CN211452424U - 一种基于多种无线传感器的带电检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种基于多种无线传感器的带电检测系统。本实用新型包括：巡检机器人、外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪、数据处理单元、USB调试接口、实体按键、无线通信模块。本实用新型智能化、自动化水平高，能有效提高状态检测工作效率，且能同时检测多个状态量，能在检测的同时进行运检数据校验，保证数据的准确性。

Description

一种基于多种无线传感器的带电检测系统

技术领域

本发明涉及基于无线传感器的带电检测装置，尤其涉及一种基于多种无线传感器的带电检测系统。

背景技术

带电检测作为状态检测的重要分支，通常采用便携式检测仪器对在运行状态下电网设备进行现场检测，其具有灵活、准确、及时等特点。同时，带电检测试验数据作为重要的设备状态表征参量，是开展电网设备状态评价的数据来源之一。

国内外对设备带电检测技术的探索和研究已有40多年的历史，由于电气设备种类繁多、结构各异，其带电检测项目各有不同。目前，相对成熟应用的带电检测技术有高频局部放电检测、油中溶解气体分析、超声波信号检测、红外热像检测、SF₆气体分解物测量、相对介质介损因数测量等方法。对变电主设备的带电检测大多采用红外热像检测和超高频局放检测，除此之外，变压器还可采用油中溶解气体分析方法，GIS则可利用超声波和SF₆分解的气体来分析绝缘情况。当需要对故障点进行定位时，可采用红外技术检测设备的热故障点，也可以利用超声波的传输特性结合电信号来确定故障源的位置。

高压套管在电力变压器、电抗器、高压断路器等电力设备上使用非常广泛，但近年来其频繁发生的故障给电网的运行带来了极大的安全问题，尤其是特高压套管，其发生故障的经济损失巨大，社会影响面也极广。因此对高压套管的检测也十分重要，然而目前高压套管的带电检测技术相对匮乏。

综上所述，传统的带电检测技术数据传输多采用有线网络，布线繁琐、网络维护困难、消耗大量人力物力资源，且无法对高压套管进行检测。无线传感器网络技术(WSN)作为新兴的测控网络技术,由于其成本低廉、安置方便、无需维护的特点，在电气设备状态检测方面有潜在的应用前景。

实用新型内容

本实用新型主要是一种基于多种无线传感器的带电检测系统，该系统将所述巡检机器人作为载体在现场侧对设备进行检测，其能提高带电检测装置的智能化和自动化水平，对设备状态评价和状态检修有重要意义。

本实用新型的技术方案为一种基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于，包括：巡检机器人、外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪、数据处理单元、USB调试接口、实体按键、无线通信模块；

所述数据处理单元分别与所述的外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪依次电连接；所述数据处理单元分别与所述的USB调试接口、实体按键、无线通信模块依次电连接。

采用所述巡检机器人作为所述基于多种无线传感器的带电检测系统的载体，将所述的外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪、数据处理单元、USB调试接口、实体按键、无线通信模块集成在所述巡检机器人，从而进行带电检测、数据处理及通信交互。

作为优选，所述外置式特高频传感器安装在所述巡检机器人上，用于对设备非金属材料的地方进行检测局部放电产生的GIS内部横向电磁波的特高频模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

作为优选，所述电流互感器安装于所述巡检机器人机械臂上，用于检测带电设备二次接口处的电流模拟信号；

作为优选，所述超声传感器安装在所述巡检机器人上，用于检测在设备内部放电时所产生并通过外壳向外传播的超声波模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

作为优选，所述暂态地电压传感器安装在所述巡检机器人机械臂上，便于在检测时紧贴在带电设备外壳上，用于获取暂态对地电压模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

作为优选，所述红外测温仪安装于所述巡检机器人机械臂触头上，用来监测触头的温度模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

作为优选，所述紫外成像检测仪安装于所述巡检机器人机械臂上，用于采集放电时的光子数量，并传输至所述数据处理单元，光子数量用于评估放电的严重程度；

作为优选，所述射频检测仪安装于所述巡检机器人上，用于采集射频干扰模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

作为优选，所述数据处理单元安装在所述巡检机器人内部，分别将特高频模拟信号、电流模拟信号、超声波模拟信号、暂态对地电压模拟信号、温度模拟信号、射频干扰模拟信号分别通过模数转换分别转换为特高频数字信号、电流数字信号、超声波数字信号、暂态对地电压数字信号、温度数字信号、射频干扰数字信号；

若特高频数字信号大于特高频最低阈值且小于特高频最高阈值，则表示被检测GIS设备正常，否则表示存在局部放电；

若电流数字信号大于电流最低阈值且小于电流最高阈值，则表示被检测设备状态正常，否则表示设备出现异常情况，若小于最低阈值则存在接触不良或断路的情况，若大于最高阈值则存在设备电路短路的情况；

若超声波数字信号小于超声波最高阈值，则表示被检测GIS设备正常，否则表示存在局部放电现象；

若暂态对地电压数字信号小于暂态对地电压最高阈值，则表示被检测的开关柜设备状态正常，否则表示存在局部放电现象；

若温度数字信号小于温度电压最高阈值，则表示被检测设备状态正常，否则表示设备存在局部放电导致的不同程度的热故障；

若射频干扰数字信号大于射频干扰最低阈值且小于射频干扰电压最高阈值，则表示被测设备正常，否则表示被测设备存在绝缘缺陷或局部放电情况；

若光子数量大于光子最低阈值且小于光子最高阈值，则表示被测设备正常，否则表示设备存在高压放电现象；

作为优选，所述USB调试接口安装在所述巡检机器人机械臂上用于对现场有线数据进行读取，以及程序的调试、更新；

作为优选，所述实体按键安装在所述巡检机器人机械臂上用于重置、开启/关闭、校正现场传感器设备；

作为优选，所述无线通信模块安装在所述巡检机器人上用于组建无线局域网络，实现无线数据上传功能。

本实用新型具有如下优点：

智能化、自动化水平高，能有效提高状态检测工作效率；

能同时检测多个状态量，使用方便；

能在检测的同时进行运检数据校验，保证数据的准确性；

系统性能稳定，维护成本低。

附图说明

图1：为基于无线传感器的带电检测系统结构图。

图2：为带电检测系统设计框图。

图3：为智能无线传感器节点的结构组成图。

图4：为针对高压套管的射频局放检测示意图。

图5：为基于ARM的信号处理平台设计框图。

具体实施方式：

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述，应当理解，此处所描述的实施实例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的系统结构框图，如图1所示，一种基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于，包括：巡检机器人、外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪、数据处理单元、USB调试接口、实体按键、无线通信模块。

所述数据处理单元分别与所述的外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪依次电连接；所述数据处理单元分别与所述的USB调试接口、实体按键、无线通信模块依次电连接。

采用所述巡检机器人作为所述基于多种无线传感器的带电检测系统的载体，将所述的外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪、数据处理单元、USB调试接口、实体按键、无线通信模块集成在所述巡检机器人，从而进行带电检测、数据处理及通信交互。

所述巡检机器人型号为Gorgi移动机器人，其可搭配机械臂完成变电站带电检测工作；

所述外置式特高频传感器选型为PDS-620W传感器，安装在所述巡检机器人上，用于对设备非金属材料的地方进行检测局部放电产生的GIS内部横向电磁波的特高频模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

所述电流互感器选型为CT10P1开启式取电电流互感器，安装于所述巡检机器人机械臂上，用于检测带电设备二次接口处的电流模拟信号；

所述超声传感器选型为MA40EI型，安装在所述巡检机器人上，用于检测在设备内部放电时所产生并通过外壳向外传播的超声波模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

所述暂态地电压传感器选型为XD50xx，安装在所述巡检机器人机械臂上，便于在检测时紧贴在带电设备外壳上，用于获取暂态对地电压模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

所述红外测温仪选型为DL－500E，安装于所述巡检机器人机械臂触头上，用来监测触头的温度模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

所述紫外成像检测仪选型为手持式紫外成像仪Scalar，安装于所述巡检机器人机械臂上，用于采集放电时的光子数量，并传输至所述数据处理单元，光子数量用于评估放电的严重程度；

所述射频检测仪选型为SJY-5型，安装于所述巡检机器人上，用于采集射频干扰模拟信号，并传输至所述数据处理单元；

所述数据处理单元选型为ARM iMX257数据处理芯片，分别将特高频模拟信号、电流模拟信号、超声波模拟信号、暂态对地电压模拟信号、温度模拟信号、射频干扰模拟信号分别通过模数转换分别转换为特高频数字信号、电流数字信号、超声波数字信号、暂态对地电压数字信号、温度数字信号、射频干扰数字信号；

若特高频数字信号大于特高频最低阈值且小于特高频最高阈值，则表示被检测GIS设备正常，否则表示存在局部放电；

若电流数字信号大于电流最低阈值且小于电流最高阈值，则表示被检测设备状态正常，否则表示设备出现异常情况，若小于最低阈值则存在接触不良或断路的情况，若大于最高阈值则存在设备电路短路的情况；

若超声波数字信号小于超声波最高阈值，则表示被检测GIS设备正常，否则表示存在局部放电现象；

若暂态对地电压数字信号小于暂态对地电压最高阈值，则表示被检测的开关柜设备状态正常，否则表示存在局部放电现象；

若温度数字信号小于温度电压最高阈值，则表示被检测设备状态正常，否则表示设备存在局部放电导致的不同程度的热故障；

若射频干扰数字信号大于射频干扰最低阈值且小于射频干扰电压最高阈值，则表示被测设备正常，否则表示被测设备存在绝缘缺陷或局部放电情况；

若光子数量大于光子最低阈值且小于光子最高阈值，则表示被测设备正常，否则表示设备存在高压放电现象；

所述USB调试接口选型为microusb母座，用于现场有线数据读取，以及程序的调试、更新；

所述实体按键选型为TS-1109，用于重置、开启/关闭、校正现场传感器设备；

所述无线通信模块选型为USR-LTE-7S4，用于组建无线局域网络，实现无线数据上传功能。

下面结合图1至图5介绍本实用新型具体实施方式如下：

利用智能无线传感器技术，将无线传感器系统应用于变电站环境下带电检测应用场景中具体通过以下方法实现：

在电力设备工作现场，将该系统的各种类型的敏感元件构成的检测元件以及数据处理和通信交互模块，安装在所述巡检机器人载体上，在现场侧进行带电检测收集数据信息，然后，对收集到的数据信息进行分析和处理，并对监测结果进行综合评估。同时为满足系统高速无线通信功能与高精度时间同步功能，系统采用了供电能力与电源管理能力强的供电模块，以及在ARM平台上运行的实时嵌入式操作系统。除此之外，该系统从现场使用实用化角度出发，增加了最小可测放点量、工频电压相位同步等配置和功能，提高了设备定位精度。

图2为本系统的设计框图，本实用新型的具体工作过程为：

数据采集模块收集现场侧带电设备的运检数据，并交由数据处理单元对该数据进行处理，判断是否有设备异常发生。同时，数据处理单元上整合了量值溯源功能，能够对传感器模块进行校准，以实时验证采集到的数据的可靠性，并将校验后的信息发送至由USB调试接口、实体按键和无线通信模块组成的通信模块，以用于对信息进行交互。

其中基于无线传感器的带电检测装置，具体通过以下方法实现。

基于无线传感器的带电检测系统的核心为由传感器和数据处理模块组成的智能无线传感器(其核心为各种不同功能的传感器，后面简称为传感器)，智能无线传感器节点的结构组成如图3所示,包括传感器、检波器、AD转换、FPGA固件、Linux嵌入式平台、USB接口等模块。其采用了：低功耗传感/调理/采集技术、无线传感器节点供电技术、强电磁干扰情况下的无线传感器节点电磁兼容技术。

其中，无线智能传感器通过信号调理电路对采集到的信号进行滤波处理，剔除信号中混入的干扰，提高整个系统的抗干扰能力，同时将信号进行放大后利用FPGA+FIFO组成的硬件电路以A/D采样的速度同步高速采集，保障长时间连续采集信号数据，并完成Flash存储。同时，系统通过无线方式连接，在向Flash存储数据的同时同步进行数据协议转换，按照无线发射协议进行数据压缩、加密处理，并通过无线局域网对信号进行传输。检测装置终端在检测到发送过来的数据包后进行解码解压缩，将数据读取到终端的RAM中，通过软件调用相关数据进行分析计算。

其中，针对系统中的多种传感器组成的无线传感网络，具体通过以下方法实现：

传感器网络主要包括外置式特高频传感器、电流传感器、超声传感器、暂态地电压传感器；

其中，外置式特高频传感器只需要与设备非金属材料的地方进行接触即可检测到局部放电产生的在GIS内部以横向电磁波形式进行传播的特高频信号；

电流传感器可以通过检测电路电流来判断是否有设备异常发生；

利用接触式超声传感器可检测到在GIS设备内部出现放电时会产生并通过外壳向外传播的超声波信号，据此可以判断局部放电故障存在与否；

开关柜发生局部放电时，电场会在设备表面上形成间歇性变化的对地电流，进而形成向外辐射电磁波；向外辐射的电磁波经过金属外壳的间断处向外传播，将暂态地电压传感器贴在设备外部就可以获取一个暂态对地电压。

针对系统中的红外测温技术，具体通过以下方法实现：

红外测温技术是一种非接触式的温度检测方法，可以通过红外测温仪来对触头的温度进行监控。很多变电设备在发生故障时经常会伴随温度升高，红外测温技术是利用设备在不状态下的同温度特性，在设备处于运行的状态下进行检测，它具有实时性、准确性的特点。

针对系统中的紫外成像检测，具体通过以下方法实现：

高压设备在放电过程中,会产生光晕、电弧等,在电离过程中,有着明显的能量释放,出现声波、光波、紫外线等。紫外线成像检测仪是利用接收紫外线信号,形成图像之后,确定光晕的强度和位置。通常情况下,紫外成像检测仪通过放电时的光子数量确定放电的强度,以此为依据评估放电的严重程度。

针对系统中的高压套管检测，具体通过以下方法实现：

其检测示意图如图4所示，当被测设备存在绝缘缺陷并产生局部放电时，该设备将向空间发射电磁波信号，即射频干扰信号，射频检测器通过捕获这些射频干扰信号，并对其进行分析和处理，最终形成一个被测设备的局部放电缺陷状况的分析结论。

针对检测系统的故障定位功能，具体由以下方法实现：

基于无线声波发射传感器的故障定位装置的ARM嵌入式信号处理平台框图如图5所示。嵌入式ARM信号处理系统提供了高速信号采集接口，并通过FPGA对采集逻辑和时钟信号进行控制，将采集到的超声波信号进行数字处理后存储在平台内的FIFO存储器中，一旦FIFO内部的数据溢出，ARM处理器将控制FIFO的读写逻辑，将多余的信号转存到平台的SDRAM存储器中，以便通过USB等IO设备对数据进行读取。与此同时，ARM处理控制着USB通讯接口、无线发射端口、SD卡读写端口以及信号灯的亮灯逻辑，一旦采集到的超声波信号中包含有幅值信息，ARM处理器通过指令控制幅值信号灯显示对应的幅值强度，并将数据包传输至无线处理设备的端口上，通过无线设备将数据信号发送。

针对系统中的量值溯源功能，具体通过以下方法实现：

对于变电设备带电检测过程中，系统中各种传感检测装置存在的量值溯源链缺陷和校准技术不完善的关键问题，会导致检测数据与真实数据有偏差，系统数据处理模块通过引入量值溯源链及其校准技术，完善带电检测仪器的量值溯源体系，保证系统的各种检测仪器运检数据的准确和量值单位的统一，从而提高带电检测仪器测量数据的准确性及可靠性。

具体实现过程：在该系统中的数据处理单元的内部存储器flash建立量值溯源数据库，本地化存储量值溯源体系表，表中记录有测量仪器的计量特性与给定量的计量基准之间关系，并对给定量及其测量仪器所用的比较链进行量化说明，以此作为量值溯源性的证据。在接收到各种检测装置如特高频传感器检测到的信号后，针对其转化成的数字信号，数据处理器将其与量值溯源体系表内的标准数据进行对比，以校准各传感装置的偏移误差，以实时验证采集到的数据的可靠性。

尽管本说明书较多地尽管本说明书较多地使用了巡检机器人、外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪、数据处理单元、USB调试接口、实体按键、无线通信模块等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本实用新型专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本实用新型的保护范围之内，本实用新型的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于，包括：巡检机器人、外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪、数据处理单元、USB调试接口、实体按键、无线通信模块；

所述数据处理单元分别与所述的外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪依次电连接；所述数据处理单元分别与所述的USB调试接口、实体按键、无线通信模块依次电连接；

采用所述巡检机器人作为所述基于多种无线传感器的带电检测系统的载体，将所述的外置式特高频传感器、电流互感器、超声传感器、暂态地电压传感器、红外测温仪、紫外成像检测仪、射频检测仪、数据处理单元、USB调试接口、实体按键、无线通信模块集成在所述巡检机器人，从而进行带电检测、数据处理及通信交互。

2.根据权利要求1所述的基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于：所述外置式特高频传感器安装在所述巡检机器人上，用于对设备非金属材料的地方进行检测局部放电产生的GIS内部横向电磁波的特高频模拟信号，并传输至所述数据处理单元。

3.根据权利要求1所述的基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于：所述电流互感器安装于所述巡检机器人机械臂上，用于检测带电设备二次接口处的电流模拟信号。

4.根据权利要求1所述的基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于：所述超声传感器安装在所述巡检机器人上，用于检测在设备内部放电时所产生并通过外壳向外传播的超声波模拟信号，并传输至所述数据处理单元。

5.根据权利要求1所述的基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于：所述暂态地电压传感器安装在所述巡检机器人机械臂上，便于在检测时紧贴在带电设备外壳上，用于获取暂态对地电压模拟信号，并传输至所述数据处理单元。

6.根据权利要求1所述的基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于：所述红外测温仪安装于所述巡检机器人机械臂触头上，用来监测触头的温度模拟信号，并传输至所述数据处理单元。

7.根据权利要求1所述的基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于：所述紫外成像检测仪安装于所述巡检机器人机械臂上，用于采集放电时的光子数量，并传输至所述数据处理单元，光子数量用于评估放电的严重程度。

8.根据权利要求1所述的基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于：所述射频检测仪安装于所述巡检机器人上，用于采集射频干扰模拟信号，并传输至所述数据处理单元。

9.根据权利要求1所述的基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于：所述数据处理单元安装在所述巡检机器人内部，分别将特高频模拟信号、电流模拟信号、超声波模拟信号、暂态对地电压模拟信号、温度模拟信号、射频干扰模拟信号分别通过模数转换分别转换为特高频数字信号、电流数字信号、超声波数字信号、暂态对地电压数字信号、温度数字信号、射频干扰数字信号；若特高频数字信号大于特高频最低阈值且小于特高频最高阈值，则表示被检测GIS设备正常，否则表示存在局部放电；若电流数字信号大于电流最低阈值且小于电流最高阈值，则表示被检测设备状态正常，否则表示设备出现异常情况，若小于最低阈值则存在接触不良或断路的情况，若大于最高阈值则存在设备电路短路的情况；若超声波数字信号小于超声波最高阈值，则表示被检测GIS设备正常，否则表示存在局部放电现象；若暂态对地电压数字信号小于暂态对地电压最高阈值，则表示被检测的开关柜设备状态正常，否则表示存在局部放电现象；若温度数字信号小于温度电压最高阈值，则表示被检测设备状态正常，否则表示设备存在局部放电导致的不同程度的热故障；若射频干扰数字信号大于射频干扰最低阈值且小于射频干扰电压最高阈值，则表示被测设备正常，否则表示被测设备存在绝缘缺陷或局部放电情况；若光子数量大于光子最低阈值且小于光子最高阈值，则表示被测设备正常，否则表示设备存在高压放电现象。

10.根据权利要求1所述的基于多种无线传感器的带电检测系统，其特征在于：所述USB调试接口安装在所述巡检机器人机械臂上用于对现场有线数据进行读取，以及程序的调试、更新；所述实体按键安装在所述巡检机器人机械臂上用于重置、开启/关闭、校正现场传感器设备；所述无线通信模块安装在所述巡检机器人上用于组建无线局域网络，实现无线数据上传功能。

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