CN113810789B - 一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点。本发明包括信号接口三端子组件、分压电阻、电压采样电阻、电流采样电阻、放大器、单刀双掷开关、可编程增益放大器、模数转换器和FPGA电路，通过信号接口三端子组件所包含的A、B、C三个端子，分别接入电压输出型及电流输出型传感器/变送器，并实现对其的自适应采集和高分辨力测量，通过信号分析处理和边缘计算实现对目标参数的智能感知。本发明的节点可分布式地就近布置于传感器/变送器附近且多个节点串联起来即可自动构建电力设备工况多参数分布式智能感知系统，部署方便灵活且线缆少，不需要主机柜，可有效提升系统感知能力和稳定性，并降低成本和维护难度。

Description

一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点
技术领域
本发明涉及电力设备运行状态的多参数智能感知技术领域，具体地说是一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点。
背景技术
电力设备工况参数感知是保障电力系统安全运行的关键。常见的感知对象包括但不限于变压器振动、局部放电、铁芯及夹件接地电流、环境温湿度、GIS压力及SF6浓度等。感知这些参数涉及的传感器/变送器种类繁多，输出信号的具体形式和幅度存在显著区别，传统的感知方案需要设计多种专用监测节点，设计和维护复杂。此外，现场布置所需线缆较多，需要设立主机柜，分析任务由主机完成。这些对节点设计、系统布设及设备维护带来较大挑战。目前明显缺乏一种能够直接接入上述所有传感器/变送器并实现智能化测量与边缘计算，同时能够便捷布置和组网的分布式智能感知节点。
通过对各种电力设备状态监测传感器/变送器的接口进行研究，可将其分为电压输出型和电流输出型两大类。电压输出型传感器/变送器的输出是与待测物理量变化成线性的直流电压信号，一般有电源正极、电源负极、电压输出极三条引线，输出电压一般为0-5V或0-10V，例如CYYZ11型压力变送器；电流输出型传感器/变送器的输出是与待测物理量变化成线性的直流电流信号，一般有二线制和三线制两种形式，常见的输出电流范围为4-20mA，例如KHZD-B型一体化振动变送器。
传统的监测方法一般是布置多个数据采集模块，通过点对点的通讯方式与主机相连，线缆较多，铺设过程繁琐且成本高，主机机柜占用空间较大。此外，数据采集模块本身并无分析能力，所有分析任务由主机完成，是一种中心化计算方法，若主机出现故障则可能导致整个系统崩溃，而且难以在不同变电站监测场景中复制和推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种电力设备工况多参数分布式智能感知网络，其节点可直接接入各类电压输出型及二/三线制电流输出型传感器/变送器并实现对其的自适应采集和高分辨力测量，通过信号分析处理和边缘计算实现对目标参数的智能感知；节点可分布式地就近布置于传感器/变送器附近且多个节点串联起来即可自动构建电力设备工况多参数分布式智能感知系统，并实现节点间的测控信息自动交互与共享，部署方便灵活且线缆少，不需要主机柜，可有效提升变电站工况参数的感知能力和稳定性，并降低整个系统的成本和维护难度。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其包括信号接口三端子组件、分压电阻、电压采样电阻、电流采样电阻、放大器、单刀双掷开关、可编程增益放大器、模数转换器、FPGA电路、高速存储单元、高速信号处理单元和测控网络器件；
通过信号接口三端子组件所包含的A、B、C三个端子，分别接入各类电压输出型及二/三线电流输出型传感器/变送器，并实现对其的自适应采集和高分辨力测量，通过信号分析处理和边缘计算实现对目标参数的智能感知；
当接入电压输出型传感器/变送器时，传感器/变送器电压输出信号线V+引线被接入所述信号接口三端子组件中的A端子，V-引线被接入所述三端子组件中的C端子，由此传感器/变送器的输出电压与分压电阻、电压采样电阻和地形成测量电路主回路，电压采样电阻上的电压通过单刀双掷开关连接至可编程增益放大器的输入端，其电压经过放大后输入至模数转换器以完成数字化转换，对于不同幅度的输入电压信号，可编程增益放大器自动调整增益倍数，以实现更高分辨力的测量；
当接入电流输出型传感器/变送器时，传感器/变送器的电流输出线I+引线被接入所述三端子组件中的B端子，电流流回线I-引线接入所述三端子组件中的C端子，由此传感器/变送器的输出电流与电流采样电阻形成测量电路主回路，电流采样电阻上的电压通过放大器实现固定增益的放大和阻抗变换，然后通过单刀双掷开关连接至可编程增益放大器的输入端，再次经过放大后输入至模数转换器以完成数字化转换，对于不同幅度的输入电流信号，可编程增益放大器自动调整增益倍数，以实现更高分辨力的测量；
所述FPGA电路与高速存储单元和高速信号处理单元均采用双向通信连接，一方面将模数转换器转换给出的数字量高速转移至高速存储单元中缓存起来，另一方面受高速信号处理单元控制，从高速存储单元中读取存储内容并回传；
所述的测控网络器件与高速信号处理单元进行双向信息交互，使多个所述节点自动构建成一个分布式智能感知网络，并实现节点间的测控信息自动交互与共享。
本发明只需一种节点可直接接入各类电压输出型及二/三线制电流输出型传感器/变送器并实现对其的自适应采集和高分辨力测量，通过信号分析处理和边缘计算实现对目标参数的智能感知，是一种去中心化的感知节点。节点可分布式地就近布置于传感器/变送器附近且多个节点串联起来即可自动构建电力设备工况多参数分布式智能感知系统并实现节点间的测控信息自动交互与共享，部署方便灵活且线缆少，不需要主机柜。
进一步地，所述高速信号处理单元与所述单刀双掷开关和可编程增益放大器均有逻辑连接，根据接入传感器/变送器的实际型号，调整测量电路参数，以实现对其的自适应采集和高分辨力测量。
进一步地，所述高速信号处理单元将模数转换器转换给出的数字量进行信号分析处理和边缘计算，实现对目标参数的智能感知，最终通过测控网络器件将该信息接入到分布式智能感知网络，与其他节点实现信息共享。
进一步地，所述测控网络器件与高速信号处理单元进行双向信息交互，一方面获取高速信号处理单元给出的目标参数信息，并将其发布至分布式智能感知网络以供其它节点共享；另一方面，从分布式智能感知网络获得其他节点提供的共享信息，并将这些共享信息传递给高速信号处理单元进行信息融合与边缘计算，从而实现更为复杂的监测任务。
进一步地，所述测控网络器件直接连接至信息网络接口双端端子组件，从而让多个所述节点构建成一个分布式智能感知网络，并实现节点间测控信息的自动交互与共享。
进一步地，所述信息网络接口双端端子组件包含M和N两个完全相同的接口端子，一方面能够使多个所述节点首尾相连形成一个分布式智能感知网络，另一方面将所述测控网络器件直接接入网络并为所述节点提供总线供电。
进一步地，所述节点由总线供电电源供电。
进一步地，所述放大器具备一个高阻抗输入端和一个低阻抗输出端，用于将电流采样电阻上的转换电压放大一个固定的增益倍数并实现阻抗变换。
进一步地，所述单刀双掷开关单路端与所述可编程增益放大器输入端连接，用于选通接入电压采样电阻上的采样电压以及放大器的输出电压。
进一步地，所述可编程增益放大器具备一个高输入阻抗输入端，且其输出端为低阻抗输出，不同电压或电流传感器/变送器输出的信号幅度不同，可编程增益放大器通过高阻抗输入端采集单刀双掷开关选通的待测电压信号，并根据信号幅度放大合适的倍数，以提高测量的分辨力。
本发明具有的有益效果如下：
本发明只需一种节点即可直接接入各类电压输出型及二/三线制电流输出型传感器/变送器，并实现对其的自适应采集和高分辨力测量，通过信号分析处理和边缘计算实现对目标参数的智能感知。节点可分布式地就近布置于传感器/变送器附近且多个节点串联起来即可自动构建电力设备工况多参数分布式智能感知系统并实现节点间的测控信息自动交互与共享，部署方便灵活且线缆少，不需要主机柜，可有效提升变电站工况参数的感知能力和稳定性并降低整个系统的成本和维护难度，非常适合在各类变电站中推广。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1为本发明提出的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点原理框图；
图2为本发明中电压输出型传感器/变送器连接与测量方法示意图；
图3为本发明中二线制电流输出型传感器/变送器连接与测量方法示意图；
图4为本发明中三线制电流输出型传感器/变送器连接与测量方法示意图；
图5为本发明提出的智能感知节点组网与信息交互方法示意图；
图6为本发明提出的智能感知节点组网时的布置与连接方法示意图。
具体实施方式
下面将给出实施例，以便于对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
本发明提出的电力设备工况多参数分布式智能感知节点原理框图如图1所示，所述节点包括信号接口三端子组件1、分压电阻2、电压采样电阻3、电流采样电阻4、放大器5、单刀双掷开关6、可编程增益放大器7(以下简称PGA)、模数转换器8(以下简称ADC)、FPGA电路9、高速存储单元10、高速信号处理单元11、测控网络器件12、总线供电电源13和信息网络接口双端端子组件14。所述的节点通过信号接口三端子组件1所包含的A、B、C三个端子，分别接入各类电压输出型及二/三线电流输出型传感器/变送器，并实现对其的自适应采集和高分辨力测量，通过信号分析处理和边缘计算实现对目标参数的智能感知。所述的测控网络器件12与高速信号处理单元11进行双向信息交互，使多个所述节点自动构建成一个分布式智能感知网络，并实现节点间的测控信息自动交互与共享。所述节点组成部件的描述表示的是其功能，这些模块功能可以由商业芯片实现，也可以由技术人员使用基础元器件自行搭建。随着集成电路的发展，一些芯片具备一种以上的功能，本发明中所述的多种功能部件可能会部分集成于一个芯片中，此类实施方案也是可行的，这些实施方案也受到本发明的保护。
图2给出了节点接入和测量电压输出型传感器/变送器的方法。当接入电压输出型传感器/变送器时，传感器/变送器电压输出信号线V+引线被接入所述三端子组件1中的A端子，V-引线被连接至所述三端子组件1中的C端子以及外部供电电源的负极，由此传感器/变送器的输出电压与分压电阻2、电压采样电阻3和地形成了测量电路主回路；电压采样电阻3上的电压通过单刀双掷开关6连接至PGA 7的输入端，其电压经过放大后输入至ADC8以完成数字化转换，对于不同幅度的输入电压信号，PGA 7可以自动调整增益倍数以实现更高分辨力的测量；分压电阻2和电压采样电阻3的阻值分别为R2、R3，PGA 7的增益为A，ADC 8的量化位数为N且参考电压为Vref，若ADC 8测量转换输出值为Dout，则待测电压输出型传感器/变送器的输出电压Vx的测量方程为：
高速信号处理单元11按照上述测量方程可计算出待测电压输出型传感器/变送器的输出电压Vx，并进一步将其转化为该传感器监测的物理量信息。
图3和图4分别给出了节点接入和测量二、三线制电流输出型传感器/变送器的方法。在接入方法上，当接入二线制电流输出型传感器/变送器时，如图3所示，传感器/变送器的电流输出线I+引线被连接至所述三端子组件1中的B端子，传感器/变送器的外部供电电源负极被连接至三端子组件1中的C端子；当接入三线制电流输出型传感器/变送器时，如图4所示，传感器/变送器的电流输出线I+引线被连接至所述三端子组件1中的B端子，电流流回线I-引线被连接至所述三端子组件1中的C端子和外部供电电源的负极。由此传感器/变送器的输出电流Ix与电流采样电阻4形成了测量电路主回路，电流采样电阻4上的电压通过放大器5实现固定增益的放大和阻抗变换，然后通过单刀双掷开关6连接至PGA7的输入端，再次经过放大后输入至ADC 8以完成数字化转换，对于不同幅度的输入电流信号，PGA 7可以自动调整增益倍数以实现更高分辨力的测量；电流采样电阻4的阻值为R1，放大器5的增益倍数为A’，PGA 7的增益为A，ADC 8的量化位数为N且参考电压为Vref，若ADC 8测量转换输出值为Dout，则待测三线制电流出型传感器/变送器的输出电流Ix的测量方程为：
高速信号处理单元11按照上述测量方程可计算出待测电流输出型传感器/变送器的输出电流Ix，并进一步将其转化为该传感器监测的物理量信息。
图5给出了所述智能感知节点组网与信息交互方法示意图。为描述简便起见，将图1所示节点电路简化为图5中的节点，图5中所示的“节点前置电路”包含图1中部件2-部件10以及部件13。高速信号处理单元11控制并配置“节点前置电路”，可根据接入传感器/变送器的实际型号，调整测量电路参数以实现对其的自适应采集和高分辨力测量，此外，可将模数转换器8转换给出的数字量进行信号分析处理和边缘计算实现对目标参数的智能感知，最终通过测控网络器件12将该信息接入到分布式智能感知网络，与其他节点实现信息共享。所述测控网络器件12可与高速信号处理单元11进行双向信息交互，一方面可获取高速信号处理单元11给出的目标参数信息，并将其发布至分布式智能感知网络以供其它节点共享，另一方面，也可从分布式智能感知网络获得其他节点提供的共享信息，并将这些信息传递给高速信号处理单元11进行信息融合与边缘计算，从而实现更为复杂的监测任务。此外，所述测控网络器件12可直接连接至信息网络接口双端端子组件14，从而让多个所述节点构建成一个分布式智能感知网络并实现节点间测控信息的自动交互与共享。所述信息网络接口双端端子组件14包含M和N两个完全相同的接口端子，一方面能够使多个所述节点首尾相连形成一个分布式智能感知网络，另一方面可将所述测控网络器件12直接接入网络并为所述节点提供总线供电。
图6给出了利用所述节点构建电力设备工况多参数分布式智能感知网络的节点布置与连接方法。首先按需安装监测所需的各类传感器或变送器20，监测参数包括但不限于变压器振动、局部放电、铁芯及夹件接地电流、环境温湿度、GIS压力及SF6浓度等，再将所述节点就近布置于所有已安装和新安装传感器或者变送器附近，最后用供电与测控网络线缆15将所有所述节点的信息网络接口双端端子组件14首尾相连，连接时保证所有节点被串入即可，节点串入无顺序要求。
举例说明实施例接入的不同类型的传感器/变送器。电压输出型传感器以CYYZ11压力变送器为例，量程为0-0.7MPa(表压)传感器输出的是与待测物理量变化成线性的直流电压信号，输出电压范围有0-5V和0-10V两种规格；电流型传感器以KHZD-B系列4-20mA一体化振动变送器为例，量程下限输出4mA，满量程时输出20mA。
所述信号接口三端子组件1可以采用3.81毫米间距的法兰式四端口母座直接焊接在节点的PCB上，传感器引线连接配套插头，然后插入法兰母座并用螺丝紧固即可，如LC1M-3.81型四端口法兰母座。也可以采用直接引线引出航空插头的形式，传感器引线也采用航空插头与之对接。
所述分压电阻2、电压采样电阻3、电流采样电阻4可选用低温漂金属薄膜电阻，温漂小，不容易受到自热干扰，其阻值根据输入信号幅度来确定。
所述放大器5是一种固定增益放大器，同时具备高输入阻抗和低输出阻抗，可采用运算放大器自行搭建放大电路，可以选用商业芯片，例如ADI公司的AD8418电流检测放大器等。
所述单刀双掷开关6为一个电子切换开关，例如可选用ADI公司的ADG779单刀双掷电子开关，漏电流典型值仅10pA，导通电阻典型值为2.5欧姆，由于开关输出所接PGA 7的输入阻抗较高，故开关导通电阻不影响测量精度。
所述可编程增益放大器7具备多种增益档位，可适应不同传感器/变送器的不同幅度信号的放大需求，例如可选用ADI公司的LTC690-3，其具备0、1、2、3、4、5、6、7共八个增益档位，且输入输出范围均为轨到轨。
所述模数转换器8选用时需考虑待测对象的采样频率范围，对于变电站中压力、温度、湿度、铁芯及夹件接地电流等低频测量场景，可优选Sigma-Delta型ADC，其采集精度和分辨力较高，通常能达到24位，且具备数字滤波功能，对于工频干扰有很好的抑制作用，例如ADI公司的AD7763等；对于变压器振动、局部放电等高频采样场景，可以采用高频采样ADC，例如ADI公司的AD9226型高速采集ADC，采样频率可达65M。
所述FPGA电路9可选用XILINX公司的SPARTAN6系列中的XC6SLX45型FPGA，搭配W25Q64FV型的Flash芯片作为FPGA的程序存储。
所述高速存储单元10可选用镁光公司的MT41K128M16JT型号的DDR3芯片，用于缓存ADC高速采集的输出量。
所述高速信号处理单元11的主要作用为电路控制、信号处理以及组件通信，可采用单片机或DSP实现，例如意法半导体公司的STM32F407VGT6型单片机或德州仪器公司的TMS320C6000型DSP等。
所述测控网络器件12采用可实现多节点快速组网的分布式网络控制器件，例如由清华大学研制北京清晟智控科技有限公司生产的IPT12511型信息管道入网器件，它基于CAN总线可实现多节点的分布式快速组网和系统集成。
所述总线供电电源13将双端端子引入的总线供电电压转换成相对稳定的低压直流电压，从而为整个节点电路提供电源，为实现高效率转换，一般采用DC-DC电源模块或芯片。
信息网络接口双端端子组件14可根据物理链路的不同采用对应形式的端口母座，例如两个LC1M-3.81型法兰母座、RJ-11端子或者DJ-45端子等，供电与测控通信线缆可采用多芯线缆。
所述测控网络器件12、信息网络接口双端端子组件14以及供电与测控通信线缆需要根据实际使用场景进行选择并搭配使用。当测控网络器件12采用IPT12511型信息管道入网器件时，信息网络接口双端端子组件14可采用两个RJ-11端子母座，供电与测控通信线缆可采用四芯线缆，其中两条可作为IPT12511的通信线，另外两条分别为电源正和电源负从而实现9-36V的总线供电，四芯线缆通过RJ11水晶头插在信息网络接口双端端子组件14上。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述的节点包括信号接口三端子组件(1)、分压电阻(2)、电压采样电阻(3)、电流采样电阻(4)、放大器(5)、单刀双掷开关(6)、可编程增益放大器(7)、模数转换器(8)、FPGA电路(9)、高速存储单元(10)、高速信号处理单元(11)和测控网络器件(12)；
通过信号接口三端子组件(1)所包含的A、B、C三个端子，分别接入各类电压输出型及二/三线电流输出型传感器/变送器，并实现对其的自适应采集和高分辨力测量，通过信号分析处理和边缘计算实现对目标参数的智能感知；
当接入电压输出型传感器/变送器时，传感器/变送器电压输出信号线V+引线被接入所述信号接口三端子组件(1)中的A端子，V-引线被接入所述三端子组件(1)中的C端子，由此传感器/变送器的输出电压与分压电阻(2)、电压采样电阻(3)和地形成测量电路主回路，电压采样电阻(3)上的电压通过单刀双掷开关(6)连接至可编程增益放大器(7)的输入端，其电压经过放大后输入至模数转换器(8)以完成数字化转换，对于不同幅度的输入电压信号，可编程增益放大器自动调整增益倍数，以实现更高分辨力的测量；
当接入电流输出型传感器/变送器时，传感器/变送器的电流输出线I+引线被接入所述三端子组件(1)中的B端子，电流流回线I-引线接入所述三端子组件(1)中的C端子，由此传感器/变送器的输出电流与电流采样电阻(4)形成测量电路主回路，电流采样电阻(4)上的电压通过放大器(5)实现固定增益的放大和阻抗变换，然后通过单刀双掷开关(6)连接至可编程增益放大器(7)的输入端，再次经过放大后输入至模数转换器(8)以完成数字化转换，对于不同幅度的输入电流信号，可编程增益放大器自动调整增益倍数，以实现更高分辨力的测量；
所述FPGA电路(9)与高速存储单元(10)和高速信号处理单元(11)均采用双向通信连接，一方面将模数转换器(8)转换给出的数字量高速转移至高速存储单元(10)中缓存，另一方面受高速信号处理单元(11)控制，从高速存储单元(10)中读取存储内容并回传；
所述的测控网络器件(12)与高速信号处理单元(11)进行双向信息交互，使多个所述节点自动构建成一个分布式智能感知网络，并实现节点间的测控信息自动交互与共享。
2.根据权利要求1所述的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述高速信号处理单元(11)与所述单刀双掷开关(6)和可编程增益放大器(7)均有逻辑连接，根据接入传感器/变送器的实际型号，调整测量电路参数，以实现对其的自适应采集和高分辨力测量。
3.根据权利要求1所述的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述高速信号处理单元(11)将模数转换器(8)转换给出的数字量进行信号分析处理和边缘计算，实现对目标参数的智能感知，最终通过测控网络器件(12)将该信息接入到分布式智能感知网络，与其他节点实现信息共享。
4.根据权利要求1所述的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述测控网络器件(12)与高速信号处理单元(11)进行双向信息交互，一方面获取高速信号处理单元(11)给出的目标参数信息，并将其发布至分布式智能感知网络以供其它节点共享；另一方面，从分布式智能感知网络获得其他节点提供的共享信息，并将这些共享信息传递给高速信号处理单元(11)进行信息融合与边缘计算，从而实现更为复杂的监测任务。
5.根据权利要求1所述的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述测控网络器件(12)直接连接至信息网络接口双端端子组件(14)，从而让多个所述节点构建成一个分布式智能感知网络，并实现节点间测控信息的自动交互与共享。
6.根据权利要求5所述的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述信息网络接口双端端子组件(14)包含M和N两个完全相同的接口端子，一方面能够使多个所述节点首尾相连形成一个分布式智能感知网络，另一方面将所述测控网络器件(12)直接接入网络并为所述节点提供总线供电。
7.根据权利要求6所述的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述节点由总线供电电源(13)供电。
8.根据权利要求1所述的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述放大器(5)具备一个高阻抗输入端和一个低阻抗输出端，用于将电流采样电阻(4)上的转换电压放大一个固定的增益倍数并实现阻抗变换。
9.根据权利要求1所述的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述单刀双掷开关(6)单路端与所述可编程增益放大器(7)输入端连接，用于选通接入电压采样电阻(3)上的采样电压以及放大器(5)的输出电压。
10.根据权利要求1所述的一种电力设备工况多参数分布式智能感知节点，其特征在于，所述可编程增益放大器(7)具备一个高输入阻抗输入端，且其输出端为低阻抗输出，不同电压或电流传感器/变送器输出的信号幅度不同，可编程增益放大器(7)通过高阻抗输入端采集单刀双掷开关(6)选通的待测电压信号，并根据信号幅度放大合适的倍数，以提高测量的分辨力。
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