一种边缘计算的电缆局放在线监测装置的制作方法

1.本实用新型涉及电缆局部放电监测技术领域，具体涉及一种边缘计算的电缆局放在线监测装置。


背景技术：

2.交联聚乙烯电缆，广泛应用于城市电网建设，但是，由于电缆环境复杂，现场施工工艺要求高，由于施工人员技术良莠不齐，导致电缆在高电压环境下，产生局部放电(简称“局放”)，影响电缆使用寿命，严重威胁电网运行安全，当前电缆局部放电在线监测系统，主要包括传感器、ied数据采集设备和数据处理监视后台，其中ied数据采集设备主要负责局放信号采集，数据处理监视后台负责局放逻辑判断，局放类型识别，局放图谱显示。而现有方案中，前端ied数据采集设备主要负责局放数据的采样与滤波，而将局放数据的处理、图谱生成、报警逻辑判定、局放类型分类等处理由数据处理监视后台的主监控主机处理，随着ied数据采集设备的数量的增多，主监控主机的计算和存储压力过大，造成局放数据处理不及时。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种边缘计算的电缆局放在线监测装置，提高ied数据采集设备的处理局放数据的能力，将局放数据处理、分类计算放到ied数据采集设备,减轻中心节点主机(主监控主机)的数据处理压力。
4.本实用新型通过下述技术方案实现：
5.一种边缘计算的电缆局放在线监测装置，设置在ied数据采集设备内，包括信号采集模块、信号调理模块、ad转换模块、fpga模块、单片机以及电源模块，其中，
6.所述电源模块为所述信号调理模块、ad转换模块、fpga模块、单片机供电；
7.所述信号采集模块用于采集电缆的局部放电信号；
8.所述信号调理模块用于对所述信号采集模块采集到的放电信号进行滤波及放大处理；
9.所述ad转换模块用于接收所述信号调理模块的输出信号并对所述输出信号进行ad转换生成放电脉冲信号；
10.所述fpga模块用于采样所述放电脉冲信号，并对所述放电脉冲信号进行fft频谱计算，得到放电脉冲数据；
11.所述单片机用于对所述放电脉冲数据进行处理，并将处理结果传输给数据处理监视后台。
12.作为优化，所述信号采集模块为电流传感器。
13.作为优化，所述fpga模块包括采样信号预处理单元，所述采样信号预处理单元的采样速率为100ms/s、脉冲时长为10.24us。
14.作为优化，所述单片机包括逻辑处理单元、同步单元和通讯单元；
15.所述逻辑处理单元用于进行放电报警判断、生成prpd图谱、prps信息，以及对放电类型进行分类，并在仅当确定放电脉冲数据为放电报警时，保存相应的prpd图谱和prps信息，并进行等效时间和等效频率计算生成tf图谱以及脉冲波形频谱；
16.所述同步单元用于产生所述单片机的内部同步信号或处理工频电源得到的脉冲同步信号；
17.所述通讯单元用于将所述逻辑处理单元处理后得到的处理结果传输给数据处理监视后台。
18.作为优化，所述逻辑处理单元进行放电报警判断具体为：接收所述放电脉冲数据并判断所述放电脉冲数据是否超出设定阈值，若所述放电脉冲数据超出设定阈值，则认定该所述放电脉冲数据为放电报警数据。
19.作为优化，所述逻辑处理单元内设有nnom库，所述nnom库内存放有电缆放电信息的分类数据。
20.作为优化，所述通讯单元通过以太网或光纤与所述数据处理监视后台进行通信连接。
21.作为优化，还包括显示器，所述显示器与所述单片机电连接。
22.作为优化，所述处理结果包括tf图谱、脉冲波形频谱、被判定为放电报警的放电脉冲数据、该放电脉冲数据对应的放电类型以及对放电类型判断的准确率。
23.作为优化，所述单片机采用smt32f429zetx。
24.作为优化，所述fpga模块采用ep4ce15f23i7n。
25.本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
26.本实用新型将局放数据处理、分类计算放到ied数据采集设备,提高ied数据采集设备的处理局放数据的能力，减轻中心节点主机(主监控主机)的数据处理压力。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
28.图1为本实用新型所述的一种边缘计算的电缆局放在线监测装置的结构示意图；
29.图2为信号调理模块的电路连接图；
30.图3为ad转换模块的电路连接图；
31.图4为与ad转换模块连接的fpga模块图；
32.图5为单片机的引脚图以及与单片机相连接的fpga的模块图。
33.附图中标记及对应的零部件名称：
34.1-信号采集模块，2-信号调理模块，3-ad转换模块，4-fpga模块，5-单片机。
具体实施方式
35.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
36.实施例
37.本实施例提供一种边缘计算的电缆局放在线监测装置，如图1所示，设置在ied数据采集设备内，包括信号采集模块1、信号调理模块2、ad转换模块3、fpga模块4、单片机5以及电源模块6，其中，
38.所述电源模块1为所述信号调理模块2、ad转换模块3、fpga模块4、单片机5供电。
39.电源模块为acdc电源与电源管理芯片以及外围电路组成，(电源模块为现有技术，本领域技术人员可以根据实际情况来设置，这里就不再赘述了)为整个装置的各个芯片提供电源。电源管理芯片(power management integrated circuits)，是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片.主要负责识别cpu供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。常用电源管理芯片有lmg3410r050，ucc12050，bq25790、hip6301、is6537、rt9237、adp3168、ka7500、tl494等。
40.所述信号采集模块2用于采集电缆的局部放电信号，具体的，信号采集模块采集设置在电缆上的局放传感器的信号；本实施例中，所述信号采集模块为电流传感器，特别的，为高频电流传感器。
41.如图2所示，为信号调理模块3。所述信号调理模块3用于对所述信号采集模块采集到的放电信号进行滤波及放大处理；该信号调理模块包括芯片(lb7、lb6、u21)、变压器(t2、t3)及其外围的滤波电路组成。信号采集模块采集到的放电信号通过芯片lb7的in引脚输入，并通过信号调理模块的滤波电路和变压器(t2、t3)进行滤波、放大，在信号调理模块的输出端以差分信号的形式输入至ad转换模块的vin-、vin+引脚。
42.如图3所示，为ad转换模块。所述ad转换模块用于接收所述信号调理模块的输出信号并对所述输出信号进行ad转换生成放电脉冲信号。该ad转换模块包括芯片u6及其外围电路以及ad时钟输入模块，ad时钟输入模块如图3中的右(旋转后的图3上)边电路，包括芯片t1、晶体振荡器d3以及其外围电路，ad时钟输入模块的输出端与芯片u6的clk+引脚和clk-引脚连接，ad时钟输入模块用于为放电脉冲信号提供频率，ad转换模块的放电脉冲信号通过芯片u6的fdi引脚组(d0-d11)传送给fpga模块。
43.所述fpga模块用于采样所述放电脉冲信号，并对所述放电脉冲信号进行fft频谱计算，得到放电脉冲数据。本实施例中，所述fpga模块包括采样信号预处理单元，所述采样信号预处理单元使用可编程逻辑器件，采样速率100ms/s,脉冲时长10.24us,主要进行ad采样，放电脉冲信号的脉冲采集，放电脉冲信号的脉冲fft处理：进行加(汉宁)窗及fft变换获取脉冲频率分布。
44.fpga模块采集脉冲信号并对脉冲信号做fft处理为现有技术，可以参考“cn202010206723.2一种电气频谱监测装置及方法”中：fpga模块对采集到的电压和电流数据进行fft运算的技术，因此，上述技术方案不涉及计算机程序的改进，是实用新型的保护范围。
45.如图4所示，为fpga模块与ad转换模块连接的部分的图片。芯片u6的fdi引脚组(d0-d11)与fpga模块的fdi引脚组连接，这里，fpga模块的fdi引脚组设有3组，分别是fdia引脚组、fdib引脚组和fdic引脚组，芯片u6的fdi引脚组与fpga模块的其中一个fdi引脚组连接即可。
46.如图5所示，为fpga模块与单片机连接的部分、以及单片机的图片，连接引脚参考图5即可。
47.所述单片机用于对所述放电脉冲数据进行处理，并将处理结果传输给数据处理监视后台。
48.本实施例中，所述单片机包括逻辑处理单元、同步单元和通讯单元；
49.所述逻辑处理单元用于进行放电报警判断、生成prpd图谱、prps信息，以及对放电类型进行分类，并在仅当确定放电脉冲数据为放电报警时，保存相应的prpd图谱和prps信息，并进行等效时间和等效频率计算生成tf图谱以及脉冲波形频谱；
50.本实施例中，所述逻辑处理单元进行放电报警判断具体为：接收所述放电脉冲数据并判断所述放电脉冲数据是否超出设定阈值，若所述放电脉冲数据超出设定阈值，则认定该所述放电脉冲数据为放电报警数据。这里，根据采集到的放电脉冲数据的实际值与设定的阈值比较去判断放电脉冲数据是否为放电报警数据，为现有技术，可以参考“cn201410659791.9高压电缆局部放电在线监测的报警方法、装置及系统”中的技术，该专利公开了“一种高压电缆局部放电在线监测的报警方法，其特征在于，包括：当采样时间到时，获取被监测高压电缆局部放电在线监测的监测数据；判断所述监测数据与设定报警阈值之间的偏差是否大于设定偏差值，若是，则将所述监测数据标记为报警数据；”，因此，上述技术方案不涉及计算机程序的改进，是实用新型的保护范围。
51.逻辑处理单元接受放电脉冲数据后，生成相应的prpd图谱和prps信息，并进行放电报警判断，仅当存在放电报警时，保存prpd图谱和prps信息，并进行等效时间和等效频率计算生成tf图谱以及脉冲波形频谱，通过prpd图谱得到tf图谱、通过tf图谱对放电脉冲数据进行判断为现有技术，可以参考“cn202011611022.3一种局部放电分类识别方法”，该专利公开了“对局部放电原始数据中的脉冲信号经提取并获取到原始prpd图谱；对局部放电原始数据中的每个脉冲信号进行时频分析，得到数据的tf图谱；对tf图谱进行聚类分离；根据tf图谱的聚类结果对原始prpd图谱进行分离分类；对每组分类prpd图谱分别进行放电识别”因此，上述技术方案不涉及计算机程序的改进，是实用新型的保护范围。
52.放电分类采用适合单片机的nnom库，神经网络模型在开发时由主机通过样本库训练学习，生成模型后，导入nnom库，nnom库内存放有电缆放电信息的分类数据，mcu仅需要进行分类计算即可，该技术也为现有技术，不涉及计算机程序的改进，是实用新型的保护范围。
53.同时，进行放电报警判断，仅当存在放电报警时，保存prpd图谱和prps信息，并进行等效时间和等效频率计算生成tf图谱以及脉冲波形频谱也为现有技术，可以参考“cn202010622742.3一种可定位绝缘缺陷的电缆在线监测装置及方法”，该专利公开了“一种可定位绝缘缺陷的电缆在线监测方法，其特征在于，包括：步骤1，在a、b、c三相任意一相脉冲触发下获取a、b、c三相的放电脉冲电流信号；步骤2，获取放电脉冲电流信号的电流幅值及对应的相位；步骤3，判断是否存在某相放电脉冲电流信号的电流幅值明显大于其他两相的情况，若是，判定存在局部放电；若否，则判定为干扰信号；步骤4，当判定结果为局部放电时，通过数据分析及处理得到用于确定缺陷类型的相关图谱，并将所述相关图谱与缺陷放电典型图谱进行对比，通过对局部放电信号的测量、放电信号特征提取、分类和特征指纹库比对分析判断是否为真实的放电信号并确定缺陷类型；所述检测装置得到的相关图谱包括prpd谱图、tf时频图”，上述专利公开了本技术中的“进行放电报警判断，仅当存在放电报警时，保存prpd图谱和prps信息，并进行等效时间和等效频率计算生成tf图谱以及脉冲波
形频谱”，因此，上述技术方案不涉及计算机程序的改进，是实用新型的保护范围。
54.最终将tf图谱、脉冲波形频谱、被判定为放电报警的放电脉冲数据、该放电脉冲数据对应的放电类型以及对放电类型判断的准确率上送至主监控主机。
55.对放电类型判断的准确率的计算也为现有技术，可以参考“cn201810858700.2一种用于识别电缆局部放电信号的信号类型的方法及系统”、“cn202011637543.6一种局部放电模式识别方法和系统”等专利，这里就不再赘述了。因此，上述技术方案不涉及计算机程序的改进，是实用新型的保护范围。
56.所述同步单元用于产生所述单片机的内部同步信号或处理工频电源得到的脉冲同步信号；
57.所述通讯单元用于将所述逻辑处理单元处理后得到的处理结果传输给数据处理监视后台，本实施例中，所述通讯单元通过以太网或光纤与所述数据处理监视后台进行通信连接。
58.本实施例中，还包括显示器，所述显示器与所述单片机电连接。显示器用来显示所采集到的电缆局放的电流值。
59.本实施例中，所述单片机采用smt32f429zetx。
60.本实施例中，所述fpga模块采用ep4ce15f23i7n。
61.本实用新型中，算力主要有fpga模块和单片机(mcu)分担，由于fpga模块的特性和资源限制，主要用于放电脉冲的fft频谱计算，并将脉冲数据和fft数据通过单片机(mcu)的fsmc局部总线以及dma控制器快速传输数据，单片机(mcu)接受脉冲数据后，生成prpd图谱和prps信息，并进行放电报警判断，仅当存在放电报警时，prpd图谱和prps信息，并进行等效时间和等效频率计算生成tf图谱以及脉冲波形频谱，放电分类采用适合单片机的nnom库，神经网络模型在开发时由主机通过样本库训练学习，生成模型后，导入nnom，mcu仅需要进行分类计算即可，最终将图谱文件和报警数据，分类结果和概率上送至监控主机。通过本实用新型，针对单个ied数据采集设备，数据上送和处理的数据明显减少，平时仅显示放电值即可，对整个系统而言，网络通讯数据量和主监控主机的计算量也大幅减少，仅当多个ied数据采集设备同时上送报警图谱数据时数据量大，但主监控主机的负荷明显减少。
62.以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。