CN117581107A - 多参数非侵入式电弧放电异常监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种监测装置，该监测装置被配置为监测包含电气设备的电气外壳内的状况。该监测装置包括被配置为耦接到该电气外壳的内部表面的支撑件。该支撑件被配置为保持并电耦接多个传感器、至少两个RE天线、与该多个传感器和该至少两个RF天线进行通信的至少一个处理器、以及被配置为接收电气输入和以太网输入的电源连接。该至少一个处理器被配置为接收并分析从该多个传感器和该至少两个RF天线获得的与该电气外壳内部的多个状况有关的数据。该至少一个处理器被配置为基于接收到的分析数据检测潜在的电气设备故障。
Description
背景技术
电气外壳用于容纳电气设备和电气连接，这些电气设备和电气连接在发电、电气传输和配电系统中起着至关重要的作用。此类外壳可分布在整个装置中，并且通常无人操纵。随时间推移，外壳内的电气连接可能会发生腐蚀，从而导致严重的电气故障。由于集中式网络并不总是被安装或可用，所以这些无人看护外壳中的一些外壳不会针对部件故障进行监测。这将导致计划外的电气故障，维修成本很高，并可能损坏沿电气链的其他部件。其他外壳能够使用一个或多个传感器系统远程监测一个或多个参数。然而，这些监测系统中的许多监测系统是侵入式系统，因为其需要直接连接到被监测的部件。这增加了安装成本，并且使得在不包括另外的传感器系统的情况下不可能检测另一个部件中的电气异常。
对电气外壳内的多种参数，诸如声音、光电发射和臭氧水平进行监测可提高在发生高昂的电气故障之前对其进行有效预测的能力。然而，监测多个参数需要购买和安装多种类型的传感器系统，这些传感器系统单独地安装在外壳内。然后，经由Modbus或以太网连接，在系统中的每个单独的传感器和监测控制和数据采集(SCADA)系统之间建立通信链路。不幸的是，购买和安装多个单独的传感器和对应的通信链路非常昂贵。因此，许多外壳仅针对单个参数进行监测或根本不被监测，这导致对故障电气设备的昂贵的维修或对运行的电气设备的不必要的维护。
这些仅仅是当前用于监测电气外壳中电弧放电异常的装置和方法存在的一些缺点。
发明内容
本公开涉及一种被配置为非侵入式监测电气外壳中的电弧放电异常的装置。在实施方案中，该装置是具有多个传感器的单板计算机，这些传感器被配置为检测局部放电、跟踪电弧频率和强度，以便预测故障，这可用于调度和跟踪维护，以便防止昂贵的计划外的电气故障。
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
以上简要概述的本发明的更具体的描述可参考实施方案进行，这些实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了本发明的典型实施方案，因此不应被视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其他同样有效的实施方案。因此，为了进一步理解本发明的实质和目的，可参考以下具体实施方式，该具体实施方式可结合附图阅读，在附图中：
图1是容纳各种电气部件和/或电气连接的电气外壳壳体的前视图照片；
图2示出了容纳图1的多个电气部件和/或电气连接的电气外壳壳体的实施方案以及本发明监测装置的实施方案的示意图；
图3A示出了本发明监测装置的实施方案的示意图；
图3B示出了本发明监测装置的实施方案的示意图；
图4示出了与本发明监测装置的RF天线相关联的电路的示意图；并且
图5示出了用于本发明监测装置的实施方案的臭氧传感器的示意性布局。
图6示出了在电气外壳内非侵入式监测多个参数的方法。
具体实施方式
以下描述涉及用于非侵入式监测变电站中的电弧放电异常的方法和装置的各种实施方案。
显而易见的是，这些实施方案仅仅是示例，并且可能存在实现本文所讨论的本发明方面的多种变型和修改。在整个本说明书中使用了若干术语来结合附图描述本发明的突出特征。除非特别指出，否则可能包括“第一”、“第二”、“内部”、“外部”等的这些术语并非旨在过度限制本发明的范围。如本文所用，术语“约”或“大约”可指所主张或所公开的值的80％-125％的范围。关于附图，它们的目的是描绘用于非侵入式监测电气外壳中的电弧放电异常的方法和装置的突出特征，而不是特定按比例提供。
图1是容纳各种电气部件和/或电气连接的电气外壳壳体的前视图照片；图2示出了容纳图1的多个电气部件和/或电气连接的电气外壳壳体的实施方案以及本发明监测装置的实施方案的示意图。
图1描绘了包含各种电气设备12和各种电气连接的外壳10的示例。本领域技术人员将认识到，外壳10的形状、尺寸和内容物将取决于其位置和预期用途。如图所示，电气部件中的一个或多个电气部件可安装在机架上，这些机架继而安装到外壳10的一部分。
参考图1和图2，外壳10通常可包括多个侧面14、顶部16和底部18。侧面14中的至少一个侧面包括入口门户15或门，其使能够接近外壳10的内部20，并且还使外壳的内部20能够与外壳10外部的环境状况隔绝。
参考图2，用于非侵入式监测电弧放电异常的系统通常包括与远程监测站200通信的监测装置100。监测装置100被配置为安装在入口门户15的内部或侧面14或内部表面上。
监测装置100被配置为连续获得与外壳10内的多个参数或状况有关的数据，并分析该数据以确定是否可能发生故障。从监测装置100提供的所收集和所分析的数据使能够预测未来故障，以便在设备故障之前调度维护来修理或替换电气设备12。监测装置100还可被配置为感测、跟踪和/或自动调度待在外壳10内的电气设备12上执行的维护。
监测装置100在本文中以举例的方式提供的优选实施方案进行了总体描述。本领域技术人员将认识到，监测装置100的一个或多个部件的配合、形式和/或功能可偏离优选实施方案，同时仍执行本文所描述的期望的监测功能。
监测系统可包括与一个或多个远程控制器或处理器通信的多个监测装置100。监测装置100的非侵入性使其能够易于安装。多个监测装置100可定位在单个外壳10中，以便逐机架地检测异常。一个或多个处理器可以是监测装置100的一部分和/或可以是遥控单元的一部分。监测装置100的支撑件(例如，图3A中所示的310)还可定位或固定在壳体(未示出)内。壳体(未示出)可至少部分地包围耦接到支撑件的部件，并且可限定一个或多个开口，以使电气部件中的一个或多个电气部件能够暴露于外壳10的周围环境，用于监测参数，诸如但不限于声音、光、臭氧、温度、湿度和电磁干扰的目的。
图3A和图3B示出了本发明监测装置的两个实施方案的示意图。参考图3A，在一个示例性实施方案中，监测装置100被实现为监测装置300。监测装置300包括多个传感器、至少两个RF天线(例如，RF天线314和RF天线316)、与多个传感器和至少两个RF天线通信的至少一个处理器(例如，微处理器311)、被配置为接收电气输入和以太网输入(例如，以以太网供电(Power over Ethernet)的形式或以以太网供电(Ethernet over Power)的形式，也被称为电源线)的电源连接319、以及被配置为耦接到电气外壳(例如，外壳10)的内部表面的支撑件310。监测装置300还可包括壳体，该壳体被配置为至少部分地围绕支撑件310并且限定一个或多个开口。也就是说，壳体(未示出)至少部分地包围支撑件310和耦接到支撑件310的任何部件。
支撑件310被配置为保持和电耦接多个传感器、至少两个RF天线、至少一个处理器和电源连接。支撑件310被配置为安装到电气外壳(例如，外壳10)内部的机架、轨或其他表面。在实施方案中，一个或多个安装开口340被限定在支撑件310上，并且被配置为使能够将支撑件310机械紧固到外壳10。在实施方案中，支撑件310是被配置为电耦接耦接到板310的部件的电气板或电路板。
一个或多个传感器可包括振动传感器318、噪声传感器和/或麦克风320、红外(IR)传感器322、光敏或光传感器324、气候传感器326(例如，被配置为测量温度、湿度和空气质量)、一个或多个运动传感器328和臭氧传感器330。一个或多个运动传感器328可被配置为检测外壳10内部的电气设备的运动以及与人接近外壳10相关联的运动。当检测到人接近时，监测系统可被配置为接收关于谁接近外壳10以及执行了什么动作的输入。例如，可结合一系列篡改/接近检测技术，包括运动检测、按钮致动、振动和重力等。动作，例如由传感器检测到的事件和与按钮的物理交互可被记录在板上并由处理器分析和/或卸载到远程位置。图5示出了臭氧传感器330的实施方案。
传感器318、320、322、324、326、330中的每一者(以及在不同实施方案中提供的任何其他传感器)可获得与外壳10内的各种参数有关的数据，并将所述数据提供给处理器311。图3B示出了各种传感器和处理器(其可由图3A的监测装置300使用)之间的连接的示例性具体实施。
处理器311可以将数据分别与振动、声音、IR、光、气候变量和臭氧的对应的预编程背景或阈值水平进行比较，以确定外壳10内的设备12是否存在潜在问题。
至少两个RF天线(例如，RF天线314和RF天线316)可用作电磁干扰传感器。第一射频(RF)天线314和第二RF天线316耦接到支撑件310，使得每个天线沿对应的天线轴延伸。两个RF天线被定位成使得第一天线轴AT1与第二天线轴AT2正交地相交，并且天线本身被布置成侧向“T”形。第一天线314可用作发射器，并且第二天线316可用作接收器(或反之亦然)，其中传输功率由制造商校准。在这种情况下，由第二天线316从第一天线314接收的信号可与第一天线314的设定传输功率进行比较(例如，在微处理器311处或由其他/另外的电路，诸如RF模拟电路315)，以便确定特定外壳10中的背景噪声水平。然后，可在各种极性和频率上监测该背景噪声水平，以便确定电气异常的存在，该电气异常将表现为偏离背景噪声水平的RF信号。还可提供与第一天线314和第二天线316的操作相关联的另外的电路(例如，RF模拟电路315)，并将其耦接到支撑件310。图4示出了RF天线的另外的电路的实施方案。
在一个具体实施中，电源连接319被配置为耦接到与支撑件310耦接的多个部件并向其提供电源和Wi-Fi连接。例如，Wi-Fi或其他无线网络覆盖可通过以太网供电(例如，PoE类型1、PoE类型2(PoE+)及其后续变体)扩展到监测装置，并且包括板载Wi-Fi(例如，达到并包括802.11be的所有变体)或网格、蜂窝或低功率广域技术(例如，长范围(LoRa)、光纤等)。
监测装置300可包括电源和连接性传感器312，其被配置为检测监测装置300的电源和/或连接的中断。
监测装置300还可包括以太网终端和隔离模块313以及电源转换器317。监测装置可被配置为用在440V-13.6kV的电气系统中，并且可包括另外的滤波器和硬件，以便使能够在此类高压系统中正常运行。
参考图3B，可用于实现监测装置100的监测装置350包括多个传感器(其中之一是电磁干扰传感器359，其可包括至少两个RF天线，诸如关于图3A所描述的)、至少一个处理器(例如，微处理器361)、被配置为接收电气输入和以太网输入(例如，以以太网供电的形式)的电源连接365、以及被配置为耦接到电气外壳(例如，外壳10)的内部表面的支撑件370。监测装置350还可包括壳体，该壳体被配置为至少部分地围绕支撑件370并且限定一个或多个开口。也就是说，壳体(未示出)至少部分地包围支撑件370和耦接到支撑件370的任何部件。
支撑件370被配置为安装到电气外壳(例如，外壳10)内部的机架、轨或其他表面。在实施方案中，支撑件370是被配置为电耦接耦接到板370的部件的电气板或电路板。
类似于图3A所示，在图3B所示的实施方案中，监测装置350的一个或多个传感器可包括振动传感器318、噪声传感器和/或麦克风320、红外(IR)传感器322、光敏或光传感器324、气候传感器326(例如，被配置为测量温度、湿度和空气质量)、运动传感器328(其可用作人类存在传感器)和臭氧传感器330。如图3B所示，处理器361和传感器之间的连接可取决于传感器的类型。例如，I2C标准总线配置可用于IR传感器322和光传感器324，I2S标准总线配置可用于噪声传感器320，处理器361的ADC输入可用于电磁干扰传感器359、臭氧传感器330和运动传感器328，以及处理器361的串行外围接口(SPI)输入可用于振动传感器318和气候传感器326。
如上文所提及的，监测装置300和监测装置350包括多个传感器，该多个传感器可用作监测部件，这些监测部件被配置为监测外壳10内的各种状况和/或与外壳10内容纳的电气设备12有关的状况。多个监测部件可包括一个或多个传感器，诸如但不限于光敏传感器、振动传感器、电磁干扰传感器、臭氧传感器、湿气或湿度传感器、温度传感器、红外传感器和噪声传感器。传感器电耦接和机械耦接到支撑件310。传感器中的每个传感器可电耦接到监测装置300、350的一个或多个其他传感器或部件。监测装置300、350的部件中的一个或多个部件可被配置用于与外部控制装置或处理器(未示出)进行无线通信，以使能够例如通过包括适当的通信接口(并且包括或耦接到天线)对外壳10进行远程监测。可包括另外的特征和部件，以促进监测装置300、350的多个部件(例如，监测部件和/或电源和连接性传感器312)中的一者或多者之间的通信。
图4示出了与本发明监测装置的RF天线相关联的电路的示意图。参考图4，芯片415的电路具有用于接收器的电压连接(VRX)、用于接收器的接地连接(VRXG)、发射器引脚VTXP和输出引脚VRTS。来自天线114的传入信号可在被处理之前被放大/提升(例如，经由软件控制的可变增益)。
图5示出了用于本发明监测装置的实施方案的臭氧传感器的示意性布局。如图5中示意性示出的，臭氧传感器330可流体耦接到湿气阱532，该湿气阱形成在支撑件310上，并且被配置为通常从臭氧传感器330中排出的将会降低传感器性能的冷凝物或湿气。湿气阱532通常包括至少部分地包围臭氧传感器530的主体531，以及从接近臭氧传感器530的第一端534延伸到阱部分536的管。在阱部分536处，管在延伸到排放部分538之前弯曲成“S”或“Z”形。阱部分536被配置为在管中捕集一定量的液体，以保护臭氧传感器周围的周围环境。换句话讲，阻止空气在移动经过臭氧传感器330之后逃逸到排放部分538中允许空气在臭氧传感器330周围停留更长的时间段，这增加了臭氧传感器330对增加的臭氧水平的灵敏度。增加的臭氧水平可能是诸如电弧等电气异常的结果，这可能预示着外壳10内的未来电气故障。排放部分538可延伸到外壳10的外部。
图6示出了在电气外壳内非侵入式监测多个参数的方法。参考图6，方法600包括从监测装置的多个传感器和至少两个RF天线(例如，如参考图3A和图3B所描述的)获得(602)与电气外壳内的多个参数有关的数据；分析(604)所获得的数据；基于所分析的数据预测(606)电气设备故障；并且基于所预测的设备故障调度(608)抢先维护。方法600可作为指令存储在(例如，微处理器或单独的硬件存储器装置的)存储器中，并由监测装置的处理器(例如，微处理器)执行(例如，执行)。
例如，图3A和图3B所示的监测装置300和350被配置为使用多个参数来预测电气故障(例如，通过在处理器311/361处执行方法600的操作602、604和606)。处理器311/361和/或监测装置300/350可在板上执行机器学习推理和/或包括决策/分类逻辑，诸如阈值检测和状态机表示。
下文的示例是出于说明的目的，并且表示监测装置的实施方案可如何工作以预测外壳10内的未来电气故障。
在该示例中，被腐蚀的连接可能开始表现出以电弧形式的异常放电。电弧导致可疑连接周围以及也许外壳10内的臭氧水平增加。臭氧浓度的该增加然后可被监测装置300/350的臭氧传感器330检测到，该臭氧传感器继而可将对应于测量的臭氧浓度的信号发送到处理器311/361。处理器311/361(执行存储的指令)分析信号，该信号可包括将测量的臭氧水平与预定的臭氧浓度范围或一个或多个臭氧浓度阈值进行比较。如果测量的臭氧浓度高于预定范围或高于阈值，则可产生警告以指示电气故障的高可能性。同时，电弧可由RF天线314、316以由接收RF天线接收的偏离背景噪声水平的一个或多个RF信号的形式来检测。由接收RF天线接收的信号可由处理器311/361分析，以确定此类信号是否等同于比背景噪声更多的东西，以及此类信号是否可能与外壳10内濒临故障的电气部件有关。
此外，作为监测装置的一部分的光敏传感器324可检测与电弧相关联的光电发射，并将对应的信号传输到处理器311/361。处理器311/361被配置为分析由一个或多个光敏传感器324提供的信号，并且可能够确定该信号是否对应于从导致环境光进入外壳10的电弧事件或外壳的门户的开口发出的光(例如，基于定时和强度值)。作为监测装置的一部分的温度传感器326被配置为连续获取外壳10内部或以其他方式接近监测装置300/350的温度读数。在该示例中，温度传感器能够测量温度的上升，这可能是电弧的结果。温度传感器326被配置为向处理器311/361连续传输温度数据，在该处理器中对温度数据进行分析以确定是否存在潜在的电气故障状况。
虽然处理器311/361单独地接收(602)并分析(604)由监测装置的各种部件提供的数据，但是当确定(606)未来电气故障的可能性以及外壳内发送数据的部件的位置时，其也能够使用多个数据输入(例如，如以上示例所示)，以便帮助定位可疑电气设备。
如果在操作606中预测到电气故障，则处理器311/361可能够自动调度(608)特定外壳的维护。在实施方案中，由处理器311/361接收的一个或多个数据读数和/或异常数据的文档可包括在维护请求中，使得执行维护的个体知道潜在故障的症状和位置。
另外的实施方案包括上文所述并且在本文提交的任何和所有展示和其他材料中描述的任何一个实施方案，其中该实施方案的一个或多个部件、功能或结构可与上述不同实施方案的一个或多个部件、功能或结构互换、由其替换或由其增强。
尽管前述说明书中已公开了本公开的若干实施方案，但本领域的技术人员应当理解，可构想与本公开相关的许多修改和其他实施方案，并且具有前述说明书和相关附图中呈现的教导的益处。因此，应当理解，本公开不限于上文公开的具体实施方案，并且许多修改和其他实施方案旨在包括在所附权利要求书的范围内。此外，尽管本文以及随后的权利要求中使用了特定术语，但它们仅以一般和描述性意义而使用，而不是为了限制本公开的目的。
Claims (15)
1.一种监测装置，所述监测装置被配置为监测包含电气设备的电气外壳内的状况，所述监测装置包括：
多个传感器；
至少两个RF天线；
至少一个处理器，所述至少一个处理器与所述多个传感器和所述至少两个RF天线进行通信；
电源连接，所述电源连接被配置为接收电气输入和以太网输入；
支撑件，所述支撑件被配置为耦接到所述电气外壳的内部表面，所述支撑件被配置为保持并电耦接所述多个传感器、所述至少两个RF天线、所述至少一个处理器和所述电源连接；并且
壳体，所述壳体被构造成至少部分地包围所述支撑件并且限定一个或多个开口，
其中所述至少一个处理器被配置为接收并分析从所述多个传感器和所述至少两个RF天线获得的与所述电气外壳内部的多个状况有关的数据，并且其中所述至少一个处理器被配置为基于接收到的分析数据检测潜在的电气设备故障。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其中所述多个传感器中的至少一个传感器是运动传感器。
3.根据权利要求1所述的监测装置，其中所述多个传感器中的至少一个传感器是被配置为测量温度、湿度和空气质量的气候传感器。
4.根据权利要求1所述的监测装置，其中所述至少两个RF天线相对于彼此正交地定位。
5.根据权利要求1所述的监测装置，其中所述多个传感器中的至少一个传感器被配置为测量声级。
6.根据权利要求1所述的监测装置，其中所述多个传感器中的至少一个传感器是光敏传感器。
7.根据权利要求1所述的监测装置，其中所述多个传感器中的至少一个传感器被配置为检测振动。
8.根据权利要求1所述的监测装置，其中所述支撑件包括电路板。
9.根据权利要求1所述的监测装置，其中所述多个传感器中的至少一个传感器被配置为检测红外辐射。
10.一种非侵入式监测电气外壳内的多个参数的方法，所述方法包括：
提供监测装置，所述监测装置包括多个传感器；至少两个RF天线；至少一个处理器，所述至少一个处理器与所述多个传感器和所述至少两个RF天线进行通信；电源连接，所述电源连接被配置为接收电气输入和以太网输入；支撑件，所述支撑件被配置为耦接到所述电气外壳的内部表面，所述支撑件被配置为保持并电耦接所述多个传感器、所述至少两个RF天线、所述至少一个处理器和所述电源连接；以及壳体，所述壳体被构造成至少部分地包围所述支撑件并且限定一个或多个开口；
从所述多个传感器和所述至少两个RF天线获得与所述电气外壳内的多个参数有关的数据；
分析所获得的数据；
基于所分析的数据预测电气设备故障；并且
基于所预测的设备故障调度抢先维护。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所获得的数据包括温度数据。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所获得的数据包括声音数据。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所获得的数据是运动数据。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括基于所述运动数据跟踪对所述电气外壳的接近。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述跟踪对所述电气外壳的接近包括识别接近所述电气外壳的人员。
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