CN201188050Y

CN201188050Y - 一种基于多传感器的sf6气体泄漏在线监测装置

Info

Publication number: CN201188050Y
Application number: CNU2008201010231U
Authority: CN
Inventors: 陆生贵; 蔡声镇; 吴允平; 苏伟达; 李汪彪; 吴进营; 卢宇; 陈聪慧
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2018-01-04

Abstract

本实用新型涉及一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，由微处理器、数据采集和调理装置、通风和报警控制装置、通信电路以及电源电路组成。微处理器含有存储器和模数转换器；数据采集和调理装置含有SF₆气体浓度传感器、O₂气体浓度固态传感器、H₂S气体浓度电化学传感器、SO₂气体浓度电化学传感器、温度传感器、湿度传感器和信号调理电路；电源电路提供直流电源；通风和报警控制装置含有报警器、风机控制器和控制电路；通信电路为短距离无线通信或为有线通信路径的有线通信。本装置通过监测与SF₆气体浓度相关数据信息，应用信息融合技术，实现测量系统自动定标、测量数据的补偿和确定输出报警信号决策，提高了测量的精度和可信度，延长了使用寿命。

Description

一种基于多传感器的SF6气体泄漏在线监测装置

技术领域

本实用新型涉及SF₆气体浓度的监测装置，尤其是采用多传感器融合技术的SF₆气体泄漏在线监测装置。

背景技术

SF₆气体具有良好的绝缘和灭弧性能，被大量用于高压变电站内的开关设备中，由于开关设备中相关部件的老化和制造工艺差异等因素的影响，SF₆气体泄漏是固然存在的隐患。SF₆气体泄漏不仅会危及开关设备的安全运行，甚至会对开关室工作人员的生命安全构成威胁，给国家造成重大的经济损失。因此，实现对开关室内环境的在线监测、实时报警和通风控制，对于保障工作人员的人身安全、开关设备的安全运行乃至电网的正常运转具有十分重要意义。

目前国内用于SF₆气体泄漏检测多数采用负电晕放电探测技术，该技术通过检测一对高压电极之间的放电电流随空气中SF₆气体浓度的不同而变化，只要检测出该高压电极的放电电流，就可以换算出空气中SF₆气体浓度。由于高压电极的放电效率与使用时间成反比，而且其放电电流受环境温度和湿度影响较大，即高压电极的放电特性很不稳定，较大地影响SF₆气体浓度的测量精度，极易产生错误的报警信息，严重影响该技术的实际应用价值。因此，如何提高测量精度和报警信息的可信度，解决高压电极放电特性不稳定的问题一直是负电晕放电探测技术推广应用过程中的研究热点。

发明内容

本实用新型的目的是针对采用负电晕放电探测技术的SF₆气体泄漏在线监测装置中存在高压电极放电特性不稳定的问题，提供一种基于多传感器信息融合技术的SF₆气体泄漏在线监测装置。本装置通过检测与SF₆气体浓度直接或间接相关的O₂气体浓度、H₂S气体浓度、SO₂气体浓度、温度和湿度等相关数据信息，应用多传感器的信息融合技术，实现测量系统的自动定标、测量数据的补偿和确定输出报警信号决策，提高了SF₆气体浓度测量的精度和报警的可信度，延长了高压电极的使用寿命。

为达到上述目的，本实用新型的目标所采用的技术方案是：基于多传感器融合技术的SF₆气体泄漏在线监测装置由微处理器、数据采集和调理装置、通风和报警控制装置、通信电路以及电源电路组成。其中：微处理器内部含有存储器和模数转换器，或根据需要在微处理器的外部扩展存储器和模数转换器；数据采集和调理装置含有SF₆气体浓度传感器、O₂气体浓度固态传感器、H₂S气体浓度电化学传感器、SO₂气体浓度电化学传感器、温度传感器、湿度传感器和信号调理电路，电源电路是指提供给微处理器、数据采集和调理装置、通信电路所需要的直流电源；通风和报警控制装置含有报警器、风机控制器和控制电路；通信电路的无线通信为短距离无线通信方式时，以nRF905芯片为无线通信控制器，为有线通信方式时，以CAN总线通信链路为有线通信路径。

本实用新型所述的湿度传感器采集的数据输出与一分压滤波电路输入端相连接；数据采集和调理装置中的温度传感器的数据输出端与微处理器的数字输入端口相连接，SF₆气体浓度传感器的数据输出端、O₂气体浓度固态传感器的数据输出端、H₂S气体浓度传感器的数据输出端、SO₂气体浓度传感器的数据输出端和湿度的信号调理电路输出端与微处理器的模数转换器输入端相连接；微处理器的数字输出端与通风和报警控制电路的输入端相连接；通信电路通过数据总线与微处理器的数字端相连接；电源电路与微处理器、数据采集和调理装置、通风和报警控制装置和通信电路的电源输入端相连，为各电路工作提供电源。

本实用新型所述的SF₆气体浓度传感器的数据输出端与微处理器的模数转换器输入端相连接前，SF₆气体浓度传感器采集的数据首先输出给一由电流传感器ZXCT1010和外部一个电阻构成的电流信号放大电路，经过放大的数据信号再与微处理器的模数转换器输入端相连。

本实用新型所述的O₂气体浓度固态传感器采集的数据首先输出给一由LM358运算放大器和外部几个电阻构成的信号放大电路，经过放大的数据信号再与微处理器的模数转换器输入端相连。

本实用新型所述的H₂S传感器采集的数据首先输出给一由恒电位电路和电压放大电路构成的信号放大电路，经过放大的数据信号再与微处理器的模数转换器输入端相连。

本实用新型所述的SO₂传感器采集的数据首先输出给一由恒电位电路和电压放大电路构成的信号放大电路，经过放大的数据信号再与微处理器的模数转换器输入端相连。

本实用新型所述的控制电路中的两个输出端，一端连接报警器和风机控制器，另一端连接微处理器的控制输出端。

本实用新型所述的通信电路其一端通过无线连接上位机，另一端分别与微处理器的数字输入输出端相连接或其一端通过CAN总线连接上位机，另一端与微处理器的CAN控制端相连接。

本实用新型所述的数据采集与处理，采用了多传感器融合方式进行。多传感器融合方式包括两个部分：检测信息融合技术和决策信息融合技术。

检测信息融合技术：该检测方法对环境参数(温度，湿度，O₂气体浓度、H₂S气体浓度、SO₂气体浓度)采用实时采集，经过预处理后获得对应的参数信息，对SF₆气体浓度的检测采用定时采集，以延长有效的使用时间。当检测到某一环境参数超过预定值或某环境参数变化率超过预定值时作为一级异常事件，一旦异常事件产生，立即启动对SF₆气体浓度的采集；若上一次测得SF₆气体浓度超标或连续两次SF₆气体浓度变化率过大将作为二级异常事件。检测SF₆气体浓度时，根据环境参数中的温度、湿度值，对SF₆气体浓度修正为：

C＝C+K₁T+K₂H(1)

式中：

C：被测SF₆气体的浓度(ppm)

T：环境参数中的温度(℃)

H：环境参数中的湿度(％)

K₁，K₂：为补偿系数

决策信息融合技术：该检测方法对某一时刻获得的环境参数进行相关信息预处理后，对各环境参数测量值的加权系数进行信息融合，做出报警的最佳决策，即融合后的报警信息大于最低报警门限，即产生报警。

Alarm＝∑a_i*X_i(2)

式中：

Alarm：为报警信息

a_i：各环境参数的测量值的加权系数

X_i：各环境参数的测量值

i：环境参数的个数

采用本发明技术方案的有益效果是：提高采用负电晕放电探测技术的SF₆气体泄漏在线监测装置对SF₆气体浓度的测量精度和报警的可信度，延长高压电极的使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型所述的SF₆气体泄漏在线监测装置框图。

图2(a)是数据采集和调理装置中SO2气体浓度检测部分的电路图。

图2(b)是数据采集和调理装置中SF6气体浓度检测部分的电路图。

图3是本实用新型所述的检测信息融合技术的流程图。

图4是本实用新型所述的决策信息融合技术的流程图。

图1中，101是微处理器；102是电源电路；103是通风和报警控制装置；104是通信电路；105是数据采集和调理装置；106是通风和报警控制装置103中的O₂气体浓度固态传感器的检测单元；107温度传感器的检测单元；108是湿度传感器的检测单元；109是SO₂气体浓度电化学传感器的检测单元；110是H₂S气体浓度电化学传感器的检测单元；111是SF₆气体浓度传感器的检测单元。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本实用新型：

如附图1装置框图所示，基于多传感器融合技术的SF₆气体泄漏在线监测装置，微处理器101连接数据采集和调理装置105，其中，数据采集和调理装置105包括：O₂气体浓度固态传感器的检测单元106，温度传感器的检测单元107，湿度传感器检测单元108，SO₂气体浓度电化学传感器的检测单元109，H₂S气体浓度电化学传感器的检测单元110和SF₆气体浓度传感器的检测单元111。通风和报警控制装置103中的控制电路一端连接报警器和风机控制器控制设备，另一端连接微处理器101的控制输出口。电源电路102包括提供给微处理器101，数据采集和调理装置105，通信电路104所需要的直流电源。

其中所述的通信电路104兼容有线和无线两种通信方式，可根据现场布线的需要进行选择。通信电路104的有线通信为CAN总线方式，其一端连接上位机，另一端分别与微处理器101的CANH、CANL相连接。通信电路104的无线通信为短距离无线通信方式，以nRF905芯片为无线通信控制器，其一端通过无线连接上位机，另一端分别与微处理器101的I/O口相连接。

如附图2(a)SO₂气体浓度检测电路图所示：U201为SO₂气体浓度电化学传感器，U202A、U202B、U203B均为运算放大器，Q402为结型场效应管。SO₂气体浓度电化学传感器U201的1脚接电阻R201的一端，2脚接电阻R203的一端，3脚接电阻R202的一端；电阻R201的另一端与电容C201的一端和运算放大器U202B的7脚相连接；电阻R203的另一端与电容C201的另一端和运算放大器U202B的6脚相连接；电阻R202的另一端与电阻R206的一端和运算放大器U202A的2脚相连接；其中电阻R201，电阻R203，电容C201构成一阶低通滤波电路；运算放大器U202B的8脚接电源+VCC，4脚和5脚接地；运算放大器U202A的3脚接地，1脚接电阻R205的一端；结型场效应管Q402的2脚与SO₂气体浓度电化学传感器U201的2脚相连接，1脚与SO₂气体浓度电化学传感器U201的3脚相连接，3脚与电阻R204的一端相连接；电阻R204的另一端连接到电源+VCC；运算放大器U202B的8脚接电源+VCC，5脚接R205的另一端，4脚和6脚接地，7脚接微处理器的模数转换器输入端口SO2_AIN0相连接；电位器RP201的3脚接地，1脚和2脚与运算放大器U202B的7脚相连接；运算放大器U202B和电阻R201，电阻R203，电容C201构成恒电位电路，运算放大器U202A主要起到电流/电压转换功能，运算放大器U203B主要起电压放大功能。

如附图2(b)SF₆气体浓度检测电路图所示：U211为高压发生器，U212为电流传感器、J211为SF₆气体浓度传感器的接口。高压发生器U211的2脚接电源+VCC，第0、2、3脚都接地，第4脚接电位器RP211的2脚，第5脚接电位器RP211的1脚，第6脚接高压监测电路，第7脚接电阻R212的一端；电位器RP211作为调节输出的高压，其3脚接地；电阻R212的另一端接SF₆气体浓度传感器的接口J211的4脚；SF₆气体浓度传感器的接口J211的1脚接二极管D211的2脚、电阻R211的一端和电流传感器U212的5脚；SF₆气体浓度传感器的接口J211外接SF₆气体浓度传感器；二极管D211的1脚、电阻R211的另一端和电流传感器U212的4脚接到电源+VCC；二极管D211起保护电流传感器U212的输入端的功能；电流传感器U212的2脚接地，电流传感器U212的3脚与微处理器的模数转换器输入端口SF6_AIN3相连接；电阻R213一端接电流传感器U212的3脚，另一端接地；电阻R213和电流传感器U212起电流检量和放大的功能。

下面结合附图3和附图4进一步描述本实用新型：

附图2所示为检测信息融合技术的流程图：

步骤201：检测信息融合技术开始。

步骤202：判断当前是否有SF₆气体采集，有则进入步骤203，没有则进入步骤208。

步骤203：清除SF₆气体采集标志位并处理SF₆气体数据，调用当前的温度和湿度数据，依据公式(1)，对SF₆气体浓度进行修正。

步骤204：判断SF₆气体浓度是否超标，是则进入步骤205，否则进入步骤208。

步骤205：SF₆气体浓度超标，置SF₆气体超标标志位。

步骤206：判断SF₆气体浓度变化率是否超标，是则进入步骤207，否则进入步骤208。

步骤207：SF₆气体浓度变化率超标，置SF₆气体变化率超标标志位。

步骤208：判断环境参数是否超标，是则进入步骤209，否则进入步骤210。

步骤209：环境参数超标，置相应环境参数超标标志。

步骤210：判断环境参数变化率是否超标，是则进入步骤211，否则进入步骤212。

步骤211：环境参数变化率超标，置相应环境参数变化率超标标志。

步骤212：判断以上所有参数是否有超标标志或以上所有参数是否有变化率超标标志，是则进入步骤213，没有则进入步骤214。

步骤213：清除上述有所有超标标志，并置SF₆气体采集标志，立即触发对SF₆气体浓度进行采集。

步骤214：检测信息融合技术结束。

附图3所示为决策信息融合技术的流程图：

步骤301：决策信息融合技术开始。

步骤302：依据公式(2)，计算当前Alarm值。

步骤303：判断Alarm值是否超过最低报警门限，是则进入步骤304，没有则进入步骤305。

步骤304：输出报警信息。

步骤305：决策信息融合技术结束。

Claims

1、一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是该装置由微处理器、数据采集和调理装置、通风和报警控制装置、通信电路以及电源电路组成，其中：微处理器内部含有存储器和模数转换器，或根据需要在微处理器的外部进行扩展；数据采集和调理装置含有SF₆气体浓度传感器、O₂气体浓度固态传感器、H₂S气体浓度电化学传感器、SO₂气体浓度电化学传感器、温度传感器、湿度传感器和信号调理电路；电源电路提供微处理器、数据采集和调理装置、通信电路所需要的直流电源；通风和报警控制装置含有报警器、风机控制器和控制电路；通信电路的无线通信是以nRF905芯片为无线通信控制器的短距离无线通信或以CAN总线通信链路为有线通信路径的有线通信。

2、按照权利要求1所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的湿度传感器采集的数据输出与一分压滤波电路输入端相连接。

3、按照权利要求1所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的数据采集和调理装置中的温度传感器的数据输出端与微处理器的数字输入端口相连接，SF₆气体浓度传感器的数据输出端、O₂气体浓度固态传感器的数据输出端、H₂S气体浓度传感器的数据输出端、SO₂气体浓度传感器的数据输出端和湿度的信号调理电路输出端与微处理器的模数转换器输入端相连接。

4、按照权利要求1所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的微处理器的数字输出端与通风和报警控制电路的输入端相连接。

5、按照权利要求1所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的通信电路通过数据总线与微处理器的数字端相连接；电源电路与微处理器、数据采集和调理装置、通风和报警控制装置和通信电路的电源输入端相连，为各电路工作提供电源。

6、按照权利要求3所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的SF₆气体浓度传感器的数据输出端与微处理器的模数转换器输入端相连接前，SF₆气体浓度传感器采集的数据首先首先输出给一由电流传感器ZXCT1010和外部一个电阻构成的电流信号放大电路，经过放大的数据信号再与微处理器的模数转换器输入端相连。

7、按照权利要求3所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的O₂气体浓度固态传感器采集的数据首先输出给一由LM358运算放大器和外部几个电阻构成的信号放大电路，经过放大的数据信号再与微处理器的模数转换器输入端相连。

8、按照权利要求3所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的H₂S传感器采集的数据首先输出给一由恒电位电路和电压放大电路构成的信号放大电路，经过放大的数据信号再与微处理器的模数转换器输入端相连。

9、按照权利要求3所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的SO₂传感器采集的数据首先输出给一由恒电位电路和电压放大电路构成的信号放大电路，经过放大的数据信号再与微处理器的模数转换器输入端相连。

10、按照权利要求1所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的控制电路中的两个输出端，一端连接报警器和风机控制器，另一端连接微处理器的控制输出端。

11、按照权利要求1所述的一种基于多传感器的SF₆气体泄漏在线监测装置，其特征是所述的通信电路其一端通过无线连接上位机，另一端分别与微处理器的数字输入输出端相连接或其一端通过CAN总线连接上位机，另一端与微处理器的CAN控制端相连接。