CN115718175B - 一种配电柜自供能臭氧监测传感器及信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电柜自供能臭氧监测传感器及信号处理方法，属于臭氧监测传感器技术领域，包括电磁场供电模块、臭氧监测传感模块、臭氧监测信号处理模块、无线监测数据传输模块和臭氧监测控制预警模块；本发明利用电磁场供电模块实现自供电臭氧监测，并利用臭氧监测信号处理方法处理配电柜臭氧监测信号，提升臭氧监测数据精度，通过臭氧预警模型对配电柜内放电导致臭氧泄露进行准确预警，实现配电柜绝缘状态实时监测，本发明解决了现有臭氧监测传感器难以自供能和监测数据精度不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及臭氧监测传感器相关技术领域，尤其涉及一种配电柜自供能臭氧监测传感器及信号处理方法。
背景技术
现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应地，对配电柜的可靠性也提出了更高的要求。配电柜故障主要有拒动和误动故障：开闭故障、绝缘故障、载流故障、外力故障等。
设备内部绝缘有缺陷或变质，导电连接部件接触不良会影响配电柜的安全可靠运行；在故障潜伏期间，会发生放电现象；配电柜内通常采用空气作为绝缘介质，当开关柜内出现放电现象时，空气中两个氧原子的氧气会转化为三个氧原子的臭氧气体；因此，通过监测或监测开柜内臭氧气体含量或浓度的变化，可以间接监测开关是否有放电现象，从而评估配电柜内的绝缘状态。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种配电柜自供能臭氧监测传感器及信号处理方法，解决了现有臭氧监测传感器难以自供能和监测数据精度不足的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，包括：监测模块，包括电磁场供电模块和臭氧监测传感模块，所述电磁场供电模块为臭氧监测传感模块供电；传输模块，包括臭氧监测信号处理模块和无线监测数据传输模块，所述臭氧监测信号处理模块处理臭氧监测传感模块的监测信号，得到臭氧无线传输信号，通过无线监测数据传输模块，将臭氧无线传输信号传输至臭氧监测控制预警模块；臭氧监测控制预警模块，所述臭氧监测控制预警模块向臭氧监测传感模块传输预设监测频率信号，根据臭氧无线传输信号预警配电柜臭氧浓度超标。
作为本发明所述的配电柜自供能臭氧监测传感器的一种优选方案，其中：所述电磁场供电模块包括天线E1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电感L1、电感L2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、整流器H1和电池BT1；
所述天线E1的分别与电容C1的一端、电感L1的一端、电感L2的一端和整流器H1的第1端连接；所述电容C1的另一端分别与电感L1的另一端、电感L2的另一端和整流器H1的第3端连接，并接地；所述整流器H1的第2端与电容C2的一端连接；所述电容C2的另一端分别与二极管D1的负极、二极管D2的正极和电容C3的一端连接；所述电容C3的另一端分别与二极管D3的负极、二极管D4的正极和电容C4的一端连接；所述二极管D2的另一端分别与二极管D3的正极、电容C5的一端和电容C6的一端连接；所述电容C4的另一端分别与二极管D5的负极、电容C7的一端和电池BT1的正极连接；所述电容C6的另一端分别与二极管D4的负极和二极管D5的正极连接；整流器H1的第4端分别与二极管D1的正极、电容C5的另一端、电容C7的另一端和电池BT1的负极连接。
作为本发明所述的配电柜自供能臭氧监测传感器的一种优选方案，其中：所述臭氧监测传感模块包括若干个臭氧监测传感子模块；所述各臭氧监测传感子模块均包括衬底、设于衬底上的氧化物半导体薄膜、设于氧化物半导体薄膜表面的半导体表面纳米颗粒、以及分别设于氧化物半导体薄膜两端的第一金属电极和第二金属电极。
作为本发明所述的配电柜自供能臭氧监测传感器的一种优选方案，其中：所述氧化物半导体薄膜和半导体表面纳米颗粒均采用磁控溅射法制备；针对氧化物半导体薄膜采用的磁控溅射功率为6W-W，溅射时间为8-26分钟；针对半导体表面纳米颗粒采用的磁控溅射功率60W-W，溅射时间为30-秒。
作为本发明所述的配电柜自供能臭氧监测传感器的一种优选方案，其中：所述氧化物半导体薄膜及其两端第一金属电极和第二金属电极的采用微纳加工处理，得到金属-半导体-金属的平面结构。
本发明还提供了一种配电柜自供能臭氧监测方法，包括：获取配电柜臭氧监测信号；利用AD转换器将配电柜臭氧监测信号转换为数字臭氧监测信号；剔除数字臭氧监测信号中的数据异常点，得到第一臭氧监测信号；对第一臭氧监测信号进行偏置处理，得到第二臭氧监测信号；对第二臭氧监测信号进行滑动去噪处理，得到第三臭氧监测信号和时间衰减权重；基于时间衰减常数计算得到传感臭氧浓度信号；基于传感臭氧浓度信号，得到臭氧无线传输信号。
作为本发明所述的配电柜自供能臭氧监测信号处理方法的一种优选方案，其中：第三臭氧监测信号的计算表达式如下：
其中，xt表示第二臭氧监测信号，n表示滑动窗口半径，i表示第i个臭氧监测值，st-i表示t-i时刻的臭氧监测值，st+i表示t+i时刻的臭氧监测值，st表示t时刻的臭氧监测值，σt-i表示t-i时刻的臭氧监测噪声，σt+i表示t+i时刻的臭氧监测噪声，σt表示t时刻的臭氧监测噪声。
作为本发明所述的配电柜自供能臭氧监测传感器的一种优选方案，其中：传感臭氧浓度信号的计算表达式如下：
其中，表示传感臭氧浓度信号，/>表时间衰减权重均值，wt-i表示t-i时刻的时间衰减权重，wt+i表示t+i时刻的时间衰减权重，wt表示t时刻的时间衰减权重。
作为本发明所述的配电柜自供能臭氧监测信号处理方法的一种优选方案，其中：根据臭氧无线传输信号预警配电柜臭氧浓度超标，还包括如下步骤：接收臭氧无线传输信号；构建臭氧预警模型；利用臭氧预警模型根据臭氧无线传输信号计算得到臭氧泄露指数；基于臭氧泄露指数预警臭氧超标。
作为本发明所述的配电柜自供能臭氧监测信号处理方法的一种优选方案，其中：臭氧预警模型的计算表达式如下：
其中，κIO3表示臭氧泄露指数，表示臭氧的质量浓度值，BIH表示臭氧无线传输信号中的高位值，BIpL表示臭氧无线传输信号中的低位值，κIH表示臭氧无线传输信号中的高位值对应的质量分指数，κIL表示臭氧无线传输信号中的低位值对应的质量分指数。
本发明的有益效果：本发明提供的一种配电柜自供能臭氧监测传感器，通过电磁场供电模块利用天线接收臭氧监测控制模块预警信号的同时实现为臭氧监测传感模块的供电电池进行供电，且利用臭氧监测信号处理模块对臭氧监测传感模块监测得到的配电柜臭氧监测信号。
另一方面，配电柜自供能臭氧监测信号处理方法通过数字转换、去除数据异常点、偏置和滑动去噪处理，得到传感臭氧浓度信号，并利用无线监测数据传输模块传输臭氧无线传输信号至臭氧监测控制预警模块，臭氧监测控制预警模块持续向臭氧监测传感模块传输预设监测频率信号，使臭氧监测传感模块持续按照固定频率监测配电柜内臭氧浓度，并利用臭氧预警模型根据臭氧无线传输信号进行臭氧泄露预警。
本发明实现方法简单，能持续自供能，持续按照预设频率监测配电柜内的臭氧浓度，并通过无线监测数据传输，实现臭氧浓度超标预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例所述的配电柜自供能臭氧监测传感器的结构框图；
图2为本发明实施例所述的电磁场供电模块的电路原理图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1和图2，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种配电柜自供能臭氧监测传感器，包括：如图1所示，在本发明的实施例中，本发明提供一种配电柜自供能臭氧监测传感器包括：电磁场供电模块101，用于为臭氧监测传感模块102供电；
如图2所示，电磁场供电模块101包括天线E1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电感L1、电感L2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、整流器H1和电池BT1；
天线E1的分别与电容C1的一端、电感L1的一端、电感L2的一端和整流器H1的第1端连接；电容C1的另一端分别与电感L1的另一端、电感L2的另一端和整流器H1的第3端连接，并接地；整流器H1的第2端与电容C2的一端连接；电容C2的另一端分别与二极管D1的负极、二极管D2的正极和电容C3的一端连接；电容C3的另一端分别与二极管D3的负极、二极管D4的正极和电容C4的一端连接；二极管D2的另一端分别与二极管D3的正极、电容C5的一端和电容C6的一端连接；电容C4的另一端分别与二极管D5的负极、电容C7的一端和电池BT1的正极连接；电容C6的另一端分别与二极管D4的负极和二极管D5的正极连接；整流器H1的第4端分别与二极管D1的正极、电容C5的另一端、电容C7的另一端和电池BT1的负极连接；
电磁场供电模块101能够根据天线接收到的电磁信号和二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和二极管D5实现无线传感五级放大持续供电，为臭氧监测传感模块长时间的自供电臭氧监测提供基础；
臭氧监测传感模块101，用于接收预设监测频率信号，根据预设监测频率监测配电柜内臭氧浓度，得到配电柜臭氧监测信号；
臭氧监测传感模块101包括若干个臭氧监测传感子模块103；各臭氧监测传感子模块103均包括衬底104、设于衬底104上的氧化物半导体薄膜105、设于氧化物半导体薄膜105表面的半导体表面纳米颗粒106、以及分别设于氧化物半导体薄膜105两端的第一金属电极107和第二金属电极108；
氧化物半导体薄膜105和半导体表面纳米颗粒106均采用磁控溅射法制备；针对氧化物半导体薄膜105采用的磁控溅射功率为6W-100W，溅射时间为8-26分钟；针对半导体表面纳米颗粒106采用的磁控溅射功率60W-100W，溅射时间为30-100秒；
氧化物半导体薄膜105及其两端第一金属电极107和第二金属电极108的采用微纳加工处理，得到金属-半导体-金属的平面结构。
臭氧监测信号处理模块201，用于利用臭氧监测信号处理方法处理配电柜臭氧监测信号，得到臭氧无线传输信号；臭氧监测信号处理模块201处理臭氧监测传感模块102的监测信号，得到臭氧无线传输信号，通过无线监测数据传输模块202，将臭氧无线传输信号传输至臭氧监测控制预警模块300；
臭氧监测控制预警模块300，臭氧监测控制预警模块300向臭氧监测传感模块102传输预设监测频率信号，根据臭氧无线传输信号202预警配电柜臭氧浓度超标。
最后，本发明提供的配电柜自供能臭氧监测传感器实现方法简单，能持续自供能，持续按照预设频率监测配电柜内的臭氧浓度，并通过无线监测数据传输，实现臭氧浓度超标预警。
实施例2
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择数据测试的方式，以科学论证的手段对比试验结果，来验证本方法所具有的真实效果。基于实施例1所述配电柜自供能臭氧监测传感器，本发明还提供了一种配电柜自供能臭氧监测信号处理方法，包括如下步骤：
S1、获取配电柜臭氧监测信号；
S2、利用AD转换器将配电柜臭氧监测信号转换为数字臭氧监测信号；
S3、剔除数字臭氧监测信号中的数据异常点，得到第一臭氧监测信号；
S4、对第一臭氧监测信号进行偏置处理，得到第二臭氧监测信号；
S5、对第二臭氧监测信号进行滤波处理，得到第三臭氧监测信号和时间衰减常数；
所述步骤S5中第三臭氧监测信号的计算表达式如下：
其中，xt表示第二臭氧监测信号，n表示滑动窗口半径，i表示第i个臭氧监测值，st-i表示t-i时刻的臭氧监测值，st+i表示t+i时刻的臭氧监测值，st表示t时刻的臭氧监测值，σt-i表示t-i时刻的臭氧监测噪声，σt+i表示t+i时刻的臭氧监测噪声，σt表示t时刻的臭氧监测噪声。
S6、基于时间衰减常数计算得到传感臭氧浓度信号；
所述步骤S6中的传感臭氧浓度信号的计算表达式如下：
其中，表示传感臭氧浓度信号，/>表时间衰减权重均值，wt-i表示t-i时刻的时间衰减权重，wt+i表示t+i时刻的时间衰减权重，wt表示t时刻的时间衰减权重；
S7、基于传感臭氧浓度信号，得到臭氧无线传输信号；
无线监测数据传输模块，用于将臭氧无线传输信号传输至臭氧监测控制预警模块；
臭氧监测控制预警模块，用于向臭氧监测传感模块传输预设监测频率信号，根据臭氧无线传输信号预警配电柜臭氧浓度超标。
根据臭氧无线传输信号预警配电柜臭氧浓度超标包括如下步骤：
A1、接收臭氧无线传输信号；
A2、构建臭氧预警模型；
所述臭氧预警模型的计算表达式如下：
其中，κIO3表示臭氧泄露指数，表示臭氧的质量浓度值，BIH表示臭氧无线传输信号中的高位值，BIpL表示臭氧无线传输信号中的低位值，κIH表示臭氧无线传输信号中的高位值对应的质量分指数，κIL表示臭氧无线传输信号中的低位值对应的质量分指数；
臭氧泄露指数对应臭氧单位小时平均泄露量作为臭氧无线传输信号中的众数时，大于对应臭氧单位小时平均泄露量且小于更高泄露指数对应臭氧单位小时平均泄露量区间二分之一的无线传输信号为高位值，同时小于对应臭氧单位小时平均泄露量且大于更低泄露指数对应臭氧单位小时平均泄露量区间二分之一的无线传输信号为低位值，例如，当泄露量众数于10附近时，高位值区间为(10,22.5)，低位值区间为(7.5,10)；
A3、利用臭氧预警模型根据臭氧无线传输信号计算得到臭氧泄露指数；
臭氧的质量浓度限值如表1所示：
表1
我国环境空气质量标准(GB3095-1996)中规定臭氧的浓度限值(1小时平均)一级标准为0.12mg/m3；二级标准为0.16mg/m3；三级标准为0.20mg/m3。臭氧的工业卫生标准大多数国家最高限值为0.1ppm(0.20mg/m3)。根据国家标准数据设定了表1，通过表1数据我们看出：
臭氧泄露指数当臭氧泄露指数处于0～50时，配电柜内基本无臭氧泄露危险；臭氧泄露指数当臭氧泄露指数处于51～100时，配电柜内基本臭氧泄露情况可接受，可能存在放电现象；臭氧泄露指数当臭氧泄露指数处于101～150时，确认配电柜放电，绝缘状态较弱，需进行轻度预警；臭氧泄露指数当臭氧泄露指数处于151以上时，配电柜放电现象较重，失去稳定绝缘状态，需紧急预警；
A4、基于臭氧泄露指数预警臭氧超标。
本发明通过电磁场供电模块利用天线接收臭氧监测控制模块预警信号的同时实现为臭氧监测传感模块的供电电池进行供电，且利用臭氧监测信号处理模块对臭氧监测传感模块监测得到的配电柜臭氧监测信号。
通过数字转换、去除数据异常点、偏置和滑动去噪处理，得到传感臭氧浓度信号，并利用无线监测数据传输模块传输臭氧无线传输信号至臭氧监测控制预警模块。臭氧监测控制预警模块持续向臭氧监测传感模块传输预设监测频率信号，使臭氧监测传感模块持续按照固定频率监测配电柜内臭氧浓度，并利用臭氧预警模型根据臭氧无线传输信号进行臭氧泄露预警。
本发明提供的方法简单，能持续自供能，持续按照预设频率监测配电柜内的臭氧浓度，并通过无线监测数据传输，实现臭氧浓度超标预警，对配电房绝缘状态准确监测预警。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种配电柜自供能臭氧监测传感器，其特征在于，包括：
监测模块(100)，包括电磁场供电模块(101)和臭氧监测传感模块(102)，电磁场供电模块(101)为臭氧监测传感模块(102)供电；
传输模块(200)，包括臭氧监测信号处理模块(201)和无线监测数据传输模块(202)，臭氧监测信号处理模块(201)处理臭氧监测传感模块(102)的监测信号，得到臭氧无线传输信号，通过无线监测数据传输模块(202)，将臭氧无线传输信号传输至臭氧监测控制预警模块(300)；
臭氧监测控制预警模块(300)，臭氧监测控制预警模块(300)向臭氧监测传感模块(102)传输预设监测频率信号，根据臭氧无线传输信号(202)预警配电柜臭氧浓度超标；
获取配电柜臭氧监测信号；
利用AD转换器将配电柜臭氧监测信号转换为数字臭氧监测信号；
剔除数字臭氧监测信号中的数据异常点，得到第一臭氧监测信号；
对第一臭氧监测信号进行偏置处理，得到第二臭氧监测信号；
对第二臭氧监测信号进行滑动去噪处理，得到第三臭氧监测信号和时间衰减权重；
基于时间衰减常数计算得到传感臭氧浓度信号；
基于传感臭氧浓度信号，得到臭氧无线传输信号；
包括：第三臭氧监测信号的计算表达式如下：
其中，xt表示第三臭氧监测信号，n表示滑动窗口半径，i表示第i个臭氧监测值，st-i表示t-i时刻的臭氧监测值，st+i表示t+i时刻的臭氧监测值，st表示t时刻的臭氧监测值，σt-i表示t-i时刻的臭氧监测噪声，σt+i表示t+i时刻的臭氧监测噪声，σt表示t时刻的臭氧监测噪声；
包括：传感臭氧浓度信号的计算表达式如下：
其中，表示传感臭氧浓度信号，/>表时间衰减权重均值，wt-i表示t-i时刻的时间衰减权重，wt+i表示t+i时刻的时间衰减权重，wt表示t时刻的时间衰减权重；
根据臭氧无线传输信号预警配电柜臭氧浓度超标，还包括如下步骤：
接收臭氧无线传输信号；
构建臭氧预警模型；
利用臭氧预警模型根据臭氧无线传输信号计算得到臭氧泄露指数；
基于臭氧泄露指数预警臭氧超标；
包括：臭氧预警模型的计算表达式如下：
其中，κIO3表示臭氧泄露指数，表示臭氧的质量浓度值，BIH表示臭氧无线传输信号中的高位值，BIpL表示臭氧无线传输信号中的低位值，κIH表示臭氧无线传输信号中的高位值对应的质量分指数，κIL表示臭氧无线传输信号中的低位值对应的质量分指数。
2.如权利要求1所述的配电柜自供能臭氧监测传感器，其特征在于，包括：所述电磁场供电模块(101)包括天线E1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电感L1、电感L2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、整流器H1和电池BT1；
所述天线E1的一端分别与电容C1的一端、电感L1的一端连接；
电感L2的一端和整流器H1的第1端连接；
所述电容C1的另一端与电感L1的另一端连接，并接地；
电感L2的另一端和整流器H1的第3端连接；
所述整流器H1的第2端与电容C2的一端连接；所述电容C2的另一端分别与二极管D1的负极、二极管D2的正极和电容C3的一端连接；所述电容C3的另一端分别与二极管D3的负极、二极管D4的正极和电容C4的一端连接；所述二极管D2的另一端分别与二极管D3的正极、电容C5的一端和电容C6的一端连接；
所述电容C4的另一端分别与二极管D5的负极、电容C7的一端和电池BT1的正极连接；
所述电容C6的另一端分别与二极管D4的负极和二极管D5的正极连接；整流器H1的第4端分别与二极管D1的正极、电容C5的另一端、电容C7的另一端和电池BT1的负极连接。
3.如权利要求2所述的配电柜自供能臭氧监测传感器，其特征在于，包括：所述臭氧监测传感模块(102)包括若干个臭氧监测传感子模块(103)；
所述各臭氧监测传感子模块(103)均包括衬底(104)、设于衬底(104)上的氧化物半导体薄膜(105)、设于氧化物半导体薄膜(105)表面的半导体表面纳米颗粒(106)、以及分别设于氧化物半导体薄膜(105)两端的第一金属电极(107)和第二金属电极(108)。
4.如权利要求3所述的配电柜自供能臭氧监测传感器，其特征在于，包括：所述氧化物半导体薄膜(105)和半导体表面纳米颗粒(106)均采用磁控溅射法制备；
针对氧化物半导体薄膜(105)采用的磁控溅射功率为6W-100W，溅射时间为8-26分钟；针对半导体表面纳米颗粒(106)采用的磁控溅射功率60W-100W，溅射时间为30-100秒。
5.如权利要求4所述的配电柜自供能臭氧监测传感器，其特征在于，包括：所述氧化物半导体薄膜(105)及其两端第一金属电极(107)和第二金属电极(108)采用微纳加工处理，得到金属-半导体-金属的平面结构。
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