CN113655351A - 一种无线局部放电在线监测设备 - Google Patents

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齐飞
周恒逸
赵邈
朱吉然
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Abstract

本发明公开了一种无线局部放电在线监测设备，包括：电源模块、采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块，所述电源模块分别与所述采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块连接，通过采集模块采集的局部放电监测数据，并通过数据处理模块根据局部放电监测数据制备局部放电相位谱图，并将局部放电相位谱图通过LoRa通信模块发送至诊断后台进行诊断，采用无线LoRa通讯模块进行数据收发，不需要现场布线，能快速实现在线监测设备的安装，减少数据收发的功耗，有效解决现有的在线监测设备安装部署时程序繁琐，功耗大的问题。

Description

一种无线局部放电在线监测设备
技术领域
本发明涉及局部放电监测技术领域，尤其涉及一种无线局部放电在线监测设备。
背景技术
随着10kV开关柜和环网柜广泛地部署使用，开关柜和环网柜已成为电网系统中主要的电气设备。在电气设备的三类故障中，绝缘故障所占的比重最大。局部放电是设备绝缘损坏的重要原因，研究人员指出：绝缘材料在长时间内一直受到局部放电的影响，会使得材料的绝缘性能不断下降，当绝缘材质损坏严重时可能会导致绝缘击穿，引起电气设备发生故障，引发停电事故，给社会和经济带来巨大的损失。
在国内，对电力设备的检修大致采用三种模式：事后检修、周期性检修和状态检修。状态检修是在状态监测的基础上决定是否对设备进行检修，带电监测是实现状态检修的前提。常见的在线监测设备，大多使用CAN、RS485进行数据通信，这类在线监测设备，在安装时，需要部署通讯数据线，有的功耗大，往往需要外接电源供电，有的甚至需要在停电状态下才能进行安装部署，因此，现有的在线监测设备安装部署时程序繁琐，功耗大已经成为了本技术领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种无线局部放电在线监测设备，用于解决现有的在线监测设备安装部署时程序繁琐，功耗大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种无线局部放电在线监测设备，包括：电源模块、采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块，电源模块分别与采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块连接，用于给采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块提供工作电压；
采集模块以及LoRa通信模块均与数据处理模块连接，采集模块用于采集局部放电监测数据，并将局部放电监测数据发送给数据处理模块；
数据处理模块用于接收局部放电监测数据，并根据局部放电监测数据制备局部放电相位谱图，并将局部放电相位谱图发送给LoRa通信模块；LoRa通信模块接收并将局部放电相位谱图发送至诊断后台进行诊断。
优选的，采集模块包括暂态地电波传感器、超声波传感器以及温湿度传感器，暂态地电波传感器通过ADC模块与数据处理模块连接，用于将其监测采集的暂态地电波信号通过ADC模块发送给数据处理模块；超声波传感器通过SAI模块与数据处理模块连接，用于将其监测采集的超声波信号通过SAI模块发送给数据处理模块；温湿度传感器通过I2C模块与数据处理模块连接，用于将其监测采集的湿温度信号通过I2C模块发送给数据处理模块。
优选的，电源模块通过第一负载开关与超声波传感器连接，电源组件通过第二负载开关与暂态地电波传感器连接，电源模块通过第三负载开关与LoRa通信模块连接。
优选的，数据处理模块包括局放数据处理模块，局放数据处理模块用于将接收的来自采集模块的超声波信号和暂态地电波均进行以下处理：
对超声波信号/暂态地电波信号进行数模转换，得到局放序列X(i)，对X(i)进行最大值包络，将时域序列进行区域分割，并对每个区域计算幅值绝对最大值，得到包络后局放序列Y(i)，再计算噪声阈值Thr，根据计算的噪声阈值Thr对超声波信号/暂态地电波信号中的有效脉冲进行提取，得到超声波信号/暂态地电波信号的局部放电相位谱图。
优选的，局放数据处理模块通过将局放序列Y(i)的每个序列点看作一个顶点，通过每两个点之间幅值差计算每两个点之间的权重ωij，并根据局放序列Y(i)中任意两点之间的权重ωij构建矩阵W，其中，
Figure BDA0003239960570000021
其中，i、j分别为局放序列Y两个不同序列点的序号，W为邻接矩阵，r为邻域大小，这里选取序列Y平均值大小的0.3倍，δ为序列Y的均方差，yi为第i个序列点的幅值，yj为第j个序列点的幅值；构建相似度矩阵D，其中
Figure BDA0003239960570000022
d(i)为相似度矩阵D第i个相似度；并计算拉普拉斯矩阵L＝D-W；构建标准化拉普拉斯矩阵D-1/2LD-1/2,并计算该矩阵第二小特征值对应的特征向量y；取y的平均值作为噪声阈值Thr。
优选的，数据处理模块还包括数据交互模块，数据交互模块用于将数据处理模块要发送出去的数据进行组包分片，并开启内置定时器，按定时器周期顺序，并通过LoRa通信模块向诊断后台发送每一包分片数据，同时通过LoRa通信模块接收并解析从诊断后台传输过来的ACK，记录ACK的状态，在将所有的分片数据发送完成之后，判断ACK的状态，确认数据的发送的完整性，若不完整，开始进行重传。
优选的，电源模块为一次性锂-亚硫酰氯电池，数据处理模块为ARM Cortex-M4内核的低功耗MCU。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的无线局部放电在线监测设备，通过采集的局部放电监测数据，并根据局部放电监测数据制备局部放电相位谱图，并将局部放电相位谱图通过LoRa通信模块发送至诊断后台进行诊断，采用无线LoRa通讯模块进行数据收发，不需要现场布线，能快速实现在线监测设备的安装，减少数据收发的功耗，有效解决现有的在线监测设备安装部署时程序繁琐，功耗大的问题。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1本发明的无线局部放电在线监测设备系统；
图2本发明的采集模块及数据处理模块；
图3本发明的详细的数据采集及处理流程；
图4本发明的详细的数据交互流程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
如图1所示，本实施中公开了一种无线局部放电在线监测设备，包括：电源模块、采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块，电源模块分别与采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块连接，用于给采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块提供工作电压；
采集模块以及LoRa通信模块均与数据处理模块连接，采集模块用于采集局部放电监测数据，并将局部放电监测数据发送给数据处理模块；
数据处理模块用于接收局部放电监测数据，并根据局部放电监测数据制备局部放电相位谱图，并将局部放电相位谱图发送给LoRa通信模块；LoRa通信模块接收并将局部放电相位谱图发送至诊断后台进行诊断。
本发明中的无线局部放电在线监测设备，通过采集的局部放电监测数据，并根据局部放电监测数据制备局部放电相位谱图，并将局部放电相位谱图通过LoRa通信模块发送至诊断后台进行诊断，采用无线LoRa通讯模块进行数据收发，不需要现场布线，能快速实现在线监测设备的安装，减少数据收发的功耗，有效解决现有的在线监测设备安装部署时程序繁琐，功耗大的问题。
实施例二：
如图2-4所示，在本实施例中公开了一种低功耗无线局部放电在线监测设备，包括：电源模块、采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块，其中，采集模块包括暂态地电波传感器、超声波传感器以及温湿度传感器，其中，暂态地电波传感器通过ADC模块与数据处理模块连接，用于将其监测采集的暂态地电波信号通过ADC模块发送给数据处理模块；超声波传感器通过SAI模块与数据处理模块连接，用于将其监测采集的超声波信号通过SAI模块发送给数据处理模块；温湿度传感器通过I2C模块与数据处理模块连接，用于将其监测采集的湿温度信号通过I2C模块发送给数据处理模块；
具体的，数据处理模块通过MCU的ADC接口发送第一采集控制信号给暂态地电波传感器，暂态地电波传感器接收第一采集控制信号后开始采集预设的连续时间段的暂态地电波信号，并将暂态地电波信号发送给数据处理模块，再接着数据处理模块使用MCU的SAI接口发送第二采集控制信号给超声波传感器，超速波传感器接收第二采集控制信号后开始采集预设的连续时间段的超声波信号，并将超声波信号发送给数据处理模块，采集一段时间内连续的局部放电信号，为了保证采集到完整的局部放电相位谱图，要求每种传感器至少采集1S的连续数据；最后使用MCU的I2C接口控制温湿度传感器采集当前时间设备所处环境的温湿度数据。
数据处理模块接收从采集模块发送来的暂态地电波数据、超声波数据、温湿度数据，并控制局放数据处理模块对采集到的原始数据(包括暂态地电波数据、采集超声波数据)，进行数字到模拟的转换，得到局放序列X(i)，对X(i)进行最大值包络，将时域序列进行区域分割，并对每个区域计算幅值绝对最大值，得到包络后局放序列Y(i)，计算噪声阈值Thr，根据计算的阈值Thr，通过阈值Thr将背景噪声点A(i)与有效脉冲点B(i)进行区分，得到局部放电相位谱图，获取局部放电相位谱图。将处理完的数据存储在数据处理模块的RAM中，待数据交互系统进行调用发送。
其中，阈值Thr计算步骤如下：
1)将局放序列Y(i)的每个序列点看作一个顶点，通过每两个点之间幅值差计算每两个点之间的权重ωij，并根据局放序列Y(i)中任意两点之间的权重ωij构建矩阵W，其中，W(i,j)＝ωij，
Figure BDA0003239960570000041
其中，i、j分别为局放序列Y两个不同序列点的序号，W为邻接矩阵，r为邻域大小，这里选取序列Y平均值大小的0.3倍，δ为序列Y的均方差，yi为第i个序列点的幅值，yj为第j个序列点的幅值。
2)构建相似度矩阵D，其中
Figure BDA0003239960570000042
d(i)为相似度矩阵D第i个相似度。
3)计算拉普拉斯矩阵L＝D-W。
4)构建标准化拉普拉斯矩阵D-1/2LD-1/2,并计算该矩阵第二小特征值对应的特征向量y。
5)根据图论切割理论可知，取y的平均值为我们所需自适应阈值Thr可将时域中Y(i)点分为噪声点A(i)、B(i)。
在数据处理模块的局放数据处理模块对采集的原始数据进行过滤噪声、预处理、提取有效脉冲，获取阈值并简化数据保留完整的局部放电相位谱图后，数据处理模块的数据交互模块对完整数据组包分片、定时发送、分片数据发送ACK解析、ACK错误重传及超时重传、控制报文解析，数据交互模块再进行参数配置并将数据高效可靠的发送出去。
具体的，数据交互模块将存储在RAM中的数据，进行组包分片，开启定时器，按定时器周期顺序发送每一包分片数据，发送的同时接收并解析传输过来的ACK，记录ACK的状态，在将所有的分片数据发送完成之后，判断ACK的状态，确认数据的发送的完整性，若不完整，开始进行重传。重传分两种，一种是ACK错误重传，包含数据错位和数据丢失；另一种是定时器超时重传。对每个分片数据包的ACK状态和定时器进行判断，对于出现异常分片数据包进行多次重传保证数据已发送出去。
具体的，考虑到整个系统的低功耗及无线传输，在本实施例中，数据处理模块采用ARM Cortex-M4内核的低功耗MCU，采用负载开关，通过软件逻辑精准控制各模块(数据采集模块、存储模块、无线通讯模块)运行关断时间，无线通讯模块采用低功耗的LoRa模块，电池采用一次性锂-亚硫酰氯电池。设备上电后，置第一负载开关为高电平，第二、三负载开关低电平，使超声采集模块工作，数据采集完成后，置第一负载开关低电平，第三负载开关高电平启动无线通讯模块，将采集的超声数据发送出去；数据发送完成后置第三负载开关低电平，第二负载开关高电平，启动地电波数据采集模块，数据采集完成后置第二负载开关为低电平，置第三负载开关高电平，启动无线通信模块，将采集的低电波数据发送出去，发送完成后置第三负载开关低电平，继续将第一负载开关高电平进行数据采集，在整个过程存储模块均处于工作状态，保存传感器采集的数据。
综上所述，本发明提出了一种低功耗无线局部放电在线监测设备，能够对运行中的开关柜和环网柜内部的绝缘状态进行带电检测。利用无线智能传感器的低功耗接入(运行功耗小于360mW，睡眠功耗小于8μW)，实现传感器使用一次性锂亚电池就能工作长达6年以上，利用无线LoRa通信技术，进行自组网，将TEV传感器、AA传感器和温湿度传感器采集暂态地电波数据、超声波数据以及温湿度数据、并将采集暂态地电波数据、超声波数据、温湿度数据处理之后的相位谱图数据实时传出，帮助用户在设备发生绝缘故障前消除隐患，最终实现设备的智能检修。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无线局部放电在线监测设备，其特征在于，包括：电源模块、采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块，所述电源模块分别与所述采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块连接，用于给所述采集模块、数据处理模块以及LoRa通信模块提供工作电压；
所述采集模块以及LoRa通信模块均与所述数据处理模块连接，所述采集模块用于采集局部放电监测数据，并将所述局部放电监测数据发送给所述数据处理模块；
数据处理模块用于接收所述局部放电监测数据，并根据所述局部放电监测数据制备局部放电相位谱图，并将所述局部放电相位谱图发送给所述LoRa通信模块；所述LoRa通信模块接收并将所述局部放电相位谱图发送至诊断后台进行诊断。
2.根据权利要求1所述的无线局部放电在线监测设备，其特征在于，所述采集模块包括暂态地电波传感器、超声波传感器以及温湿度传感器，所述暂态地电波传感器通过ADC模块与所述数据处理模块连接，用于将其监测采集的暂态地电波信号通过所述ADC模块发送给所述数据处理模块；所述超声波传感器通过SAI模块与所述数据处理模块连接，用于将其监测采集的超声波信号通过所述SAI模块发送给所述数据处理模块；所述温湿度传感器通过I2C模块与所述数据处理模块连接，用于将其监测采集的湿温度信号通过所述I2C模块发送给所述数据处理模块。
3.根据权利要求2所述的无线局部放电在线监测设备，其特征在于，所述电源模块通过第一负载开关与所述超声波传感器连接，所述电源组件通过第二负载开关与所述暂态地电波传感器连接，所述电源模块通过第三负载开关与所述LoRa通信模块连接。
4.根据权利要求2所述的无线局部放电在线监测设备，其特征在于，所述局放数据处理模块用于将接收的来自所述采集模块的所述超声波信号和所述暂态地电波均进行以下处理：
对所述超声波信号/暂态地电波信号进行数模转换，得到局放序列X(i)，对X(i)进行最大值包络，将时域序列进行区域分割，并对每个区域计算幅值绝对最大值，得到包络后局放序列Y(i)，再计算噪声阈值Thr，根据计算的噪声阈值Thr对所述超声波信号/暂态地电波信号中的有效脉冲进行提取，得到所述超声波信号/暂态地电波信号的局部放电相位谱图。
5.根据权利要求4所述的无线局部放电在线监测设备，其特征在于，所述局放数据处理模块通过将局放序列Y的每个序列点看作一个顶点，通过每两个点之间幅值差计算每两个点之间的权重ωij，并根据所述局放序列Y中任意两点之间的权重ωij构建矩阵W，其中，
Figure FDA0003239960560000011
其中，i、j分别为局放序列Y两个不同序列点的序号，W为邻接矩阵，r为邻域大小，这里选取序列Y平均值大小的0.3倍，δ为序列Y的均方差，yi为第i个序列点的幅值，yj为第j个序列点的幅值；构建相似度矩阵D，其中
Figure FDA0003239960560000021
d(i)为相似度矩阵D第i个相似度；并计算拉普拉斯矩阵L＝D-W；构建标准化拉普拉斯矩阵D-1/2LD-1/2,并计算该矩阵第二小特征值对应的特征向量y；取y的平均值作为所述噪声阈值Thr。
6.根据权利要求5所述的无线局部放电在线监测设备，其特征在于，所述数据处理模块还包括数据交互模块，所述数据交互模块用于将数据处理模块要发送出去的数据进行组包分片，并开启内置定时器，按定时器周期顺序，并通过所述LoRa通信模块向诊断后台发送每一包分片数据，同时通过LoRa通信模块接收并解析从诊断后台传输过来的ACK，记录ACK的状态，在将所有的分片数据发送完成之后，判断ACK的状态，确认数据的发送的完整性，若不完整，开始进行重传。
7.根据权利要求6所述的无线局部放电在线监测设备，其特征在于，所述电源模块为一次性锂-亚硫酰氯电池，所述数据处理模块为ARMCortex-M4内核的低功耗MCU。
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