基于多维数据的非介入式配电网主设备监测装置及方法与流程

1.本发明涉及配电网主设备在线监测技术领域，特别是涉及一种基于多维数据的非介入式配电网主设备监测装置及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.配电网主设备为配电网中传输电能的设备，包括配电变压器、开关柜、环网箱、电力电缆等。配电网主设备在结构上主要由多种性能良好的绝缘材料构成。在设备正常运行过程中由于受到各种外界物理化学因素的综合作用以及超负荷大电流冲击，会导致电气设备自身的绝缘性能逐渐下降，最终引起运行设备发生绝缘击穿，导致设备损坏，造成大面积的区域性停电。
4.目前，配电网主设备运行状态的检测方法中包括人工巡检，人工巡检指定期由巡检人员携带专业设备，如声波成像仪、热成像仪、局放检测仪等，对设备进行检测；但是，便携式测试仪功能单一，巡检人员往往携带多种设备，分别进行监测，而且操作场所环境恶劣，安全隐患高，此方法工作量大，检测效率低，受巡检人员技能水平影响，不能及时发现设备隐患。
5.配电网主设备运行状态的检测方法中还包括接触式测温法，将热敏电阻、温差电偶等传感器与被测物体相接触，二者温度保持相同的测量方法，对变压器温度，电缆接头温度等进行监视。但上述传感器对于已运行的设备，加装难度大，并且需要停电安装，不易推广。
6.非接触式测温法中，传感器和被测对象不接触，基于黑体辐射原理，有可见光和红外线测温传感器、光纤测温及声表面波测温等方法，光纤测温具有绝缘性能好，抗干扰能力强，克服高电磁干扰，测量结果更加准确，但是光纤测温系统非常昂贵，声表面波测温可以实现无线、无源测温，应用更方便，但价格也较高。而且仅依赖温度进行判断，更早期的缺陷无法识别。
7.超声波局放检测法中，当局部放电发生时会引起震动并发出声音，大多为人耳无法听到的超声波。通过超声传感器可以监视超声波，间接识别局放。但是超声传感器灵敏度不高，有效检测范围较小，检测效率不高。
8.特高频局放检测法是一种新的局部放电检测技术，具有抗干扰性好、灵敏度高、可对放电点定位、检测效率高等优点，但存在难以表征局放程度、灵敏度需要有外露绝缘子才能保证、无法实现放电量的标定等不足。
9.地电波局放检测法应用在环网箱局部放电检测中，其灵敏度高，抗干扰性强，且适于带电检测；但该方法应用时间较短，实际运行经验较少，依然存在难以充分挖掘和利用地电波进行状态评估和故障诊断的情况。
10.脉冲电流局放检测通常用于电气设备的型式试验、出厂试验和其他离线测试中，
通过无局部放电的可控升压测量系统实现测试；而实际运行设备现场由于存在各种形式的电磁干扰，并不具备相比于离线测试时的无局部放电升压测试条件，所以基于脉冲电流法的带电或在线局部放电测试应用较少。


技术实现要素：

11.为了解决上述问题，本发明提出了一种基于多维数据的非介入式配电网主设备监测装置及方法，从配电网主设备外部进行监测，不需要对监测对象进行任何的改造，且基于声音、温度、可见光图像的多维度数据进行运行状态的识别，并将目标主设备的运行状态及声像图、热像图、可见光图和融合图等实时发送给外部终端，方便现场巡检人员查看。
12.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
13.第一方面，本发明提供一种基于多维数据的非介入式配电网主设备监测装置，包括：多维信息采集模块、第一处理模块、第二处理模块和通讯模块；
14.所述多维信息采集模块用于获取环境温度，以及配电网主设备的声音数据、温度和可见光图像，并将多维信息传输至第一处理模块；
15.所述第一处理模块用于对声音数据进行采样，提取采样数据的特征频率，根据特征频率判断局部放电信号，当存在局部放电信号时，根据声音到达时间定位声源位置；根据环境温度对配电网主设备温度进行修正，在可见光图像上标注存在局部放电信号的声源位置和修正后的配电网主设备温度，以构建声像图、热像图和可见光图的融合图；
16.所述第二处理模块接收融合图，并通过通讯模块将融合图传输至外部终端。
17.作为可选择的实施方式，所述多维信息采集模块包括麦克风阵列、红外探测器、可见光摄像装置和温度传感器；所述麦克风阵列用于采集配电网主设备发出的声音数据，所述红外探测器用于采集配电网主设备的温度，所述温度传感器用于采集环境温度；所述可见光摄像装置用于采集可见光图像。
18.作为可选择的实施方式，所述麦克风阵列包括若干个按螺旋方式排列的麦克风。
19.作为可选择的实施方式，所述第一处理模块包括信号调理电路和信号处理器；所述麦克风阵列与信号调理电路连接，所述信号调理电路连接信号处理器；所述红外探测器、可见光摄像装置和温度传感器均与信号处理器连接。
20.作为可选择的实施方式，所述信号调理电路接收声音数据，用于对声音数据进行采样，对采样数据进行特征频率的提取，并将提取的特征频率和采样数据传输至信号处理器。
21.作为可选择的实施方式，所述信号调理电路包括模数转换器和fpga，所述模数转换器用于对声音数据进行采样，所述fpga用于对采样数据进行傅里叶变换，以提取特征频率。
22.作为可选择的实施方式，所述信号处理器用于根据特征频率判断局部放电信号，当存在局部放电信号时，对采样数据采用广义互相关时延估计算法，估计声音到达各个麦克风的时间差，根据时间差得到声源位置。
23.作为可选择的实施方式，所述声源位置包括声源方向和距离。
24.作为可选择的实施方式，该监测装置还包括人机接口和存储模块，所述第二处理模块通过人机接口连接显示模块；所述存储模块连接第二处理模块，以存储声像图、热像
图、可见光图和融合图。
25.第二方面，本发明提供一种基于多维数据的非介入式配电网主设备监测方法，包括：
26.获取环境温度，以及配电网主设备的声音数据、温度和可见光图像；
27.对声音数据进行采样，提取采样数据的特征频率，根据特征频率判断局部放电信号，当存在局部放电信号时，根据声音到达时间定位声源位置；
28.根据环境温度对配电网主设备温度进行修正；
29.在可见光图像上标注存在局部放电信号的声源位置和修正后的配电网主设备温度，以构建声像图、热像图和可见光图的融合图，并将融合图传输至外部终端。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
31.本实施例提出一种基于多维数据的非介入式配电网主设备监测装置，从配电网主设备外部进行监测，不需要对监测对象进行任何的改造，且基于声音(声波成像技术)、温度(红外成像技术)、视频(可见光图像识别)的多维度数据进行运行状态的识别，并将目标主设备的运行状态及声像图、热像图、可见光图和融合图等实时发送给外部终端，方便现场巡检人员查看，且该装置具有告警事项保存及图像存储功能，可以进行历史事项和图像的调阅。
32.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
33.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
34.图1为本发明实施例1提供的基于多维数据的非介入式配电网主设备监测装置示意图；
35.图2为本发明实施例1提供的麦克风阵列示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
37.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
39.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.实施例1
41.在引起变压器设备故障停运的原因中，由于匝间绝缘、套管引线对地绝缘裂化、套管自身绝缘性能下降等所引起的故障比例为80％左右，相比而言，由于设备非绝缘故障而引起的设备停运比例只有不到20％。环网箱中电气设备在完全击穿前发生局部放电是最常见的故障特征，导致局部放电的原因有很多，常见的有：工艺问题出现的毛刺；震动使零部件松动甚至接触不良导致的电极电位浮动；由于时间和环境的影响导致的老化等。因此，对电气设备绝缘性能健康状态开展监测，并能够及时对发生明显绝缘裂化的设备部件进行维修替换，可以有效地保障电气设备的安全运行。其次，电气设备的运行温度也是一个重要的监测因素，当导体部分(特别是接头处)电阻增加时，运行温度升高，常常导致器件的烧毁、绝缘的破坏等。因此，配电网主设备运行状态的检测主要集中在温度和局放的检测上。
42.如图1所示，本实施例提供一种基于多维数据的非介入式配电网主设备监测装置，包括：依次连接的多维信息采集模块、第一处理模块、第二处理模块和通讯模块；
43.所述多维信息采集模块用于获取环境温度，以及配电网主设备的声音数据、温度和可见光图像，并将多维信息传输至第一处理模块；
44.所述第一处理模块用于对声音数据进行采样，提取采样数据的特征频率，根据特征频率判断局部放电信号，当存在局部放电信号时，根据声音到达时间定位声源位置；根据环境温度对配电网主设备温度进行修正，在可见光图像上标注存在局部放电信号的声源位置和修正后的配电网主设备温度，以构建声像图、热像图和可见光图的融合图；
45.所述第二处理模块接收融合图，并通过通讯模块将融合图传输至外部终端。
46.在本实施例中，所述多维信息采集模块包括麦克风阵列mems、红外探测器、可见光摄像装置和温度传感器；
47.具体地，所述麦克风阵列mems用于采集配电网主设备发出的声音数据，包括若干个按螺旋方式排列的麦克风。
48.作为可选择的一种实施方式，所述麦克风阵列mems包括若干个按螺旋方式排列的麦克风。
49.所述红外探测器用于获取配电网主设备的温度；所述温度传感器用于获取环境温度；所述可见光摄像装置用于获取光、烟雾等可见光图像；且所述环境温度、配电网主设备的温度和可见光图像均直接传输至第二处理模块。
50.在本实施例中，所述第一处理模块包括连接的信号调理电路和信号处理器dsp；
51.具体地，所述麦克风阵列mems连接信号调理电路，所述信号调理电路连接信号处理器；所述红外探测器、可见光摄像装置和温度传感器均直接连接信号处理器dsp，同时将提取的配电网主设备的温度、环境温度和可见光图像均直接传输至信号处理器dsp。
52.在本实施例中，所述麦克风阵列mems将采集的声音数据传输至信号调理电路，所述信号调理电路接收声音数据后，用于对声音数据进行采样，对采样数据进行特征频率的提取，所述信号调理电路将提取的特征频率传输至信号处理器dsp。
53.在本实施例中，所述信号处理器dsp接收声音采样数据的特征频率、环境温度、配电网主设备的温度和可见光图像；
54.具体地，所述信号处理器dsp用于根据特征频率进行局部放电信号的识别，当存在局部放电信号时，对采样数据采用广义互相关时延估计(general cross correlation，gcc)算法，估计声音到达各个麦克风的时间差，根据时间差计算声源位置；
55.所述信号处理器dsp用于根据环境温度修正配电网主设备的温度，生成热像图；
56.所述信号处理器dsp用于以可见光图像为底图，根据声源位置在可见光图像上进行局部放电信位置的标注，生成声像图，使声音可见；同时，也将修正后的配电网主设备温度在可见光图像上进行标注，实现声像图、热像图和可见光图的叠加，得到融合图，三种图像可以单独查看或融合查看。
57.作为可选择的一种实施方式，所述信号处理器dsp还可根据图像识别技术，对可见光图像进行火光、烟雾的识别，将识别结果发送至第二处理模块，由第二处理模块向外部终端发送告警信息。
58.在本实施例中，所述信号调理电路包括模数转换器和fpga，所述模数转换器用于对声音数据进行采样，所述fpga用于对采样数据进行傅里叶变换，以提取特征频率，进行局部放电信号的识别。
59.作为可选择的一种实施方式，所述模数转换器采用24位的delta-sigma模数转换器(adc)，可采样最高192khz的声音，
60.作为可选择的一种实施方式，所述声源位置包括声源方向和距离。
61.在本实施例中，所述麦克风阵列共放置116颗mems麦克风，阵列的布置方式采用外圆内方的形式，外圈半径为50mm的圆形，均匀分布着40个点，间距7.86mm，中间为方形矩阵9*9，点间距为8.84mm，方形矩阵的四个顶点和圆上的四个点重合，方形矩阵中心点去掉。如图2所示。
62.麦克风阵列按位置均分成4组，每组29个，每组使用8片4通道24位的adc进行采样，每组由1片fpga进行同步采样触发，保证8片adc同步采样，并行读取adc转换结果，fpga具有优秀的时序稳定性，最大程度的保证采样的同步和时延的稳定；
63.每个fpga搭载一片双口ram芯片，fpga将读取的转换结果和处理得到的特征数据存入双口ram芯片中，4个fpga的同步采样触发信号由一个主控mcu芯片统一输出，保证4组同步采样；
64.dsp通过并行总线读取4片双口ram中的数据，以实现声音的位置识别。
65.作为可选择的一种实施方式，所述红外探测器采用氧化钒非制冷红外焦平面探测器，测得256*192个温度点，分辨率为256*192，测量范围-20℃到400℃，精度
±
2℃，镜头焦距4mm，视场角42.0
°
*32.1
°
，当距离被测物体3米时，有效的探测面积为2.3m*2.5m，完全满足配电网主设备的测温需求。
66.作为可选择的一种实施方式，所述温度传感器获取的环境温度用于修正氧化钒非制冷红外焦平面探测器的测量误差，以精准测量目标温度。
67.作为可选择的一种实施方式，在可见光图像上标注配电网主设备温度后，通过颜色绘制成红外热像图。
68.作为可选择的一种实施方式，所述可见光摄像装置采用可见光摄像头，分辨率为1920*1080，镜头焦距为5.75mm，视场角为69.0
°
。
69.在本实施例中，所述第二处理模块采用高速arm芯片，以完成通讯、人机交互、数据存储等功能，负责整个装置的调度。
70.在本实施例中，该监测装置还包括人机接口，所述第二处理模块通过人机接口连接显示模块，所述显示模块采用lcd触摸屏，以完成参数设置、图像查看、事项查看等操作。
71.作为可选择的一种实施方式，所述显示模块采用彩色液晶屏，可以显示声像图、热像图、可见光图和融合图等。
72.在本实施例中，该监测装置还包括存储模块，所述存储模块连接第二处理模块，所述存储模块包括闪存flash，用于存储监测数据、报警信息、装置参数、事项等，且掉电不丢失。
73.在本实施例中，所述通讯接口包括rs485、rj45等网口，通过通讯接口将配电网主设备的运行状态及声像图、热像图、可见光图和融合图等实时发送给外部终端。
74.在本实施例中，该监测装置还包括电源模块，所述电源模块用于提供供电电源，具体提供ac220v的交流输入，输出12vdc、5vdc、3.3vdc、1.2vdc等多组电压。
75.作为可选择的一种实施方式，所述电源模块使用超级电容，在交流停电的情况下可支持设备运行5分钟，确保数据的上送。
76.在本实施例中，由信号处理器dsp处理后的声像图、热像图可见光图融合图等，发送至第二处理模块，减轻信号处理器dsp的压力，由第二处理模块发送至存储模块进行存储，或通过通讯模块发送指外部终端，或通过人机接口发送至显示模块等。
77.在更多实施例中，该监测装置还可作为便携式的监测装置，与上述的区别在于，电源模块由锂电池为监测装置提供供电电源，输出5vdc、3.3vdc、1.2vdc等多组电压，锂电池具有充电及保护电路，对外使用usb接口，可以使用外部充电器进行充电，并可以提供usb输出功能。且便携式监测装置支持5g或4g通讯，满足运行状态数据、图像的实时传送。
78.本实施例提出一种基于多维数据的非介入式配电网主设备监测装置，从配电网主设备外部进行监测，不需要对监测对象进行任何的改造，且基于声音(声波成像技术)、温度(红外成像技术)、视频(可见光图像识别)的多维度数据进行运行状态的识别，并将目标设备的运行状态及图像实时发送给后台，方便现场巡检人员查看，且该装置具有告警事项保存及图像存储功能，可以进行历史事项和图像的调阅。
79.实施例2
80.本实施例提供一种基于多维数据的非介入式配电网主设备监测方法，包括：
81.获取环境温度，以及配电网主设备的声音数据、温度和可见光图像；
82.对声音数据进行采样，提取采样数据的特征频率，根据特征频率判断局部放电信号，当存在局部放电信号时，根据声音到达时间定位声源位置；
83.根据环境温度对配电网主设备温度进行修正；
84.在可见光图像上标注存在局部放电信号的声源位置和修正后的配电网主设备温度，以构建声像图、热像图和可见光图的融合图，并将融合图传输至外部终端。
85.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。