基于光谱分析方法的环网柜故障判别系统与流程

本实用新型涉及电力系统电气设备领域，具体涉及基于光谱分析方法的环网柜故障判别系统，用于对环网柜故障判别与实时监测。

背景技术：

随着社会不断进步、国民经济快速发展、高新技术在电力系统中的广泛推广应用，环网柜的使用率也日益增加。城市环网柜在电力系统建设中起着重要作用，随着国家对智能电网建设的需要，环网柜的状态监测和故障预警也变得越来越重要。环网柜故障持续时间长短与电气设备遭受破坏程度有关，弧光故障时间越短造成的破坏就越短。如何对环网柜的状态检测和对环网柜故障进行预警，以及对故障及时处理是电力管理系统必须解决的重要问题之一，同时也是保证电力系统运行安全性和电力建设研究的热点技术。因而对于供电设施及其配套的环网柜等设备来讲，由于短路和高压下造成的电弧对设备及其人员的伤害非常严重，需要采取可靠的方式对其进行检测并加以保护。但是几乎对导体短路或其高压下产生的电弧的光谱结构特性进行研究的，弧光保护单位也只是利用自然界的电晕现象的光谱结构及电弧的发光特性来进行弧光检测。因此，导体短路及高压电离的弧光光谱特性研究的意义非常深刻，其光谱特性研究对弧光检测具有至关重要的知道作用。

技术实现要素：

本实用新型针对目前环网柜故障判别系统存在的不足，提供了一种基于光谱分析方法的环网柜故障判别系统，用于在环网柜中准确及时的获取故障类型，进而做出相应的故障处理。该系统具有灵敏、准确、快速、选择性好、弧光整定误差小、可靠性高的特点；该系统判别故障的同时避免了背景光干扰的问题。

本实用新型采取的技术方案为：

基于光谱分析方法的环网柜故障判别系统，包括信号采集单元、光学平台、检测系统、信号处理单元、工控机。所述信号采集单元为线式弧光传感器，线式弧光传感器探测的弧光信号经由光纤束传送至光学平台。线式弧光传感器为Avago线式光传感器，它通常是POF光纤。线式传感器能采集光纤路径上的大区域的光，同时由于线式传感器的光纤是有长度的，是没有被环网柜内装置遮挡的风险。因此线式传感器可以检测单个装置内部的多个单 元，同样也可以检测多个装置，更多的单元可以被检测，可以减少要使用的传感器数量。通过大口径可靠性极好的POF光纤光缆传递信号，确保将光传感器探头所探测到的弧光信号传给光学平台，大口径高可靠性POF光缆可长达50m，确保远离重大电气设备，安全性高。

所述光学平台用于将弧光分解确定光谱成分。所述检测系统用于按波长排列，测量各波长处的光强度特征；

光学平台和检测系统将成分复杂的光分解成光谱线，区分弧光和可见光。弧光与可见光的区别在于弧光包含可见光，同时它比可见光增加了紫外线成分。

所述信号处理单元包括光电转换器、运算放大器，弧光信号经光电转换器转换成电信号，利用运算放大器构成电平转换电路转换电平值，最后存储在工控机上；

所述工控机型号为IPC-610，CPU型号CORE双核2.4G E4600，内存2G，硬盘容量250G，带DVD光驱、带鼠标键盘及网口。

所述工控机用于分析光谱成分及各波长处的光强度，判别环网柜是否发生故障以及确定故障类型。

所述工控机用于环网柜故障数据存储，建立数据库，当出现故障数据及时发送“跳闸反馈”到断路器。

所述光纤束为POF光纤光缆。

所述光学平台包括入射狭缝、准直元件、色散元件、聚焦元件；准直元件为独立的透镜、或者独立的反射镜、或者直接集成在色散元件上；色散元件为光栅；入射狭缝在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点，准直元件使入射狭缝发出的光线变为平行光，色散元件使光信号在空间上按波长分散成为多条光束，聚焦元件聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。

所述检测系统由探测器阵列构成，探测器阵列放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度，探测器阵列为CCD阵列。

所述光电转换器型号为GH232，运算放大器型号为OPA2227；信号处理单元采用FPGA作为核心处理器，型号为EP2C5Q208C8N，光电转换器实现光电信号的转换，利用OPA2227运算放大器构成电平转换电路，转换成适合FPGA的I/O端口接收的电平值；信号处理单元与工控机之间采用PCI接口实现通讯和供电，信号处理单元为一个PCI接口的板卡，可直接插入工控机的PCI插槽上。

基于光谱分析方法的环网柜故障判别及实时监测方法，弧光传感器探测的弧光信号，经由 光纤束传送至光学平台，光学平台将弧光分解确定光谱成分，检测系统按波长排列，测量各波长处的光强度特征，光信号经信号处理单元处理后存储在工控机上，工控机用于分析光谱成分及各波长处的光强度，判别环网柜是否发生故障以及确定故障类型，同时工控机用于环网柜故障数据存储，建立数据库实时监测，当出现故障数据及时发送“跳闸反馈”到断路器。

本实用新型基于光谱分析方法的环网柜故障判别系统，技术效果如下：

1)、本实用新型基于光谱分析方法的环网柜故障判别系统，利用光谱分析方法检测环网柜故障，光谱分析技术是一种最基本应用最广泛的分析技术，具有灵敏、准确、快速、选择性好等优点。

2)、线式光传感器可以检测单个装置内部的多个单元，同样也可以检测多个装置，更多的单元可以被检测，可以减少要使用的传感器数量同时降低保护系统的成本。

3)、聚焦元件聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。探测器阵列可以测量各波长像点的光强度。

4)、光学平台和检测系统将成分复杂的光分解成光谱线，根据光谱成份为紫外光、可见光还是红外光以及各波长像点的光强度判别故障类型，金属导体短路导体燃烧及金属离子放电发光还是金属导体在高压放电时致使空气电离发光。

5)、工控机对出现的故障类型进行编号区分，存储故障数据，建立数据库，当出现故障数据及时发送“跳闸反馈”到断路器。

附图说明

图1为本实用新型基于光谱分析方法的环网柜故障判别系统原理示意图。

图2为本实用新型中光学平台与检测系统结构图。

图2中：1-入射狭缝；2-准直透镜；3-色散元件；4-聚焦元件；5-CCD阵列检测器；

6-光学平台与检测系统；7-光纤束；8-光纤接头；9-入射光线。

10-光纤探头；11-信号处理单元；12-工控机。

图3为本实用新型中信号处理单元构成示意图。

图4为本实用新型中所述光谱曲线图。

具体实施方式

原理分析：

环网柜故障类别大致可以分为两种，即不同金属导体短路和金属导体在高压放电。弧光与可见光的区别在于弧光包含可见光，同时它比可见光增加了紫外线成分，利用光学平台 和检测系统将成分复杂的光分解成光谱线，区分弧光和可见光。

金属导体短路时产生的弧光的主要成分是紫外光和可见光，此外还有很微弱的红外光部分。从光谱曲线图4可以看出，在紫外和可见光波段分别有一个峰值区域，中心波长大约分别为330nm和530nm；导体在20kV的高压下致使空气电离所发出的弧光，仅紫外光比较明显，而可见光和红外光几乎可以忽略。弧光成分以及相同波长处的强度可以作为故障类型判别依据。

如图1所示，基于光谱分析方法的环网柜故障判别系统，由信号采集单元、光学平台、检测系统、信号处理单元、工控机等部分构成。Avago线式弧光传感器探测的弧光信号经由光纤束传送至光学平台。光学平台将弧光分解确定弧光光谱成分，检测系统按波长排列测量各波长处的光强度特征。信号处理单元包括光电转换器和运算放大器两部分，弧光信号经光电转换器转换成电信号，利用OPA2227运算放大器构成电平转换电路转换电平值，最后存储在工控机上。工控机用于分析光谱成分及各波长处的光强度，判别环网柜是否发生故障以及确定故障类型，同时工控机用于环网柜故障在线实时监测。

所述信号采集单元为光传感器，光传感器为Avago线式光传感器，它通常是POF光纤。线式传感器能采集光纤路径上的大区域的光，同时由于线式传感器的光纤是有长度的，是没有被环网柜内装置遮挡的风险。因此线式传感器可以检测单个装置内部的多个单元，同样也可以检测多个装置，更多的单元可以被检测，可以减少要使用的传感器数量同时降低保护系统的成本。

所述的系统通过大口径可靠性极好的POF光纤光缆传递信号，确保将Avago线式传感器探头所探测到的弧光信号传给光学平台，大口径高可靠性POF光缆可长达50m，确保远离重大电气设备，安全性高。

所述的光学平台和检测系统结构图如图2所示，为了区分弧光和可见光，将成分复杂的光分解成光谱线。弧光与可见光的区别在于弧光包含可见光，同时它比可见光增加了紫外线成分。环网柜故障大致可以分为两种，即金属导体短路和金属导体在高压放电。

所述的一个光学平台由入射狭缝1、准直元件2、色散元件3、聚焦元件4组成。

所述的入射狭缝1在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。准直元件2使狭缝1发出的光线变为平行光。准直元件2可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。色散元件3通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。聚焦元件4聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝1的像，其中每一像点对应于一特定波长。

所述的检测系统为由探测器阵列5构成。探测器阵列5放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度，探测器阵列5可以是CCD阵列。

所述信号处理单元结构如图3所示，光电转换器和A/D转换器两部分构成信号处理单元。光电转换器型号为GH232，运算放大器型号为OPA2227。信号处理单元采用FPGA作为核心处理器，型号为EP2C5Q208C8N，光电转换器实现光电信号的转换，利用OPA2227运算放大器构成电平转换电路，转换成适合FPGA的I/O端口接收的电平值。信号处理单元与工控机之间采用PCI接口实现通讯和供电。信号处理单元为一个PCI接口的板卡，可直接插入工控机的PCI插槽上。

所述环网柜故障类型判别依据如表1所示，表1将环网柜故障类别大致可以分为两类，即金属导体短路和金属导体在高压放电。其中在故障原理不同的基础上又进一步细分为不同金属之间导致的故障。光学平台和检测系统将成分复杂的光分解成光谱线，与表1中故障光谱曲线波长峰值与相对强度进行比较，确定是否发生故障以及确定故障类型。每一种故障对应一个标号，工控机接收故障标号进行数据存储，建立数据库实时监测，当出现故障数据及时发送“跳闸反馈”到断路器。

表1为环网柜故障类型判别表。

所述工控机型号为IPC-610，CPU型号CORE双核2.4G E4600，内存2G，硬盘容量250G，带DVD光驱、带鼠标键盘及网口。