一种特高频传感器和局部放电在线监测系统的制作方法

本发明涉及监测技术领域，具体涉及一种特高频传感器和局部放电在线监测系统。

背景技术：

局部放电是指当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的这种放电现象。这种放电以仅造成导体间的绝缘局部短(路桥)接而不形成导电通道为限。每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢；而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。这是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。因此，设计高压电力设备绝缘时，要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。对运行中的设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。

目前，对于变电站设备的局放监测手段主要包括带电监测和在线监测两种，其中，以带电监测为主。局放带电监测设备监测覆盖区域有限，监测工作量大、效率低。而目前对于变电站设备的局放在线监测主要针对GIS、变压器等单一设备进行，建设费用高，监测系统的使用率低，维护工作量大，大规模使用经济性差。在变电站全站局放监测方面，目前主要通过布置传感器阵列实现，方式有固定装置监测和移动监测两种，其中固定装置监测在数据的传输上主要采用同轴电缆和光纤等有线的传输方式，网络布置复杂，难以灵活更改监测装置布局，可扩展性差，定位精度差；移动监测方式属计划性监测，实时性差，无法实现在线监测。总体来看，变电站全站监测的局部放电在线监测技术目前还未有合适的解决方案。

因此，如何提高变电站局部放电在线监测装置的布局便利性和可扩展性，成为一个亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中变电站设备的局放监测方案灵活性较差、不利于扩展。

有鉴于此，本发明实施例的第一方面提供了一种用于监测局部放电信号的特高频传感器，包括：信号处理电路，用于对采集到的局部放电信号进行信号处理；特征提取电路，用于从经过信号处理的所述局部放电信号中提取所述待测设备的局放特征参数作为所述局放信息；收发电路，包括天线子系统、射频前端子系统和基带子系统，用于与外界进行数据交互；处理器，分别与所述信号处理电路、所述特征提取电路以及所述收发电路连接，用于处理所述局放信息，并控制所述信号处理电路、所述特征提取电路和所述收发电路处于异步工作状态。

优选地，所述信号处理电路包括滤波电路、放大电路以及检波电路。

优选地，还包括：电源，用于为所述特高频传感器供电。

优选地，所述电源包括：能量接收电路、能量存储电路和能量管理电路。

优选地，所述特高频传感器上设置有GPS接口。

本发明实施例的第二方面提供了一种变电站局部放电在线监测系统，包括：本发明实施例的第一方面所述的特高频传感器，设置在变电站的监测区域内，用于采集所述监测区域内待测设备的局放信息；诊断服务器，用于接收所述特高频传感器无线传输的所述局放信息，并根据所述局放信息诊断出所述监测区域中待测设备的局部放电情况。

优选地，还包括：数据中转中心，用于接收所述特高频传感器无线传输的所述局放信息并传输给所述诊断服务器。

优选地，所述数据中转中心包括：无线通信电路、数据交换电路和有线通信电路。

优选地，所述特高频传感器内置在所述监测区域内的待测设备中、或者设置在所述待测设备外表面、或者独立于所述待测设备设置。

优选地，所述特高频传感器的数量至少为四个，以分布式的方式设置在所述监测区域内。

本发明的技术方案具有以下优点：

1、本发明实施例提供的特高频传感器，通过无线方式采集局部放电信号，并通过对局部放电信号进行特征参数提取，将提取出的特征参数作为局放信息通过无线方式与外界进行数据交互，大大降低了需要传输的数据量，通过将特高频传感器信号的采集与无线通信进行异步处理，避免了无线通信的信号对于采集信号的干扰，提高了采集局部放电信号的准确性。

2、本发明实施例提供的变电站局部放电在线监测系统，通过特高频传感器在监测区域内采集局放信息并以无线方式传输至诊断服务器，诊断服务器对接收到的局放信息进行诊断，从而得出监测区域内待测设备的局部放电情况，特高频传感器采用无线通信的组网方式，增加了局部放电监测系统布局的灵活性和可扩展性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的用于监测局部放电信号的特高频传感器的原理图；

图2为本发明实施例2的变电站局部放电在线监测系统的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种用于监测局部放电信号的特高频传感器，如图1所示，该特高频传感器包括：信号处理电路1、特征提取电路2、收发电路3以及处理器4，其中，

信号处理电路1，用于对采集到的局部放电信号进行信号处理，具体地，该特高频传感器还可以包括信号耦合电路5，比如可以利用微带天线接收50MHz-800MHz的全向电磁信号，以实现通过无线方式采集局部放电信号；

特征提取电路2，用于从经过信号处理的局部放电信号中提取待测设备的局放特征参数作为局放信息，具体地，局部放电脉冲的包络检波波形经过处理后输入到特征提取电路2的数模转换器21，比如高速ADC转换器，采用高速ADC转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号，其输出的连续数字信号流经FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)电路22进行实时的特征参数提取，从而获得放电脉冲的波形特征参数，此处将局部放电信号的特征参数作为局放信息可以大大降低数据传输量。

收发电路3为无线收发电路3，负责数据的无线发送与接收，并支持无线自组网和无线授时同步，主要包括天线子系统31、射频前端子系统32和基带子系统33。

处理器4分别与信号处理电路1、特征提取电路2以及收发电路3连接，用于对局放信息进行相关处理，比如应用MD5()Message-Digest Algorithm5，信息-摘要算法)或DES(Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法)算法对局放信息进行加密和解密，并根据周期任务或突发任务控制信号处理电路1、特征提取电路2和收发电路3处于异步工作状态，以保证在采集局部放电信号时，收发电路3处于关闭状态，即可以实现信号采集与无线通信的异步处理，避免无线通信对信号采集的干扰，从而提高数据的精确度。

作为一种优选方案，信号处理电路1包括滤波电路11、放大电路12以及检波电路13，具体地，可以采用多级级联的放大电路12，比如最大放大倍数可以设计为50dB，依次对信号耦合电路5的采集到的局部放电信号进行带通滤波、低噪声放大和包络检波，以便于信号的后期传输与计算。

作为一种优选方案，还包括：电源6，用于为特高频传感器供电。电源6包括：能量接收电路61、能量存储电路62和能量管理电路63。其中，能量接收电路61可以接收远程传输的无线能量，既可以实现无线充电或供电，然后通过能量存储电路62将接收到的电能存储，在需要供电时，通过能量管理电路63根据实际情况管理电能的输出，加强了特高频传感器供电系统的合理化。

作为一种优选方案，特高频传感器上设置有GPS接口(未示出)，以供实现高精度的时间同步。

上述特高频传感器，通过无线方式采集局部放电信号，并通过对局部放电信号进行特征参数提取，将提取出的特征参数作为局放信息通过无线方式与外界进行数据交互，大大降低了需要传输的数据量，通过将特高频传感器信号的采集与无线通信进行异步处理，避免了无线通信的信号对于采集信号的干扰，提高了采集局部放电信号的准确性。

实施例2

本实施例供了一种变电站局部放电在线监测系统，如图2所示，包括：实施例1中的特高频传感器201、数据中转中心202和诊断服务器203，特高频传感器201与数据中转中心202以无线的方式连接，数据中转中心202和诊断服务器203之间可以通过有线连接，其中，

特高频传感器201，设置在变电站的监测区域内，用于采集监测区域内待测设备的局放信息，特高频传感器201的具体组成及功能参见实施例1中的详细描述。

作为一种优选方案，特高频传感器201内置在监测区域内的待测设备中、或者设置在待测设备外表面、或者独立于待测设备设置。此处特高频传感器201可以通过无线方式组网，避免了在现场布局时考虑连接线的问题，布局方式灵活，可以根据变电站的具体情况任意改变，对于设置在待测设备中的特高频传感器201还可以利用变电站一次设备内部已安装的内置式信号耦合器，进行扩展应用，以节约监测成本。

数据中转中心202，用于接收特高频传感器201无线传输的局放信息并传输给诊断服务器203。具体地，数据中转中心202可以通过无线通信收集特高频传感器201发出的局放信息，并通过有线通信将接收的数据传输至诊断服务器203，同时，数据中转中心202也可以将诊断服务器203下发的命令传递至特高频传感器201，即其与诊断服务器203和特高频传感器201之间均是双向通信。

作为一种优选方案，数据中转中心202包括：无线通信电路、数据交换电路(比如交换机)和有线通信电路(比如以太网接口)，以及还可以包括数据处理模块，用于对接收到的数据进行相关处理；电源模块和时钟模块，用于提供电能和时钟功能。具体地，无线通信电路用于与特高频传感器201进行无线通信，数据处理模块对无线通信电路进行数据处理和通信控制，实现无线数据的双向传输以及与特高频传感器201之间的同步无线通信控制；通过数据处理模块对数据交换电路进行控制，以实现将无线通信电路与有线通信电路之间的数据交换。

诊断服务器203，用于接收特高频传感器201无线传输的局放信息，并根据局放信息诊断出监测区域中待测设备的局部放电情况，即根据特高频传感器201的采集数据进行变电站全站局部放电的诊断与定位。

作为一种优选方案，特高频传感器201的数量至少为四个，以分布式的方式设置在监测区域内。至少4个特高频传感器201采集到的局放信息在传输至诊断服务器203后，可以采用基于分布式、多源特高频局部放电信号强度分布的局放定位算法来实现监测区域中待测设备的局部放电情况的诊断，具体方式如下：

在空间传播中，无线电信号能量在传播过程中会有损耗，而这种损耗与传播路径相关。基于分布式、多源特高频局部放电信号强度分布的局放定位算法正是利用此相关性得出发射节点到接收节点之间的距离。在无线传播理论中称此种损耗为路径损耗，此种相关性建立的模型为路径损耗模型。

信号强度与传输距离成反比，假设局放信号(局放信息)产生端与传感器(特高频传感器201)端距离为d_n，传感器接收到的平均能量为P_n，则P₁/P₂＝(d₂/d₁)^β，其中β为衰减系数。由于传感器接收到的平均能量与信号幅值U_n的平方成正比，即U₁²/U₂²＝P₁/P₂＝(d₂/d₁)^β，假设d₁为1米，则U₁为距离局放发生点一米时的信号幅值(特征参数)，设为U₀，则d_n＝(U₀²/U_n²)^1/β.

由于U₀是未知的，所以直接求解局放源到传感器的距离不现实，可以通过求解非线性方程组以求得最小二乘意义下的最优未知解。

比如目标区域(监测区域)放置n个传感器，假设第i个传感器的位置为(x_i,y_i,z_i)，局放源坐标为(x，y，z)，根据上式，我们可以列出非线性方程组(n＝9)如下：

其中U₁,U₂…U₉为传感器所测到的信号幅值。

这是一个关于未知数x，y，z和U₀的非线性方程组，最理想的情况下，方程组会有一个解。然而由于测量误差与系统误差的存在，这个方程组一般情况下是没有解的，令

求最小二乘意义下的最优解，就是找到一组令e值最小的x，y，z和U₀。此时可采用牛顿迭代法和网格搜索法等算法进行计算。由于传感器所测到的幅值越大，代表了传感器距离局放源越近，所以无论是牛顿迭代的初值选取，还是网格搜索的范围确定，都可根据所测幅值的定性关系确定一个大致范围，从而实现基于RSSI(Received Signal Strength Indicator是接收信号的强度指示)定位算法的局放放电精确定位。

衰减系数β随不同无线传输环境有变化，这可以直接影响到计算的定位精度。在变电站无线传输环境下，RSSI定位的重要一步是衰减系数估计。最简单直观的估计方法是采用标定技术。上述方式中n大于等于4时(即特高频传感器201的数量至少为四个时)，才能实现精确定位，n越大监测结果越准确。

上述变电站局部放电在线监测系统，通过特高频传感器201在监测区域内采集局放信息并以无线方式传输至诊断服务器203，诊断服务器203对接收到的局放信息进行诊断，从而得出监测区域内待测设备的局部放电情况，特高频传感器201采用无线通信的组网方式，增加了局部放电监测系统布局的灵活性和可扩展性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。