CN113346611A - 一种高压开关柜多维状态智能监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种高压开关柜多维状态智能监测系统和方法，该系统包括服务器，与服务器连接的至少一个数据采集模块，与数据采集模块连接的若干传感器。本发明对开关柜的温度、局放、机械特性、振动特性进行实时监测，多维度的分析运行状况；可将多个物理量结合起来分析，对开关柜状况的综合判断更加准确，可靠性更高；节省了开关柜定期排查的成本，提高了状态监测的经济性，并且大大提升了故障监测的时效性。
Description
技术领域
本发明属于开关柜监测领域，具体涉及一种高压开关柜多维状态智能监测系统和方法。
背景技术
当前以周期性停电例行试验为基础的状态检修工作存在诸多不足，如：停电压力大、停电例行试验无法及时反映设备状态的变化趋势、停电例行试验缺陷检出率低、高压开关柜的陪停率高等诸多问题；虽部分检测可以实现在线监测，但多针对单一状态参量，且监测准确率低下；常用的红外、光纤等测温方法存在检测范围有限、安装不便等缺点。局放检测技术存在准确率低、无法在线监测、无法适用于非全金属密闭性开关柜工况等缺点。操作机构状态检测技术多采用位移传感器，其检测灵敏度欠佳、寿命有限，且无法在线监测。
国内外在开关柜状态监测及故障诊断方面的研究都取得不少成就，但还存在以下不足：
（1）针对开关柜故障综合诊断，目前还缺少有效的方法，在监测开关柜各个特征参量的同时无法对开关柜的运行状态健康情况进行评估；
（2）国内在电力设备状态监测的研究中，相比于变压器、发电机等大型设备，对于开关柜本体的状态监测和诊断研究尚处于起步阶段。目前还缺乏一整套能完全监测开关柜运行状态的系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种高压开关柜多维状态智能监测系统和方法，通过对后台多维度数据进行特征提取，再进行温度、负荷电流、局放值等的关联性分析，以及同一断路器时间纵轴上的特征数据比对和同类其他断路器横向比对分析，通过相应状态参量评估设备健康状态，为状态检修提供依据，方便制定检修方案，这样即可改变以往对设备的定时维修、维护为有目的、有针对性的数据分析后的设备维护。减少停电，提高电网设备的运行效率。
本发明的技术方案具体如下：
一种高压开关柜多维状态智能监测系统，包括服务器，与服务器连接的至少一个数据采集模块，与数据采集模块连接的若干传感器；
传感器包括触头视频监控模块、局放传感器、交流互感器、霍尔电流传感器、振动传感器、测温平板天线、温度湿度传感器；局放传感器包括TEV传感器和AE超声传感器；
TEV传感器和AE超声传感器安装于开关柜内表面；测温传感器安装于动触头；振动传感器固定在断路器上；交流互感器和霍尔电流传感器卡装在仪表室的控制线路上；视频监视模块在开关柜内壁，开关柜带电状态下监视柜内设备运行情况，及时了解设备是否出现异常。
进一步地，数据采集模块为设于站内每面柜子的内置智能采集器，实时监测、采集柜内所有传感器数据，并通过内部通讯子网无线或有线方式将数据上传至智能通讯终端。
进一步地，至少一个数据采集模块通过智能通讯终端上传数据至服务器；通讯终端通过系统内部总线接收站端所有采集器数据，再通过其以太网接口连变电站端内网交换机，数据通过电力专用内网发送给服务器。
进一步地，温度湿度传感器安装在动触头或隔离刀闸触头或者电缆端头，接收天线安装在电缆室或都路器室的内侧壁，根据柜内安全距离及空间大小确定具体位置；TEV传感器和AE超声传感器安装在电缆室，TEV传感器靠近柜体内有金属接缝部位，AE超声波传感器朝向局放多发部位；
机械特性监测用电流传感器都安装在继电仪表室内，对应卡装在分闸、合闸、储能电机线圈回路上；其他采集器、通讯终端、电源转换器安装在继电仪表室内的DIN导轨上。
进一步地，高压开关柜中：
对于温度特性：测温范围为0℃~175℃；测温范围内温度测量误差不大于±2℃；分辨率0.1℃；采样周期≤10s；
对于超声波局部放电检测性能：非接触式检测仪检测灵敏度不大于40dB；非接触方式20kHz～60kHz 范围内；线性度误差不大于±20%；
对于暂态地电压法局部放电检测性能：频率范围3MHz~100 MHz，且频带宽度不小于20MHz；线性度的误差不大于±20%；脉冲计数要求误差不大于±20%；
对于断路器机械特性：
3路直流检测通道，检测分闸合闸线圈电流、储能电机电流；计算分合闸时间、周期、电流等特征参数；监测储能机械链路及储能电机的电气回路状态；3路交流检测通道，检测电流互感器二次侧电流；图谱显示电流特征波形曲线；分合闸线圈霍尔电流传感器、储能电机霍尔电流传感器：检测范围0~10A，误差不大于1%；互感器二次侧交流电流传感器：检测范围0~10A，误差不大于1%。
进一步地，智能采集器包括温度采集模块、局放采集模块、机械特性采集模块和振动采集模块；
温度采集模块将温度信息实时传送至服务器的测温管理装置，记录数据，判断是否需要进行温度异常报警；
局放采集模块控制TEV与AE传感器，实时采集TEV传感器中的暂态对地电压信号与AE传感器中的声发射信号，分析对比有无异常信号，并将信号进行数字化转换，最终上传服务器，判断当前开关柜是否有需要进行局放报警；
机械特性采集模块通过监测获取霍尔电流传感器中的电流参数，得出断路器分合闸过程的时间、速度以及运动过程信息，分析得到的监测数据中是否存在分合闸异常，判断是否需要进行机械操作异常报警；
振动采集模块负责处理振动传感器的采集信号，监测传感器位置所接收到的XYZ三轴的振动量，得到三维立体的振动信息，根据经验及正常信号的相似性判断有无振动异常。
本发明还涉及的高压开关柜多维状态智能监测方法，包括如下步骤：
对高压开关柜关键点温度、局部放电状态、机械操作状态进行实时监控，采集若干传感器数据，判断开关柜状态是否异常，其中：
通过温度湿度传感器实时监控开关柜中的关键点温度，对温度异常进行预警；
通过AE传感器监测高压开关柜中的异常超声信号，结合TEV传感器的监测结果，实时判断开关柜中是否有局部放电现象发生；
通过霍尔电流传感器，获取开关柜中闸刀的分合时间、分合速度以及运动过程曲线，实时分析每一次闸刀开合的过程是否卡涩或其它异常。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
本发明对开关柜的温度、局放、机械特性、振动特性进行实时监测，多维度的分析运行状况。传统的开关柜只能监测温度，有的只能监测局放等，监测物理量单一，当环境变化复杂时，判断结果容易有偏差。本申请的多维状态监测可将多个物理量结合起来分析，对开关柜状况的综合判断更加准确，可靠性更高。
通过在云南文山试点搭建多维状态监测系统，节省了开关柜定期排查的成本，提高了状态监测的经济性，并且大大提升了故障监测的时效性，对于以后发展人工智能分析有着重要作用，取得的数据将作为智能电网的重要基础，对智能电网建设也有着十分重要的意义。
附图说明
图1为本实施例的系统的结构框图；
图2为本实施例监测的温度数据；
图3为本实施例监测的TEV信号数据；
图4为本实施例监测的AE信号数据；
图5为本实施例监测的机械特性数据。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本申请实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
如图1所示，本实施例的高压开关柜多维状态智能监测系统，包括服务器，与服务器连接的多个智能采集器，与智能采集器连接的传感器。
传感器包括触头视频监控模块、局放传感器、交流互感器、霍尔电流传感器、振动传感器、测温平板天线、温度湿度传感器；局放传感器包括TEV传感器和AE超声传感器。
智能采集器为设于站内每面柜子的内置智能采集器，实时监测、采集柜内所有传感器数据，并通过内部通讯子网无线或有线方式将数据上传至智能通讯终端。
智能采集器通过智能通讯终端上传数据至服务器；通讯终端通过系统内部总线接收站端所有采集器数据，再通过其以太网接口连变电站端内网交换机，数据通过电力专用内网发送给服务器。
本实施例的传感器均为现有技术，SAW温度传感器利用声表面波测温的原理，将温度信息转换成电磁波频率信号的部件。温度传感器是直接安装在被测物体表面的测温元件，它负责接收探询射频信号，并返回带温度信息的射频信号到采集器。温度传感器正常工作时不需要电池、CT环取电方式等外部电源供电。温度传感器与温度采集器之间的信号传输通过无线电磁波实现。温度传感器安装方式为捆绑式，检测母排温度。
测温温度采集器收发天线为发送和接受电磁波信号，完成温度采集器与温度传感器的信号传送。与温度采集器配套使用，安装在传感器相同的隔室，负责与传感器天线通信，完成激励信号及传感器信号的发送和接收。
智能数据采集器为1.10.7PSIM智能数据采集器。机械性能主要测量高压开关柜分合闸线圈电流、储能电机电流、二次侧互感电流。实时监测由高压开关柜分合闸操作而触发开关柜内一系列相关操作。由分合闸操作，触发为储能电机进行充电过程，之后触发开关柜刀闸的分或者合，而随之会引起开关柜的振动以及二次互感电流变化。
振动采集器采用数字接口输出，RS485接口通信，可设不同的地址码，多个传感器长距离串联一起使用，便于多点测量和数据分析。AKE392B为单晶硅电容式传感器，由一片经过微机械处理的硅芯片，用于信号调整的低功率ASIC，用于存储补偿值的微处理器组成。
该模块功耗低，经过标定，结构坚固，输出稳定。新的电子配置为复位提供固态电源，为过电提供全面保护。在全量程范围内比例因子的长期稳定性及偏差典型值小于0.1%。该模块具有结构坚固、功耗低、偏差稳定性优异等特点，保证了杰出的输出可靠性。
温度采集模块在最高温度达到60℃时进行预警，超过80℃时进行危急报警；当A、B、C三相的不同相间温差超过30℃进行相间温度异常报警。局放采集模块当采集到40dB幅值以上的TEV或AE信号时，进行局部放电报警。机械特性及振动采集模块采集到的数据通过后台服务器进行缺陷异常判断，返回是否报警。
高压开关柜中：
对于温度特性：测温范围为0℃~175℃；测温范围内温度测量误差不大于±2℃；分辨率0.1℃；采样周期≤10s；
对于超声波局部放电检测性能：非接触式检测仪检测灵敏度不大于40dB；非接触方式20kHz～60kHz 范围内；线性度误差不大于±20%；
对于暂态地电压法局部放电检测性能：频率范围3MHz~100 MHz，且频带宽度不小于20MHz；线性度的误差不大于±20%；脉冲计数要求误差不大于±20%；
本实施例中，对于断路器机械特性：
3路直流检测通道，检测分闸合闸线圈电流、储能电机电流；计算分合闸时间、周期、电流等特征参数；监测储能机械链路及储能电机的电气回路状态；3路交流检测通道，检测电流互感器二次侧电流；图谱显示电流特征波形曲线；分合闸线圈霍尔电流传感器、储能电机霍尔电流传感器：检测范围0~10A，误差不大于1%；互感器二次侧交流电流传感器：检测范围0~10A，误差不大于1%。
本实施例中，温度湿度传感器安装在动触头或隔离刀闸触头或者电缆端头，接收天线安装在电缆室或都路器室的内侧壁，根据柜内安全距离及空间大小确定具体位置；TEV传感器和AE超声传感器安装在电缆室，TEV传感器靠近柜体内有金属接缝部位，AE超声波传感器朝向局放多发部位；机械特性监测用电流传感器都安装在继电仪表室内，对应卡装在分闸、合闸、储能电机线圈回路上；其他采集器、通讯终端、电源转换器安装在继电仪表室内的DIN导轨上。
具体的，本实施例安装时，对于温度传感器，固定式开关柜至少应包括上下隔离开关与断路器相连接的三相触头共6个温度监测点。母线未停电情况下，上隔离刀闸母线侧无法安装传感器。
传感器在母排铜板上安装的时候尽量靠近刀闸接触铜板的位置进行安装。
传感器安装之前，先确认好ABC三相的位置，一般母排上有黄绿红颜色和ABC的字母显示，可以按照颜色确定黄（A）、绿（B）、红（C）三相，硅胶扎带也要使用母排对应的相位颜色进行捆绑。
一组传感器总共6个频点，按照从上到下从小到大的顺序安装。比如上面三相母排A（433）、B（435）、C（436），刀闸下面三相母排A（438）、B（439）、C（441），用此频点顺序安装。
两个传感器之间的距离要大于20cm：传感器与金属面之间距离大于12.5cm：传感器与采集器天线保持轴向平行，且距离介于40cm~165cm之间。
安装测温平板天线时，固定柜平板天线馈线加标签套管，将印有测温ANT1的白色热缩管套入馈线的一端，并用热风枪将热缩管热缩，如下图，另一端也将印有测温ANT1的白色热缩管套入馈线的一端，并用热风枪将热缩管热缩，其目的是为了使在接入智能数据采集器时，分辨不同的馈线。同理，将印有测温ANT2的白色热缩管套入馈线的一端，并用热风枪将热缩管热缩，另一端也将印有测温ANT2的白色热缩管套入馈线的一端，并用热风枪将热缩管热缩。然后进行固定柜平板天线馈线连接及布线、打胶。
安装局放传感器时：
将印有超声波AE的白色热缩管套入馈线的一端，并用热风枪将热缩管热缩，如下图，另一端也将印有超声波AE的白色热缩管套入馈线的一端，并用热风枪将热缩管热缩，其目的是为了使在接入智能数据采集器时，分辨不同的馈线。
同理，将印有地电波TEV的白色热缩管套入馈线的一端，并用热风枪将热缩管热缩，另一端也将印有地电波TEV的白色热缩管套入馈线的一端，并用热风枪将热缩管热缩。
进行局放传感器馈线连接及布线，将连接好的馈线顺着布线槽，拉至仪表室可以连接智能数据采集器的位置，如果无法拉到智能数据采集器说明馈线太短，需要连接馈线延长线，并且套上对应的标签套管。
打胶的目的是为了使局放传感器固定，不发生位移。方法为：将AB胶调和后，将胶打到平板天线磁铁座上。
安装机械特性传感器时，对于分闸、合闸、储能电机传感器安装：
对于分闸互感器、合闸互感器、储能电机互感器均为闭环式霍尔电流传感器。
询问局方人员分闸、合闸、储能电机互感器安装在哪个位置，局方人员会给出安装的线标，找到对应线标，将对应线标线缆穿过对应互感器即可。
对于二次侧电流传感器安装，二次侧A相电流互感器、二次侧B相电流互感器、二次侧C相电流互感器均为开环式霍尔电流传感器。
询问局方人员二次侧电流互感器安装位置，找到对应线标，将对应线标线缆穿过对应互感器即可。分闸、合闸、储能电机传感器的线采用三芯屏蔽线。振动传感安装高压柜侧壁。安装摄像头，摄像头用于监控刀闸。
智能数据采集器、空开、电源适配器导轨安装时，选择一个可以装的下空气开关、电源适配器和智能数据采集器的位置将导轨用电转打孔螺丝固定在仪表室内。
将智能数据采集器、空开、电源适配器安装于导轨上，电源适配器安装电源适配器于导轨上，于空气开关贴临。智能数据采集器于导轨上，与电源适配器贴临。
作为本实施例的一个具体检测实例：
智能数据采集器以及与之匹配的空气开关、电源安装在仪表室中，在研究的高压开关柜多维状态在线监测系统搭建好之后，对部分采集数据进行查看，对编号905的开关柜中的监测数据调出查看，可以实时发现是否有异常现象。
图2是905号开关柜中一天的温度数据记录，横坐标为时间，纵坐标包含了A、B、C三相的上下动触头的温度数据，可以看出，三相的温度变化一致，并与气温变化相符，可初步判断暂时没有温度异常，温度均在正常值范围附近。
图3、4为905号开关柜中采集历史中的部分TEV与AE传感器信号，横坐标为采集时间，上图中的纵坐标为TEV的脉冲个数，下图中为超声波信号的脉冲个数。当TEV脉冲个数多且集中，伴随着强烈的超声波信号时，应当视为开关柜中的局放现象明显，应当尽快安排检修排查。
图5为905号开关柜历史采集的部分机械特性数据，横坐标为时间，纵坐标为传感器测得的电流大小。合闸过程中的数据变化显示，开关柜开合闸并无异常。
从多维状态监测的测量数据中可以发现，一系列传感器能够将整个开关柜构建成一个智能体，传感器能够诊断出当前开关柜的运行状态，综合分析监测数据，便能够从多维度、多角度分析开关柜的健康状况，提高其运行的可靠性。同时，在数据分析手段及方法提升后，还能够根据数据提出更深更准确的状态诊断。
Claims (7)
1.一种高压开关柜多维状态智能监测系统，其特征在于：包括服务器，与服务器连接的至少一个数据采集模块，与数据采集模块连接的若干传感器；
传感器包括触头视频监控模块、局放传感器、交流互感器、霍尔电流传感器、振动传感器、测温平板天线、温度湿度传感器；局放传感器包括TEV传感器和AE超声传感器；
TEV传感器和AE超声传感器安装于开关柜内表面；测温传感器安装于动触头；振动传感器固定在断路器上；交流互感器和霍尔电流传感器卡装在仪表室的控制线路上；视频监视模块在开关柜内壁，开关柜带电状态下监视柜内设备运行情况，及时了解设备是否出现异常。
2.根据权利要求1所述的高压开关柜多维状态智能监测系统，其特征在于：数据采集模块为设于站内每面柜子的内置智能采集器，实时监测、采集柜内所有传感器数据，并通过内部通讯子网无线或有线方式将数据上传至智能通讯终端。
3.根据权利要求1所述的高压开关柜多维状态智能监测系统，其特征在于：至少一个数据采集模块通过智能通讯终端上传数据至服务器；通讯终端通过系统内部总线接收站端所有采集器数据，再通过其以太网接口连变电站端内网交换机，数据通过电力专用内网发送给服务器。
4.根据权利要求1所述的高压开关柜多维状态智能监测系统，其特征在于：温度湿度传感器安装在动触头或隔离刀闸触头或者电缆端头，接收天线安装在电缆室或都路器室的内侧壁，根据柜内安全距离及空间大小确定具体位置；
TEV传感器和AE超声传感器安装在电缆室，TEV传感器靠近柜体内有金属接缝部位，AE超声波传感器朝向局放多发部位；
机械特性监测用电流传感器都安装在继电仪表室内，对应卡装在分闸、合闸、储能电机线圈回路上；其他采集器、通讯终端、电源转换器安装在继电仪表室内的DIN导轨上。
5.根据权利要求1所述的高压开关柜多维状态智能监测系统，其特征在于：高压开关柜中：
对于温度特性：测温范围为0℃~175℃；测温范围内温度测量误差不大于±2℃；分辨率0.1℃；采样周期≤10s；
对于超声波局部放电检测性能：非接触式检测仪检测灵敏度不大于40dB；非接触方式20kHz～60kHz 范围内；线性度误差不大于±20%；
对于暂态地电压法局部放电检测性能：频率范围3MHz~100 MHz，且频带宽度不小于20MHz；线性度的误差不大于±20%；脉冲计数要求误差不大于±20%；
对于断路器机械特性：
3路直流检测通道，检测分闸合闸线圈电流、储能电机电流；计算分合闸时间、周期、电流等特征参数；监测储能机械链路及储能电机的电气回路状态；3路交流检测通道，检测电流互感器二次侧电流；图谱显示电流特征波形曲线；分合闸线圈霍尔电流传感器、储能电机霍尔电流传感器：检测范围0~10A，误差不大于1%；互感器二次侧交流电流传感器：检测范围0~10A，误差不大于1%。
6.根据权利要求2所述的高压开关柜多维状态智能监测系统，其特征在于：智能采集器包括温度采集模块、局放采集模块、机械特性采集模块和振动采集模块；
温度采集模块将温度信息实时传送至服务器的测温管理装置，记录数据，判断是否需要进行温度异常报警；
局放采集模块控制TEV与AE传感器，实时采集TEV传感器中的暂态对地电压信号与AE传感器中的声发射信号，分析对比有无异常信号，并将信号进行数字化转换，最终上传服务器，判断当前开关柜是否有需要进行局放报警；
机械特性采集模块通过监测获取霍尔电流传感器中的电流参数，得出断路器分合闸过程的时间、速度以及运动过程信息，分析得到的监测数据中是否存在分合闸异常，判断是否需要进行机械操作异常报警；
振动采集模块负责处理振动传感器的采集信号，监测传感器位置所接收到的XYZ三轴的振动量，得到三维立体的振动信息，根据经验及正常信号的相似性判断有无振动异常。
7.一种高压开关柜多维状态智能监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
对高压开关柜关键点温度、局部放电状态、机械操作状态进行实时监控，采集若干传感器数据，判断开关柜状态是否异常，其中：
通过温度湿度传感器实时监控开关柜中的关键点温度，对温度异常进行预警；
通过AE传感器监测高压开关柜中的异常超声信号，结合TEV传感器的监测结果，实时判断开关柜中是否有局部放电现象发生；
通过霍尔电流传感器，获取开关柜中闸刀的分合时间、分合速度以及运动过程曲线，实时分析每一次闸刀开合的过程是否卡涩或其它异常。
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