一种开关柜局部放电多节点监测系统同步化装置的制作方法

本发明涉及电力设备状态监测、电力资产管理等相关设备的研制、技术开发及应用领域，具体涉及一种开关柜局部放电多节点监测系统同步化装置。

背景技术：

高压开关柜作为一种集测量、控制、保护于一体的电力设备，在发电厂、中压及高压变电站大量安装，对于电网的安全运行及电能的分配与计量发挥至关重要的作用。鉴于此，多年来对高压开关柜自身运行状态的监测与诊断一直是科研院所、监测设备生产企业、电力生产及电网企业关注的课题，相继提出了多种监测技术。其中，基于地电波(tev，transientearthvoltage)与超声(aa,airborneacoustic)测量的开关柜局放检测技术多年来得到了最为广泛的应用与开发。产品方面，近30年来，采用相关测量技术的英国eatechnology的产品在世界范围内得以广泛应用。

自2006年引进国外技术和产品的基础上，近些年我国设备生产企业开发出了类似的产品，并在国内得到一定程度的认可和应用。2015年以来，我国相关部门提出了分布式对节点无线监测技术，并开发出了相应的产品。鉴于其具有现场易于实施的优点，获得了电力生产及电网企业的初步认可。然而，小范围的应用表明：这一技术存在着抗干扰能力弱、难以及时定位存在局部放电隐患的开关柜面以及难以开展深层次绝缘诊断及风险评估等方面的问题，阻碍了其进一步推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种开关柜局部放电多节点监测系统同步化装置，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种开关柜局部放电多节点监测系统同步化装置，包括主节点单元和子节点单元，主节点单元包括主节点处理器单元以及与主节点处理器单元连接的主节点脉冲发生单元、主节点数字通讯单元和主节点显示单元，主节点脉冲发生单元和主节点数字通讯单元同时连接有主节点模式切换开关单元，主节点模式切换开关单元连接有主节点天线单元；子节点单元包括子节点模数转换单元以及与子节点模数转换单元连接的子节点信号调理单元和子节点微处理器单元，子节点微处理器单元连接有子节点数字通讯单元，子节点数字通讯单元和子节点信号调理单元同时连接有子节点模式切换开关单元，子节点模式切换开关单元连接有子节点天线单元，子节点模数转换单元连接于子节点检测对象及其调理电路；

主节点处理器单元用于控制主节点模式切换开关单元切换同步信号发射模式和控制主节点脉冲发生单元发生单元动作，主节点数字通讯单元用于主节点处理器单元和主节点模式切换开关单元之间通讯；

主节点脉冲发生单元产生单元脉冲信号；

主节点模式切换开关单元用于信号接收发送切换，主节点天线单元用于单元脉冲信号发射和数字通讯，主节点处理器单元通过主节点天线单元实现数字信号接收和处理；

子节点天线单元用于实现单元脉冲信号接受和数字通讯，子节点信号调理单元用于调理单元脉冲信号；子节点模式切换开关单元用于切换检测子节点检测对象及其调理电路，实现局部放电信号的测量，子节点微处理器单元用于将测量的局部放电信号通过子节点数字通讯单元和子节点天线单元传输至主节点单元。

进一步的，主节点天线单元和子节点天线单元结构相同，都采用单根可伸缩天线，型号fr150,增益6db，驻波比<1db。

进一步的，主节点数字通讯单元和子节点数字通讯单元均包括调制解调电路和信号发射接受电路，调制方式采用调频方式，载波频率2ghz，调制解调电路采用可控多谐振振荡器电路实现频率调制；信号发射接受电路包括射频功率放大器及其驱动电路，射频功率放大器采用hmc580，实现信号功率放大40db。

进一步的，所述主节点处理器单元和子节点微处理器单元采用嵌入式微处理器arm。

进一步的，所述子节点检测对象及其调理电路包括地点波传感、超声波传感器、滤波电路和峰值保持器；地点波传感器的前置放大器采用超低噪声高速放大器ad4899-1，前置放大器放大倍数50倍，带宽0-100mhz，共模抑制比100db；超声波传感器的前置放大电路采用超低失真精密运算放大器lt1126，放大倍数50倍，带宽0-1mhz,共模抑制比100db；滤波电路采用有源切比雪夫带通滤波器，再通带频率20khz-1mhz、1mhz-50mhz；峰值保持器直接采用包络/峰值检波器ltc5507，峰值保持器用于实现降频采样，峰值保持器的保持时间1μs。

进一步的，主节点模式切换开关单元包括高频继电器和驱动电路；高频继电器采用tis2单刀双置开关，上限截止频率3ghz，动作速度20ms，驱动电压15v；驱动电路脉冲上升时间1μs，驱动电流大于1a；高频继电器分别通过同步脉冲信号电缆、数字通讯电缆和驱动信号电缆与主节点脉冲发生单元、主节点数字通讯单元和主节点天线单元连接。

进一步的，驱动电路包括栅极接控制信号的接面型场效应管d1，接面型场效应管d1的源极接地，接面型场效应管d1的漏极接电阻r一端、增强型场效应管s1的栅极和增强型场效应管s2的栅极，增强型场效应管s1的源极和增强型场效应管s2的漏极同时接电感l一端，电阻r另一端接增强型场效应管s1的漏极、二极管d1负极、二极管d3负极和电阻r2一端；增强型场效应管s2的源极、二极管d2正极、二极管d4正极、电容c一端和接面型场效应管d2源极接地，二极管d4负极、二极管d3正极、电容c另一端和接面型场效应管d2栅极接电感l另一端，二极管d1正极和二极管d2负极接电感l一端，接面型场效应管d2漏极接电阻r2另一端。

进一步的，主节点脉冲发生单元包括高压充电回路、高压放电回路、光电耦合电路、电源模块和工频相位检测器；

电源模块采用数控直流稳压源；高压充电回路包括中压电源模块、电阻r1、电容c1和电阻r2，电阻r1一端接电阻r1中压电源模块输出正极，电阻r1另一端接电容c1一端和电阻r2一端，电容c1另一端和电阻r2另一端接中压电源模块输出负极；

电容放电回路包括电阻r3、二极管d1、电感l和场效应管s3，电阻r3一端与电阻r1另一端连接，电阻r3另一端接二极管d1正极，二极管d1负极接电感l一端，电感l另一端接场效应管s3源极，场效应管s3漏极接电容c1另一端，电感l两端接输出线缆；

光耦驱动电路包括光电耦合芯片、电阻r4和电阻r5，光电耦合芯片的发光元件侧正负极接工频相位检测器，光电耦合芯片的光敏元件侧的集电极接15v电源，光电耦合芯片的光敏元件侧的发射极接电阻r5的一端，电阻r5的另一端接场效应管s3栅极和电阻r4一端，电阻r4另一端接场效应管s3漏极；

工频相位检测器包括正向过零比较器和分压器，正向过零比较器带有使能端口。

进一步的，子节点模数转换单元包括同步脉冲调理电路、tev传感器和aa传感器调理电路、可控a/d转换器和处理器；同步脉冲调理电路包括滤波电路和单稳态触发器，滤波电路用于实现1mhz-50mhz的带通滤波,滤除其他频率信号干扰，单稳态触发器用于实现同步脉冲整形，稳态保持时间20ms，当单元脉冲信号识别有效时，触发a/d采集卡对传感器检测数据进行采集；tev传感器和aa传感器调理电路包括放大滤波电路和峰值保持器，前置放大器放大倍数至少50倍，放大滤波电路采用有源带通滤波器，通带频率20khz-1mhz、1mhz-50mhz；峰值保持器用于实现降频采样，峰值保持器的保持时间1μs；a/d采集卡的采样率20ms/s，采样位数16位，直接将采集数据传输给处理器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开了一种用于开关柜局部放电多节点无线监测系统的同步化装置，将主节点单元封装在一个主监测节点内，将各个子节点单元封装在一个子监测节点内，利用主节点处理器单元通过控制模式切换开关进入同步信号发射模式，接着控制脉冲发生单元动作，脉冲通过天线向各个子监测节点发射无线同步信号，然后切换到数字信号接收模式；每个子监测节点接收到主监测节点发出的同步脉冲信号后，经由子节点信号调理单元快速触发模数转换单元，测量局部放电信号，然后通过子节点数字通讯单元将采集信号发送至主节点处理器单元，即实现了安装在多面开关柜上的多个子监测节点的同步化监测，这一同步装置的采用，解决了当前开关柜局部放电无线监测技术领域一直存在的无法准确获取局部放电信号时序以及电压相位信息的难题，以一种经济的方式，直接为局部放电的定位以及基于电压相位信息的局部放电的模式识别奠定了坚实的技术基础，装置具有易于扩展、易于维护的优点，特别适合高压开关柜局部放电监测以及其它电力设备的分布式绝缘监测设备的开发及应用领域。

进一步的，子节点检测对象及其调理电路由地点波(tev)传感器及其调理电路和超声波传感器及其调理电路组成，其中调理电路由前置放大了波波电路和峰值保持器组成，前置放大滤波电路的目的是保证能够有效地拾取局部放电信号，峰值保持器的作用是实现降频采样，保证20ms/s采样率的采集卡能够有效地采集到局部放电，降低了产品成本。

附图说明

图1是本发明系统示意图。

图2是本发明主节点模式切换开关单元组成示意图。

图3是本发明主节点脉冲发生单元组成示意图。

图4是本发明子节点模数转换单元组成示意图。

图5是本发明工作流程图。

图6是本发明现场实施示意图。

图中，11、主节点天线单元；12、主节点模式切换开关单元；13、主节点脉冲发生单元；14、主节点数字通讯单元；15、主节点处理器单元；16、主节点显示单元；17、子节点天线单元；18、子节点模式切换开关单元；19、子节点信号调理单元；110、子节点模数转换单元；111、子节点数字通讯单元；112、子节点微处理器单元；113、子节点检测对象及其调理电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种开关柜局部放电多节点监测系统同步化装置，包括主节点单元和子节点单元，主节点单元包括主节点处理器单元15以及与主节点处理器单元15连接的主节点脉冲发生单元13、主节点数字通讯单元14和主节点显示单元16，主节点脉冲发生单元13和主节点数字通讯单元14同时连接有主节点模式切换开关单元12，主节点模式切换开关单元12连接有主节点天线单元11；子节点单元包括子节点模数转换单元110以及与子节点模数转换单元110连接的子节点信号调理单元19和子节点微处理器单元112，子节点微处理器单元112连接有子节点数字通讯单元111，子节点数字通讯单元111和子节点信号调理单元19同时连接有子节点模式切换开关单元18，子节点模式切换开关单元18连接有子节点天线单元17，子节点模数转换单元110连接于子节点检测对象及其调理电路113；

主节点处理器单元15用于控制主节点模式切换开关单元12切换同步信号发射模式和控制主节点脉冲发生单元13产生单元脉冲信号，主节点数字通讯单元14用于主节点处理器单元15和主节点模式切换开关单元12之间通讯；

主节点脉冲发生单元13的单元动作脉冲通过主节点模式切换开关单元12传输至主节点天线单元11向各个子监测节点发射单元脉冲信号，主节点处理器单元15通过主节点天线单元11实现数字信号接收；

子节点天线单元17用于实时接收主节点发出的单元脉冲信号，将单元脉冲信号经子节点信号调理单元19触发子节点模式切换开关单元18，通过子节点模式切换开关单元18检测子节点检测对象及其调理电路113，实现局部放电信号的测量，子节点微处理器单元112用于将测量的局部放电信号通过子节点数字通讯单元111和子节点天线单元17传输至主节点单元。

主节点天线单元11和子节点天线单元17结构相同，都采用普通的单根可伸缩天线，型号fr150,增益6db，驻波比<1db，主节点天线单元11包括两个对顶设置的三角电极，三角电极由铜制倒三角电容偶极子组成，主节点天线单元11用于单元脉冲信号发射和数字通讯双功能，子节点天线单元17用于实现单元脉冲信号接受和数字通讯双功能；

主节点数字通讯单元14和子节点数字通讯单元111均包括调制解调电路和信号发射接受电路，调制方式采用调频方式，载波频率2ghz，调制解调电路采用可控多谐振振荡器电路实现频率调制；信号发射接受电路包括射频功率放大器及其驱动电路，射频功率放大器采用hmc580，实现信号功率放大40db；

所述主节点处理器单元15和子节点微处理器单元112采用嵌入式微处理器arm，主节点显示单元16采用触摸式液晶屏，用于信息显示和操控主节点处理器单元15；

所述子节点检测对象及其调理电路113包括地点波(tev)传感、超声波(aa)传感器、滤波电路和峰值保持器；地点波(tev)传感器的前置放大器采用超低噪声高速放大器ad4899-1，前置放大器放大倍数50倍，带宽0-100mhz，共模抑制比100db，超声波(aa)传感器的前置放大电路采用超低失真精密运算放大器lt1126，放大倍数50倍，带宽0-1mhz,共模抑制比100db；滤波电路采用有源切比雪夫带通滤波器，再通带频率20khz-1mhz(aa)、1mhz-50mhz(tev)；峰值保持器直接采用包络/峰值检波器ltc5507，峰值保持器的作用是实现降频采样(极大降低设备成本)，峰值保持器的保持时间1μs，它的主要目的是保证20ms/s采样率的采集卡能够有效地采集到局部放电；

如图2所示，主节点模式切换开关单元12包括高频继电器和驱动电路；高频继电器采用tis2单刀双置开关，上限截止频率3ghz，动作速度20ms，驱动电压15v；驱动电路脉冲上升时间1μs，驱动电流大于1a，能够有效地保证高频继电器有效动作；高频继电器分别通过同步脉冲信号电缆、数字通讯电缆和驱动信号电缆与主节点脉冲发生单元13、主节点数字通讯单元14和主节点天线单元11连接；同步脉冲信号电缆采用1kv高压同轴电缆，波阻抗50欧；数字通讯电缆和驱动信号电缆采用普通信号同轴电缆，波阻抗50欧；

驱动电路包括栅极接控制信号的接面型场效应管d1，接面型场效应管d1的源极接地，接面型场效应管d1的漏极接电阻r一端、增强型场效应管s1的栅极和增强型场效应管s2的栅极，增强型场效应管s1的源极和增强型场效应管s2的漏极同时接电感l一端，电阻r另一端接增强型场效应管s1的漏极、二极管d1负极、二极管d3负极和电阻r2一端；增强型场效应管s2的源极、二极管d2正极、二极管d4正极、电容c一端和接面型场效应管d2源极接地，二极管d4负极、二极管d3正极、电容c另一端和接面型场效应管d2栅极接电感l另一端，二极管d1正极和二极管d2负极接电感l一端，接面型场效应管d2漏极接电阻r2另一端；

如图3所示的主节点脉冲发生单元13包括高压充电回路、高压放电回路、光电耦合电路、电源模块和工频相位检测器；电源模块采用数控直流稳压源，电压0-200v线性可调，最大输出电流15a；高压充电回路包括中压电源模块、电阻r1、电容c1和电阻r2，电阻r1一端接电阻r1中压电源模块输出正极，电阻r1另一端接电容c1一端和电阻r2一端，电容c1另一端和电阻r2另一端接中压电源模块输出负极；r1电阻选择1kω，作用是实现电容快速充电，电容c1选择10nf陶瓷电容，电压等级5kv，主要作用是存储电荷，用于产生放电脉冲，电阻r2的作用是当电容未放电或放电不完全时，缓慢地泄放电容c2的电荷；

电容放电回路包括电阻r3、二极管d1、电感l和场效应管s3，电阻r3一端与电阻r1另一端连接，电阻r3另一端接二极管d1正极，二极管d1负极接电感l一端，电感l另一端接场效应管s3源极，场效应管s3漏极接电容c1另一端，电感l两端接输出线缆，电阻r3选择2ω，二极管d1选择1n4007，它们都起到阻尼振荡的作用，电感l选择10nh，与电容c1形成谐振频率为16mhz谐振电路，场效应管s3选择n沟道场效应管，耐压500v，最大通流15a；

光耦驱动电路包括光电耦合芯片、电阻r4和电阻r5，光电耦合芯片的发光元件侧正负极接工频相位检测器，光电耦合芯片的光敏元件侧的集电极接15v电源，光电耦合芯片的光敏元件侧的发射极接电阻r5的一端，电阻r5的另一端接场效应管s3栅极和电阻r4一端，电阻r4另一端接场效应管s3漏极；光电耦合芯片的作用是实现高压脉冲发生电路和控制电路的光电隔离,电阻r4的作用是场效应管s3门极保护，电阻r5的作用是限制驱动电流；

工频相位检测器主要由正向过零比较器和分压器组成，将pt引下的工频信号经过分压器分压后，加到正向过零比较器两端，保证工频正向过零点触发同步脉冲发生回路，正向过零比较器带有使能端口，只有主节点处理器单元15使能正向过零比较器时，同步脉冲发生回路才能正常工作；

如图4所示，子节点模数转换单元18包括同步脉冲调理电路、tev传感器和aa传感器调理电路、可控a/d转换器和处理器；同步脉冲调理电路包括滤波电路和单稳态触发器，滤波电路主要实现1mhz-50mhz的带通滤波,滤除其他频率信号干扰，保证主频16mhz同步脉冲信号的有效接收，单稳态触发器的目的是实现同步脉冲整形，稳态保持时间20ms，当同步脉冲识别有效时，触发a/d采集卡对传感器检测数据进行采集，tev传感器和aa传感器调理电路主要由放大滤波电路和峰值保持器组成，前置放大器放大倍数至少50倍，滤波电路采用有源带通滤波器，通带频率20khz-1mhz(aa)、1mhz-50mhz(tev)，峰值保持器的作用是实现降频采样，峰值保持器的保持时间1μs，保证20ms/s采样率的采集卡能够有效地采集到局部放电。a/d采集卡的采样率20ms/s，采样位数16位，直接将采集数据传输给处理器。

如图5所示，图中展示了整个同步装置的工作模式，子节点在未收到同步脉冲时，始终保持同步脉冲接收模式，当主节点收到同步检测命令时，主节点触发同步脉冲发生电路，向各个子节点发射同步脉冲，当各个子节接收到同步脉冲后，同步脉冲经过脉冲调理电路触发模数转换单元采集tev传感器和aa传感器的检测数据，并将检测数据传输给子单元微处理器，子单元微处理器对模数转换起始时间进行标记，子单元再利用数据通讯模块将检测数据分时发送给主节点，最后主节点将同一时刻各子节点传感器检测到的局部放电峰值及相位谱图(prpd)通过液晶显示屏进行显示，实现了多面高压开关柜的局部放电的同步检测，通过同一时刻各面开关柜局部放电峰值的分布趋势就能够大致确定产生局部放电的开关柜，此外检测到的相位谱图(prpd)能为局放模式的识别提供完整可靠的数据。

如图6所示，是本发明的一个实施例，将局部放电检测子节点单元安装在多面高压开关柜的外表面，局部放电地点波(tev)传感器和超声波(aa)传感器安装在每面高压开关柜的外表面，能够对高压开关柜产生的局部放电信号进行有效地检测，局部放电检测主节点可以放在移动检测云台或者工作人员手持，当主节点发射同步脉冲并实现各子节点同步测量后，子节点将局部放电地点波(tev)传感器和超声波(aa)传感器检测的局部放电数据上传至主节点，能够有效地实现多面开关柜局部放电信号的同时检测，对于工作人员而言通过观测多面开关柜同一时间的局部放电幅值数据，就能判断产生局部放电的开关柜，进而实现局部放电的定位，通过检测的相位谱图(prpd)能够实现局部放电的模式识别。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。