基於光譜分析方法的環網櫃故障判別系統與流程
2024-02-24 02:23:16
本實用新型涉及電力系統電氣設備領域，具體涉及基於光譜分析方法的環網櫃故障判別系統，用於對環網櫃故障判別與實時監測。
背景技術：
隨著社會不斷進步、國民經濟快速發展、高新技術在電力系統中的廣泛推廣應用，環網櫃的使用率也日益增加。城市環網櫃在電力系統建設中起著重要作用，隨著國家對智能電網建設的需要，環網櫃的狀態監測和故障預警也變得越來越重要。環網櫃故障持續時間長短與電氣設備遭受破壞程度有關，弧光故障時間越短造成的破壞就越短。如何對環網櫃的狀態檢測和對環網櫃故障進行預警，以及對故障及時處理是電力管理系統必須解決的重要問題之一，同時也是保證電力系統運行安全性和電力建設研究的熱點技術。因而對於供電設施及其配套的環網櫃等設備來講，由於短路和高壓下造成的電弧對設備及其人員的傷害非常嚴重，需要採取可靠的方式對其進行檢測並加以保護。但是幾乎對導體短路或其高壓下產生的電弧的光譜結構特性進行研究的，弧光保護單位也只是利用自然界的電暈現象的光譜結構及電弧的發光特性來進行弧光檢測。因此，導體短路及高壓電離的弧光光譜特性研究的意義非常深刻，其光譜特性研究對弧光檢測具有至關重要的知道作用。
技術實現要素：
本實用新型針對目前環網櫃故障判別系統存在的不足，提供了一種基於光譜分析方法的環網櫃故障判別系統，用於在環網櫃中準確及時的獲取故障類型，進而做出相應的故障處理。該系統具有靈敏、準確、快速、選擇性好、弧光整定誤差小、可靠性高的特點；該系統判別故障的同時避免了背景光幹擾的問題。
本實用新型採取的技術方案為：
基於光譜分析方法的環網櫃故障判別系統，包括信號採集單元、光學平臺、檢測系統、信號處理單元、工控機。所述信號採集單元為線式弧光傳感器，線式弧光傳感器探測的弧光信號經由光纖束傳送至光學平臺。線式弧光傳感器為Avago線式光傳感器，它通常是POF光纖。線式傳感器能採集光纖路徑上的大區域的光，同時由於線式傳感器的光纖是有長度的，是沒有被環網櫃內裝置遮擋的風險。因此線式傳感器可以檢測單個裝置內部的多個單 元，同樣也可以檢測多個裝置，更多的單元可以被檢測，可以減少要使用的傳感器數量。通過大口徑可靠性極好的POF光纖光纜傳遞信號，確保將光傳感器探頭所探測到的弧光信號傳給光學平臺，大口徑高可靠性POF光纜可長達50m，確保遠離重大電氣設備，安全性高。
所述光學平臺用於將弧光分解確定光譜成分。所述檢測系統用於按波長排列，測量各波長處的光強度特徵；
光學平臺和檢測系統將成分複雜的光分解成光譜線，區分弧光和可見光。弧光與可見光的區別在於弧光包含可見光，同時它比可見光增加了紫外線成分。
所述信號處理單元包括光電轉換器、運算放大器，弧光信號經光電轉換器轉換成電信號，利用運算放大器構成電平轉換電路轉換電平值，最後存儲在工控機上；
所述工控機型號為IPC-610，CPU型號CORE雙核2.4G E4600，內存2G，硬碟容量250G，帶DVD光碟機、帶滑鼠鍵盤及網口。
所述工控機用於分析光譜成分及各波長處的光強度，判別環網櫃是否發生故障以及確定故障類型。
所述工控機用於環網櫃故障數據存儲，建立資料庫，當出現故障數據及時發送「跳閘反饋」到斷路器。
所述光纖束為POF光纖光纜。
所述光學平臺包括入射狹縫、準直元件、色散元件、聚焦元件；準直元件為獨立的透鏡、或者獨立的反射鏡、或者直接集成在色散元件上；色散元件為光柵；入射狹縫在入射光的照射下形成光譜儀成像系統的物點，準直元件使入射狹縫發出的光線變為平行光，色散元件使光信號在空間上按波長分散成為多條光束，聚焦元件聚焦色散後的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫的像，其中每一像點對應於一特定波長。
所述檢測系統由探測器陣列構成，探測器陣列放置於焦平面，用於測量各波長像點的光強度，探測器陣列為CCD陣列。
所述光電轉換器型號為GH232，運算放大器型號為OPA2227；信號處理單元採用FPGA作為核心處理器，型號為EP2C5Q208C8N，光電轉換器實現光電信號的轉換，利用OPA2227運算放大器構成電平轉換電路，轉換成適合FPGA的I/O埠接收的電平值；信號處理單元與工控機之間採用PCI接口實現通訊和供電，信號處理單元為一個PCI接口的板卡，可直接插入工控機的PCI插槽上。
基於光譜分析方法的環網櫃故障判別及實時監測方法，弧光傳感器探測的弧光信號，經由 光纖束傳送至光學平臺，光學平臺將弧光分解確定光譜成分，檢測系統按波長排列，測量各波長處的光強度特徵，光信號經信號處理單元處理後存儲在工控機上，工控機用於分析光譜成分及各波長處的光強度，判別環網櫃是否發生故障以及確定故障類型，同時工控機用於環網櫃故障數據存儲，建立資料庫實時監測，當出現故障數據及時發送「跳閘反饋」到斷路器。
本實用新型基於光譜分析方法的環網櫃故障判別系統，技術效果如下：
1)、本實用新型基於光譜分析方法的環網櫃故障判別系統，利用光譜分析方法檢測環網櫃故障，光譜分析技術是一種最基本應用最廣泛的分析技術，具有靈敏、準確、快速、選擇性好等優點。
2)、線式光傳感器可以檢測單個裝置內部的多個單元，同樣也可以檢測多個裝置，更多的單元可以被檢測，可以減少要使用的傳感器數量同時降低保護系統的成本。
3)、聚焦元件聚焦色散後的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫的像，其中每一像點對應於一特定波長。探測器陣列可以測量各波長像點的光強度。
4)、光學平臺和檢測系統將成分複雜的光分解成光譜線，根據光譜成份為紫外光、可見光還是紅外光以及各波長像點的光強度判別故障類型，金屬導體短路導體燃燒及金屬離子放電發光還是金屬導體在高壓放電時致使空氣電離發光。
5)、工控機對出現的故障類型進行編號區分，存儲故障數據，建立資料庫，當出現故障數據及時發送「跳閘反饋」到斷路器。
附圖說明
圖1為本實用新型基於光譜分析方法的環網櫃故障判別系統原理示意圖。
圖2為本實用新型中光學平臺與檢測系統結構圖。
圖2中：1-入射狹縫；2-準直透鏡；3-色散元件；4-聚焦元件；5-CCD陣列檢測器；
6-光學平臺與檢測系統；7-光纖束；8-光纖接頭；9-入射光線。
10-光纖探頭；11-信號處理單元；12-工控機。
圖3為本實用新型中信號處理單元構成示意圖。
圖4為本實用新型中所述光譜曲線圖。
具體實施方式
原理分析：
環網櫃故障類別大致可以分為兩種，即不同金屬導體短路和金屬導體在高壓放電。弧光與可見光的區別在於弧光包含可見光，同時它比可見光增加了紫外線成分，利用光學平臺 和檢測系統將成分複雜的光分解成光譜線，區分弧光和可見光。
金屬導體短路時產生的弧光的主要成分是紫外光和可見光，此外還有很微弱的紅外光部分。從光譜曲線圖4可以看出，在紫外和可見光波段分別有一個峰值區域，中心波長大約分別為330nm和530nm；導體在20kV的高壓下致使空氣電離所發出的弧光，僅紫外光比較明顯，而可見光和紅外光幾乎可以忽略。弧光成分以及相同波長處的強度可以作為故障類型判別依據。
如圖1所示，基於光譜分析方法的環網櫃故障判別系統，由信號採集單元、光學平臺、檢測系統、信號處理單元、工控機等部分構成。Avago線式弧光傳感器探測的弧光信號經由光纖束傳送至光學平臺。光學平臺將弧光分解確定弧光光譜成分，檢測系統按波長排列測量各波長處的光強度特徵。信號處理單元包括光電轉換器和運算放大器兩部分，弧光信號經光電轉換器轉換成電信號，利用OPA2227運算放大器構成電平轉換電路轉換電平值，最後存儲在工控機上。工控機用於分析光譜成分及各波長處的光強度，判別環網櫃是否發生故障以及確定故障類型，同時工控機用於環網櫃故障在線實時監測。
所述信號採集單元為光傳感器，光傳感器為Avago線式光傳感器，它通常是POF光纖。線式傳感器能採集光纖路徑上的大區域的光，同時由於線式傳感器的光纖是有長度的，是沒有被環網櫃內裝置遮擋的風險。因此線式傳感器可以檢測單個裝置內部的多個單元，同樣也可以檢測多個裝置，更多的單元可以被檢測，可以減少要使用的傳感器數量同時降低保護系統的成本。
所述的系統通過大口徑可靠性極好的POF光纖光纜傳遞信號，確保將Avago線式傳感器探頭所探測到的弧光信號傳給光學平臺，大口徑高可靠性POF光纜可長達50m，確保遠離重大電氣設備，安全性高。
所述的光學平臺和檢測系統結構圖如圖2所示，為了區分弧光和可見光，將成分複雜的光分解成光譜線。弧光與可見光的區別在於弧光包含可見光，同時它比可見光增加了紫外線成分。環網櫃故障大致可以分為兩種，即金屬導體短路和金屬導體在高壓放電。
所述的一個光學平臺由入射狹縫1、準直元件2、色散元件3、聚焦元件4組成。
所述的入射狹縫1在入射光的照射下形成光譜儀成像系統的物點。準直元件2使狹縫1發出的光線變為平行光。準直元件2可以是一獨立的透鏡、反射鏡、或直接集成在色散元件上，如凹面光柵光譜儀中的凹面光柵。色散元件3通常採用光柵，使光信號在空間上按波長分散成為多條光束。聚焦元件4聚焦色散後的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫1的像，其中每一像點對應於一特定波長。
所述的檢測系統為由探測器陣列5構成。探測器陣列5放置於焦平面，用於測量各波長像點的光強度，探測器陣列5可以是CCD陣列。
所述信號處理單元結構如圖3所示，光電轉換器和A/D轉換器兩部分構成信號處理單元。光電轉換器型號為GH232，運算放大器型號為OPA2227。信號處理單元採用FPGA作為核心處理器，型號為EP2C5Q208C8N，光電轉換器實現光電信號的轉換，利用OPA2227運算放大器構成電平轉換電路，轉換成適合FPGA的I/O埠接收的電平值。信號處理單元與工控機之間採用PCI接口實現通訊和供電。信號處理單元為一個PCI接口的板卡，可直接插入工控機的PCI插槽上。
所述環網櫃故障類型判別依據如表1所示，表1將環網櫃故障類別大致可以分為兩類，即金屬導體短路和金屬導體在高壓放電。其中在故障原理不同的基礎上又進一步細分為不同金屬之間導致的故障。光學平臺和檢測系統將成分複雜的光分解成光譜線，與表1中故障光譜曲線波長峰值與相對強度進行比較，確定是否發生故障以及確定故障類型。每一種故障對應一個標號，工控機接收故障標號進行數據存儲，建立資料庫實時監測，當出現故障數據及時發送「跳閘反饋」到斷路器。
表1為環網櫃故障類型判別表。
所述工控機型號為IPC-610，CPU型號CORE雙核2.4G E4600，內存2G，硬碟容量250G，帶DVD光碟機、帶滑鼠鍵盤及網口。