基于无线网络的开关柜局部放电超声检测装置

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基于无线网络的开关柜局部放电超声检测装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及局部放电超声检测，具体讲涉及基于无线网络的开关柜局部放电超声检测装置。\n背景技术\n[0002] 电力是生产发展和社会变革最重要的技术基础，随着我国经济的飞速发展，电力行业、供电及用电企业自动化建设和改造在不断发展完善，电力设备的电压等级也在不断提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要求。\n[0003] 开关柜是电力系统中非常重要的电气设备，现代电力系统对电能质量的要求越来越高，相应地对开关柜的可靠性也提出了更高的要求。开关柜的运行状态对电力系统的可靠性具有重大影响。开关柜发生故障，直接的危害是被电器设备所保护的线路、设备受损，电量损失；间接的危害则是造成用户大面积停电。为确保供电的可靠性，电力部门采取定期试验和检修的办法来保证开关柜正常运行。然而，定期检修增加了电力设备的运行费用和停电时间，甚至于增加了设备的故障率，并且在检修的间隔还是有故障发生。因此，迫切需要对开关柜实行状态检修，对设备运行状况进行实时和定时的在线监测，根据设备的运行状态和绝缘的劣化程度，确定检修时间和措施，减少停电时间和事故的发生，提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。同时，随着传感器技术、信号处理技术、计算机技术、人工智能技术的发展，使得对开关柜的运行状态进行在线监测，及时发现故障隐患并对累计性故障做出预测成为可能。\n[0004] 要进行状态检修对设备实行在线检测，必须对故障的类型特点进行分析，从而确定监测的项目。由于开关柜是多个电气设备的组合，其内部涉及电、磁、温度等多种物理现象，故障的表现形式和产生机理千差万别，因此要对开关柜进行在线监测并做出较准确的故障判断乃至故障预测，必须了解开关柜的工作特性和故障特点。开关柜具有元件、状态的多样性以及故障的随机性和模糊性。元件的多样性，导致了故障形式的多样性，开关柜内存在多个电气元件，不同的元件有不同的故障表现。例如，对于母线，其故障表现为连接处的接触电阻过大，从而引起异常升温；对于绝缘拉杆，其故障表现为绝缘性能下降。故障形式的多样性给传感器的选择带来了困难，所选传感器的类型、性能、数量和安装部位将直接关系到诊断的可信度。开关柜状态的多样性是指在不同的应用场合，开关柜的工作状态有很大差别。例如对于其中的断路器而言，有些断路器需要频繁接通与分断，而有些断路器则在投运后几乎不动作；有些在寿命期限内要多次开断短路电流，而有的则一次都不用开断。这种工作状态上的差异性给断路器的在线监测和故障诊断带来了困难。例如，通过断路器动触头的行程曲线，可以获知断路器操动机构的运行情况，但如果断路器投运后，长期不执行分断关合动作，则无法获取行程曲线。开关柜故障发生的随机性和模糊性反映在开关柜的状态变量与故障特征变量之间存在复杂的时变非线性映射关系：电气设备的故障不仅取决于设备的当前状态，还跟它的历史状态有关系，即同一种故障可能是由不相关的多种原因造成的，而同一种原因又可能造成不同的故障；对于同样的状态参数，故障可能发生也可能不发生，故障的严重程度也会有差别。\n[0005] 综合考虑开关柜的上述工作特性和故障特点，开关柜状态检修主要监测的项目有温度监测、电量监测、振动监测、局部放电(PD-Partial Discgarge)监测等。其中的温度监测、电量检测和振动监测以发展到具有应用推广、功能比较全面的阶段。国外自50年代以来，围绕局部放电监测技术已经展开了大量的研究工作，已成功地将多种技术应用于变压器的局部放电检测中，它们是中性点耦合监测、射频监测、PDA监测等。而国内在局放在线监测方面的研究起步较晚，发展也较慢。到目前虽已有多套局部放电在线监测系统投入使用，但理论仍很不完善，还有很多亟待解决的难题。\n[0006] 开关柜内部绝缘部分的缺陷或劣化、导电连接部分的接触不良，都会使安全运行受到威胁。根据1989～1992年间全国电力系统6～10kV开关柜事故统计，绝缘和载流引起的故障占总数的40.2％，其中由于绝缘部分的闪络造成的事故占绝缘事故总数的79.0％。\n而由于隔离插头接触不良造成的事故占载流事故总数的71.1％。可见，由绝缘和接触不良导致的故障所占比率是很高的，宜采取适当的方法进行监测。在上述情况下，很多绝缘缺陷在逐步发展，最终形成介质击穿，在事故潜伏期都会出现局部放电不断发展和增强的现象，故通过对开关柜PD信号的在线监测，进行故障诊断，对防止事故的发生和实现状态检修具有重要意义。从技术上讲，目前国内研制的局部放电在线监测系统可以分为窄带和宽带系统。窄带系统只对局放后期严重的火花放电比较敏感，并且不能区分放电信号的来源。宽带系统，带宽越宽采集的局放信息越丰富，但对系统的要求也越高：一方面要求有较高的采样率和数字处能力，另一方面干扰的鉴别也是关键。现有的局放监测系统，无论采用哪一种方法，都不能实现开关柜内局放源精确定位。现行的局部放电测量与评定标准只是对电气设备的总体评估，其测量值受局放源在设备内的位置影响很大。只有在已知局放位置的条件下，设备绝缘的总体评估才具有更高的可信度和实际价值，因而局放源的准确定位非常重要，对局部放电定位方法的研究具有重要的科学意义和实用价值。\n[0007] 目前，局放源的定位方法主要有电气定位法、超声波定位法和射频超声波联合定位法。这些方法都有一定的优点，但在理论上仍无法解决多点定位问题。\n[0008] 此外，现有的局放定位方法，无论是电气定位法，还是超声波定位法和射频超声波联合定位法，均需要将各传感器提供的信号通过相应的有线电缆传输至数据处理中心。使用这种有线传感器存在诸多缺点：①由于开关柜内需要定位的监测点数较多，需要在开关柜内安装多个传感器，大量电缆引出非常困难，不但增加了布线成本，还有可能造成开关柜绝缘损坏；②随着时间的推移，开关柜内的部分传感器不可避免的会发生老化或出现故障，这会导致监测参数的损失；③一般监测系统设计完后，增加、调整传感器比较困难，传感器配置的改变有可能需要修改系统软件源程序。有线传感器的这些缺点限制了开关柜状态监测的发展。\n发明内容\n[0009] 为克服现有技术的不足，提供一种基于无线网络的开关柜局部放电超声检测装置，其通过在线超声波局部放电检测，可随时监测运行的开关柜内局部放电水平的变化状态，并通过无线网络传输至上位机，进而从多个角度描述开关柜局部放电特征的装置。为达上述目的，本发明采取的技术方案是，基于无线网络的开关柜局部放电超声检测装置，结构为：安装在开关柜上的传感器节点经放置在开关柜外的中继路由器与协调器节点以树状拓扑结构构成监测网络；传感器节点由超声传感器、模拟前端滤波放大电路、A/D转换器、传感器节点微控器MCU模块和传感器节点无线射频模块构成，超声传感器采集开关柜内发生局部放电时生成的超声信号并经模拟前端滤波放大电路、A/D转换器传送到传感器节点微控器MCU模块，传感器节点微控器MCU模块和传感器节点无线射频模块构成传感器节点ZigBee模块；协调器节点由依次相连的协调器无线射频模块、协调器微控器MCU模块和协调器GPRS模块构成，协调器无线射频模块和协调器微控器MCU模块构成协调器节点ZigBee模块；协调器GPRS模块与远程监控中心GPRS模块相互通信，远程监控中心GPRS模块通过串口与远程监控中心计算机相连。\n[0010] 模拟前端滤波放大电路由以运算放大器为核心的三级滤波放大电路和二极管的倍压稳流电路组成，三级滤波放大电路每级的输出连接到下一级运算放大器的反相输入端，自第一级运算放大器的反相输入端进行输入，最后一级滤波放大电路经倍压稳流电路输出。\n[0011] 本发明具有以下技术效果\n[0012] (1)超声传感器直接安置于接地的开关柜外壳上，解决目前局部放电在线监测中所用传感器灵敏度低、干扰严重的缺点；能在开关柜外壳上安置为数众多的传感器，并将这些传感器组成网络，各个传感器节点互相协作共同完成多位置的数据采集任务，实现开关柜内多部位的局部放电监测和定位信息采集。\n[0013] (2)超声传感器与处理终端之间采用无线传输方式，与高电压设备之间有很好的隔离，使设备和测量人员的安全可以得到保证；同时，不存在在线结果与离线结果的等效性问题。\n[0014] (3)无线传感器网络节点允许有一定的故障率，一旦有传感器失效，网络将自动重新组网，从而使监测系统能够不间断地工作。\n[0015] (4)网络节点有一定的计算能力和存储能力。可以对数据进行预处理，这是传统传感器网络无法实现的。一方面可减少传输的数据量，节省节点能量，延长网络寿命；另一方面，传输给数据处理中心的数据量大大减少。\n[0016] (5)网络的部分节点可以移动，拓扑结构具有动态性。由于传感器节点在工作和睡眠状态之间切换，或者部分传感器节点的移动，以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，这些都使得无线传感器网络的拓扑结构变化很快，无线传感器网络可通过协议来适应网络拓扑结构的这种动态性。\n[0017] (6)自主研发的上位机分析软件功能强大，包含数据库和分析模块，可查阅历史信息并从各个角度分析局部放电特征，并进行模式识别。\n[0018] (7)完全数字化显示，界面更直观、简洁，功能全面。\n附图说明\n[0019] 图1是本发明的模拟前端滤波放大电路图。\n[0020] 图2是本发明的原理图。\n具体实施方式\n[0021] 为了克服现有开关柜局部放电检测技术的上述缺点，本发明提供一种基于无线网络的开关柜局部放电超声检测系统，即利用超声传感器及其无线传感器网络技术，对开关柜内局部放电进行在线监测和定位。本发明要解决的技术问题及目标如下：\n[0022] (1)局部放电发生时会产生超声波，由于超声波检测具有灵敏度高和抗干扰能力强的特点，对超声检测法的研究相当热门，但一般都是将超声传感器置于设备外部远离局部放电源的位置，超声波在传播途径中衰减、畸变严重，使之无法实际使用。因此，首先必须研究局部放电超声波信号的特征及其在开关柜内的传播特性，确定局部放电超声波检测法的特征量，以确定超声传感器的放置位置及其传输特性和性能参数。\n[0023] (2)研究采集到的局部放电信息的分离、滤波方法及其硬件配置，实现监测节点信息预处理和特征量提取。\n[0024] (3)无线传感器网络中，节点的分布以及网络拓扑的获取是提高网络性能的有效途径，对于提高网络的感知能力和生存能力具有重要意义。因此，需建立无线传感器网络节点分布优化算法模型，获得特性好的网络拓扑。\n[0025] (4)传感器节点必须明确自身位置才能详细说明在什么位置或区域发生了特定事件，因此要研究无线传感器网络节点的识别方法，以及节点与监测点空间位置映射或对准方法，实现开关柜局部放电源定位。\n[0026] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于无线网络的开关柜局部放电超声检测系统，即一种基于新兴的ZigBee技术的无线局放检测系统，并利用成熟的GPRS网络实现开关柜局部放电的实时、动态监测。本发明的特征在于它是由ZigBee无线传感器网络、GPRS网络和监控中心三部分组成。\n[0027] ZigBee是一组新兴的基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术。在ZigBee协议5层体系结构中，位于底层的物理层和MAC层由IEEE802.15.4的任务小组定义；ZigBee联盟定义了网络层、安全层、应用层以及各种应用产品的资料。与其他无线通信技术相比，ZigBee具有可靠、功耗低、时延短、成本低、网络容量大、安全、工作频段灵活且免执照等优点。ZigBee技术所拥有的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率的特点，尤其适合于自动控制和远程控制领域，可方便地嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee网络中定义了两种类型的设备即全功能设备(Full Function Device，FFD)和简化功能设备(Reduced Function Device，RFD)。RFD设备只能发送和接收信号，没有转发和路由功能。而FFD设备具有转发和路由功能。根据不同的应用需求，ZigBee可以提供点对点连接、星形网络、树状网络、网状网络4种无线网络拓扑结构。\n其中，点对点(Point-To-Point)连接很多时候被称为无线网桥，一条点对点连接可以替换一条通信用电缆。星形网络(Star Network)结构简单，每个ZigBee星形网络都是有多个节点组成，众多节点中至少有一个server(FDF/coordinator)和若干个client(RFD)，client和server在网络中有不同的分工：Client的功能是发送请求，然后接收回复；server的功能是接受请求，然后发送回复。星形网络的进一步扩展便出现了树状网络(Cluster-Tree Network)，由于节点数量的增加，单独一个星形网络可能无法覆盖所有的节点，于是出现了若干个星形网络共同存在的情况，各个星形网络之间通过路由器(Router)节点连接，被连接起来的若干个星形网络构成了树状网络。在ZigBee树状拓扑结构中，有三种网络拓扑节点，他们分别是：传感器节点RFD、路由器节点Router、协调器节点Coordinator。与星形网络相比，树状结构网络多出一个Router节点。有些传感器节点，由于距离协调器节点太远，超出了协调器节点的无线覆盖范围，这样由于距离的原因这些传感器节点与协调器节点无法进行连接。路由器节点的功能就是解决上述这些问题，路由器节点位于传感器节点与协调器节点之间，起到中继的作用，离协调器节点距离遥远无法加入协调器网络的传感器节点可以通过加入路由器节点的方式间接地加入到协调器网络中。相对于星形网络，树状网络覆盖的物理范围更大，容纳的网络子节点数量更多。无线传感器网络的网络拓扑结构中，最复杂的拓扑结构也是最终目标是网状网络(Mesh Network)，在这种结构中，节点与节点之间的结构是“point-to-point-to-point”结构，或者被称为peer-to-peer系统。\n[0028] GPRS是通用分组无线服务(General Packet Radio Service)的缩写，是在GSM全球移动通信系统网络基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛。随着中国移动GPRS网络建设的日趋成熟，地区的覆盖率超过90％，GPRS信号基本上达到了无盲区覆盖。GPRS属于分组交换技术，具有实时在线、按流量计费、快捷登陆、传输速率高、支持IP协议和X.25协议等特点。\n[0029] 本发明中，ZigBee无线传感器网络是以安装在开关柜上的传感器节点、放置在开关柜外的路由器节点和协调器节点以树状拓扑结构构成监测网络。其中，传感器节点由超声传感器、模拟前端滤波放大电路、微控器(MCU)模块和无线射频模块等组成，整个节点由电池组供电，在整个工作周期内无其他能源补给；协调器节点包括无线射频、微控器和GPRS模块，电源为市电供电。\n[0030] 超声传感器和模拟前端滤波放大电路构成超声测量模块。其中，超声传感器选取中心频率为40kHz的压电式防水型超声传感器40RS/UT180，利用传感器本身的选频特性可以减少电路的复杂程度。模拟前端滤波放大模块由以TI公司生产的MC3403运算放大器为核心的三级滤波放大电路和二极管的倍压稳流电路等组成，对信号进行放大和滤波处理，以减少由于存在空气传播介质造成严重的界面衰减所带来的误差，以及抵抗各种环境噪声的干扰。\n[0031] 微控器(MCU)模块和无线射频模块构成ZigBee模块。综合考虑体积、功耗、成本、软硬件开发简单方便等因素，传感器节点和协调器节点中ZigBee模块采用Nordic VLSI公司于2004年推出的系统级无线射频收发芯片nRF9E5，其组成主要有内置8051兼容微控制器(MCU)、nRF905 433/868/915MHz射频收发器与一个四通道A/D转换器。nRF9E5芯片中兼容的8051微控器足够存放ZigBee的协议栈并运行简单的应用程序，能够很好地支持高实时性的无线射频模块；它可通过A/D转换器与多个超声测量模块连接，对现场运行的开关柜进行多点超声信号数据采集，提高数据准确性。nRF9E5使用ShockBurst技术，进行高速的数据传输，与射频数据相关的协议由片内的nRF905收发器自动处理。nRF9E5利用SPI接口与nRF905收发器进行数据传输，数据传输的功率、速度等可以通过SPI接口编程配置，其无线数据传输速度可达100kbps，最大通讯距离500m。nRF9E5具有功耗低、通信距离远、兼容性好、数据传输稳定性高等优点。\n[0032] 本发明利用超声传感器40RS/UT180贴在接地的开关柜外壳上进行检测，当开关柜内发生局部放电时，超声传感器采集环境中的超声信号，并将其转化为电信号，再经模拟前端滤波放大电路处理好的回波信号送到子站nRF9E5。在子站nRF9E5中，接收到的电信号首先经由A/D转换器进行模数转换采样，从而获得被检测环境中的超声信号量；再由MCU模块进行识别处理，并换算成对应的数字信号，并将其与试验中实际测量的信号数值进行比对，以标定环境中采集到的超声波信号的实际强度；之后，nRF905 433/868/915MHz射频收发器将采集到的数字信号无线传输至中继路由器。子站nRF9E5主要负责控制采集超声局部放电数据，以及通过中继路由器与主站nRF9E5进行无线电通讯上传数据或者接收主站的控制命令。中继路由器将数据无线发送至主站nRF9E5。在主站nRF9E5中，首先由nRF905射频收发器接收子站nRF9E5定时采集的开关柜超声局部放电数据，再由MCU模块进行识别处理。主站nRF9E5通过RS-232串口与GPRS模块相连，负责与开关柜中的超声局部放电系统建立数据传输通道，通常情况下接收子站nRF9E5定时采集的开关柜超声局部放电数据并转送给GPRS模块，GPRS模块通过RS-232串口与监控中心相连，通过GPRS网络将数据传送到远程监控中心；另一方面监控中心也可以使用主动方式发送超声局部放电采集命令给GPRS模块，然后经主站nRF9E5下传给超声局部放电采集系统的子站nRF9E5。监控中心提供基于VB开发的开关柜超声局部放电监测、分析软件，软件集成了数据配置、数据采集、数据监控及后台管理功能。数据传输至监控中心之后，经过分析、统计计算出局部放电的特征量，辨别局部放电的特性：分别绘制多种表达不同局部放电特征的局部放电量的相位分布图，放电量分布图，放电次数的相位分布图以及它们的暂态变化，并进行模式识别。\n[0033] 下面结合附图进一步详细说明本发明。\n[0034] 如图2所示，本发明的主要目的在于通过在线超声波局部放电检测，实现实时检测运行的开关柜内局部放电水平的状态变化，从多个角度描述开关柜局部放电特征，研究开关柜内部绝缘部分的介电性能。本发明的目的可以通过以下措施来达到：提供一种基于无线网络的开关柜局部放电超声检测系统，即一种基于新兴的ZigBee技术的无线局放检测系统，并利用成熟的GPRS网络实现开关柜局部放电的实时、动态监测。本发明的特征在于它是由ZigBee无线传感器网络、GPRS网络和监控中心三部分组成。\n[0035] ZigBee无线传感器网络是以安装在开关柜上的传感器节点、放置在开关柜外的路由器节点和协调器节点以树状拓扑结构构成监测网络。其中，传感器节点由超声传感器、模拟前端滤波放大电路、微控器(MCU)模块和无线射频模块等组成，整个节点由电池组供电，在整个工作周期内无其他能源补给；协调器节点包括无线射频、微控器和GPRS模块，电源为市电供电。\n[0036] 超声传感器和模拟前端滤波放大电路构成超声测量模块。其中，超声传感器选取中心频率为40kHz的压电式防水型超声传感器40RS/UT180，利用传感器本身的选频特性可以减少电路的复杂程度。模拟前端滤波放大电路由以TI公司生产的MC3403运算放大器为核心的三级滤波放大电路和二极管的倍压稳流电路等组成，对信号进行放大和滤波处理，以减少由于存在空气传播介质造成严重的界面衰减所带来的误差，以及抵抗各种环境噪声的干扰，如图1所示。\n[0037] 微控器(MCU)模块和无线射频模块构成ZigBee模块。综合考虑体积、功耗、成本、软硬件开发简单方便等因素，传感器节点和协调器节点中ZigBee模块采用Nordic VLSI公司于2004年推出的系统级无线射频收发芯片nRF9E5，其组成主要有内置8051兼容微控制器(MCU)、nRF905 433/868/915MHz射频收发器与一个四通道A/D转换器。nRF9E5芯片中兼容的8051微控器足够存放ZigBee的协议栈并运行简单的应用程序，能够很好地支持高实时性的无线射频模块；它可通过A/D转换器与多个超声测量模块连接，对现场运行的开关柜进行多点超声信号数据采集，提高数据准确性。nRF9E5使用ShockBurst技术，进行高速的数据传输，与射频数据相关的协议由片内的nRF905收发器自动处理。nRF9E5利用SPI接口与nRF905收发器进行数据传输，数据传输的功率、速度等可以通过SPI接口编程配置，其无线数据传输速度可达100kbps，最大通讯距离500m。nRF9E5具有功耗低、通信距离远、兼容性好、数据传输稳定性高等优点。\n[0038] 本发明利用超声传感器40RS/UT180贴在接地的开关柜外壳上进行检测，当开关柜内发生局部放电时，超声传感器采集环境中的超声信号，并将其转化为电信号，再经模拟前端滤波放大电路处理好的回波信号送到子站nRF9E5。在子站nRF9E5中，接收到的电信号首先经由A/D转换器进行模数转换采样，从而获得被检测环境中的超声信号量；再由MCU模块进行识别处理，并换算成对应的数字信号，并将其与试验中实际测量的信号数值进行比对，以标定环境中采集到的超声波信号的实际强度；之后，nRF905 433/868/915MHz射频收发器将采集到的数字信号无线传输至中继路由器。子站nRF9E5主要负责控制采集超声局部放电数据，以及通过中继路由器与主站nRF9E5进行无线电通讯上传数据或者接收主站的控制命令。中继路由器将数据无线发送至主站nRF9E5。在主站nRF9E5中，首先由nRF905射频收发器接收子站nRF9E5定时采集的开关柜超声局部放电数据，再由MCU模块进行识别处理。主站nRF9E5通过RS-232串口与GPRS模块相连，负责与开关柜中的超声局部放电系统建立数据传输通道，通常情况下接收子站nRF9E5定时采集的开关柜超声局部放电数据并转送给GPRS模块，通过GPRS网络将数据传送到远程监控中心；另一方面监控中心也可以使用主动方式发送超声局部放电采集命令给GPRS模块，然后经主站nRF9E5下传给超声局部放电采集系统的子站nRF9E5。监控中心提供基于VB开发的开关柜超声局部放电监测、分析软件，软件集成了数据配置、数据采集、数据监控及后台管理功能。数据传输至监控中心之后，经过分析、统计计算出局部放电的特征量，辨别局部放电的特性：分别绘制多种表达不同局部放电特征的局部放电量的相位分布图，放电量分布图，放电次数的相位分布图以及它们的暂态变化，并进行模式识别。