本发明涉及一种基于物联网技术、嵌入式技术和数据挖掘技术的便携式开关柜局部放电巡检系统。适用于开关柜绝缘缺陷的现场巡检。
背景技术：
随着电力系统改革发展的需要和用户对供电可靠性要求的提高，高压设备运行的可靠性受到了越来越高的重视，但在配网中高压设备的绝缘问题也愈来愈突出，严重影响了供电可靠性的提高。
中高压开关柜是电力配网系统中的主要设备之一，开关柜的绝缘状态的优劣直接影响到供电系统的安全性和可靠性，若发生电力事故，还会造成巨大的经济损失。局部放电是表征电力设备绝缘状态的主要参数之一，相关研究表明，检测局部放电能有效评估开关柜的绝缘状态，避免电力事故的发生，并能结合局部放电数据给出合理的检修建议。
相对于侵入式的局部放电检测技术而言，由于非侵入式的局部放电检测技术对开关柜结构和电网无侵入，在进行局部放电的巡检过程中不影响开关柜的正常运行而被国内外广泛推广。目前，国内外针对开关柜局部放电的非侵入式检测技术主要包括：超声波检测法、地电波检测法、高频电流检测法和超高频检测法等。
目前较为常用的非侵入式的局部放电检测技术均具备自身独有的特性和优势，如有些技术难以知道问题在什么时候发生，有些技术难以知道问题每次发生时持续了多长的时间，有些技术难以知道问题发生时的强度和严重性，有些技术难以查找问题部件及位置所在，有些技术难以查找因机械或过热原因而产生的故障，有些技术难以发现并识别多个同时发生的故障等等。因此为了得出更科学更准确的检修建议亟需将多种常用的非侵入式的局部放电技术进行系统性的整合。
研究表明近年来国内配电网管理中引进的地电波、超声波及高频电流检测技术，揭开了配电网绝缘检测新技术应用于日常巡视维护的新篇章，逐步取得了阶段性成果。随着近几年国内电网信息化工作的开展及相关先进传感器的国产化，亟需将配电网的运行维护工作规范化及系统化，从而全面提高工作的效率，避免连续高强度工作，提升电网、人员安全性；提升运维资源利用率，降低运维成本。
国内目前较为普遍的开关柜的局部放电巡检过程，主要是检测人员通过现场分析基于单一的局部放电检测技术的检测仪器所检测到当次巡检数据是否存在放电现象。这类设备都只是具备一般的巡检能力，对于巡检得到的数据不能进行归纳分析，因此，检测人员只能根据当时检测到的数据对开关柜的运行状态进行判定，无法判断设备在整体上是否发生变化，不能提供关于开关柜是否存在问题的更为细致清晰的判据。这种类型的检测设备只有信号采集单元，而且都不具备数据存储能力，更不具备对数据进行分析综合的能力。另一方面，这类设备的检测能力与操作人员的主观能动性息息相关，检测人员的经验丰富程度会直接影响最后的决断，存在误判的隐患。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有的技术缺点，提供一种便携式开关柜局部放电巡检系统，它采用蓝牙的联接方式将基于不同局部放电检测技术的各个信号采集单元与数据处理单元联网进行数据传输，数据处理单元采集统计各采集单元的数据并通过WIFI方式将数据统一传输到区域服务器上形成大数据，提供更宏观、全面的决策依据，帮助运维人员及时发现处于异常运行状态中的设备，预防重大事故的发生。
依照本发明所要解决的技术问题，提供一种便携式开关柜局部放电巡检系统，主要应用于开关柜的绝缘状态巡检，其特征在于其主要包括信号采集单元和数据处理单元两大模块，其中信号采集单元包括超声波信号采集单元、地电波信号采集单元、高频电流信号采集单元、环境信号采集单元，其中所述超声波信号采集单元包括超声波信号传感器，所述地电波信号采集单元包括电容式地电波信号传感器，所述高频电流信号采集单元包括高频电流信号传感器，所述环境信号采集单元包括环境温湿度传感器，信号采集单元还包括外壳、信号预处理单元、模数转换模块、嵌入式处理器、外扩存储卡、蓝牙通信模块、彩色液晶显示屏、控制按钮、低纹波电源模块、巡检辅助附件；数据处理单元包括无线通信模块、嵌入式处理器、数据存储介质和人机交互单元；信号采集单元的输出端通过蓝牙无线数据传输的方式与数据处理单元的输入端连接；所述数据处理单元接收各信号采集单元传输过来的信号作进一步的处理，包括数据提取，数据历史趋势分析、时频特征分析、相位分析以及提取特征参数按照故障类型进行分类分离，然后将接收到的数据通过WIFI或3G/4G网络传输到区域服务器上形成大数据进行宏观、全面的数据分析并生成知识库，作出维修策略包括判断是否有局部放电以及放电严重程度。
本发明上述不同种类的信号采集单元相应的信号传感器与信号预处理单元连接，信号预处理单元与模数转换模块连接，传感器、信号预处理单元、模数转换模块、外扩存储卡、蓝牙通信模块、显示屏以及控制按钮均与嵌入式处理器连接，低纹波电源模块为整个信号采集单元的电路供电，巡检辅助附件用于辅助现场不同的实地情况进行数据采集。
本发明所述的巡检辅助附件包括信号采集延长探头、超声波信号聚波器探头以及巡检背包，其中巡检背包为前背式的侧拉链设计可装入各信号采集单元和数据处理单元，方便巡检过程中多种信号采集单元的携带和巡检操作。
本发明所述信号预处理单元负责对采集到的信号进行差分放大、滤波、信号跟随以及模数转换，为嵌入式处理器提供更干净的局部放电信号，节省处理器运行资源，提高信号采集的准确率。
本发明所述外扩存储卡负责在信号采集单元工作于单机模式时进行数据存储，便于现场人员对巡检数据进行回放、分析。并可通过USB线将存储卡中的测试数据导出，便于后续查阅。
本发明所述的低纹波电源模块采用可充电电池作为电源输入，经过高效率开关电源模块及低纹波DC-DC模块产生信号采集单元工作所需电压，同时具有关机完全断电功能，降低信号采集单元的功耗。
本发明所述的数据处理模块中的嵌入式处理器主要负责对信号作进一步的处理，包括表单数据输入、 数据提取、开关柜绝缘状态判断。
本发明所述的表单数据输入包括被测开关柜信息，通过RFID技术(射频识别技术)进行输入、巡检实施日期、巡检设备台账信息、环境温湿度、环境背景噪声、开关柜情况记录、开关房内的开关柜布局平面图，所述开关柜记录情况为母排、断路器、电缆以及其他主要电气设备所在位置。
本发明所述的开关柜绝缘状态判断是指对每种局放信号的数据进行历史变化趋势分析，以时间为参考统计不同的局部放电信号数据进行叠加对比分析，对采集到的局部放电信号进行傅立叶变换进行时频特征分析，以220V工频电压的相位作为相位参考绘制局放相位分布图进行相位分析，根据开关房内开关柜的布局平面图绘制局部放电量分布图进行局放能量分析，根据上述分析结果定位开关柜绝缘状态异常点，并给出绝缘状态异常点的异常类型建议。
本发明的开关柜局部放电巡检工作原理为：首先根据开关柜局部放电巡检要求选择需要的信号采集单元进行信号采集，采集后的信号经由信号传感器转变成电信号后经过差分放大、滤波、信号跟随处理，由模数转换模块转换成嵌入式处理器可读取的数字信号被信号采集单元量化，通过操作信号采集单元中的保存按键进行数据保存同时将数据通过蓝牙传输方式传输到数据处理模块中的巡检表单中；完成巡检表单的填写后触屏操作数据处理模块中的分析按键，数据处理模块便对表单中的数据进行数据历史趋势分析、时频特征分析、相位分析、提取特征参数按照故障类型进行分类分离，生成信号频谱图、能量相位分布图、历史趋势图、不同检测技术的结果对比图，并可一键生成报告，对设备的绝缘缺陷进行综合判断，得出维修决策。
本发明的便携式开关柜局部放电巡检系统还包括多种带电开关柜信号采集单元，并可通过蓝牙无线连接的方式灵活扩展更多不同采集信源的带电开关柜信号采集单元，包括红外图像采集单元和特高频信号采集单元。
本发明的各信号采集单元均能工作于单机模式，即不联接数据处理单元，也可单独完成日常巡检任务中的数据测量和记录的要求同时还可以在巡检现场为被测设备状态提供简单的现场决策依据。
本发明所述的现场决策依据包括局部放电量的大小值、局部放电量是否超过警界阈值提示、工频电源周期内的放电次数以及局部放电的严重程度。
本发明的便携式开关柜局部放电巡检系统，其特征在于数据处理单元可通过统计各种信号采集单元采集的数据，进行历史趋势分析、叠加比较分析、区域布局统计分析、时频特征分析、相位分析、能量分析以及根据设备故障类型进行分类分离，统计分析结果做出设备维修决策并生成报告，能够为开关柜的绝缘状态提供更全面、更准确和更直观的决策辅助。
另外，本发明公开的便携式开关柜局部放电巡检系统，其特征在于数据处理单元可通过WIFI连接到互联网，并将检测到的数据上传到指定的服务器上实现数据共享；每种单个信号采集单元的重量均小于250g，采用磁吸附式设计可直接贴合在开关柜上进行信号采集；各种信号采集单元和数据处理单元通过自 主设计订做的背包进行整合；所述整合背包能装下巡检任务所需的所有信号采集单元和数据处理单元以及外置传感器和充电器附件，并能配合完成巡检任务。
附图说明
图1为便携式开关柜局部放电巡检系统框架图
具体实施方式
参照附图，现在将在下面描述用于实施本发明的最佳模式。
图1示出了一种便携式开关柜局部放电巡检系统，包括信号采集单元和数据处理单元，信号采集单元是基于不同开关柜非嵌入式局部放电检测技术的多个信号采集单元，其中包括但不仅限于超声波信号采集单元、地电波信号采集单元、高频电流信号采集单元以及环境信号采集单元，不同的信号采集单元通过相应的传感器采集相应的局部放电信号，并对接收到的信号进行预处理，包括信号的差分放大、滤波、信号跟随以及模数转换，然后将数字化后的信号通过蓝牙无线传输模块传输到数据处理单元。数据处理单元接收各信号采集单元传输过来的信号作进一步的处理，包括数据提取，数据历史趋势分析、时频特征分析、相位分析以及提取特征参数按照故障类型进行分类分离等，然后将接收到的数据通过WIFI或3G/4G网络传输到区域服务器上形成大数据进行宏观、全面的数据分析并生成知识库，作出维修策略包括判断是否有局部放电以及放电严重程度，帮助运维人员及时发现处于异常运行状态中的设备，预防重大事故的发生。
其中信号采集单元包括外壳、信号传感器、信号预处理单元、模数转换模块、嵌入式处理器、外扩存储卡、蓝牙通信模块、彩色液晶显示屏、控制按钮、低纹波电源模块、巡检辅助附件。信号传感器与信号预处理单元连接，信号预处理单元与模数转换模块连接，信号传感器、信号预处理单元、模数转换模块、外扩存储卡、蓝牙通信模块、显示屏以及控制按钮均与嵌入式处理器连接，低纹波电源模块为整个信号采集单元的电路供电，巡检辅助附件用于辅助现场不同的实地情况进行数据采集。另外，数据处理单元包括蓝牙通信模块、嵌入式处理器、WIFI或3G/4G模块、彩色液晶触摸屏，嵌入式处理器与其它3个模块连接，进行数据处理以及结果显示等。本发明的特征在于利用物联网技术、嵌入式技术以及数据挖掘技术为相关运维人员提供一套设备状态检测的整体方案，采用蓝牙的联接方式将基于不同局部放电检测技术的各个信号采集单元与数据处理单元联网进行数据传输，数据处理单元采集统计各采集单元的数据并通过WIFI方式将数据统一传输到区域服务器上形成大数据，提供更宏观、全面的决策依据，帮助运维人员及时发现处于异常运行状态中的设备，预防重大事故的发生。
所述的信号传感器包括超声波信号传感器、电容式地电波信号传感器、高频电流信号传感器以及环境温湿度传感器。
所述信号预处理单元负责对采集到的信号进行差分放大，根据目标信号特征进行信号滤波和信号跟随，为嵌入式处理器提供更干净的局部放电信号，节省处理器运行资源，提高信号采集的准确率。
所述外扩存储卡负责在信号采集单元工作于单机模式时进行数据存储，便于现场人员对巡检数据进行回放、分析。并可通过USB线将存储卡中的测试数据导出，便于后续查阅。
所述的低纹波电源模块采用可充电电池作为电源输入，经过高效率开关电源模块及低纹波DC-DC模块产生信号采集单元工作所需电压，同时具有关机完全断电功能，降低信号采集单元的功耗。
所述的巡检辅助附件包括信号采集延长探头、超声波信号聚波器探头以及巡检背包等，其中巡检背包为特殊订造，前背式的侧拉链设计可装入各信号采集单元和数据处理单元，方便巡检过程中多种信号采集单元的携带和巡检操作。
所述的数据处理模块中的嵌入式处理器主要负责对信号作进一步的处理，包括表单数据输入、数据提取、开关柜绝缘状态判断。
所述的表单数据输入包括被测开关柜信息，通过RFID技术(射频识别技术)进行输入、巡检实施日期、巡检设备台账信息、环境温湿度、环境背景噪声、开关柜情况记录(母排、断路器、电缆等主要电气设备所在位置)、开关房内的开关柜布局平面图等。
所述的开关柜绝缘状态判断是指对每种局放信号的数据进行历史变化趋势分析，以时间为参考统计超声波信号采集单元、地电波信号采集单元、高频电流信号采集单元、温湿度信号采集单元采集回来的局部放电信号数据进行叠加对比分析，局部放电信号数据包括局部放电量、工频周期内放电次数、局部放电严重程度以及温湿度；对采集到的局部放电信号进行傅立叶变换进行时频特征分析，标记最大幅值处的频率；以220V工频电压的相位作为相位参考绘制局部放电量相位分布图进行相位分析；根据开关房内开关柜的布局平面图绘制局部放电量分布图进行局放能量分布分析，根据上述分析结果定位开关柜绝缘状态异常点，并给出绝缘状态异常点的异常类型建议。
该便携式开关柜局部放电巡检系统具体通过下述方案实现，首先根据开关柜局部放电巡检要求选择需要的信号采集单元进行信号采集。目标信号经由信号传感器转变成电信号后经过信号预加重、滤波以及整形处理，由模数转换模块转换成嵌入式处理器可读取的数字信号被信号采集单元量化，通过操作信号采集单元中的保存按键进行数据保存同时将数据通过蓝牙传输方式传输到数据处理模块中的巡检表单中。完成巡检表单的填写后触屏操作数据处理模块中的分析按键，数据处理模块便对表单中的数据进行数据历史趋势分析、时频特征分析、相位分析、提取特征参数按照故障类型进行分类分离，生成信号频谱图、能量相位分布图、历史趋势图、不同检测技术的结果对比图等，并可一键生成报告，对设备的绝缘缺陷进行综合判断，得出维修决策。
本发明的有益效果是：该便携式开关柜局部放电巡检系统体积小、重量轻便于携带，提高了对高压设备的现场巡检检测效率，数据采集卡与微处理器的应用使得本发明具备数据存储与数据分析综合能力；其次，本发明集成了目前常用的非嵌入式开关柜局部放电检测技术，综合了各种技术的检测优势对开关柜的绝缘状态进行更宏观、更全面的分析判断。使局部放电巡检结果更加客观，大大减少了巡检分析判断对检 测人员经验的依赖性，更精确的预防重大电力事故的发生，进一步降低因电力事故带来的经济损失。最后，本发明将电网巡检的整套流程均以软件形式固化到系统中，一套系统即可实现巡检任务分发、开关柜局部放电巡检、开关柜绝缘状态分析和判断、生成报告等，将配电网的运行维护工作规范化及系统化，从而全面提高工作效率，避免连续高强度工作，提升电网、人员安全性；提升运维资源利用率，降低运维成本。