基於分布式網絡平臺的開關局部放電狀態監測裝置製造方法
2023-04-30 21:56:21
基於分布式網絡平臺的開關局部放電狀態監測裝置製造方法
【專利摘要】一種基於分布式網絡平臺的開關局部放電狀態監測裝置，包括局放信號採集組件、CPU分析診斷組件、信息管理組件，局放信號採集組件與開關室內的超高頻傳感器及噪聲傳感器相連，採用FPGA進行局放信號高速採集及乙太網轉發，實現局放信號的採集及電壓相位採集同步功能。CPU分析診斷組件實時處理局放信號採集組件上送的採樣數據，採用高性能DSP處理器，對採樣數據進行分析處理，判斷局部放電類型，生成局部放電簡報及PRPD、PRPS圖譜。信息管理組件對CPU分析診斷組件處理結果進行管理，通過大容量數據存儲、檢索完成局部放電趨勢統計查詢功能。本發明的監測裝置性能穩定、使用壽命長，提高電網運行可靠性。
【專利說明】基於分布式網絡平臺的開關局部放電狀態監測裝置
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬於電力系統狀態監測領域，具體涉及開關局部放電狀態監測裝置。
【背景技術】
[0002]由於開關內部場強很高，當設備內部存在一些缺陷時，就會在運行中發生局部放電現象。局部放電是導致開關設備絕緣劣化的主要原因之一，同時也是描述開關絕緣老化的重要特徵。通過對局放信號的檢測和分析，能判斷開關內部是否存在某種絕緣隱患。目前，局放檢測技術在開關設備中的應用已經越來越廣泛。
[0003]開關設備是電力系統一次設備中檢修、維護工作量最大的設備，據相關統計，大多數的維護費用花在開關上，且多半是花費在定期檢修上。目前有些開關設備，尤其是GIS，用戶都加裝了局放在線監測系統，但運行效果不是很好，主要有以下幾方面原因:
[0004]I)以往的局放狀態監測裝置廠商眾多，由於行業內目前還沒有統一的局放裝置檢測標準，大多數廠商多採用工控機實現，生產工藝、生產質量不達標，由於缺少現場運行經驗，性能不穩定，裝置使用壽命短，經常出現的問題是運行一段時間後，開關本體沒有監測出問題，反而監測裝置本身出現問題，用戶頻繁更換監測裝置，帶來了不必要的麻煩；
[0005]2)傳統局放監測裝置多數採用集中式採集模塊設計，任一採集模塊出現問題後，只能整裝置替換，影響範圍大；
[0006]3)傳統局放在線監測多以監測系統形式出現，監測裝置本身不具備就地分析功能，只具備局放信號採集轉發功能，分析診斷功能由站控層監測系統完成，這種作法一方面增加網絡帶寬，不利於變電站內二次設備系統集成；另一方面系統互操作性很差，不同廠商的監測系統集成監測裝置困難，傳統意義上的在線監測信息不統一、通信協議不標準，通信方式多樣化，監測系統、設備廠商多樣化，用戶及系統界面不統一，成為一個個信息孤島，無法進行信息互動及高級應用；
[0007]4)運行管理部門不能隨時掌握變電站重要設備運行情況，存在安全隱患；
[0008]5)為了解決互操作問題，不同廠商大多採用規約轉換裝置，增加建設費用，而且信息轉換環節的增加會造成信息損失。
[0009]基於以上幾點不足，既影響一次設備智能化技術及狀態檢修的發展水平，又存在
安全隱患。
[0010]因此，需要尋求一種方法來解決此問題。本發明提出的基於DSP+FPGA分布式網絡平臺實現開關局部放電狀態監測的裝置，彌補了上述幾點不足，監測裝置以高可靠性、豐富的接口設備，做到通信標準化，工程實施免維護化，通過就地診斷功能，為高壓設備狀態監測提供技術基礎，實時採集一次設備狀態信息，為狀態檢修提供參考依據，使之代替定期檢修，大大提高高壓一次設備的利用率及壽命，能及時發現電力設備的安全隱患，預防事故發生，保證供電的可靠性，避免因停電檢修所造成的損失，節約預防性定期檢修的費用。這是在傳統斷路器基礎上對智能斷路器所做的新的嘗試。
【發明內容】
[0011]為了解決傳統局部放電狀態監測裝置性能不穩定、使用壽命短、可維護性差、互操作性差及誤報警的問題，本發明公開了一種基於DSP+FPAG分布式網絡平臺實現開關局部放電狀態監測裝置。
[0012]本發明具體採用以下技術方案:
[0013]一種基於分布式網絡平臺的開關局部放電狀態監測裝置，所述監測裝置包括多組局放信號採集組件、CPU分析診斷組件、信息管理組件；其特徵在於:
[0014]所述局放信號採集組件、CPU分析診斷組件、信息管理組件之間通過所述監測裝置內部高速乙太網、CAN網和對時總線連接；
[0015]所述局放信號採集組件通過N型連接器及高頻同軸電纜與安裝在開關本體上的局放超高頻傳感器進行連接，所述局放信號採集組件採用FPGA掛載高速AD完成所述局放超高頻傳感器所採集的局部放電信號的放大、濾波、降頻以及緩存；
[0016]所述CPU分析診斷組件通過所述監測裝置內部高速乙太網和CAN網與所述局放信號採集組件相連，接收局部放電信號的採樣數據並對局放信號採集組件採樣時序邏輯進行控制，局部放電信號的採樣數據通過所述乙太網傳輸，採樣時序控制指令及組件配置信息通過CAN網傳輸，該CPU分析診斷組件的處理器採用DSP處理器，通過所述監測裝置內部高速乙太網收集局放信號採集組件的採樣數據，對局部放電信號計算，判斷放電類型，完成PRPD、PRPS圖譜計算，生成局部放電事故簡報，並通過監測裝置內部高速乙太網將所述局部放電事故簡報及圖譜上送至信息管理組件。
[0017]所述信息管理組件對CPU分析診斷組件的故障簡報及圖譜進行存儲，通過大容量數據存儲及檢索完成局部放電趨勢統計功能。
[0018]本發明還進一步包括以下優選技術方案:
[0019]所述監測裝置至少有一組局放信號採集組件配置電壓相位採集模塊，所述電壓相位採集模塊用於完成開關本體電壓相位同步採集功能，對交流電壓信號進行隔離、整形後輸出電壓過零點相位脈衝，當採集到電壓相位有效時，該局放信號採集組件通過監測裝置內部對時總線向其它局放信號採集組件發送同步採集脈衝，監測裝置內所有局放信號採集組件均根據電壓相位同步脈衝完成同步採樣。
[0020]所述信息管理組件還具備乙太網口，通過IEC6185(MMS協議與狀態監測後臺連接，對裝置內部各組件進行配置管理及人機互動。
[0021]局放信號採集組件採用N型連接器以及高頻同軸電纜線與局放傳感器進行連接，通過通道配置可靈活適應內置及外置式超高頻傳感器、噪聲傳感器。裝置內部可根據局放傳感器數量靈活配置局放信號採集組件的數量。
[0022]監測裝置具備就地分析功能，裝置內置局放診斷特徵參數資料庫及大容量實時資料庫，根據實時採樣值提取局放特徵參數，與內置的診斷特徵參數數據進行模式匹配，根據匹配結果計算局部放電類型及放電趨勢，形成開關運行診斷報告。
[0023]裝置基於分布式網絡平臺，裝置內組件數量及在裝置內所處位置可靈活調整，裝置內所有組件均採用工業級嵌入式實時處理器設計，裝置具備硬體實時自檢功能，裝置性能穩定，使用壽命不低於10年。
[0024]本發明公開的這種基於DSP+FPGA分布式網絡平臺的開關局部放電狀態監測裝置的優點是，具備就地綜合評估、實時狀態預報的功能，能夠通過站控層網絡及時將斷路器當前狀態參量提供給變電站運行人員，有效的幫助運行人員對斷路器運行情況進行分析和判斷，提高了工作效率。
[0025]本發明的監測裝置具有以下技術效果:
[0026]1、裝置基於分布式網絡平臺，裝置內組件採用模塊化設計，可靈活配置，適應不同場合監測需求。
[0027]2、裝置內所有組件均採用工業級嵌入式實時處理器設計，裝置具備硬體實時自檢功能，裝置性能穩定，使用壽命長，裝置在高電場、強磁場、溫差大、多塵等外部條件較為惡劣的戶外環境下工作正常，運行穩定，滿足國家電網公司標準及相關技術規範的要求。
[0028]3、採用FPGA實現大容量數據通信吞吐能力，採用DSP實現強大的數據處理能力，採用嵌入式實時資料庫完成大容量數據存儲及檢索。
[0029]4、IEC61850無縫信息構建，模型自動輸出，現場調試、維護簡單。
[0030]5、對外接口功能齊全，支持IEC61850MMS、IRIG-B碼對時。
[0031]6、具備就地診斷功能，實現局部放電事故簡報及PRPD、PRPS圖譜本地存儲及自動遠傳功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1是基於DSP+FPGA分布式網絡平臺實現開關局部放電狀態的智能組件結構示意圖；
[0033]圖2是IEC61850配置過程。
【具體實施方式】
[0034]下面進一步結合說明書附圖和具體實施例對本發明的技術方案進行說明。
[0035]本發明公開了一種開關局部放電狀態監測裝置，如圖1所示，該裝置包括局放信號採集組件、CPU分析診斷組件、信息管理組件，各組件之間以及各組件和信息管理組件之間通過所述監測裝置內部高速乙太網和CAN網以及對時總線連接。各組件具體工作流程如下:局放超高頻傳感器或者噪聲傳感器耦合得到的信號通過N型連接器以及高頻同軸電纜連接到監測裝置，為了保護信號免受外界破壞，信號線通過金屬軟管走線。監測裝置通過局放信號採集組件對局放信號進行調理，所述局放信號採集組件採用FPGA掛載高速AD進行信號採集，FPGA晶片引腳連接兩塊單通道AD採樣晶片及存儲器，FPGA讀取監測裝置內部對時總線上的採樣脈衝,根據採樣脈衝控制AD採樣時鐘，對啟動或停止採樣時序進行控制，當FPGA啟動採樣時，AD晶片啟動工作，將採樣數據通過FPGA緩存到內存中，當FPGA停止採樣時，關閉AD採樣時鐘，FPGA將緩存中的採樣數據通過裝置內部乙太網上送到CPU分析診斷組件。CPU分析診斷組件控制各採集組件的同步採樣時序，實時接收採集組件的採樣數據，採用高性能DSP處理器對採樣數據進行信號濾波、脈衝提取、數據分析，根據內置的局放診斷特徵參數資料庫與實時計算的特徵參數進行模式匹配，根據匹配結果判斷局放類型，形成診斷報告及PRPD、PRPS圖譜，並將上述報告及圖譜上送至信號管理組件。信號管理組件配置大容量固態硬碟，採用高性能CPU處理器對CPU分析診斷組件上送的初步診斷報告進行本地存儲，並根據歷史報告形成局部放電趨勢分析結果，最終將此結果通過IEC61850上送至站控層狀態監測後臺。監測裝置本身也具有本地保存監測數據的能力，在網絡失效或上級處理單元退出運行的情況下，仍能獨立完成就地監測功能且保證數據不丟失。監測裝置可接收變電站內IRIG-B碼對時，保證裝置與系統時鐘同步。裝置通過配置工具可實現人機互動，對監測組件數量、IEC61850通信模型進行在線配置，滿足變電站內不同場合的監測需求。
[0036]各組件具體介紹如下:
[0037](一)局放信號米集組件
[0038]局放信號採集組件是監測裝置內最底層的採集單元，通過N型連接器及高頻同軸電纜與安裝在開關本體上的局放超高頻傳感器進行連接。每塊局放信號採集組件完成兩路超高頻信號的採集、緩存、傳輸功能。每臺監測裝置會有一塊局放信號採集組件配置電壓相位採集模塊，完成開關本體電壓相位同步採集功能，對交流電壓信號進行隔離、整形後輸出電壓過零點相位脈衝，當採集到電壓相位有效時，局放信號採集組件通過裝置內部總線向其它組件發送同步採集脈衝，裝置內所有局放信號採集組件均根據電壓相位同步脈衝完成同步採樣。為實現局放信號40MHz同步採樣，局放信號採集組件採用FPGA掛載高速AD完成數據高速採集、緩存，完成本次採樣後，局放信號採集組件接收CPU分析診斷組件的採樣傳輸指令，採樣數據在CPU分析診斷組件召喚後通過FAGA掛載的乙太網總線上送至CPU分析診斷組件。監測裝置內採樣時序由CPU分析診斷組件控制，裝置內需要的局放信號採集組件數量、種類、採樣參數等，可通過信息管理組件進行配置。
[0039](二)CPU分析診斷組件
[0040]CPU分析診斷組件是監測裝置的核心部分，一方面負責採樣邏輯控制，另一方面是數據的分析診斷。CPU分析診斷組件向各局放信號採集組件發送採樣命令，當收到局放信號採集組件採樣結束命令後，開始發送採樣召喚命令。為滿足大容量採樣數據傳輸和計算需求，CPU分析診斷組件核心部件採用高性能DSP處理器設計，保證網絡吞吐量的同時，也保證數據計算分析的快速性。考慮到局放數據計算量很大，DSP搭載大容量RAM，對採樣數據進行緩存，根據採樣通道配置分別處理幹擾通道和非幹擾通道。首先，CPU分析診斷組件對採樣數據進行脈衝提取，然後進行通道去噪，統計分析計算放電脈衝的幅值分布、相位分布、放電時間分布，得到最大放電量相位分布、平均放電量相位分布、放電次數相位分布、局部放電幅值分布等特徵量。最後根據這些特徵量與內置局放特徵參數資料庫進行模式匹配，從而得到局部放電類型，判斷出局部放電是否發生，並將最終數據匯總為局部放電事故簡報及PRPD、PRPS圖譜，通過裝置內部乙太網將事故簡報及圖譜上傳到信息管理組件，從而完成單次採樣邏輯控制及計算，後續的採樣過程同上述過程。
[0041](三)信息管理組件
[0042]監測裝置內信息管理組件具備局部放電趨勢分析、數據管理和IEC61850通訊的功能。信息管理組件實時接收CPU分析診斷組件的局部放電事故簡報及圖譜，並將此信息實時存儲在大容量固態硬碟內。考慮到局放事件存儲量、檢索量很大，信息管理組件採用嵌入式實時資料庫完成數據存儲、檢索，根據每次的局部放電事故簡報以及歷史過程進行局部放電分析，最終得出局部放電是否發生的結論，避免誤報警。數據管理模塊又分為以下幾個功能模塊:通信管理模塊、配置管理模塊、錄波管理模塊、報告管理模塊、歷史數據記錄模塊、時鐘管理模塊。通信管理模塊完成功能組件、PC配置工具送到信息管理組件的各種報文的解析，並將信息管理組件的數據信息按內部規約進行打包發送到相應的目的地址。配置管理模塊完成裝置所有配置信息的接收、解析、存儲、校驗、上送等功能。CPU分析診斷組件將局放錄波數據發送到信息管理組件，錄波管理模塊按照錄波配置將錄波數據存儲為錄波文件。PC配置工具或IEC61850客戶端召喚錄波文件時，錄波管理模塊對存儲錄波文件進行檢索，將文件索引或指定的文件數據上送。報告管理模塊將功能組件上送的各類型報告信息按固定格式存儲為報告文件。PC配置工具報告文件時，報告管理模塊按類型對報告文件進行檢索，將文件索引或指定的文件數據上送。歷史數據記錄模塊將指定的監測數據按一定的時間間隔進行存儲，將實時數據報存為歷史曲線文件。時鐘接收裝置外部時鐘源發送的對時信號，同步裝置的系統時鐘，再通過裝置內部的對時總線，同步各功能組件的時間。
[0043]監測裝置的IEC61850建模原則完全遵循《基於DLT860標準的變電設備在線監測裝置應用規範》。通過自動建模工具導出標準模型文件。
[0044]支持的服務包括關聯服務、數據讀寫服務、報告服務、控制服務、取代服務、定值服務、日誌服務、文件服務。各功能監測IED使用專用的邏輯節點構建通信數據架構。
[0045]監測裝置對外採用IEC61850通信。適用於開關局部放電狀態監測的IEC61850模型如表格I所示:
[0046]表格1IEC61850信息建模
[0047]
【權利要求】
1.一種基於分布式網絡平臺的開關局部放電狀態監測裝置，所述監測裝置包括多組局放信號採集組件、CPU分析診斷組件、信息管理組件；其特徵在於: 所述局放信號採集組件、CPU分析診斷組件、信息管理組件之間通過所述監測裝置內部高速乙太網、CAN網和對時總線連接； 所述局放信號採集組件通過N型連接器及高頻同軸電纜與安裝在開關本體上的局放超高頻傳感器進行連接，所述局放信號採集組件採用FPGA掛載高速AD完成所述局放超高頻傳感器所採集的局部放電信號的放大、濾波、降頻以及緩存； 所述CPU分析診斷組件通過所述監測裝置內部高速乙太網和CAN網與所述局放信號採集組件相連，接收局部放電信號的採樣數據並對局放信號採集組件採樣時序邏輯進行控制，局部放電信號的採樣數據通過所述乙太網傳輸，採樣時序控制指令及組件配置信息通過CAN網傳輸，該CPU分析診斷組件的處理器採用DSP處理器，通過所述監測裝置內部高速乙太網收集局放信號採集組件的採樣數據，對局部放電信號計算，判斷放電類型，完成PRPD、PRPS圖譜計算，生成局部放電事故簡報，並通過監測裝置內部高速乙太網將所述局部放電事故簡報及圖譜上送至信息管理組件。 所述信息管理組件對CPU分析診斷組件的故障簡報及圖譜進行存儲，通過大容量數據存儲及檢索完成局部放電趨勢統計功能。
2.根據權利要求1所述的基於分布式網絡平臺的開關局部放電狀態監測裝置，其特徵在於: 所述監測裝置至少有一組局放信號採集組件配置電壓相位採集模塊，所述電壓相位採集模塊用於完成開關本體電壓相位同步採集功能，對交流電壓信號進行隔離、整形後輸出電壓過零點相位脈衝，當採集到電壓相位有效時，該局放信號採集組件通過監測裝置內部對時總線向其它局放信號採集組件發送同步採集脈衝，監測裝置內所有局放信號採集組件均根據電壓相位同步脈衝完成同步採樣。
3.根據權利要求1或2所述的基於分布式網絡平臺的開關局部放電狀態監測裝置，其特徵在於: 所述信息管理組件還具備乙太網口，通過IEC61850MMS協議與狀態監測後臺連接，對監測裝置內部各組件進行配置管理及人機互動。
【文檔編號】G01R31/12GK103513167SQ201310425921
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】唐喜, 任雁銘, 徐萬方, 黃昕, 李徵, 胡炯, 陳建英, 劉濤, 周濤, 肖文蘭 申請人:北京四方繼保自動化股份有限公司