基于非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置和方法

基于非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于非常規互感器實現開關局部放電監測的方法和監測裝置，監測裝置接入合并單元MU的SV采樣報文，對SV采樣報文解碼，檢測開關電壓過零點時刻，依賴外部同步時鐘，精確計算通道延時，準確還原開關電壓正弦波形。監測裝置根據開關電壓過零點時刻形成的采樣脈沖實時采集安裝在開關本體上的超高頻局放傳感器信息，對采樣數據進行分析處理，判斷局部放電類型，對局部放電趨勢進行預警，實時反映開關絕緣狀況。本發明有效解決智能變電站或數字化變電站里，開關電壓為數字信號時，一些在線監測裝置無法引入開關電壓信號獲得局部放電同步相位信息的問題，能早發現開關絕緣隱患缺陷，市場應用前景廣闊。
【專利說明】基于非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置和方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于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]由于開關內部場強很高，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征。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]在常規變電站，開關局部放電狀態監測裝置采用電壓抽取裝置從互感器上引入交流信號獲取相位信息，進行局部放電監測。但對于智能變電站，開關電壓來自電子式(光電式)互感器，而非常規互感器，電壓抽取裝置已不再適用，同時傳統接入電壓模擬量信號的在線監測裝置也不滿足數字化接口需求，具體有以下幾點:
[0004]I)不具備光纖接口，無法采集數字信號的采樣數據值SV采樣報文；
[0005]2)受到SV采樣點數的限制，數字化SV報文還原為模擬信號有一定難度；
[0006]3) SV報文與局放超高頻信號不同步；
[0007]基于以上幾點不足，影響開關局部放電狀態監測技術的發展。
[0008]因此，需要尋求一種方法來解決此問題。本發明提出的基于非常規互感器實現開關局部放電監測的方法，彌補了上述幾點不足。這是在傳統開關局部放電在線監測基礎上對智能變電站局部放電狀態監測所做的新的嘗試。

【發明內容】

[0009]對于采用電子式或光電式互感器的智能變電站或數字化變電站，為了解決無法通過電壓抽取裝置獲取電壓相位的問題，解決傳統局部放電監測裝置無法接入SV信號問題，本發明提出了一種基于非常規互感器實現開關局部放電監測的方法以及監測裝置。
[0010]本發明具體采用以下技術方案:
[0011]一種引入非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置，其特征在于:監測裝置采集安裝在開關本體上的超高頻局放傳感器所監測到的局部放電信息，實現對開關局部放電的監測。
[0012]所述監測裝置包括信息管理組件、SV組件、多組局放信號采集組件(即局部放電信號采集組件)、CPU分析診斷組件；各組件之間通過裝置內部CAN網和/或以太網和/或對時總線連接；
[0013]信息管理組件具備以太網口，與在線監測后臺連接，完成其它組件的信息管理功能，具備IEC61850通信功能；
[0014]SV組件與合并單元相連，通過對SV采樣報文解碼，實現對開關電壓的檢測；
[0015]所述局放信號采集組件與安裝在開關本體上的局放超高頻傳感器進行連接接收所述局放超高頻傳感器采集的開關內部的局部放電信號；[0016]所述CPU分析診斷組件通過所述監測裝置內部高速以太網和CAN網與所述局放信號采集組件相連，接收局部放電信號的采樣數據并對局放信號采集組件采樣時序邏輯進行控制，該CPU分析診斷組件通過所述監測裝置內部高速以太網收集局放信號采集組件的采樣數據，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，并通過監測裝置內部高速以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]所述局放信號采集組件通過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，所述局放信號采集組件采用FPGA掛載高速AD完成所述局放超高頻傳感器所采集的局部放電信號的放大、濾波、降頻以及緩存。
[0018]每臺監測裝置有一塊SV組件，完成開關本體電壓相位同步采集功能，將SV采樣報文還原為對交流電壓信號，并向采集組件輸出電壓過零點相位脈沖，當采集到電壓相位過零點有效時，該局放信號采集組件通過裝置內部總線向其它局放信號采集組件發送同步采集脈沖，裝置內所有局放信號采集組件均根據電壓相位同步脈沖完成同步采樣。
[0019]SV組件與局放信號采集組件通過背板對時總線進行時間同步。
[0020]基于所述的監測裝置的引入非常規互感器實現開關局部放電監測方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟:
[0021 ] ( I)監測裝置上電后，實時監視SV組件通信狀態，如果SV組件通信異常，采集組件會形成報警報告，通過裝置內部CAN網傳輸至信息管理組件進行告警；
[0022](2)實時采集合并單元MU的SV采樣報文，對SV采樣報文解碼，計算開關電壓參數，檢測開關電壓過零點時刻，依賴外部同步時鐘，精確計算通道延時，準確還原開關電壓正弦波形，形成傳感器同步采集脈沖序列；
[0023](3)通過安裝在開關本體上的局放超高頻傳感器，根據相位同步采樣脈沖序列實時采集超高頻傳感器信息，提取局部放電脈沖，診斷局部放電類型，計算局部放電趨勢，反映開關本體絕緣狀態，對局部放電診斷報告進行存儲，通過信息管理組件將診斷報告遠傳；
[0024](4)監測裝置上電后，對監測裝置硬件進行實時自檢，自檢異常后自動報警。
[0025]本發明具有以下技術效果:解決了智能變電站或數字化變電站里，開關電壓為數字信號時，一些在線監測裝置無法獲取局部放電交流相位的問題。此外，所述監測裝置對外采用IEC61850通信協議，也解決了傳統在線監測裝置通信協議不統一的問題，便于集成到智能變電站高級應用的一體化信息平臺。
[0026]根據局部放電趨勢可實時反映開關本體絕緣狀態，為運行檢修人員提供可靠的設備絕緣信息和科學的檢修依據，從而達到減少生產事故發生，延長檢修周期，減少停電檢修次數和檢修時間，提高設備利用率和整體經濟效能的目的。有一定的發展潛力，市場應用前景廣闊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發明基于非常規互感器監測開關局部放電方法原理框圖；
[0028]圖2是本發明監測裝置的結構圖；
[0029]圖3-1是本申請引入非常規互感器監測局部放電的方法流程圖；[0030]圖3-2是SV檢測方法流程圖；
[0031]圖3_3是時間同步處理方法流程圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合說明書附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明。
[0033]如圖1所示為引入非常規互感器監測開關局部放電的總體結構圖，局部放電監測裝置要求全站統一對時，保證合并單元MU與局部放電監測裝置時間同步。通過對SV報文解碼，搜索指定的開關電壓采集通道，對開關電壓通道進行傅氏濾波處理，計算電壓有效值、諧波、系統頻率等參數，根據系統同步時鐘，計算開關電壓過零點時刻，形成相位同步采樣脈沖序列，根據同步采樣指令對安裝在開關本體上的局放超高頻傳感器進行實時采集，提取局部放電脈沖序列，計算局部放電量信息，診斷局部放電類型，計算局部放電趨勢，從而診斷開關絕緣運行狀態。下面分別就各部分內容的實現加以說明:
[0034]如圖2所示為監測裝置結構示意圖，所述監測裝置包括信息管理組件、SV組件、多組局放信號采集組件、CPU分析診斷組件；各組件之間通過裝置內部CAN網、以太網、對時總線連接。各組件具體介紹如下:
[0035](一)信息管理組件
[0036]信息管理組件具備監測裝置內數據管理和IEC61850通訊的功能。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、報告管理模塊、歷史數據記錄模塊、時鐘管理模塊。通信管理模塊完成局放信號采集組件、SV組件送到信息管理組件的各種報文的解析，并將上送到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CPU分析診斷組件。配置管理模塊完成監測裝置內CPU分析診斷組件的配置和描述信息的接收、解析、存儲、校驗、上送等功能。報告管理模塊將CPU分析診斷組件及SV組件上送至信息管理組件的各類型報告信息按固定格式存儲為告警報告文件。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。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。
[0037]監測裝置的IEC61850建模原則完全遵循《基于DLT860標準的變電設備在線監測裝置應用規范》。通過自動建模工具導出標準模型文件。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、日志服務、文件服務等。各功能監測裝置使用專用的邏輯節點構建通信數據架構。
[0038]監測裝置對外采用IEC61850通信。監測裝置的站控層網絡通信遵循IEC61850通信協議。具備兩個獨立的以太網口。
[0039](二)SV 組件
[0040]監測裝置的SV組件通過光纖以太網與間隔內合并單元的以太網口連接，完成開關電壓數字信號采集。
[0041](三)局放信號采集組件
[0042]局放信號采集組件是監測裝置內最底層的采集單元，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。每塊局放信號采集組件完成兩路超高頻信號的采集、緩存、傳輸功能。每臺監測裝置會有一塊SV組件，將SV采樣報文還原為交流電壓信息，完成開關本體電壓相位同步采集功能，檢測交流電壓過零點有效信號(寫明向那些組件或模塊輸出電壓過零點相位脈沖)輸出電壓過零點相位脈沖，當采集到電壓相位過零點有效時，該局放信號采集組件通過裝置內部總線向其它局放信號采集組件發送同步采集脈沖，裝置內所有局放信號采集組件均根據電壓相位同步脈沖完成同步采樣。為實現局放信號40MHz同步采樣，局放信號采集組件采用FPGA掛載高速AD完成數據高速采集、緩存，完成本次采樣后，局放信號采集組件接收CPU分析診斷組件的采樣傳輸指令，采樣數據在CPU分析診斷組件召喚后通過FAGA掛載的以太網總線上送至CPU分析診斷組件。監測裝置內采樣時序由CPU分析診斷組件控制，裝置內需要的局放信號采集組件數量、種類、采樣參數等，可通過信息管理組件進行配置。
[0043](0) CPU分析診斷組件
[0044]CPU分析診斷組件是監測裝置的核心部分，一方面負責采樣邏輯控制，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采集組件發送采樣命令，當收到局放信號采集組件采樣結束命令后，開始發送采樣召喚命令。為滿足大容量采樣數據傳輸和計算需求，CPU分析診斷組件核心部件采用高性能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，對采樣數據進行緩存，根據采樣通道配置分別處理干擾通道和非干擾通道。首先，CPU分析診斷組件對采樣數據進行脈沖提取，然后進行通道去噪，統計分析計算放電脈沖的幅值分布、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征量。最后根據這些特征量與內置局放特征參數數據庫進行模式匹配，從而得到局部放電類型，判斷出局部放電是否發生，并將最終數據匯總為局部放電事故簡報及PRPD、PRPS圖譜，通過裝置內部以太網將事故簡報及圖譜上傳到信息管理組件，從而完成單次采樣邏輯控制及計算，后續的采樣過程同上述過程。
[0045]如圖3-1所示為引入非常規互感器監測開關局部放電的監測方法流程圖。本發明的監測方法包括以下步驟:
[0046]( I)監測裝置上電后，實時監視SV通信狀態，裝置開辟SV單獨采樣緩沖區，如果在指定時間間隔內檢測到采樣緩沖區數據無效，則認為SV通信中斷，由SV組件形成SV通信中斷報文，通過CAN網將告警報文傳送至信息管理組件，同時閉鎖SV參數計算邏輯，SV組件形成點亮告警燈報文，通過CAN網傳送至信息管理組件。相反，在SV通信中斷狀態下，如果檢測到SV采樣緩沖區有效數據更新，則認為SV通信恢復，由SV組件形成SV通信恢復報文，通過CAN網將恢復報文傳送至信息管理組件，同時開放SV參數計算邏輯，由SV組件形成熄滅告警燈報文，通過CAN網傳送至信息管理組件。
[0047](2)實時采集合并單元MU的SV采樣報文，對SV采樣報文解碼，如圖3_2所示為SV檢測方法流程圖，SV組件以太網接收中斷檢測到以太網報文幀有效后，進行中斷處理程序，通過以太網類型及SV配置信息對SV報文進行識別，識別SV報文有效后，進行SV報文解碼邏輯。首先提取以太網MAC地址、SVID信息，與本地配置數據庫進行匹配，匹配成功后，解析應用數據包，如果本幀報文時間同步位有效，且告警位無效，則進行采樣值數據處理，將各通道數據信息、品質位存儲在本地數據庫。如果檢測到線路電壓通道，則進行線路電壓過零點檢測邏輯，根據采樣數值進行相位跳變檢測，將有效的電壓過零點轉變為采樣脈沖輸出至裝置內部總線。為保證開關電壓過零點計算的實時性，需要在以太網接收中斷中判斷相鄰兩個采樣值的數據，如果發生過零點跳變，則根據線性比例與采樣間隔，算出過零點時刻。通過對SV接收報文解碼，實現對開關電壓的檢測。根據SV組件內SV訂閱信息的配置，可對SV報文進行解碼，并計算出有效值、諧波、系統頻率等參數信息。檢測開關電壓過零點時刻，依賴外部同步時鐘，精確計算通道延時，準確還原開關電壓正弦波形。如圖3-3所示為時間同步處理方法流程圖，進入定時器中斷后，將時間信息寫入本地時鐘芯片，同時將微秒計數器清零。考慮到電流數據采集與SV報文的同步性要求較高，需要將數據同步及通道延時在以太網中斷中處理。根據SV報文中的采樣計數器及本地微秒計數器，可計算本幀報文與合并單元MU采樣報文的以太網傳輸延時，再結合MU的采樣延時，即可精確計算開關電壓過零點與實際開關電壓采樣的偏差。根據此時間偏差，計算通道延時，對發送采樣脈沖時間序列做補償，從而準確獲得開關電壓的相位。
[0048](3)通過安裝在開關本體上的局放超高頻傳感器，根據相位同步采樣脈沖序列實時采集超高頻傳感器信息，根據CPU分析診斷組件采樣邏輯對采樣時序進行控制，當采集組件收到CPU分析診斷組件采樣啟動指令后，實時檢測SV組件的采樣脈沖，檢測脈沖有效后，進行采樣并將采樣值傳輸至CPU分析診斷組件，CPU分析診斷組件對采樣數據提取局部放電脈沖，計算出最大放電量、最小放電量、平均放電量、放電相位和放電次數，診斷局部放電類型，將上述這些測量量信息及采樣波形通過裝置內以太網傳輸至信息管理組件，信息管理組件根據歷史數據計算局部放電趨勢，反映開關本體絕緣狀態，對局部放電診斷報告及圖譜進行存儲，通過信息管理組件將診斷報告遠傳至狀態監測后臺。
[0049](4)裝置上電后，對硬件進行實時自檢，包括程序存儲區是否異常、數據存儲區是否異常，軟件是否會正常進行定時器中斷、以太網接收中斷，裝置內CAN網通信是否正常，緩沖區是否溢出等，如果檢測到上述任一項內容不符合要求，則立即形成告警報文，通過信息管理組件上送至監控后臺顯示。
[0050]以上詳細描述了本發明在引入非常規互感器監測開關局部放電過程中的【具體實施方式】。而本發明的范圍不應局限于這些描述。任何在本發明原理范圍內的修改、改進都屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種引入非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置，其特征在于:監測裝置采集安裝在開關本體上的超高頻局放傳感器所監測到的局部放電信息，實現對開關局部放電的監測。
2.根據權利要求1所述的引入非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置，其特征在于: 所述監測裝置包括信息管理組件、SV組件、多組局放信號采集組件、CPU分析診斷組件；各組件之間通過裝置內部CAN網和/或以太網和/或對時總線連接； 信息管理組件具備以太網口，與在線監測后臺連接，完成其它組件的信息管理功能，具備IEC61850通信功能； SV組件與合并單元相連，通過對SV采樣報文解碼，實現對開關電壓的檢測； 所述局放信號采集組件與安裝在開關本體上的局放超高頻傳感器進行連接接收所述局放超高頻傳感器采集的開關內部的局部放電信號。 所述CPU分析診斷組件通過所述監測裝置內部高速以太網和CAN網與所述局放信號采集組件相連，接收局部放電信號的采樣數據并對局放信號采集組件采樣時序邏輯進行控制，該CPU分析診斷組件通過所述監測裝置內部高速以太網收集局放信號采集組件的采樣數據，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，并通過監測裝置內部高速以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。
3.根據權利要求2所述的引入非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置，其特征在于: 所述局放信號采集組件通過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，所述局放信號采集組件采用FPGA掛載高速AD完成所述局放超高頻傳感器所采集的局部放電信號的放大、濾波、降頻以及緩存。
4.根據權利要求2所述的引入非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置，其特征在于: 局部放電信號的采樣數據通過所述以太網由局放信號采集組件傳輸至CPU分析診斷組件，采樣時序控制指令由CPU分析診斷組件通過CAN網下達至局部放電信號采樣組件，及采集組件的采樣率及采樣長度配置信息通過CAN網由CPU分析診斷組件進行設置； 所述CPU分析診斷組件的處理器采用DSP處理器，通過所述監測裝置內部高速以太網收集局放信號采集組件的采樣數據。
5.根據權利要求2所述的引入非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置，其特征在于: 每臺監測裝置有一塊SV組件完成開關本體電壓相位同步采集功能，將SV采樣報文還原為交流電壓信號，向局部放電信號采集組件輸出電壓過零點相位脈沖，當采集到電壓相位過零點有效時，該SV組件通過裝置內部的對時總線向其它局放信號采集組件發送同步采集脈沖，裝置內所有局放信號采集組件均根據電壓相位同步脈沖完成同步采樣。
6.根據權利要求2或5所述的引入非常規互感器實現開關局部放電監測的裝置，其特征在于: 所述SV組件與局放信號采集組件通過背板對時總線進行時間同步。
7.基于權利要求1-6中任一項權利要求所述裝置的引入非常規互感器實現開關局部放電監測的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)監測裝置上電后，實時監視SV組件通信狀態，如果SV組件通信異常，SV組件會形成報警報告，通過裝置內部CAN網傳輸至信息管理組件進行告警； (2)通過SV組件實時采集合并單元MU的SV采樣報文，對SV采樣報文解碼，計算開關電壓參數，檢測開關電壓過零點時刻，依賴外部同步時鐘，精確計算通道延時，準確還原開關電壓正弦波形，形成傳感器同步采集脈沖序列； (3)通過安裝在開關本體上的局放超高頻傳感器，根據相位同步采樣脈沖序列實時采集超高頻傳感器信息，提取局部放電脈沖，診斷局部放電類型，計算局部放電趨勢，反映開關本體絕緣狀態，對局部放電診斷報告進行存儲，通過信息管理組件將診斷報告遠傳； (4)監測裝置上電后，對監 測裝置硬件進行實時自檢，自檢異常后自動報警。
【文檔編號】H02J13/00GK103605069SQ201310561188
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月12日 優先權日:2013年11月12日
【發明者】唐喜, 任雁銘, 彭世寬, 徐萬方, 黃昕, 李征, 陳建英, 肖文蘭, 左廷濤 申請人:北京四方繼保自動化股份有限公司