变电站空间电磁探测及开关柜多传感器监测装置及方法与流程

1.本发明涉及电磁探测传感器装置及方法的技术领域，尤其涉及变电站空间电磁探测及开关柜多传感器监测装置及方法。


背景技术：

2.高压开关柜是电力系统中非常重要的电气设备，目前10kv、35kv金属封闭开关成套设备已经广泛应用于电力系统中的各个变电站。电气设备在长期运行中必然存在由于电、热、化学等因素导致的绝缘劣化现象，部分开关柜长期工作在高温、高压、潮湿等恶劣环境下的开关柜，其绝缘性能很容易受到破坏，近年来电力系统开关柜烧损及爆炸事故时有发生，已经严重威胁到现场工作人员的安全和电网的稳定运行。开关柜故障的先期标证大都是局部异常放电，而局部放电模式在各种情况下差异很大，各种放电模式所产生的危害的差异也有很大不同。同时，在开关柜运行维护、隐患排查等方面存在着局部放电检测手段欠缺、放电模式诊断水平较低等问题。传统检测方法为由人工采用手持式测试仪器，对每个开关柜进行超声波和地电波进行检测，记录检测数据后，分析得出结果，在站点较多，且每个站点内开关柜数量较多的情况下，人工检测效率比较低，检测数据量庞大，整理不便，需要花费的人力和时间都比较大，并且人工检测需要专业的技术培训，需要花费大量的时间。


技术实现要素：

3.针对传统检测方法繁琐、检验手段欠缺、放电模式判断水平较低的技术问题，本发明提出变电站空间电磁探测及开关柜多传感器监测装置及方法，解决了现有设备与方法检测效率低下、需要花费大量人力与时间的问题，有效提升了检测效率与设备智能化程度。
4.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：变电站空间电磁探测及开关柜多传感器监测装置，其特征在于：包括可全向检测的电磁传感器、开关柜智能传感器和后台服务器，所述可全面监测的电磁传感器包括球体主机，球体主机与横向支撑杆一端连接，超声波检测模块、uhf检测模块、检测分析模块和通讯信号传输模块，超声波检测模块和uhf检测模块均与检测分析模块相连接，检测分析模块与通讯信号传输模块相连接；所述开关柜智能传感器包括暂态地电压传感器、环境检测模块、通讯模块、显示模块、定位模块和mcu，暂态地电压传感器、环境检测模块、通讯模块、显示模块和定位模块均与mcu相连接；所述可全向检测的电磁传感器通过通讯信号传输模块与通讯模块相连接，开关柜智能传感器通过通讯模块与后台服务器相连接。
5.所述超声波检测模块包括依次连接的超声波传感器组、放大电路ⅰ、带通滤波器ⅰ和ad转换器，超声波传感器组与超声波信号相ad转换器与检测分析模块相连接；所述uhf检测模块包括依次连接的接收天线、放大电路ⅱ、带通滤波器ⅱ和弱信号还原模块，接收天线与电磁波信号相匹配，弱信号还原模块与检测分析模块相连接；所述接收天线为全向宽频天线，接收天线设置在球体主机顶部。
6.所述弱信号还原模块包括依次连接的乘法器、积分器和低通滤波器，乘法器分别与参考信号发生器和带通滤波器ⅱ相连接，低通滤波器与检测分析模块相连接。
7.所述超声波传感器组包括四个超声波传感器，四个超声波传感器之间相隔90
°
，均匀设置于球体主机下部。
8.所述带通滤波器ⅰ与带通滤波器ⅱ均为可拆卸模块，带通滤波器ⅰ两端并联线路检测模块ⅰ，所述带通滤波器ⅱ两端并联线路检测模块ⅱ，带通滤波器ⅰ与带通滤波器ⅱ均设置在球体主机的侧边。
9.所述线路检测模块ⅰ与线路检测模块ⅱ包括电阻与示警灯，电阻与示警灯串联连接，线路检测模块ⅰ中电阻ⅰ一端与带通滤波器ⅰ相连接，示警灯ⅰ一端与带通滤波器ⅰ的输出端相连接，示警灯ⅰ设置于球体主机上带通滤波器ⅰ一侧；线路检测模块ⅱ中电阻ⅱ一端与带通滤波器ⅱ输入端相连接，示警灯ⅱ一端与带通滤波器ⅱ的输出端相连接，示警灯ⅱ设置于球体主机上示警灯ⅰ下方。
10.所述环境检测模块包括温度传感器与湿度传感器，温度传感器与湿度传感器均与mcu相连接。
11.所述通讯模块位于开关柜智能传感器一侧，显示模块设置在开关柜智能传感器顶部。
12.所述可全向检测的电磁传感器利用超声波检测模块检与uhf检测模块对周围区域开关柜进行实时监控，通过检测结果判断发生局部放电的开关柜所在方位和放电类型，并通过通讯信号传输模块发送信号至该方向开关柜智能传感器，通过开关柜智能传感器对高压开关柜进行扫描，锁定局部放电开关柜的位置，并将局部放电开关柜的位置信息以及放电种类通过通讯模块传输至后台。
13.所述可全向检测的电磁场传感器通过超声波检测模块实时接收超声波检测信号，并处理生成待检测信号ⅰ，通过uhf检测模块实时接收高频信号，并处理生成待检测信号ⅱ，通过检测分析模块对待检测信号ⅰ与待检测信号ⅱ进行分析对比，得出局部放电方向与放电类型，生成prpd和prps图，并将放电检测命令与放电类型通过通讯信号传输模块传递给放电方向的开关柜智能传感器；开关柜智能传感器通过通讯模块接收放电检测命令与放电类型信息，通过mcu调用暂态地电压传感器对开关柜放电情况进行监测，当检测到开关柜放电后，mcu将开关柜放电种类与接收到的种类进行对比，通过定位模块进行开关柜位置锁定，通过环境检测模块检测开关柜周围环境的温度与湿度，并将局部放电开关柜的位置信息、温度湿度信息以及放电种类通过通讯模块传输至后台服务器，生成局部放电警报，提醒工人前往检修处理。
14.采用上述结构的发明，通过可全向检测的电磁传感器对半径20米内的开关柜进行实时监测，降低了检测成本，提升检测效率。并且，可全向监测的电磁传感器通过超声波检测模块与uhf检测模块可同时对局部放电的超声波信号与电磁波信号进行监测，获取局部放电的放点方向与放电种类，并将电磁波信号与超声波信号分析对比，提升检测准确度。通过开关柜智能传感器对局部放电开关柜进行检测与位置锁定，并将放电种类与开关柜位置信息传输给后台服务器，生成局部放电警报，降低了检测人力成本与检测技术难度。通过可全向监测的电磁传感器与开关柜智能传感器相结合的检测方法简化了局部放电检测复杂度，提升了设备的智能化程度与检测效率。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
16.图1为本发明的原理框图。
17.图2为可全向检测的电磁传感器结构示意图。
18.图3为开关柜智能传感器的结构示意图。
19.图中，1为超声波传感器组，2为放大电路ⅰ，3为带通滤波器ⅰ，4为ad转换器，5为检测分析模块，6为通讯信号传输模块，7为接收天线，8为放大电路ⅱ，9为带通滤波器ⅱ，10为乘法器，11为参考信号发生器，12为积分器，13为弱信号还原模块，14为低通滤波器，15为暂态地电压传感器，16为温度传感器，17为湿度传感器，18为通讯模块，19为显示模块，20为定位模块，21为mcu，22为示警灯ⅰ，23为示警灯ⅱ。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付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。
21.如图1所示，变电站空间电磁探测及开关柜多传感器监测装置及方法，包括可全向检测的电磁传感器、开关柜智能传感器和后台服务器，所述可全面监测的电磁传感器包括超声波检测模块、uhf检测模块、检测分析模块5和通讯信号传输模块6，超声波检测模块的主要作用为利用超声波检测法对周围高压开关柜的局部放电现象进行监测，并补全uhf局部放电检测不能发现弹垫松动、粉尘飞舞等缺陷的问题，超声波检测模块与检测分析模块5相连接。uhf检测模块的主要作用为利用超高频检测法对周围高压开关柜的局部放电现象进行监测，补全超声波局部放电监测对内部缺陷不敏感、受机械振动干扰较大以及检测范围较小等缺点，并利用特高频电磁波不易衰减的特性使一台传感器可监测半径20米范围，uhf检测模块与检测分析模块5相连接。检测分析模块5为mpu6050，其主要作用为对超声波检测模块收集处理后的待检测信号ⅰ和uhf检测模块收集处理后的待检测信号ⅱ进行检测分析，通过待检测信号ⅰ与待检测信号ⅱ的对比确定局部放电方位与放电类型，生成prpd和prps图，并通过通讯信号传输模块6向放电方位的开关柜智能传感器发送启动命令以及放电类型信息，检测分析模块5与通讯信号传输模块6相连接。通讯信号传输模块6的主要作用为将检测分析模块5分析得出的局部放电位置、放电类型以及图像信息传输给开关柜智能传感器，通讯信号传输模块6可选用tcp\ip、网口、 rs485、iot、lora等多种通讯方式。超声波检测模块和uhf检测模块均与检测分析模块5相连接，检测分析模块5通讯信号传输模块6相连接。
22.如图1所示，超声波检测模块包括超声波传感器组1、放大电路
ⅰꢀ
2、带通滤波器
ⅰꢀ
3和ad转换器4。其中，如图2所示，超声波传感器组1由四个超声波传感器组成，四个超声波传感器均匀设置于球体主机下部，超声波传感器之间相隔90
°
，超声波传感器的主要作用为发
射检测超声波，同时接收被反射的待检测超声波，并将待检测超声波转换为模拟信号，超声波传感器可选用差分传感器ae503d，超声波传感器组1的输出端与放大电路
ⅰꢀ
2的输入端相连接。放大电路
ⅰꢀ
2的主要作用为放大模拟信号，放大电路
ⅰꢀ
2的输出端与带通滤波器
ⅰꢀ
3的输入端相连接。带通滤波器
ⅰꢀ
3为可拆卸模块，该带通滤波器
ⅰꢀ
3的主要作用为滤除模拟信号中的噪音信号，带通滤波器
ⅰꢀ
3的输出端与ad转换器4的输入端相连接，带通滤波器
ⅰꢀ
3与线路检测模块
ⅰꢀ
15并联连接。线路检测模块
ⅰꢀ
15包括电阻ⅰ与示警灯
ⅰꢀ
22，电阻ⅰ一端与带通滤波器
ⅰꢀ
3相连接，示警灯
ⅰꢀ
22一端与带通滤波器
ⅰꢀ
3的输出端相连接，电阻ⅰ可选用1 kω大电阻，示警灯
ⅰꢀ
22可选用发光二极管。如图二所示，示警灯
ⅰꢀ
22设置于球体主机上带通滤波器
ⅰꢀ
3一侧。该线路检测模块
ⅰꢀ
15的主要作用为带通滤波器
ⅰꢀ
3是否正确安装在电路中，当带通滤波器
ⅰꢀ
3未正确安装时，电流从线路检测模块
ⅰꢀ
15流过点亮示警灯
ⅰꢀ
22示警。ad转换器4的主要作用为将模拟信号转换为待检测信号ⅰ，ad转换器4的输出端与检测分析模块5相连接。
23.如图1所示，uhf检测模块包括接收天线7、放大电路
ⅱꢀ
8、带通滤波器
ⅱꢀ
9和弱信号还原模块13，其中，接收天线7为宽频全向天线，该接收天线7的主要作用为360
°
接收空间中因局部放电产生的300mhz～3ghz频段的电磁波，并将电磁波转化为目标检测信号，为实现以上作用接收天线7可选用omnilog30800，如图二所示，接收天线设置在球体主机顶部。放大电路
ⅱꢀ
8的主要作用为放大目标检测信号，放大电路
ⅱꢀ
8的输出端与带通滤波器
ⅱꢀ
9的输入端相连接。带通滤波器
ⅱꢀ
9为可拆卸模块，该带通滤波器
ⅱꢀ
9的主要作用为初步滤除目标检测信号中的噪音信号，并生成待还原信号，带通滤波器
ⅱꢀ
9的输出端与弱信号还原模块13的输入端相连接，带通滤波器
ⅱꢀ
9与线路检测模块
ⅱꢀ
16并联连接。线路检测模块
ⅱꢀ
16包括电阻ⅱ与示警灯
ⅱꢀ
23，电阻ⅱ一端与带通滤波器
ⅱꢀ
9相连接，示警灯
ⅱꢀ
23一端与带通滤波器
ⅱꢀ
9的输出端相连接，电阻ⅱ可选用1 kω大电阻，示警灯
ⅱꢀ
23可选用发光二极管。如图2所示，示警灯
ⅱꢀ
23设置于球体主机上示警灯
ⅰꢀ
22下方。该线路检测模块
ⅱꢀ
16的主要作用为带通滤波器
ⅱꢀ
9是否正确安装在电路中，当带通滤波器
ⅱꢀ
9未正确安装时，电流从线路检测模块
ⅱꢀ
16流过点亮示警灯
ⅱꢀ
16示警。弱信号还原模块13的主要作用为进一步提升待还原信号中的信噪比，弱信号还原模块13包括参考信号发生器11、乘法器10、积分器12和低通滤波器14。其中，参考信号发生器11的作用为生成所需参考信号，该参考信号发生器11可选用ndac-8116，参考信号发生器11的输出端与乘法器10输入端口ⅰ相连接。乘法器10 的输入端口ⅱ与带通滤波器
ⅱꢀ
9相连接，输出端口与积分器12输入端相连。该乘法器10的主要作用为将参考信号与待还原信号相乘，并将生成的新信号传输给积分器12。积分器12的主要作用为对新信号进行多次积分，由于局部放电所产生的信号与噪声信号相关性为0，在经过多次积分后，可得到噪声信号被很好抑制的还原信号，积分器12的输出端与低通滤波器14的输入端相连接。低通滤波器14的主要作用为对还原信号再次滤波生成待检测信号ⅱ，低通滤波器14的输出端与检测分析模块5相连接。
24.如图1所示，开关柜智能传感器包括暂态地电压传感器15，环境检测模块、通讯模块18、显示模块19、定位模块20和mcu21。其中，暂态地电压传感器15用于检测开关柜是否存在局部漏电现象以及漏电类型，若开关柜漏电，暂态地电压传感器会将漏电信息与漏电类型传输给mcu21，该暂态地电压传感器15可选用xd55xx，暂态地电压传感器15与mcu21相连接。环境检测模块的主要作用为检测开关柜内部的温度与湿度，综合检测开关柜运行环境，
环境检测模块包括温度传感器16与湿度传感器17。温度传感器16的主要作用为监测开关柜内的温度情况，温度传感器16可选用pt100变压器温度传感器，温度传感器16与mcu21相连。湿度传感器17的主要作用为检测开关柜内的湿度情况，湿度传感器17可选用gt550湿度变送器，湿度传感器17与mcu21相连接。如图3所示，通讯传感器18设置在开关柜智能传感器一侧，该通讯传感器17可选用lora通讯模块，其主要作用为将经mcu21处理后的开关柜局部放电信息、放电类型以及开关柜位置信息传输给后台服务器，通讯模块18输入端与mcu21相连接，输出端口与后台服务器相连接。如图3所示，显示模块19设置在开关柜智能传感器上方，该显示模块19为水墨显示屏，该显示模块19的主要作用为显示开关柜所在环境的湿度与温度，在发生局部放电时显示局部放电警报与放电类型，显示模块19与mcu21相连接。定位模块20可选用gotopgps定位模块，该定位模块20的主要作用为采集开关柜所在地的位置信息，定位模块20与mcu21相连接。
25.具体的，在未发生局部放电时，可全向检测的电磁传感器利用超声波检测模块与uhf检测模块对周围半径20米内的高压开关柜进行实时监控，同时后台服务器可通过与通讯模块16相匹配的电磁波信号向开关柜智能传感器发送命令，通过mcu21设置开关柜智能传感器的检测时间与检测时长，当到达设定时间时，mcu21调用暂态地电压传感器15对开关柜局部放电情况进行监测。开关柜智能传感器通过环境检测模块收集开关柜工作环境的温度与湿度信息，通过暂态地电压传感器15对开关柜局部放电情况进行监测，通过定位模块20收集开关柜所在位置信息。mcu21收集到的将环境湿度、温度、开关柜放电情况以及开关柜地理位置信息，并通过通讯模块16实时传输给后台服务器。当发生局部放电时，可全向的电磁传感器通过超声波检测模块生成待检测信号ⅰ，通过uhf检测模块生成待检测信号ⅱ，并将待检测信号ⅰ与待检测信号ⅱ传输进检测分析模块5分别进行检测分析，并将两种分析结果进行对比校正，得出局部放电方向与放电种类信息。在确定放点方向与放电种类后，检测分析模块5通过通讯信号传输模块向放电方向的开关柜智能传感器发送检测命令，通过mcu21调用暂态地电压传感器15对开关柜放电情况进行监测，当检测到开关柜放电后，mcu21将开关柜放电种类与接收到的种类进行对比，通过定位模块20进行开关柜位置锁定，并将局部放电开关柜的位置信息以及放电种类通过通讯模块18传输至后台服务器，生成局部放电警报，提醒工人前往检修处理。
26.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。