同步进行，保证数据同步性以保证后续温升预警预测时的准确性，当电压检测电路检测到电压下降到无线MCU工作最低电压2.8V左右时，感应取电模块的感应线圈继续对无线MCU进行储能供电到3.8V，采样数据经过无线MCU的AD转换电路将模拟信号转换为单片机能识别的数字信号，并通过无线发射天线进行无线射频发送到采集器，采集器通过无线射频接收模块进行数据接收，数据处理单片机根据接收到的电流以及温度数据进行温升预警判别，经过单点告警法和多点差动法算法处理，避免因设置单一温度阈值而引起的误差，通过报警器作出不同缺陷等级告警，并在显示屏上将告警位置ID以及温度电流数据显示出来，最后通过将所测电流和温度数据得到的温升预测模型进行温升趋势预测，进行未来故障发生可能性的判断，进一步提高保护能力，同时数据库储存的温度电流数据信息以及预警预测信息将通过GPRS模块发送到显示终端，便于工作人员进行实时监测，及时发现排除故障。
在本发明中，温度发送端进行电流以及温度的同步采样经过无线MCU利用无线射频技术将数据传输给采集器，采集器的数据处理单片机根据接受的温度和电流数据通过温升预警综合判断算法进行温升预警判别，并通过报警器进行不等缺陷等级报警，最后采用搭建的温升预测模型进行温升趋势预测，并将数据及时发送给显示终端供工作人员实时监测，整个开关柜的温度在线监测与预警预测系统结构简单、体积小、抗干扰能力强，实现了对温度的实时监测，利用温升预警综合判断算法和温升预测模型对早发现早处理，并对未来温升趋势进行预测判断未来故障发生可能性，进一步提高保护能力。
本发明的优点：
1.本发明在进行温度和电流采样时为同步采样，即在同一时刻对测量点进行温度和电流的采集，减少因数据不同步带来的误差而影响温升预测算法模型的准确性。
2.感应取电模块的感应线圈和电流采集模块的罗氏线圈完全独立，可以避免干扰，保证采样精度，且使得产品多样化，对于不同产品进行电流采样时可以随时更换罗氏线圈，不受感应线圈限制，电流采样使用罗氏线圈无铁芯，精度高且无磁饱和。
3.数字温度传感器和测温点之间的导热块采用氮化硼材料，导热性能好且绝缘，满足温度传感器接触式测温的要求。
4.数字温度传感器采用DS18B20数字温度传感器贴片，单根总线即可进行数据传输，能够直接输出数字量供单片机进行直接读取，大大减小了测量模块的体积降低功耗，同时增强了抗干扰能力。
5.无线发射天线采用PCB天线，减小了硬件体积和开发成本，使用起来更加便捷，无线附近尽量少放置器件，空白处采用覆铜接地，增强抗干扰能力，并通过由电容和电感组成的巴伦电路对无线性能进行优化，使得射频通信精度高且具有出色的灵敏度。
6.采用温度预警综合判断方法确定开关柜状态，单点测量告警结合多点差动法通过比较不同相间以及同类柜间不同测温点的温升差以确定温升缺陷等级，避免单一温升阈值判断时由于小电流故障状态时无法及时达到所设温度阈值而引起的误判，温度预警综合判断方法的使用实现了开关柜温度故障早发现早报警，将故障带的危害降到最低。
7.开关柜在工作过程中结点温度变化趋势受工作电流的影响，且结点温度变化总是滞后于电流变化，因此温升预测模型的搭建通过对温度趋势的预测判断未来故障发生的可能性，防止设备故障的进一步扩大，提高保护能力。
附图说明
图1为本发明的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统框架示意图。
图2为本发明中温度发送端与开关柜梅花触头的安装示意图。
图3为本发明中温度发送端结构示意图。
图4为本发明中温度发送端结构剖视图。
附图标记：1-温度发送端，2-钢扎带，3-凹槽。
具体实施方式
为了使本发明专利所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明专利，并不用于限定本发明专利。
实施例：
如图1所示，一种用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，包括温度发送端、采集器和显示终端。
所述的温度发送端设有若干个，分别通过钢扎带固定安装在开关柜内部的梅花触头、母排以及电缆接头处，并设置不同ID以区分不同位置，便于后续数据处理单片机的数据处理与分析。温度发送端主要由保护外壳、无线MCU、以及分别与无线MCU相连接的数字温度传感器、无线发射天线、感应取电模块和电流采集模块组成；所述的无线MCU、数字温度传感器、无线发射天线和电流采集模块均分别固定安装在保护外壳内部；所述的保护外壳设有用于放置氮化硼导热块的凹槽，所述的数字温度传感器紧贴着氮化硼导热块。所述的保护外壳设有绑带通孔。参见图2、图3。
所述的数字温度传感器采用DS18B20贴片；所述的电流采集模块采用罗氏线圈采样，无铁芯磁饱和；所述的感应取电模块独立于电流采集模块采用感应线圈取电，直接感应电磁能量获取电能，经过滤波、整流、稳压电路对无线MCU进行供电；所述的无线MCU为超低功耗单片机；所述的无线发射天线为PCB天线，并采用覆铜接地处理增强抗干扰能力。所述的感应取电模块包括感应线圈、整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块电路；所述的感应线圈应为4000扎且缠绕在所述钢扎带上；所述钢扎带为导磁材料，感应线圈通过感应电磁能量转化为电能，通过电路中电容进行储能供电；所述的整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块电路设置在保护外壳内部。所述的保护外壳采用环氧树脂材料制成，可以有效绝缘耐高温保护内部零件及电路。
所述采集器包括数据处理单片机、以及分别与数据处理单片机相连接的无线射频接收模块、存储器、报警器、GPRS模块和显示屏；所述的数据处理单片机通过无线射频接收模块与温度发送端相连接，接收温度发送端传输过来的温度和电流数据并进行数据处理；所述的数据处理单片机通过GPRS模块将实时数据传输给显示终端；所述的存储器用于储存基本数据信息，包括实时温度、历史温度、电流采样数据、基本信息数据；所述的报警器用于进行温升预警判别不同缺陷告警以及温升预测未来故障告警；所述的显示屏用于显示基本数据信息和告警信息。
所述的采集器的数据处理单片机的数据处理包括预警判别和预测算法处理。所述的预警判别具体是指单点告警法和多点差动法；所述的单点告警法包括高温告警、温升越限告警、温升过速告警；所述高温告警为所述数字温度传感器采集的温度超过80℃，所述电流采集模块采集到的工作电流在额定电流以内，则所述报警器发出初级告警信息；所述温升越限告警为测温点温升超过70K，工作电流在额定电流以内，则所述报警器发出二级告警信息；所述温升过速告警为测温点实时温升速率大于1K/min，且连续十个测温点温升速率超限，则所述报警器发出紧急缺陷信息；所述的多点差动法包括柜内同相横向超差告警、柜内异相横向超差告警、同类柜型横向超差告警，所述柜内同相横向超差告警为同一时刻同一开关柜的同一相的不同测温点之间的温升差若超过5K，结合不同测温点相对温差作为辅助判断依据设置提示告警、一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷不同缺陷等级所述报警器进行相应告警；所述柜内异相横向超差告警为同一时刻同一开关柜内不同相的不同测温点之间的温升若超过5K，结合不同测温点相对温差作为辅助判断依据设置提示告警、一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷不同缺陷等级所述报警器进行相应告警；所述同类柜型横向超差告警为同一时刻，同一站内、同类柜间，不同测温点之间温升超过5K，结合不同测温点相对温差作为辅助判断依据设置提示告警、一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷不同缺陷等级所述报警器进行相应告警；所述预测算法是将所述数字温度传感器采集的温度和所述电流采集模块的采样电流作为输入量，结合电器学知识得到温升预测模型，将温度变化趋势作为输出量得到每一测温点理论温升值。
所述的显示终端为Ipad或者手机或者电脑。
所述的温度发送端通过无线发射天线与采集器进行无线数据传输；所述的采集器与显示终端通过GPRS通信网络进行数据传输。
上述实施例的工作原理为：
所述温度发送端的保护外壳为环氧树脂材料，通过钢扎带穿插保护外壳上的绑带通孔分别固定于梅花触头、母排以及电缆接头处进行温度和电流采样并根据测温不同位置设置ID，数字温度传感器采用DS18B20贴片，通过直接接触保护外壳凹槽内的导热块实现接触式测温，只需单根总线即可进行温度数据的传输，电流采集模块采用罗氏线圈进行电流采样，无磁饱和，感应取电模块的感应线圈独立于罗氏线圈利用电磁感应原理获取电能，并经过整流、滤波以及稳压进行稳定的直流供电，感应线圈获取的电能通过电容进行储能，当储能电压超过3.8V时，无线MCU即开始进行电流信号采样，感应取电模块停止对无线MCU进行供电，此时电流和温度采样同步进行，保证数据同步性以保证后续温升预警预测时的准确性，当电压检测电路检测到电压下降到无线MCU工作最低电压2.8V左右时，感应取电模块的感应线圈继续对无线MCU进行储能供电到3.8V，采样数据经过无线MCU的AD转换电路将模拟信号转换为单片机能识别的数字信号，并通过无线发射天线进行无线射频发送到采集器，采集器通过无线射频接收模块进行数据接收，数据处理单片机根据接收到的电流以及温度数据进行温升预警判别，经过单点告警法和多点差动法算法处理，避免因设置单一温度阈值而引起的误差，通过报警器作出不同缺陷等级告警，并在显示屏上将告警位置ID以及温度电流数据显示出来，最后通过将所测电流和温度数据得到的温升预测模型进行温升趋势预测，进行未来故障发生可能性的判断，进一步提高保护能力，同时数据库储存的温度电流数据信息以及预警预测信息将通过GPRS模块发送到显示终端，便于工作人员进行实时监测，及时发现排除故障。
显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明所作的举例，而并非对本发明实施的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举；而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，包括温度发送端、采集器和显示终端；其特征在于：所述的温度发送端安装在开关柜内部，主要由无线MCU、以及分别与无线MCU相连接的数字温度传感器、无线发射天线、感应取电模块和电流采集模块组成；所述的温度发送端通过无线发射天线与采集器进行无线数据传输；所述的采集器与显示终端通过GPRS通信网络进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，其特征在于：所述采集器包括数据处理单片机、以及分别与数据处理单片机相连接的无线射频接收模块、存储器、报警器、GPRS模块和显示屏；所述的数据处理单片机通过无线射频接收模块与温度发送端相连接，接收温度发送端传输过来的温度和电流数据并进行数据处理；所述的数据处理单片机通过GPRS模块将实时数据传输给显示终端；所述的存储器用于储存基本数据信息，包括实时温度、历史温度、电流采样数据、基本信息数据；所述的报警器用于进行温升预警判别不同缺陷告警以及温升预测未来故障告警；所述的显示屏用于显示基本数据信息和告警信息。
3.根据权利要求1所述的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，其特征在于：所述的显示终端为Ipad或者手机或者电脑。
4.根据权利要求1-3任一所述的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，其特征在于：所述的数字温度传感器采用DS18B20贴片；所述的电流采集模块采用罗氏线圈采样，无铁芯磁饱和；所述的感应取电模块独立于电流采集模块采用感应线圈取电，直接感应电磁能量获取电能，经过滤波、整流、稳压电路对无线MCU进行供电；所述的无线MCU为超低功耗单片机；所述的无线发射天线为PCB天线，并采用覆铜接地处理增强抗干扰能力。
5.根据权利要求4所述的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，其特征在于：所述的温度发送端还包括保护外壳；所述的无线MCU、数字温度传感器、无线发射天线和电流采集模块均分别固定安装在保护外壳内部；所述的保护外壳设有用于放置氮化硼导热块的凹槽，所述的数字温度传感器紧贴着氮化硼导热块。
6.根据权利要求5所述的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，其特征在于：所述的保护外壳设有绑带通孔。
7.根据权利要求6所述的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，其特征在于：所述的温度发送端设有若干个，分别通过钢扎带固定安装在开关柜内部的梅花触头、母排以及电缆接头处，并设置不同ID以区分不同位置。
8.根据权利要求7所述的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，其特征在于：所述的感应取电模块包括感应线圈、整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块电路；所述的感应线圈应为4000扎且缠绕在所述钢扎带上；所述钢扎带为导磁材料，感应线圈通过感应电磁能量转化为电能，通过电路中电容进行储能供电；所述的整流滤波电路、过压保护电路和DC/DC模块电路设置在保护外壳内部。
9.根据权利要求2所述的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，其特征在于：所述的采集器的数据处理单片机的数据处理包括预警判别和预测算法处理。
10.根据权利要求9所述的用于开关柜的温度在线监测与预警预测系统，其特征在于：
所述的预警判别具体是指单点告警法和多点差动法；所述的单点告警法包括高温告警、温升越限告警、温升过速告警；所述高温告警为所述数字温度传感器采集的温度超过80℃，所述电流采集模块采集到的工作电流在额定电流以内，则所述报警器发出初级告警信息；所述温升越限告警为测温点温升超过70K，工作电流在额定电流以内，则所述报警器发出二级告警信息；所述温升过速告警为测温点实时温升速率大于1K/min，且连续十个测温点温升速率超限，则所述报警器发出紧急缺陷信息；
所述的多点差动法包括柜内同相横向超差告警、柜内异相横向超差告警、同类柜型横向超差告警，所述柜内同相横向超差告警为同一时刻同一开关柜的同一相的不同测温点之间的温升差若超过5K，结合不同测温点相对温差作为辅助判断依据设置提示告警、一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷不同缺陷等级所述报警器进行相应告警；所述柜内异相横向超差告警为同一时刻同一开关柜内不同相的不同测温点之间的温升若超过5K，结合不同测温点相对温差作为辅助判断依据设置提示告警、一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷不同缺陷等级所述报警器进行相应告警；所述同类柜型横向超差告警为同一时刻，同一站内、同类柜间，不同测温点之间温升超过5K，结合不同测温点相对温差作为辅助判断依据设置提示告警、一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷不同缺陷等级所述报警器进行相应告警；
所述预测算法是将所述数字温度传感器采集的温度和所述电流采集模块的采样电流作为输入量，结合电器学知识得到温升预测模型，将温度变化趋势作为输出量得到每一测温点理论温升值。
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