CN201413371Y - 变电设备在线监测及故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种变电设备在线监测与故障诊断系统。它包括至少连接一台中央控制器的后台机、一台连接本地测量单元的中央控制器和至少两台的本地测量单元，本实用新型装置是一种在线监测系统，可以在变电设备运行工况下诊断设备的绝缘状况，可以准确计算出设备的介质损耗、等值电容，在线监视介质损耗的变化趋势和智能分析设备的绝缘劣化趋势以及设备的绝缘状况，另外参考源信号的引入很好地解决了电压、电流信号相位采集不同步的问题。

Description

变电设备在线监测及故障诊断系统

(一)技术领域

本实用新型涉及变电设备技术领域，具体涉及一种变电设备在线监测及故障诊断系统。

(二)背景技术

第一：目前，变电设备检修均采用在设备停电基础上的预防性试验，检修前对设备是否有缺陷、隐患及其它健康状况缺乏了解，检修工作具有很大的盲目性和局限性。同时增加了停电次数，影响了供电的可靠性；第二：现有的预防性试验电压为10KV，不容易发现设备的缺陷，而在运行电压下对其进行监测，更容易反映设备绝缘的缺陷及隐患；第三：国家电网公司已经颁发的《国家电网公司设备状态检修管理规定(试行)》；《国家电网公司关于规范开展状态检修工作意见》两个管理文件及《输变电设备状态检修试验规程》；《油浸式变压器(电抗器)状态检修导则》；《SF6高压断路器状态检修导则》等七个技术导则，因此当前国内变电设备的检修方式正处于用预知性的状态检修逐步取代原有的预防性停电定期检修阶段，实现变电设备在线监测及故障诊断是非常必要的，也是未来发展的必然趋势

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于变电设备在线监测及故障诊断的操作简单、安全准确的、适用于高温差变化环境的变电设备在线监测与故障诊断系统。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括至少连接一台中央控制器的后台机、一台连接本地测量单元的中央控制器和至少两台的本地测量单元，后台机由工控机、显示器以及通讯板卡组成，通过通讯总线与中央控制器相连；中央控制器由电源单元、嵌入式工控主板、触摸屏以及空气开关组成，通过通讯电缆与本地测量单元连接；本地测量单元由高精度零磁通穿芯传感器、信号处理单元组成，变电设备的被测信号通过电缆穿过零磁通传感器，传感器输出电信号到信号处理单元，信号处理单元由DSP通过数字信号通讯总线连接中央控制器。

本实用新型还有这样一些技术特征：

1、所述的中央控制器包括通过通讯电缆与本地测量单元连接的电压互感器、嵌入式工控主板、滤波器、液晶屏和触摸屏，本地测量单元包括高精度零磁通穿芯传感器以及信号处理单元，传感器电信号连接信号处理单元；

2、所述的信号处理单元包括依次电信号连接的放大电路、隔离运放、滤波电路、输出电路，放大电路、隔离运放、滤波电路和输出电路，输出电路电信号连接DSP单元；

3、所述的DSP单元包括电信号连接的信号采集单元与处理单元，信号采集单元包括至少一片A/D转换芯片，信号采集单元连接信号预处理模块。

本实用新型提供了一种分布式变电设备在线监测及故障诊断系统，针对变压器、电流互感器、避雷器、电容型套管、耦合电容器和断路器等变电设备推出的新型在线监测及故障诊断系统。它包括至少连接一台中央控制器的后台机、一台连接本地测量单元的中央控制器和至少两台的本地测量单元。后台机通过通讯总线与中央控制器相连，实现被测数据的在线监测、记录、存储、分析设备故障等功能；中央控制器包括由电源单元、嵌入式工控主板、触摸屏以及空气开关组成，通过通讯电缆与本地测量单元连接，实现本地测量单元数据同步采集控制，电源信号隔离滤波，数据汇总、计算、上传等功能；本地测量单元由高精度零磁通穿芯传感器、信号处理单元组成，实现高压电气设备的泄露电流、二次电压等信号的测量以及信号就地数字化等功能。

系统设计结构、传感器技术、内核硬件、以及信号传输等各方面均取得突破性进展，真正达到实用化的要求，系统在不改变变电设备原有接地方式的情况下，连续监测、记录高压设备绝缘参数及其它数据：对于电容型设备(变压器套管、电流互感器、电容式电压互感器和耦合电容器)准确地测量介质损耗、电容量及末屏电流；对断路器可准确监测分合闸电流、机构振动信号与诊断、开断电流与次数；对于避雷器测量全电流和阻性电流和容性电流；对于变压器本体，监测油中溶解气体含量(七种气体或主要气体氢气)和铁芯接地电流。通过对监测到信息的分析处理，可判断出设备的运行安全状况，为变电设备状态检修提供决策性指导。

变电设备在工况电压下运行时，本实用新型中本地测量单元连续采集变电设备泄露电流和工况电压信号，通过电压和泄露电流信号计算介质损耗、绝缘电阻、等值电容。通过对变电设备介质损耗、绝缘电阻等的连续监测和分析，判断设备的运行状况。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

中央控制器：由嵌入式工控主板、操作显示屏、开关电源，电源隔离单元组成

1)嵌入式工控主板，由Xscal处理器PXA270为核心搭建，集成大容量CF存储卡、232通信接口、CAN通信接口、以太网接口等，通过CAN通讯总线与本地测量单元连接，实现本地测量单元的管理、测量数据汇总、计算、、数据上传以及控制本地测量单元同步采样。

2)操作显示屏由液晶屏和触摸屏组成，与嵌入式工控主板连接，实现本地测量单元通信状态监视、测量数据监视等人机对话功能。

中央控制器的工作步骤如下：

1)管理本地测量单元

中央控制器周期扫描各个本地测量单元，监测链路连接状态。

中央控制器周期采集本地测量单元在线测量的数据，首先由中央控制器发送同步采样命令，各个本地测量单元接到命令后，同时开始采样、计算，本地测量单元完成数据测量后，向中央控制器请求上传数据，得到中央控制器认可后，本地测量单元将测量的数据上传到中央控制器。中央控制器根据电介质损耗等值电路(结合图1)计算介质损耗、等值电容等绝缘特征参数。

由等值电路可得介质损耗表达式为：

P＝U²ωCtgδ

$\mathrm{tg\δ}=\frac{P}{U^2\mathrm{\ωC}}=\frac{P}{Q}$

式中：

δ——功率因素角的余角，称为介质损失角；

tgδ——介质损失角正切值，又称为介质损耗因数；

ω——电源角频率。

所有本地测量单元的工作电源由中央控制器控制，实现各个本地测量单元的同时上电和同时断电。

中央控制器为各个本地测量单元提供统一的参考源信号。

2)人机对话和显示

中央控制器液晶显示被测设备特征参数的在线测量结果。

中央控制器液晶动态显示各个本地测量单元的通信状态。

LMU系列本地测量单元：由零磁通穿芯传感器、信号预处理单元、DSP单元，电源单元组成：

1)零磁通传感器：是整个测量单元的核心，也是本发明的关键元件，工作原理是电信号穿过传感器后经过磁感应以及反馈补偿输出电信号到信号预处理单元；传感器测量精度高，相位测量精度高：±0.02度；测量范围宽：100μA～700mA；工作温度宽：-35℃～+65℃。

2)信号预处理单元对信号进行放大、滤波、量程选择等处理后，将信号输出到DSP处理单元。

3)DSP单元包括A/D采样单元和计算单元，DSP控制A/D进行采样，然后由计算单元采用谐波分析法，对A/D采样序列进行FFT变换，计算出信号有效值以及相对于参考信号的相位差。

本地测量单元工作步骤如下：

1)传感器信号转换：传感器采集到的信号经过放大、滤波、反馈等处理后输出电信号到信号预处理单元。

2)信号预处理单元经过隔直滤波、放大、滤波、选择量程等处理后将信号输出到DSP单元。

3)DSP单元由DSP控制14位A/D采样，将电信号转换成数字信号，DSP对数字信号序列采用谐波分析法进行分析，再通过FFT对信号进行频域分析，最后计算出信号的有效值以及相对于参考信号的相位；经过多次测量和数字滤波方法计算出稳定的信号有效值和相位差，之后将信号的有效值和相位上传到中央控制器。

后台机：由工控机、显示器以及通讯板卡组成，软件包括在线监视软件、分析软件、数据库管理软件以及图形组态软件。

1)通过通讯总线采集中央控制器计算得到的被测设备的测量数据。

2)在线图形化显示被测设备的测量数据如相对介损、绝对介损、电容比值等

3)在线图形化显示被测设备绝缘状况以及中央控制器、本地测量单元的工作状态。

4)存储测得的被测设备特征数据，存储时间达20年，在线分析历史数据，采用趋势分析、对比分析等手段，准确判断设备的绝缘状况，绘出设备绝缘变化趋势曲线，根据设备判据适时报警。

后台机工作步骤如下：

在线监视软件：

1)工控机通讯板卡通过CAN总线与中央控制器通讯，采集被测设备的绝缘特征数据。

2)显示器图形化显示设备的绝缘特征数据，分绝对数据和相对数据两种，并连续更新。

3)工控机每2分钟存储各个被测设备的绝缘特征数据，并根据在线分析周期进行设备绝缘状态的在线分析，分析手段有趋势分析和对比分析，通过这两种手段的分析，可以准确地判断出设备的绝缘状况。

4)当检测出设备绝缘故障后，工控机会通过声、光、短信等方式报警，提示运行维护人员对设备进行检修。报警方式人工设定。

数据分析软件：

1)根据用户选定的时间段读取历史数据。

2)对比分析：用户设定基准设备，选择要分析的设备，可选择多个设备，通过介损差值、电容比值等分析相对趋势曲线，进而判断设备绝缘状况。

3)趋势分析：选择要分析的设备，选择时间段，分析一段时间设备特征数据的趋势曲线，判断设备绝缘状况。

4)根据用户选择的设备、时间段等信息，生成设备特征数据报表。

数据库管理软件：

1)配置被测设备台帐信息。

2)配置通讯总线参数，实现后台机与中央控制的连接。

3)配置通道信息以及通道告警阀值。

4)配置设备绝缘状态判据

本实用新型的技术特点有：

1、独有的参考源技术，所有本地测量单元都以参考源信号为基准。

2、中央控制器包括电源单元、嵌入式工控主板、液晶屏、触摸屏以及空气开关，电源单元实现供电电源的隔离、滤波的电源净化功能，工控主板通过通讯总线连接本地测量单元，实现本地测量单元管理。

3、本地测量单元包括高精度零磁通穿芯传感器和信号处理单元，零磁通传感器通过电信号与信号处理单元相连，传感器输出的电信号经过放大、滤波预处理后，输出到DSP单元。

4、DSP单元包括电信号连接的信号采集单元与处理单元，信号采集单元包括至少一片A/D转换芯片，信号采集单元通过电信号与处理单元连接。

本实用新型的有益效果有：

1)本实用新型装置是一种在线监测系统，可以在变电设备运行工况下诊断设备的绝缘状况。

2)可以准确计算出设备的介质损耗、等值电容，在线监视介质损耗的变化趋势和智能分析设备的绝缘劣化趋势以及设备的绝缘状况。

3)参考源信号的引入很好的解决了电压、电流信号相位采集不同步的问题。

(四)附图说明

图1为电介质并联等值电路结构示意图；

图2为本实用新型中央控制器结构示意图；

图3为本实用新型本地测量单元结构示意图；

图4、图5为本实用新型泄露电流信号取样接线图；

图6为本实用新型本地测量单元程序流程图；

图7为本实用新型本地测量单元DSP单元框图；

图8为本实用新型本地测量单元预处理单元(模拟通道处理单元)框图；

图9为本实用新型本地测量单元预处理单元(模拟通道处理单元)原理图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明：

本实施例由一台后台机、一台中央控制器和2台本地测量单元构成。本地测量单元安装在电压互感器(PT)的支柱上，构成分布的测量单元，中央控制器安装在就近设备支柱上，中央控制器与2台本地测量单元通过CAN总线连接，中央控制器与后台机通过CAN总线连接。

本实施例的具体包括以下步骤：

1、将1台本地测量单元(LMU-U)用抱箍安装电压互感器的支柱上，用于测量电压互感器的二次电压信号，信号取样接线方式如下：在PT的就地端子箱取电压信号，引至LMU-U单元，将电压信号转换成小电流信号。具体的做法是从电压互感器二次绕组端子柜中安装一开关，引出信号至就地单元，并经电阻采样回路转换成小电流信号。(可在不停电的情况下进行)。

2、将1台本地测量单元(LMU-C)用抱箍安装电压互感器的支柱上，用于测量电压互感器的泄露电流信号，信号取样接线方式如下：LMU-C单元取样信号为PT的末屏接地电流，将PT的末屏引至LMU-C监测单元，经过穿芯式(一匝)传感器后再引回PT接地。如PT处不易接地，也可在LMU-C单元处接地。注意：在PT未断电前，不能解开LMU-C单元中末屏接地线。

三相末屏电流各有一个引下线，用6mm²屏蔽电缆与LMU-C单元的三相对应端号联接后解开引下线，末屏引下线在接入过程中接地线不能开路，并安装蛇皮管或钢管护套。

检查方法：A、末屏与地之间应处于连通状态。

B、相别与测量单元的标志一致。

C、注意电流信号接入极性及接地。

安装时PT取末屏漏电流信号接线。

本地测量单元测量原理：

测量原理分以下几部分：

1、传感器信号转换：传感器采集到的信号经过放大、滤波、反馈等处理后输出电信号到信号预处理单元。

2、信号预处理单元通过低噪声、高精度运放器件OP27G对输入信号进行相应的放大或缩小，放大或缩小的范围由DSP通过MAX333控制，输入信号再经过由OP27G搭建的二阶低通滤波进行两次滤波，最后输入的电信号经过低噪声、高精度运放器件OP27G放大后输入到DSP单元。

3、DSP单元由DSP控制14位A/D采样，每采样20个周波计算一组数据，将电信号转换成数字信号，DSP对数字信号序列采用谐波分析法进行分析，再通过FFT对信号进行频域分析，最后计算出信号的有效值以及相对于参考信号的相位；经过多次测量和数字滤波方法计算出稳定的信号有效值和相位差，之后将信号的有效值和相位上传到中央控制器。

中央控制器：由嵌入式工控主板、操作显示屏、开关电源，电源隔离单元组成。

1.中央控制器通过CAN总线与2台本地测量单元连接，实现PT泄露电流、二次电压的同步采样，并准确计算出PT的介质损耗、绝缘电阻和等值电容等绝缘特征数据，并将计算后的PT绝缘特征数据上传到后台机。

2.操作显示屏由液晶屏和触摸屏组成，与嵌入式工控主板连接，实现本地测量单元通信状态监视、测量数据监视、人机对话功能。

后台机：

1、通过通讯总线采集中央控制器计算得到的被测设备的测量数据。

2、在线图形化显示PT的测量数据如相对介损、绝对介损、电容比值等

3、在线图形化显示PT绝缘状况以及中央控制器、本地测量单元的工作状态。

4、存储测得的PT特征数据，存储时间达20年，在线分析历史数据，采用趋势分析、对比分析等手段，准确判断设备的绝缘状况，绘出设备绝缘变化趋势曲线，根据设备判据适时报警。

结合图9，本地测量单元预处理单元(交流模拟量通道)：

1、由精密电阻R107和R108构成分压选择电路，由多路CMOS模拟开关MAX333控制输入信号的缩小比例。缩小比例最大为R108/(R107+R108)＝10.

2、由低噪声、高精度运放器OP27G及精密电阻R110和R109构成有源同相比例放大电路，放大比例为：(R110+R109)/R109＝10.

3、由低噪声、高精度运放器OP27G及精密电阻R113和R114构成有源同相比例放大电路，由多路模拟开关MAX333控制电路放大信号或不放大信号，放大比例最大为：(精密电阻R113+R114)/R114＝10.

4、由低噪声、高精度运放器OP27G及精密电阻R115、R116和精密电容C105、C104构成有源二阶低通滤波，截止频率由精密电阻R115、R116、精密电容C105、C104确定。

Claims (4)

1、一种变电设备在线监测与故障诊断系统，其特征在于它包括至少连接一台中央控制器的后台机、一台连接本地测量单元的中央控制器和至少两台本地测量单元，后台机由工控机、显示器以及通讯板卡组成，通过通讯总线与中央控制器相连；中央控制器由电源单元、嵌入式工控主板、触摸屏以及空气开关组成，通过通讯电缆与本地测量单元连接；本地测量单元由高精度零磁通穿芯传感器、信号处理单元组成，变电设备的被测信号通过电缆穿过零磁通传感器，传感器输出电信号到信号处理单元，信号处理单元由DSP通过数字信号通讯总线连接中央控制器。

2、根据权利要求1所述的变电设备在线监测与故障诊断系统，其特征在于所述的中央控制器包括通过通讯电缆与本地测量单元连接的电压互感器、嵌入式工控主板、滤波器、液晶屏和触摸屏，本地测量单元包括高精度零磁通穿芯传感器以及信号处理单元，传感器电信号连接信号处理单元。

3、根据权利要求2所述的变电设备在线监测与故障诊断系统，其特征在于所述的信号处理单元包括依次电信号连接的放大电路、隔离运放、滤波电路、输出电路，输出电路电信号连接DSP单元。

4、根据权利要求3所述的变电设备在线监测与故障诊断系统，其特征在于所述的DSP单元包括电信号连接的信号采集单元与处理单元，信号采集单元包括至少一片A/D转换芯片，信号采集单元连接信号预处理模块。

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