配网开关柜智能监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种配网开关柜智能监测系统，系统基于超高频局部放电检测技术、温度监测技术，采用内嵌式安装技术对开关站内设备的运行状态进行智能化监测。有效解决开关站柜内环境温度和设备绝缘状态的实时监测问题。实时地传输设备绝缘状态数据，能实时监测开关柜内部电缆终端、母排及开关开断装置等由于绝缘缺陷或绝缘老化产生的局部放电、实时监测配网柜内部绝缘缺陷的发展趋势、运行状态并对将发展成为严重的绝缘缺陷或故障及早发现并提前预警,该系统的投运可以大大提高了开关站的安全运行水平和智能化管理水平；有效地避免因设备绝缘缺陷发生的重大停电和火灾事故，变定期检测为状态检修。提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。
【专利说明】配网开关柜智能监测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种配电网中开关柜状态检修时用监测技术，特别是一种配网开关柜智能监测系统。
【背景技术】
[0002]在配电系统中，由于线路分支较多，运行方式复杂，负荷突变频繁和新老设备混杂，供电的可靠性受到较大影响。因此，在配网系统中需要对设备进行监测，以防止设备老化、绝缘下降等问题，避免导致设备损坏、中断供电。
[0003]配网开关柜传统的监测技术主要包括人工线路巡视、试验及其他检测技术，传统的技术手段主要是在设备停电时依靠耐压试验进行绝缘性能检查，耐压试验可以发现比较大的绝缘缺陷，但是通过耐压试验后的开关柜仍然存在发生事故的可能性，这是因为一些微小的缺陷不能单纯的被耐压试验所发现。同时，由于配网开关柜的预防性试验周期时间间隔是3-6年，对于两次预防性试验时间间隔之间的绝缘缺陷却是无能为力。
[0004]而目前的人工线路巡检的方式，只能对触头等连接部分发热情况定期用红外热像仪、测温仪或示温贴片等对设备进行离线式监视，该方法只能测量露在外面的接点温度，对存在的放电、绝缘等事故隐患均无能为力，而金属封闭式开关柜内则没有办法监测。而且，由于配网开关柜为封闭式设备，且外壳具有屏蔽作用，因此一些带电检测技术，如红外、紫外技术等，测量的效果就比较差。由此，现有技术的配网开关柜只能采用定期、停电的检修方式。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种能够有效监测配网开关柜内状态、隐患、实现实时状态检修的配网开关柜智能监测系统。
[0006]本发明的目的是通过以下途径来实现的:
配网开关柜智能监测系统，其要点在于，包括如下组成:
O数据采集单元、控制箱和主站数据处理系统；其中:数据采集单元由安装在各个开关柜中的各类内嵌式检测器组成，包括有超高频传感局放监测单元和温度传感单元；数据采集单元的信号输出端通过数据电缆与控制箱连接，控制箱安装在配网站房内，通过无线网络将数据传送到主站数据处理系统中；
2)所述的超高频传感局放监测单元安装在开关柜内部的下层，当开关柜内部出现绝缘故障并发生局部放电时，能激励起IGHz以上的超高频电磁信号，超高频传感局放监测单元接收该电磁信号，并进行处理转换，然后通过数据电缆传送到控制箱；
3)所述温度传感单元则分别安装在开关柜内部的上层、中层和下层；温度传感单元采集开关柜内部的温度数据，并通过数据电缆传送到控制箱；
4)控制箱收集所有数据采集单元的测量数据，并根据数据类别进行一一判定，当数据超过其对应类别所设定的阀值时，生成报警数据，并将超过阀值的传感单元测量数据和处理后的报警数据通过无线网络传送给主站数据处理系统中；
5)主站数据处理系统通过解析控制箱传送过来的监测数据包，提取其中的异常信息，绘制监测实时曲线或者存储数据记录，发出告警信号。
[0007]本发明所述的配网开关柜是指:主要由母线、高压断路器开关、电抗器线圈、互感器、电力电容器、避雷器、高压熔断器、二次设备及必要的其他辅助设备所组成。所有这些设备，以开关柜的形式整合在一起，开光柜的结构大体类似，主要分为母线室、断路器室、二次控制室、馈线室，各室之间一般有钢板隔离内部元件包括:母线、断路器、常规继电器、综合继电保护装置、计量仪表、隔离刀、指示灯、接地刀等。
[0008]局部放电是所有绝缘事故的根源，电气产品的故障与绝缘的老化和损坏关系密切。而绝缘的老化和损坏在电压的作用下，最终都因局部放电而产生故障。所以电气设备的绝缘检测尤其是局部放电的检测是非常重要的手段之一，绝缘发生局部放电时，会伴随有电磁波、声、光、热等现象发生，可以根据对应的现象选用传感器收集信号进行分析和判断处理。这种的局部放电检测方法目前用于开放式的绝缘事故检测，这是因为局部放电检测需要考虑电磁波的辐射特性，必须在较好的环境条件下实现，不能受到太多干扰，目前在电力系统中局部放电特性是衡量电力变压器绝缘系统质量的重要指标，在出厂试验中每台都要做局部放电试验。变压器在安装后，交接试验中，在运行中发现油中含气量超标时，一般也要做局部放电试验。
[0009]而在配网开关柜中，由于电力设备的集成并整合在一个柜体内部，并采用具有屏蔽效果的封闭型柜体，因此柜内的电磁环境复杂，干扰条件太多，不具备置放敏感元件——传感器进行实时测量。这样的情况下，本领域的技术人员完全不会考虑将传感器放置在配网开关柜中，以至于在此之前的相当长时间都不会出现将超高频传感局放监测单元应用于屏蔽的、封闭式的配网开关柜中，从而也形成了技术偏见。本发明的发明人正是克服了该技术偏见，将局放检测技术应用于屏蔽的、封闭式的配网开关柜中，其原因在于，当开关柜内部发生局部放电时，能激励起IGHz以上的超高频电磁信号(UHF)。开关柜柜体本身为金属材料，其屏蔽效果能够使柜内环境对外界的干扰信号有一定的抑制效果，其封闭式结构正好能够使得超高频电磁波信号在开关柜内部传播时衰减较�。匾氖荱HF信号在柜内能够得到反射加强，因此即使柜内电磁环境复杂，依然可以方便地用采用内嵌式安装技术的超高频传感局放监测单元接收到。从而实现了对配网开关柜内部实时状态的检测，有效监测配网开关柜运行情况，能够及时发现隐患，并及时处理，有效地避免因设备绝缘缺陷发生的重大停电和火灾事故，变定期检测为状态检修。提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。
[0010]同样的，当开关柜内的温度过高时，对柜内设备运行具有一定的危险性，会加速开关柜内设备的老化速度；过高的温度也可能是由发生故障的设备导致的。监测开关柜内的温度可以及时发现设备运行环境的恶劣程度，也可以及时发现可能发生故障的设备。常规的温度传感器采用红外、紫外等非接触式的测量技术，测量效果差，本发明在开关柜内的上、中、下层分别安装内嵌式温度传感器，用来监测开关柜内的温度变化。当开关柜内的电力设备出现过热故障时，由于热空气会向上扩散，放置在顶部的温度传感器会感知开关柜内部异常的温度变化，当温度超过预设阀值时，产生相应的报警信号。
[0011]本发明可以进一步具体为: 所述的超高频传感局放监测单元包括有特高频传感器、特高频信号传输同轴电缆、窄带滤波器、特高频信号放大器、本振信号发生器、混频器和特高频混频信号采集单元，特高频传感器、窄带滤波器、特高频信号放大器、本振信号发生器依序连接，并最后通过特高频信号传输同轴电缆连接到控制箱；另外，特高频混频信号采集单元与混频器连接，混频器的输出端连接到窄带滤波器中。
[0012]由于开关柜内环境较为复杂，为了确保能够得到局部放电的信号，超高频传感局放监测单元除了采用常规的特高频局放传感器外，还设置了特高频混频器，特高频局放传感器一般采集特高频率部分的UHF，而特高频混频器则可以获得更款范围频率的UHF，当二者同时采集到信号，则以特高频局放传感器为先，进行滤波、放大等处理后，通过特高频信号传输同轴电缆连接到控制箱。
[0013]控制箱中设置有基于分布式实时在线监测和远程监控技术的智能化分析系统，其根据设定的通信规约与数据采集单元进行通信，接收数据或下发指令；显示来自数据采集单元的信息，包括位置信息、测量数据和事件报警。
[0014]这样，智能化分析系统还可以为用户提供可靠、直观、方便的人机界面，使用户能够掌握开关柜工作状态的实时数据和报警状况。实现各通信单元运行状态的监视:实现24小时实时数据监控、故障隐患精确定位、远程告警等功能，通过隐患的及早发现、及早处理，将故障隐患消除在萌芽状态。报警信息可直接通过短信形式发送预警设备的运维负责人。
[0015]所述基于分布式实时在线监测和远程监控技术的智能化分析系统设置了一个从I分钟到160分钟的可调整的的时间窗口和一个可调整的温度上限阈值，对采集到的温度数据取I分钟内的平均值，和设定的阈值进行比较，在设定的时间段中连续采集到超过温度上限阈值的温度时，系统发出告警信息。
[0016]开关柜的内部温度在长期运行过程中，会随着春夏秋冬或每天早晚的变化，会有较大的波动范围，当有事故隐患如开关柜触头接触不良造成的温度上升时，传感器会检测到远高于环境温度的异常温度数据，并会持续相当长的时间，温度的告警策略即基于此特征进行上述设置。
[0017]所述基于分布式实时在线监测和远程监控技术的智能化分析系统设置了一个从I分钟到48小时的可调整的时间窗口和一个可调整的放电数据上限阈值，对采集到的放电数据I分钟内的均值后，和设定的放电数据上限阈值进行比较，在设定的时间段中连续采集到的放电数据超过放电数据上限阈值时，系统发出告警信息。
[0018]超高频传感器检测开关柜设备的内部局放情况，开关柜内部绝缘存在缺陷时，局放发生时，传感器会检测到远高于环境噪声的异常局部放电数据，异常值可高于环境噪声百倍以上，并会持续增强，超高频的告警策略即基于此特征，由于该隐患发展较慢，智能分析系统设计了一个较宽的可调整时间范围，用户可以根据设备的特点设定上限阈值和统计时间段，在此时间段中采集到超过阈值的放电数据达到设定的告警比例时，系统发出告警信息。
[0019]控制箱与主站数据处理系统之间的无线网络采取中国移动的GPRS或中国电信CDMA的无线网络，按照机柜号进行数据通信方式，一次通信完成一个机柜所有传感器数据，通信采取应答方式传输数据，数据包自带时间标签，标记采集时间信息。
[0020]综上所述，本发明提供了一种配网开关柜智能监测系统，系统基于超高频局部放电检测技术、温度监测技术、TCP/IP，GPRS和局域网信号传输技术，采用内嵌式安装技术对开关站内设备的运行状态进行智能化监测。有效解决开关站柜内环境温度和设备绝缘状态的实时监测问题。实时地传输设备绝缘状态数据，能实时监测开关柜内部电缆终端、母排及开关开断装置等由于绝缘缺陷或绝缘老化产生的局部放电、实时监测配网柜内部绝缘缺陷的发展趋势、运行状态并对将发展成为严重的绝缘缺陷或故障及早发现并提前预警，该系统的投运可以大大提高了开关站的安全运行水平和智能化管理水平；有效地避免因设备绝缘缺陷发生的重大停电和火灾事故，变定期检测为状态检修。提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。
【具体实施方式】
[0021]最佳实施例:
配网开关柜智能监测系统，包括如下组成:
1、系统组成:系统由数据采集单元(主要含UHF局放传感器、温度传感器)、控制箱、主站数据处理系统组成。
[0022]2、数据采集单元主要由安装在各个开关柜中的不同种类内嵌式检测器组成: 超高频(UHF)传感局放监测单元:数据每个开关柜内部结构分上中下三层。下层为电缆层，并有母线与中层设备连接，本系统在下层安装内嵌式UHF局放传感器、温度传感器。UHF局放传感器由特高频传感器、特高频信号传输同轴电缆、窄带滤波器、特高频信号放大器、本振信号发生器、混频器、特高频混频信号采集单元等部分组成。
[0023]温度传感单元:在开关柜内的上、中、下层分别安装内嵌式温度传感器，用来监测开关柜内的温度变化。温度传感器通过三线制电缆连接到控制箱内的温度采集模块，温度采集�？椴杉轿露群螅ü齊S-485总线将数据发送给控制箱。当开关柜内的电力设备出现过热故障时，由于热空气会向上扩散，放置在顶部的温度传感器会感知开关柜内部异常的温度变化，当温度超过预设阀值时，产生相应的报警信号。
[0024]3、控制箱:开关柜内的传感器信号通过现场同轴或信号电缆传输到布置在站房内墙壁上的系统控制箱内，控制单元收集所有数据采集单元的测量数据，经过综合分析和判断后，将筛选和处理后的报警和传感器测量数据，通过GPRS无线网络传输给远方的数据服务器或集控中心。控制箱管理软件:是基于分布式实时在线监测和远程监控技术的智能化分析系统，为用户提供可靠、直观、方便的人机界面，使用户能够掌握开关柜工作状态的实时数据和报警状况。管理软件按照一定的通信规约与采集单元进行通信，接收数据或下发命令；实现各通信单元运行状态的监视。显示测量监测单元的位置信息、测量数据和事件报警等。报警信息可直接通过短信形式发送预警设备的运维负责人。
[0025]4、主站数据处理系统:主要实现对数据的分析、判断、预警、推理等功能，是系统的核心。通过解析控制箱传送过来的监测数据包，提取其中的异常信息，绘制监测实时曲线或者存储历史记录，通过预先设置异常报警阀值，具备异常报警功能。它能通过采集到的监测数据智能分析，对电力设备的运行提供参考数据，也可以作为设备检修计划的制订依据。分析系统基于GIS地理模型、设备台帐基础信息，结合采集回来的UHF局放、温度等业务历史数据，推理状态发生异常的情况，并给予预警。
[0026]5、温度的告警策略:设计了一个从I分钟到160分钟的可调整的的时间窗口和一个可以调整的温度上限阈值，控制箱对采集到的温度数据取I分钟内的平均值，和用户设定的阈值进行比较，用户可以根据设备的特点设定上限阈值和统计时间段，在此时间段中连续采集到超过阈值的温度时，系统发出告警信息。
[0027]6、超高频的告警策略:控制箱管理系统设计了一个从I分钟到48小时的可调整的时间窗口和一个可以调整的上限阈值，控制箱对采集到的放电数据I分钟内的均值后，和用户设定的阈值进行比较，用户可以根据设备的特点设定上限阈值和统计时间段，在此时间段中采集到超过阈值的放电数据达到设定的告警比例时，系统发出告警信息。
[0028]7、控制箱与主站数据处理系统之间的无线网络采取中国移动的GPRS或中国电信CDMA的无线网络，按照机柜号进行数据通信方式，一次通信完成一个机柜所有传感器数据，通信采取应答方式传输数据，数据包自带时间标签，标记采集时间信息。
[0029]本发明所述配网开关柜智能监测系统主要具有如下特点和监测效果:
UlOkV配网电缆接头缺陷局部放电的在线监测。电缆终端内部的绝缘缺陷以及绝缘老化表现为运行电压下长期局部放电的存在。2、开关柜内母线排的接触不良等缺陷引起的电晕放电监测。母线排的松动和接触不良等缺陷在运行电压下会产生电晕放电。3、开断装置及高压连接机构的局部放电监测。4、开断装置内部放电产生高频电磁波，通过UHF传感器监测开断装置的内部放电指标。系统采用超高频(UHF)局部放电传感器对上述情况进行放电电晕监测。5、开关柜内部设备故障引起的柜内温度异常监测。
[0030]两种传感器均属于非电气设备、保证了系统的不停电维护。系统实时监测开关柜内部电缆终端、母线排及开断装置等由于绝缘缺陷或绝缘老化产生的局部放电。实时监督配网柜内部缺陷的发展趋势。本系统通过对开关柜进行温度监测，及时发现柜内的温度变化，并对异常温度实时报警。及时发现开关柜内部的潜在问题，及时检修可以避免火灾事故的发生。
[0031]本发明所述配网开关柜智能监测系统提供以下软件支持:
控制箱采用基于分布式实时在线监测和远程监控技术的智能化系统，按系统所要求实现的功能，将整个系统划分为几个有优先级的并行存在的任务。如CAN数据采集任务、RS485通信任务、液晶显示任务、告警处理任务等。优先权的设置是按照整个系统运行的时序来确定的，对系统安全运行较重要和对实时性要求较严格的任务，设成较高的优先级。在系统运行过程中，各任务的优先级是固定不变的。系统主任务启动后，先读取系统的配置信息，进行系统初始化操作，初始化所有数据结构，分别堆栈空间，然后建立任务间通信的信号量或者消息队列，主机ID、RS485通信参数等参数进行初始化，然后，主任务再创建多个子任务，系统程序从优先权最高的任务开始执行。在UC / OS-1I系统的调度下，不断获取各个传感器的实时数据，并做出相应处理，实现通信、显示、告警等系统功能；系统现场所受的电力谐波干扰、开关冲击干扰等相当大，有时会引起程序跑飞、死机现象，因此，设计看门狗复位，可使系统恢复正常。
[0032]该系统实现24小时实时数据监控、故障隐患精确定位、远程告警等功能，通过隐患的早发现、早处理，将故障隐患消除在萌芽状态，达到提高供电可靠性、提高巡检效率、提高科学化管理水平、提升电业局形象的目的，系统提供触摸按键功能，可以通过对应的功能按键实现相应的设置或数据查看，最常用功能是全站模式下的状态监控和单柜模式下的数据监控。
[0033]专家诊断系统是监测系统的可选设备，由通讯单元，专家诊断软件和笔记本电脑所组成。在监测系统的控制箱上有专家诊断接口，通过专用的通信单元(可选)与笔记本电脑(可选)相连。通过运行局部放电诊断软件(可选)，实现强大的局部放信号电检测和分析功能。可以实时改变检测信号的中心频率、测量带宽等设置；实时捕捉局部放电电流脉冲；具有实时N-Q-Φ放电谱图；实时放电椭圆图功能等。
[0034]系统在国内第一次将超高压设备的实时在线监测技术(局部放电实时监测技术)以内嵌式安装方式应用到配网开关柜设备实时监测上，并且取得了很好的实际监测效果:
1、不停电维护。柜内只安装超高频天线和PTlOO温度传感器，属于非电气设备，使用寿命超过20年，不需要停电维护，系统不影响开闭所正常运行。
[0035]2、早期预警。控制箱系统实时接收来自检测单元的实时数据信息，一旦数据达到告警策略确定的告警条件，报警系统自动启动。局部放电属于10-12微微级测量，通过上述的报警设置，可以及早发现正在恶化的缺陷，避免事故的发生。
[0036]3、低成本。考虑到实际系统中点多面广，系统内部采用RS485通信，传感器的数量可以由用户的需求自由配置，确保在成本可控的基础上，对用户重点关心的部分实施精细化监控，并提供良好的扩展性，符合电力系统未来的超常规发展趋势。
[0037]4、高灵敏度。UHF信号在柜内得到反射加强(放电量测量分辨率:0.lpC)，其信号强度远高于超声信号和地电波信号。实时监督配网柜内部缺陷的发展趋势，并且在模拟局部放电时，通过了配网开关柜智能监测系统局部放电监测与报警的功能验收，结合投运以来成功运行的经验，都很好的说明了在线监测方法的有效性。
[0038]本发明未述部分与现有技术相同。
【权利要求】
1.配网开关柜智能监测系统，其特征在于，包括如下组成: 数据采集单元、控制箱和主站数据处理系统；其中:数据采集单元由安装在各个开关柜中的各类内嵌式检测器组成，包括有超高频传感局放监测单元和温度传感单元；数据采集单元的信号输出端通过数据电缆与控制箱连接，控制箱安装在配网站房内，通过无线网络将数据传送到主站数据处理系统中； 所述的超高频传感局放监测单元安装在开关柜内部的下层，当开关柜内部出现绝缘故障并发生局部放电时,能激励起IGHz以上的超高频电磁信号，超高频传感局放监测单元接收该电磁信号，并进行处理转换，然后通过数据电缆传送到控制箱； 所述温度传感单元则分别安装在开关柜内部的上层、中层和下层；温度传感单元采集开关柜内部的温度数据，并通过数据电缆传送到控制箱； 控制箱收集所有数据采集单元的测量数据，并根据数据类别进行一一判定，当数据超过其对应类别所设定的阀值时，生成报警数据，并将超过阀值的传感单元测量数据和处理后的报警数据通过无线网络传送给主站数据处理系统中； 主站数据处理系统通过解析控制箱传送过来的监测数据包，提取其中的异常信息，绘制监测实时曲线或者存储数据记录，发出告警信号。
2.根据权利要求1所述的配网开关柜智能监测系统，其特征在于，所述的超高频传感局放监测单元包括有特高频传感器、特高频信号传输同轴电缆、窄带滤波器、特高频信号放大器、本振信号发生器、混频器和特高频混频信号采集单元，特高频传感器、窄带滤波器、特高频信号放大器、本振信号发生器依序连接，并最后通过特高频信号传输同轴电缆连接到控制箱；另外，特高频混频信号采集单元与混频器连接，混频器的输出端连接到窄带滤波器中。
3.根据权利要求1所述的配网开关柜智能监测系统，其特征在于，控制箱中设置有基于分布式实时在线监测和远程监控技术的智能化分析系统，其根据设定的通信规约与数据采集单元进行通信，接收数据或下发指令；显示来自数据采集单元的信息，包括位置信息、测量数据和事件报警。
4.根据权利要求3所述的配网开关柜智能监测系统，其特征在于，所述基于分布式实时在线监测和远程监控技术的智能化分析系统设置了一个从I分钟到160分钟的可调整的的时间窗口和一个可调整的温度上限阈值，对采集到的温度数据取I分钟内的平均值，和设定的阈值进行比较，在设定的时间段中连续采集到超过温度上限阈值的温度时，系统发出告警信息。
5.根据权利要求3所述的配网开关柜智能监测系统，其特征在于，所述基于分布式实时在线监测和远程监控技术的智能化分析系统设置了一个从I分钟到48小时的可调整的时间窗口和一个可调整的放电数据上限阈值，对采集到的放电数据I分钟内的均值后，和设定的放电数据上限阈值进行比较，在设定的时间段中连续采集到的放电数据超过放电数据上限阈值时，系统发出告警信息。
6.根据权利要求1所述的配网开关柜智能监测系统，其特征在于，控制箱与主站数据处理系统之间的无线网络采取中国移动的GPRS或中国电信CDMA的无线网络，按照机柜号进行数据通信方式，一次通信完成一个机柜所有传感器数据，通信采取应答方式传输数据，数据包自带时间标签，标记采集时间信息。
【文档编号】G01R31/00GK104502759SQ201410792103
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】李伟新, 蔡晓军, 曹发彦, 侯颖君, 陈超锋, 李迎, 彭伟, 李杨杰 申请人:国家电网公司, 国网福建省电力有限公司, 国网福建省电力有限公司厦门供电公司
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