CN112649505A - 一种基于超声波法的gil微粒缺陷在线监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统和方法，所述系统包括监测终端模块、数据通信模块和上位机监测分析模块，所述监测终端模块，用于采集金属微粒缺陷产生的超声波信号并将其转换为电信号；所述数据通信模块，用于监测终端模块与上位机监测分析模块的数据通信；所述上位机监测分析模块，用于实现监测数据的处理、分析和管理。本发明方便快捷，可智能分析GIL设备多维度数据，得出监测结果，从而指导运维人员科学安排生产运行管理工作，提高了GIL设备的运检效率。
Description
技术领域
本发明属于GIL故障监测技术领域，涉及一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统和方法。
背景技术
区域电网互联与输电容量的不断增加对输变电设备的输电能力、建设布置、稳定运行提出了更高的要求。GIL(Gas Insulated transmission Line，气体绝缘输电线路)以其具有高电压、大电流、结构紧凑、布置方式灵活、稳定运行、使用寿命长、技术指标优越且不受外界影响等优点，已经广泛的应用在国内外电力系统中。
GIL系统模块化的结构设计使其安装工艺复杂，一旦发生故障，则抢修工作量大，停电时间长。影响GIL稳定运行的因素主要是绝缘故障，关于金属微粒的运动机理、局部放电机理、危害等的研宄中，针对局部放电实际应用比较多，但微粒运功碰撞实际工程应用不够完善。因而，当前GIL故障监测手段具有人工检测成本高、效率低和检测设备繁多、功能单一、智能化程度低等问题。
由于电气设备在线监测与故障诊断技术的发展缺乏将微粒缺陷运动机理运用与实际工程中，所以开展GIL微粒缺陷在线监测系统的开发工作，具有理论意义与工程实用价值。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统和方法，方便快捷，可智能分析GIL设备多维度数据，得出监测结果，从而指导运维人员科学安排生产运行管理工作，提高了GIL设备的运检效率。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，所述系统
包括监测终端模块、数据通信模块和上位机监测分析模块，其特征在于：
所述监测终端模块，用于采集金属微粒缺陷产生的超声波信号并将其转换为电信号；
所述数据通信模块，用于监测终端模块与上位机监测分析模块的数据通信；
所述上位机监测分析模块，用于实现监测数据的处理、分析和管理；
所述监测终端模块包括声电转换单元、信号放大单元、数据处理单元以及电源供电单元；
所述声电转换单元，通过超声传感器采集GIL内部由于金属微粒缺陷导致的超声波信号，并将其转化为电信号；
所述信号放大单元，通过前置放大器将声电转换单元采集的缺陷信号放大；
所述数据处理单元，将信号放大单元输出信号进行数据处理。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，所述监测终端模块还采集待检测GIL设备上的RFID电子标签，获取待检测GIL设备线路名称、GIL设备接头位置和编号、检测项目和作业流程信息，通过数据通信模块完成本次检测人员、作业环境、作业日期的交互。
优选地，所述数据处理单元包括数据读写单元、AD单元、FPGA单元、以太网接口单元、SDRAM单元；
所述数据处理单元通过数据读写单元读取信号放大单元输出信号，并通过AD单元将信号放大单元输出信号进行模数转换，然后由FPGA单元进行数据处理，并通过以太网接口单元以及相应通信协议将数据发送至上位机监测分析模块，所述FPGA单元同时控制AD单元对超声传感器端的缺陷数据进行转换，所述SDRAM单元，作为外部存储器，用于实时缓存AD单元转换的数据。
优选地，所述数据读写单元，读取信号放大单元输出信号并通过先入先出存储器将读取的数据进行一级缓存。
优选地，所述电源供电单元采用28V直流电源适配器给信号放大单元供电，5V直流电源适配器给数据处理单元供电。
优选地，所述的上位机监测分析模块包括微粒缺陷分析判断单元、数据库和人机交互单元；
所述微粒缺陷分析判断指标模块，依次进行信号异常判断、微粒缺陷类型判断及微粒缺陷程度判断；
所述数据库，用于数据的存储与统计管理；
所述人机交互单元用于实现监测结果的查询与显示。
优选地，所述数据库与数据文件相结合实现数据统计管理；
所述数据文件，用于存储实时采集判断出来的微粒缺陷数据原始值；
所述数据库记录两方面内容，一方面记录用户信息与权限；另一方面记录GIL内可能发生过微粒运动碰撞的时间点与数据存储文件名，用于工作人员后期对上位机在线监测软件设计与开发微粒缺陷的确定与诊断。
优选地，所述人机交互单元，包括登录模块、在线监测模块和离线分析模块；
所述登录模块用于用户登录与身份验证；
所述在线监测模块实现GIL微粒缺陷可视化在线监测；
所述离线分析模块，通过调取数据库中的数据，实现历史缺陷数据记录的查询和显示，以及本次检测结果与历史数据纵向对比、与不同设备检测结果横向对比，综合比较分析被测GIL设备的微粒缺陷情况
本发明还公开了一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测方法，包括以下步骤：
步骤1：监测终端模块采集金属微粒缺陷产生的超声波信号并将其转换为电信号，具体的：
声电转换单元通过超声传感器采集GIL内部由于金属微粒缺陷导致的超声波信号，并将其转化为电信号；
信号放大单元通过前置放大器将声电转换单元采集的缺陷信号放大；
数据处理单元将信号放大单元输出信号进行数据处理；
步骤2：数据通信模块将监测终端模块的输出数据传输至上位机监测分析模块；
步骤3：上位机监测分析模块对监测数据进行处理、分析和管理。
优选地，步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：根据信号幅值进行信号异常判断：
步骤3.2：对于异常超声波信号，进一步根据异常超声波信号的相位相关性的强弱进行微粒缺陷类型判断；
步骤3.3：确定微粒缺陷类型之后，依据信号幅值和飞行时间，或半个工频周期之内的信号个数进行微粒缺陷程度判断，得出监测结果。
优选地，步骤3.1中，若
则监测信号为异常超声波信号；
其中，A为监测信号幅值，M为背景噪声信号幅值。
优选地，步骤3.2中，将异常超声波信号进行快速傅里叶变换得到其中50Hz/100Hz含量与信号幅值的比值作为微粒缺陷相位相关性判断依据，从而判断微粒缺陷的类型，当50Hz/100Hz频率成分占幅值的比例小于10％，则判定为微粒运动缺陷，大于等于10％，则为放电缺陷。
优选地，步骤3.3中，依据规则一或规则二进行微粒缺陷程度判断：
规则一：
若背景噪声信号幅值<监测信号幅值＜20mV，监测信号的飞行时间Δt＜50ms；或者，
50ms＜Δt＜100ms，且背景噪声信号幅值＜监测信号幅值＜10mV；
则判断为微粒缺陷程度轻，否则判断为微粒缺陷程度重；
规则二：
半个工频周期之内的监测信号个数越多表明其存在的微粒数量越多，金属微粒的数量越多危害越严重。
本申请所达到的有益效果：
1、传统巡检设备功能单一，若进行全方位检测，往往需要多人携带多台仪器设备分别依次进行检测，耗时耗力且效率低下；本发明集成了监测终端模块、数据通信模块和上位机监测分析模块，单台设备就能够对GIL设备局部放电情况进行全方位的监测；
2、传统巡检方式需要检测人员手动抄写被测GIL设备信息，而本发明监测终端模块收集待检测GIL设备上的RFID电子标签，获取待测GIL设备线路名称、GIL设备接头位置和编号、检测项目、作业流程等信息，通过数据通信模块完成本次检测人员、作业环境、作业日期等信息的交互，具有方便快捷、检测效率高、无纸化作业的优点；
3、本发明装置可通过内部智能算法实现本次检测结果与历史数据纵向对比、与不同设备检测结果横向对比，综合比较分析被测GIL设备的微粒缺陷情况；
4、本发明装置可通过上位机监测分析模块对监测数据进行处理、分析和管理以及辅助决策，从而指导运维人员科学安排维修、检修及生产运行管理工作，减少不必要的维修检修费用。
附图说明
图1为本发明系统的总体结构图。
图2为本发明的监测终端结构示意图。
图3为本发明的缺陷模式判断示意图。
图4为本发明的FPGA数据处理顶层框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，根据检测系统的监测目的与技术需要，本发明的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，其结构框架主要设计为被测对象、监测层、传输层以及分析层四大部分。被测对象根据应用的场景和监测对象而定，电力系统中GIL设备的变电站以及GIL变电站是主要的监测对象；
所述监测终端模块设于监测层，用于采集金属微粒缺陷产生的超声波信号并将其转换为电信号；
所述数据通信模块设于传输层，用于监测终端模块与上位机监测分析模块的数据通信；
所述上位机监测分析模块设于分析层，用于实现监测数据的处理、分析和管理以及辅助决策。从而实现GIL设备由金属微粒缺陷导致的绝缘性能下降或破坏的在线监测。
所述监测终端模块还采集待检测GIL设备上的RFID电子标签，获取待测GIL设备线路名称、GIL设备接头位置和编号、检测项目、作业流程等信息，通过数据通信模块完成本次检测人员、作业环境、作业日期等信息的交互，具有方便快捷、检测效率高、无纸化作业的优点。
监测终端模块的结构示意如图2所示。所述监测终端模块包括声电转换单元、信号放大单元、数据处理单元以及电源供电单元；
所述声电转换单元，通过超声传感器采集GIL内部由于金属微粒缺陷导致的超声波信号，并将其转化为电信号；所述超声传感器通过耦合剂贴合在被测的GIL设备金属外壳之上，确保超声波传感器能够有效的将GIL设备的内部由于金属微粒缺陷产生的超声波信号转换为电信号。
所述信号放大单元，通过前置放大器将声电转换单元采集的幅值较小的缺陷信号放大，提高信噪比，减少传输过程中的干扰，保证信号能够传送到监控终端。
所述数据处理单元，将信号放大单元输出信号进行数据处理后传输至上位机监测分析模块。
所述数据处理单元包括数据读写单元、AD单元、FPGA单元、以太网接口单元、SDRAM单元；
所述数据读写单元，读取信号放大单元输出信号并通过先入先出存储器(FirstInput First Output，FIFO)将读取的数据进行一级缓存，防止数据存入SDRAM单元中出现数据丢失。
所述以太网接口单元，用于实现监测终端模块与上位机监测分析模块的数据互通，上位机监测分析模块通过以太网接口控制监测终端模块，监测终端模块将实时采集的数据通过以太网接口传输至上位机监测分析模块。
如图4所示，所述数据处理单元通过数据读写单元读取信号放大单元输出信号，并通过高速AD单元将信号放大单元输出信号进行模数转换，然后由FPGA单元进行数据处理，并通过以太网接口单元以及相应通信协议将数据发送至上位机监测分析模块，所述FPGA单元同时控制AD单元对超声传感器端的缺陷数据进行高速转换，所述SDRAM(同步动态随机存储器)模块，作为外部存储器，用于实时缓存AD单元高速转换的数据。
由于现场安装GIL设备的地方均有稳定交流市电220V电源提供，所以所述电源供电单元采用28V直流电源适配器给信号放大单元的前置放大器供电，5V直流电源适配器给数据处理单元供电。
所述的上位机监测分析模块包括微粒缺陷分析判断单元、数据库和人机交互单元；
金属微粒缺陷的主要表现为放电和微粒运动碰撞，通过超声波法可以采集到两种表现的特征信号，即相位信号和飞行时间(两次监测信号发生的间隔)，然后上位机监测分析模块进行分析。
如图3所示，所述微粒缺陷分析判断指标模块，依次进行信号异常判断、微粒缺陷类型判断及微粒缺陷程度判断，具体的：
所述微粒缺陷分析判断指标模块中，首先进行信号异常判断：
若
则为异常超声波信号；
其中，A为监测信号幅值，M为背景噪声信号幅值；
其中，背景噪声信号与监测信号同步获取。
对于异常超声波信号，根据异常超声波信号的相位相关性的强弱进行微粒缺陷类型判断：
其中，放电缺陷的相位相关性强，微粒运动缺陷的相位相关性弱。
将异常超声波信号进行快速傅里叶变换得到其中50Hz/100Hz含量与信号幅值的比值作为微粒缺陷相位相关性判断依据，从而判断微粒缺陷的类型，当50Hz/100Hz频率成分占幅值的比例小于10％，则判定为微粒运动缺陷，大于等于10％，则为放电缺陷；
确定微粒缺陷类型之后，依据规则一或二进行微粒缺陷程度判断：
规则一：
结合监测信号的幅值以及飞行时间进行判定，对于运行中的GIL设备在以下情况是可以判断其危害较轻，可以不用处理：
若背景噪声信号幅值<监测信号幅值＜20mV，飞行时间Δt＜50ms；或者，50ms＜Δt＜100ms，且背景噪声信号幅值＜监测信号幅值＜10mV；
则判断为微粒缺陷程度轻，否则判断为微粒缺陷程度重；
规则二：
根据半个工频周期内的监测信号个数进行确认微粒数量的多少。单个金属微粒在半个工频周期之内的监测信号个数小于等于一个，若半个工频周期之内的监测信号个数越多表明其存在的微粒数量越多，金属微粒的数量越多危害越严重。
为了方便数据的调用处理分析，将数据管理功能设计为数据文件(.CSV)与数据库相结合的方式。
数据文件(.CSV)主要存储实时采集判断出来的微粒缺陷数据原始值。
数据库记录两方面内容，一方面记录用户信息与权限；另一方面记录GIL内可能发生过微粒运动碰撞的时间点与数据存储文件名，方便工作人员后期对上位机在线监测软件设计与开发微粒缺陷的确定与诊断。
本发明实施例中，选择以微软推出的Access数据库作为系统的数据管理工具。数据库主要对采集到的微粒缺陷信号的时间点以及原始数据存储的文件名进行存储统计，对于离线分析功能中的数据查询管理，通过调用读取数据库中的数据，实现历史缺陷数据记录的查询和显示。
所述人机交互单元用于实现监测结果的查询与显示。
所述人机交互单元，包括登录模块、在线监测模块和离线分析模块；
所述登录模块、在线监测模块分别用于用户登录、身份验证和GIL微粒缺陷可视化在线监测；
所述离线分析模块，通过调取数据库中的数据，实现历史缺陷数据记录的查询和显示。
本发明的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测方法，包括以下步骤：
步骤1：监测终端模块采集金属微粒缺陷产生的超声波信号并将其转换为电信号，具体的：
声电转换单元通过超声传感器采集GIL内部由于金属微粒缺陷导致的超声波信号，并将其转化为电信号；
信号放大单元通过前置放大器将声电转换单元采集的缺陷信号放大；
数据处理单元将信号放大单元输出信号进行数据处理；
步骤2：数据通信模块将监测终端模块的输出数据传输至上位机监测分析模块；
步骤3：上位机监测分析模块对监测数据进行处理、分析和管理，包括以下步骤：
步骤3.1：信号异常判断：
若
则监测信号为异常超声波信号；
其中，A为监测信号幅值，M为背景噪声信号幅值；
步骤3.2：对于异常超声波信号，进一步根据异常超声波信号的相位相关性的强弱进行微粒缺陷类型判断：
将异常超声波信号进行快速傅里叶变换得到其中50Hz/100Hz含量与信号幅值的比值作为微粒缺陷相位相关性判断依据，从而判断微粒缺陷的类型，当50Hz/100Hz频率成分占幅值的比例小于10％，则判定为微粒运动缺陷，大于等于10％，则为放电缺陷；
步骤3.3：确定微粒缺陷类型之后，依据规则一或二进行微粒缺陷程度判断：
规则一：
若背景噪声信号幅值<监测信号幅值＜20mV，监测信号的飞行时间Δt＜50ms；或者，
50ms＜Δt＜100ms，且背景噪声信号幅值＜监测信号幅值＜10mV；
则判断为微粒缺陷程度轻，否则判断为微粒缺陷程度重；
规则二：
半个工频周期之内的监测信号个数越多表明其存在的微粒数量越多，金属微粒的数量越多危害越严重。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，所述系统包括监测终端模块、数据通信模块和上位机监测分析模块，其特征在于：
所述监测终端模块，用于采集金属微粒缺陷产生的超声波信号并将其转换为电信号；
所述数据通信模块，用于监测终端模块与上位机监测分析模块的数据通信；
所述上位机监测分析模块，用于实现监测数据的处理、分析和管理；
所述监测终端模块包括声电转换单元、信号放大单元、数据处理单元以及电源供电单元；
所述声电转换单元，通过超声传感器采集GIL内部由于金属微粒缺陷导致的超声波信号，并将其转化为电信号；
所述信号放大单元，通过前置放大器将声电转换单元采集的缺陷信号放大；
所述数据处理单元，将信号放大单元输出信号进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，其特征在于：
所述监测终端模块还采集待检测GIL设备上的RFID电子标签，获取待检测GIL设备线路名称、GIL设备接头位置和编号、检测项目和作业流程信息，通过数据通信模块完成本次检测人员和作业日期信息的交互。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，其特征在于：
所述数据处理单元包括数据读写单元、AD单元、FPGA单元、以太网接口单元和SDRAM单元；
所述数据处理单元通过数据读写单元读取信号放大单元输出信号，并通过AD单元将信号放大单元输出信号进行模数转换，然后由FPGA单元进行数据处理，并通过以太网接口单元以及相应通信协议将数据发送至上位机监测分析模块，所述FPGA单元同时控制AD单元对超声传感器端的缺陷数据进行转换，所述SDRAM单元，作为外部存储器，用于实时缓存AD单元转换的数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，其特征在于：
所述数据读写单元，读取信号放大单元输出信号并通过先入先出存储器将读取的数据进行一级缓存。
5.根据权利要求3所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，其特征在于：
所述电源供电单元采用28V直流电源适配器给信号放大单元供电，5V直流电源适配器给数据处理单元供电。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，其特征在于：
所述的上位机监测分析模块包括微粒缺陷分析判断单元、数据库和人机交互单元；
所述微粒缺陷分析判断指标模块，依次进行信号异常判断、微粒缺陷类型判断及微粒缺陷程度判断；
所述数据库，用于数据的存储与统计管理；
所述人机交互单元用于实现监测结果的查询与显示。
7.根据权利要求6所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，其特征在于：
所述数据库与数据文件相结合实现数据统计管理；
所述数据文件，用于存储实时采集判断出来的微粒缺陷数据原始值；
所述数据库记录两方面内容，一方面记录用户信息与权限；另一方面记录GIL内可能发生过微粒运动碰撞的时间点与数据存储文件名，用于工作人员后期对上位机在线监测软件设计与开发微粒缺陷的确定与诊断。
8.根据权利要求6所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统，其特征在于：
所述人机交互单元，包括登录模块、在线监测模块和离线分析模块；
所述登录模块用于用户登录与身份验证；
所述在线监测模块实现GIL微粒缺陷可视化在线监测；
所述离线分析模块，通过调取数据库中的数据，实现历史缺陷数据记录的查询和显示，以及本次检测结果与历史数据纵向对比、与不同设备检测结果横向对比，综合比较分析被测GIL设备的微粒缺陷情况。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测系统的GIL微粒缺陷在线监测方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：监测终端模块采集金属微粒缺陷产生的超声波信号并将其转换为电信号，具体的：
声电转换单元通过超声传感器采集GIL内部由于金属微粒缺陷导致的超声波信号，并将其转化为电信号；
信号放大单元通过前置放大器将声电转换单元采集的缺陷信号放大；
数据处理单元将信号放大单元输出信号进行数据处理；
步骤2：数据通信模块将监测终端模块的输出数据传输至上位机监测分析模块；
步骤3：上位机监测分析模块对监测数据进行处理、分析和管理。
10.根据权利要求9所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测方法，其特征在于：
步骤3包括以下步骤：
步骤3.1：根据信号幅值进行信号异常判断：
步骤3.2：对于异常超声波信号，进一步根据异常超声波信号的相位相关性的强弱进行微粒缺陷类型判断；
步骤3.3：确定微粒缺陷类型之后，依据信号幅值和飞行时间，或半个工频周期之内的信号个数进行微粒缺陷程度判断，得出监测结果。
11.根据权利要求10所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测方法，其特征在于：
步骤3.1中，若
则监测信号为异常超声波信号；
其中，A为监测信号幅值，M为背景噪声信号幅值。
12.根据权利要求10所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测方法，其特征在于：
步骤3.2中，将异常超声波信号进行快速傅里叶变换得到其中50Hz/100Hz含量与信号幅值的比值作为微粒缺陷相位相关性判断依据，从而判断微粒缺陷的类型，当50Hz/100Hz频率成分占幅值的比例小于10％，则判定为微粒运动缺陷，大于等于10％，则为放电缺陷。
13.根据权利要求10所述的一种基于超声波法的GIL微粒缺陷在线监测方法，其特征在于：
步骤3.3中，依据规则一或规则二进行微粒缺陷程度判断：
规则一：
若背景噪声信号幅值<监测信号幅值＜20mV，监测信号的飞行时间Δt＜50ms；或者，
50ms＜Δt＜100ms，且背景噪声信号幅值＜监测信号幅值＜10mV；
则判断为微粒缺陷程度轻，否则判断为微粒缺陷程度重；
规则二：
半个工频周期之内的监测信号个数越多表明其存在的微粒数量越多，金属微粒的数量越多危害越严重。
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