一种一体式开关柜局部放电智能传感器及其信息融合状态评估方法与流程

本发明涉及一种一体式开关柜局部放电智能传感器及其信息融合状态评估方法，属于开关柜检测
技术领域：
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背景技术：
：开关柜是电网系统中重要的组成单元，对电气设备起到控制和保护双重作用。在长期运行中，开关柜绝缘故障对电网的可靠运行带来了隐患，直接的危害是被开关柜所控制保护的线路、设备受损，电量损失；间接的危害则是造成用户大面积停电，引起巨大的经济损失，因此需密切关注开关柜的绝缘状态。开关柜最常见的故障为局放和过热，局部放电检测可有效地判断电气设备的绝缘状态，鉴于开关柜的结构特征，光学、化学及电流行波难以用于非嵌入式的局部放电检测中，目前常用的开关柜局部放电检测方法主要以电磁法和超声波法为主，对于严重的放电现象可结合热扫描技术作为辅助。经过模拟实验发现地电波法对尖端放电、电晕放电和绝缘子内部放电检测效果较好，但对表面放电不敏感；超声波对沿面放电、绝缘子表面放电检测效果较好，但对绝缘子内部放电不敏感。因此在开关柜绝缘缺陷检测时，地电波法常和超声波法配合使用，并结合温度测量作为辅助手段，可更全面地检测局部放电情况，为开关柜绝缘故障的诊断提供更可靠的数据。传感器技术正向着智能化、微型化、集成化和无源化方向演进，目前的开关柜局部放电传感器功能单一，主要负责状态量信息的采集，不具备数据分析和状态评估能力；检测技术单一，在进行多种方法联合检测时需更换多种传感器，增加了检测人员的工作量，使工作流程繁琐复杂；多源数据融合分析综合评估体系不完善，忽略了各状态量的相关性，信息融合性差，不能真实反映开关柜的状态；检测可靠性不高，传感器缺乏自我诊断功能，无法确保检测数据的准确性；集成度低、结构复杂，传感器各功能模块分体设计，模块之间采用线缆连接，增加了测试难度。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种一体式开关柜局部放电智能传感器，集成了多种检测技术，可进行传感器自身工作状态的判断，并能对开关柜运行状态进行本地评估，提高了传感器的功能多样性和工作可靠性；采用可扩展的通信方式和供电方式，提高了传感器的兼容性；安装方便，工作流程简单，提高了工作效率。本发明的另外一个目的是提供一种一体式开关柜局部放电智能传感器的信息融合状态评估方法，采用超声波、暂态地电压和柜体温度三种检测技术，融合三种状态量的测试结果，建立综合评分模型，综合判断开关柜的运行状态。实现上述目的一种技术方案是：一种一体式开关柜局部放电智能传感器，包括集成在一起的信号采集模块、调理模块、信号发生模块、mcu模块、通讯模块和供电模块，所述局部放电智能传感器磁吸在开关柜的外表面，其中：所述信号采集模块由超声波传感器、地电波传感器和温度传感器组成，所述超声波传感器采集开关柜局部放电时产生的超声波信号，并将超声波信号发送给所述调理模块；所述地电波传感器采集开关柜局部放电时产生的暂态地电波信号，并将暂态地电波信号发送给所述调理模块；所述温度传感器采集开关柜局部放电时柜体表面温度，并将柜体表面温度发送给所述调理模块；所述调理模块与所述信号采集模块连接，所述调理模块用于将接收的超声波信号和暂态地电波信号分别转换为局放数字信号，并将转换后的局放数字信号发送给所述mcu模块，所述调理模块进行自检判断；所述信号发生模块与所述调理模块连接，所述信号发生模块用于生成超声模拟信号和地电波模拟信号，为设备自检提供标准模拟信号源；所述mcu模块分别与所述调理模块和信号发生模块连接，所述mcu模块用于处理分析接收的局放数字信号，评估判断开关柜的运行状态，控制所述信号发生模块发出模拟信号；所述通讯模块与所述mcu模块连接，所述通讯模块将所述mcu模块的数据和自检结果通过有线和无线方式传输至外部数据收集节点，并接收外部数据收集节点发出的自检命令；所述供电模块用于为所述调理模块、信号发生模块、mcu模块和通讯模块供电。上述的一种一体式开关柜局部放电智能传感器，其中，所述调理模块包括放大单元、滤波单元、检波单元、模数转换单元和自检判断单元，所述放大单元、滤波单元、检波单元、模数转换单元和自检判断单元依次相连，所述模数转换单元与所述放大单元相连，其中：所述放大单元与所述信号采集模块连接，所述放大单元用于放大所述信号采集模块输出的超声波信号和暂态地电波信号；所述放大单元将放大后的超声波信号传输给所述滤波单元，所述放大单元将放大后的暂态地电波信号传输给所述模数转换单元；所述滤波单元用于对所述放大单元输出的超声波信号进行滤波处理；所述检波单元用于对所述滤波单元输出的超声波信号进行检波处理；所述模数转换单元用于将所述检波单元输出的超声波信号和所述放大单元输出的地电波信号分别转换为数字信号；所述自检判断单元通过对比所述模数转换单元输出的自检结果和预先设定的阈值，判断局部放电智能传感器是否工作正常。上述的一种一体式开关柜局部放电智能传感器，其中，所述放大单元包括超声信号放大电路和地电波信号放大电路，所述超声信号放大电路用于对来自所述超声波传感器的超声波信号进行放大；所述地电波信号放大电路用于对来自所述地电波传感器的暂态地电波信号进行非线性放大；所述模数转换单元包括超声信号模数转换电路和地电波模数转换电路，所述超声信号模数转换电路用于将来自所述信号发生模块的超声模拟信号转换为数字信号，所述地电波信号模数转换电路用于将来自所述信号发生模块的地电波模拟信号转换为数字信号。上述的一种一体式开关柜局部放电智能传感器，其中，所述信号发生模块包括信号发生控制单元、超声模拟信号发生单元和地电压模拟信号发生单元，所述超声模拟信号发生单元和地电压模拟信号发生单元分别与所述信号发生控制单元相连，其中：所述信号发生控制单元用于控制所述超声模拟信号发生单元和地电压模拟信号发生单元发出相应的模拟信号；所述超声模拟信号发生单元用于生成标准的固定特征的超声模拟信号；所述地电压模拟信号发生单元用于生成标准的固定特征的地电波模拟信号。上述的一种一体式开关柜局部放电智能传感器，其中，所述信号发生控制单元在所述局部放电智能传感器上电启动时发出控制信号，或者通过设置时间间隔定时发出控制信号，或者通过接收外部设备发出的自检请求发出控制信号，所述信号发生控制单元通过控制信号控制所述超声模拟信号发生单元和地电压模拟信号发生单元发出相应的模拟信号。上述的一种一体式开关柜局部放电智能传感器，其中，所述通讯模块采用有线和无线两种通信方式，所述通讯模块用于传输超声波、暂态地电波、柜体表面温度的数字信号和自检结果，所述通讯模块具备接收局部放电智能传感器启动自检命令的功能，并将启动自检命令发送至所述mcu模块。上述的一种一体式开关柜局部放电智能传感器，其中，所述供电模块内设置有锂电池，所述供电模块预留有外接电源接口。本发明还提供了一种一体式开关柜局部放电智能传感器的信息融合状态评估方法，包括以下步骤：s1，根据地电波传感器、超声波传感器和温度传感器的三种检测结果，分别计算每个检测项的分数，公式为：其中，mi为第i个检测项的评分，检测项分别为地电波、超声波和温度；当mi＜0时，令mi＝0；当mi＞1时，令mi＝1；为第i个检测项的警示值，为1.3倍注意值，地电波信号注意值为地电波20db,超声波信号注意值为8db，温度注意值为t+20℃，其中t为环境温度；为被测设备第i个检测项的环境值；为第i个检测项的实测值；kf为家族缺陷系数，对存在家族缺陷的部件，取家族缺陷系数为0.95，无家族缺陷的部件，取家族缺陷系数为1；kt为寿命系数，kt＝(100-运行年数×0.3)/100；s2，根据各检测项的评分，计算各检测项的权重系数，公式为：其中，wi为第i个检测项的权重系数；为第i个检测项的常权重系数，地电波检测、超声波检测、温度检测的常权重系数为0.15、0.35、0.5；mi为第i个检测项的评分；j为检测项个数；为第j个检测项的常权重系数；mj为第j个检测项的评分；s3，根据各检测项分数和权重系数，计算综合状态得分，公式为：其中，x为开关柜信息融合后的总体得分；i为检测项个数；mi为第i个检测项的评分；wi为第i个检测项的权重系数；s4，根据综合得分和隶属函数求出隶属度矩阵，隶属函数公式为：健康状态：正常状态：异常状态：预警状态：报警状态：隶属度矩阵：f＝{f1(x)，f2(x)，f3(x)，f4(x)，f5(x)}；s5，根据隶属度矩阵评估设备状态等级，采用最大隶属度原则选取隶属度最大值对应的等级作为开关柜综合的状态等级，其中f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)、f5(x)一一对应的等级是健康、正常、异常、预警和报警。本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器及其信息融合状态评估方法的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)能够同时检测局部放电产生的超声波信号、地电波信号和温度信号，三种检测方式取长补短，形成互补，无需更换不同类型传感器即可全面地检测局部放电情况，提高传感器采集数据的可靠性和多样性；(2)传感器具备状态评估功能，融合超声波、地电波和温度测试结果对开关柜进行打分，采用关联分析的变权重策略使异常信息凸显，避免常权重情况下异常信息易被淹没的情况，结合环境、寿命和家族缺陷因素，建立合理、科学的评价体系，综合评估开关柜的状态；(3)通过自检功能可诊断传感器自身的工作状态，确保检测数据的准确性，提高传感器的可靠性；(4)集成信号采集、信号处理和数据传输功能于一体，不需要通过线缆连接，传感器外壳磁吸式安装固定在开关柜外表面，不影响开关柜正常工作，优化了工作流程，提高了工作效率；(5)采用锂电池和外接电源两种供电方式，有线和无线两种数据传输方式，可根据应用环境灵活选择，使传感器不仅适用于带电检测模式，还适用于在线监测模式，提高了传感器的兼容性，使传感器应用于更广泛的带电检测领域。附图说明图1为本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器的结构示意图；图2为本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器的调理模块的结构示意图；图3为本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器的放大单元的结构示意图；图4为本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器的模数转换单元的结构示意图；图5为本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器的信号发生模块的结构示意图；图6为本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器的信息融合状态评估方法的流程图。具体实施方式为了使本
技术领域：
的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：实施例一：请参阅图1至图5，本发明的实施例，一种一体式开关柜局部放电智能传感器，包括集成在一起的信号采集模块1、调理模块2、信号发生模块3、mcu模块4、通讯模块5和供电模块6，局部放电智能传感器磁吸在开关柜的外表面。信号采集模块1由超声波传感器12、地电波传感器13和温度传感器11组成(见图1)，超声波传感器12采集开关柜局部放电时产生的超声波信号，并将超声波信号发送给调理模块2；地电波传感器13采集开关柜局部放电时产生的暂态地电波信号，并将暂态地电波信号发送给调理模块2；温度传感器11采集开关柜局部放电时柜体表面温度，并将柜体表面温度发送给调理模块2。调理模块2与信号采集模块1连接，调理模块2用于将接收的超声波信号和暂态地电波信号分别转换为局放数字信号，并将转换后的局放数字信号发送给mcu模块4，调理模块2进行自检判断。信号发生模块3与调理模块2连接，信号发生模块3用于生成超声模拟信号和地电波模拟信号，为设备自检提供标准模拟信号源；mcu模块4分别与调理模块2和信号发生模块3连接，mcu模块4用于处理分析接收的局放数字信号，评估判断开关柜的运行状态，控制信号发生模块3发出模拟信号；通讯模块5与mcu模块4连接，通讯模块5将mcu模块4的数据和自检结果通过有线和无线方式传输至外部数据收集节点，并接收外部数据收集节点发出的自检命令。供电模块6用于为调理模块2、信号发生模块3、mcu模块4和通讯模块5供电。供电模块6内设置有锂电池，供电模块6预留有外接电源接口，供电模块6采用锂电池和外接电源两种供电方式，可根据应用环境灵活选择。再请参阅图2，调理模块2包括放大单元21、滤波单元22、检波单元23、模数转换单元24和自检判断单元25，放大单元21、滤波单元22、检波单元23、模数转换单元24和自检判断单元25依次相连，模数转换单元24与放大单元21相连，其中：放大单元21与信号采集模块1连接，放大单元21用于放大信号采集模块1输出的超声波信号和暂态地电波信号；放大单元21将放大后的超声波信号传输给滤波单元22，放大单元21将放大后的暂态地电波信号传输给模数转换单元24；滤波单元22用于对放大单元21输出的超声波信号进行滤波处理；检波单元23用于对滤波单元22输出的超声波信号进行检波处理；模数转换单元24用于将检波单元23输出的超声波信号和放大单元21输出的地电波信号分别转换为数字信号；自检判断单元25通过对比模数转换单元24输出的自检结果和预先设定的阈值，判断局部放电智能传感器是否工作正常。再请参阅图3和图4，放大单元21包括超声信号放大电路211和地电波信号放大电路212，超声信号放大电路211用于对来自超声波传感器12的超声波信号进行放大；地电波信号放大电路212用于对来自地电波传感器13的暂态地电波信号进行非线性放大；模数转换单元24包括超声信号模数转换电路241和地电波模数转换电路242，超声信号模数转换电路241用于将来自信号发生模块3的超声模拟信号转换为数字信号，地电波信号模数转换电路241用于将来自信号发生模块3的地电波模拟信号转换为数字信号。请参阅图5，信号发生模块3包括信号发生控制单元31、超声模拟信号发生单元32和地电压模拟信号发生单元33，超声模拟信号发生单元32和地电压模拟信号发生单元33分别与信号发生控制单元31相连。信号发生模块3产生两种类型的模拟信号为传感器自检提供局部放电信号源，以测试传感器的工作状态是否正常。确定传感器的工作状态无异常后，信号采集模块1开启局部放电信号采集工作。信号发生控制单元31用于控制超声模拟信号发生单元32和地电压模拟信号发生单元33发出相应的模拟信号；超声模拟信号发生单元32用于生成标准的固定特征的超声模拟信号；地电压模拟信号发生单元33用于生成标准的固定特征的地电波模拟信号。信号发生控制单元31在局部放电智能传感器上电启动时发出控制信号，或者通过设置时间间隔定时发出控制信号，或者通过接收外部设备发出的自检请求发出控制信号，信号发生控制单元31通过控制信号控制超声模拟信号发生单元32和地电压模拟信号发生单元33发出相应的模拟信号。通讯模块5采用有线和无线两种通信方式，通讯模块5用于传输超声波、暂态地电波、柜体表面温度的数字信号和自检结果，通讯模块5具备接收局部放电智能传感器启动自检命令的功能，并将启动自检命令发送至mcu模块4。有线传输方式利用线缆连接传感器和采集装置进行数据传输，无线传输方式采用无线网络组网方式进行数据传输，除了传输超声波、暂态地电波、柜体表面温度的数字信号和自检结果外，还具备接收局部放电智能传感器启动自检命令的功能，并将启动自检命令发送至mcu模块4。供电模块6采用锂电池和外接电源两种供电方式，巡检模式等低功耗应用场景下可使用锂电池供电，携带方便，利于巡检测试；在线监测模式等高功耗应用场景可使用外接电源供电，不受电池寿命的限制。可根据应用环境灵活选择，使传感器应用于更广泛的带电检测领域。根据本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器的技术方案，传感器各功能模块一体化设计与一个结构内，采用磁吸的方式安装于开关柜外表面，开关柜局部放电智能传感器上电启动时，先进行自检，自检无异常后，传感器再进行局部放电信号采集和开关柜运行状态评估，并将采集的数据和自检、评估结果发送至采集节点。除了上电启动自检外，传感器还可定期自动自检或通过接收外部设备发出的自检请求进行自检。这种非嵌入式安装的一体式传感器集成了多种检测技术，可进行传感器自身工作状态的判断，并能对开关柜运行状态进行本地评估，提高了传感器的功能多样性和工作可靠性；采用可扩展的通信方式和供电方式，提高了传感器的兼容性；安装方便，工作流程简单，提高了工作效率。实施例二：以某3台开关柜(运行5年，无家族缺陷，环境温度为20℃)上安装的一体式开关柜局部放电智能传感器的3组监测值为例，一体式局部放电智能传感器的监测值如表1所示：表1请参阅图6，一种一体式开关柜局部放电智能传感器的信息融合状态评估方法，包括以下步骤：s1，根据地电波传感器、超声波传感器和温度传感器的三种检测结果，分别计算每个检测项的分数，公式为：其中，mi为第i个检测项的评分，检测项分别为地电波、超声波和温度；当mi＜0时，令mi＝0；当mi＞1时，令mi＝1；为第i个检测项的警示值，为1.3倍注意值，地电波信号注意值为地电波20db,超声波信号注意值为8db，温度注意值为t+20℃，其中t为环境温度；为被测设备第i个检测项的环境值；为第i个检测项的实测值；kf为家族缺陷系数，对存在家族缺陷的部件，取家族缺陷系数为0.95，无家族缺陷的部件，取家族缺陷系数为1；kt为寿命系数，kt＝(100-运行年数×0.3)/100；将表1中的3组数据分别代入公式1计算各检测项的评分如表2所示。编号地电波超声波柜体温度10.8990.880.85820.010.010.52330.630.5660.408表2s2，根据各检测项的评分，计算各检测项的权重系数，公式为：其中，wi为第i个检测项的权重系数；为第i个检测项的常权重系数，地电波检测、超声波检测、温度检测的常权重系数为0.15、0.35、0.5；mi为第i个检测项的评分；j为检测项个数；为第j个检测项的常权重系数；mj为第j个检测项的评分；将表2中各检测项的分数代入公式2计算各检测项的权重系数如表3所示。编号地电波超声波柜体温度10.1450.3470.50820.2940.6870.01930.1140.2970.589表3s3，根据各检测项分数和权重系数，计算综合状态得分，公式为：其中，x为开关柜信息融合后的总体得分；i为检测项个数；mi为第i个检测项的评分；wi为第i个检测项的权重系数；将表2和表3中数值代入公式3计算3组测试值的综合状态评分分别为0.872、0.02、0.28。s4，根据综合得分和隶属函数求出隶属度矩阵，隶属函数公式为：健康状态：正常状态：异常状态：预警状态：报警状态：隶属度矩阵：f＝{f1(x)，f2(x)，f3(x)，f4(x)，f5(x)}；(公式9)将综合状态评分0.872、0.02、0.28依次代入公式4～公式8中，根据公式9得到3组监测值的隶属度矩阵分别为：f1＝{0.86，0.28，0，0，0}f2＝{0，0，0，0，1}f3＝{0，0，0，0.9，0.1}s5，根据隶属度矩阵评估设备状态等级，采用最大隶属度原则选取隶属度最大值对应的等级作为开关柜综合的状态等级，其中f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)、f5(x)一一对应的等级是健康、正常、异常、预警和报警。f1中最大值为f1(x)，故第一组监测值对应的状态等级是健康；f2中最大值为fs(x)，故第二组监测值对应的状态等级是报警；f3中最大值为f4(x)，故第三组监测值对应的状态等级是预警。各等级对应的评估说明如表4所示：表4在实际应用中可将各检测项的环境值设置在智能传感器中，根据传感器的检测结果对开关柜的状态等级进行评估，判断开关柜的运行状态并制定检修方案。本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器，使用时，开关柜局部放电智能传感器上电启动时，模拟信号发生单元发出模拟信号，传感器进行自检，确定传感器的工作状态无异常后，传感器再进行局部放电信号采集和开关柜运行状态评估，并通过通讯模块将采集的数据和自检、评估结果发送至采集节点。除了上电启动自检外，传感器还可定期自动自检或通过接收外部设备发出的自检请求进行自检。本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器的信息融合状态评估方法，采用超声波、暂态地电压和柜体温度三种检测技术，融合三种状态量的测试结果，建立综合评分模型，综合判断开关柜的运行状态。综上所述，本发明的一体式开关柜局部放电智能传感器及其信息融合状态评估方法，一体式开关柜局部放电智能传感器对超声波、地电波和柜体温度信号进行采集处理后，得到的超声幅值、地电压幅值和柜体温度值作为评价开关柜运行状态的依据，将相互关联的状态量融合为一个综合评判分数，通过构建隶属函数建立综合评判分数和状态等级之间的关系，最终评估开关柜的状态。本
技术领域：
中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。当前第1页12