CN105548874B - 一种智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置 - Google Patents

Abstract

一种智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，包括机械特性状态监测单元、SF₆气体状态监测单元、避雷器状态监测单元、局部放电状态监测单元和信息管理单元。各监测单元之间及各监测单元和信息管理单元采用插件式，通过装置内部CAN网和以太网进行通信和数据交互。本发明装置能够对开关本体的机械特性状态、SF₆气体状态、避雷器状态和局部放电状态进行全方位的实时综合在线监测。依据开关状态的参数信息，采用故障诊断和数据融合技术对开关的状态作出融合决策分析，得出决策结论。装置可通过IEC61850规约和站控层后台监控系统通信，将数据和诊断结果上送至后台监控系统，并生成诊断日志和告警信号。

Description

一种智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置

技术领域

本发明属于电力装置监测技术领域，涉及一种智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，特别适用于按IEC61850标准设计的智能变电站，10KV及以上的智能变电站三相联动或三相分相开关状态的综合在线监测和故障诊断。

背景技术

近几年，随着光伏、风电等新能源发展，国家电网也大力推广智能电网的建设来满足新能源并网的需求。高压开关作为智能电网重要组成部分，主要用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用的电气设备，其运行的稳定性直接影响到电网安全运行。高压开关长期工作在高电压、大电流的环境下，开关本体材料在强电场下会发生劣化，再者其SF₆气体长时间发生泄漏现象，导致绝缘性能和电气性能下降。根据历年来开关事故统计，开关拒分、拒合、误动、SF₆气体泄漏和局部放电等故障发生频率较高，直接影响了电力系统的稳定运行，也带来了严重的经济损失。因此，对运行中开关的进行在线监测，实时掌握开关的运行状态，及时发现故障隐患，对整个电网的稳定运行具有深远的意义。

在线监测技术依托于传感器技术和信号处理技术，通过采集电力设备关键部位的运行数据，结合先进的智能诊断方法，分析判断设备的运行情况，对可能发生的故障进行诊断和预警。这样既避免了事故的进一步发展而造成严重事故，也减少不必要的维修，实现预知性、针对性的维修。开发研制一种实时、智能的在线监测装置，掌握设备运行情况，及时发现故障隐患、采取措施，避免事故进一步扩大，对保障电网安全运行具有深远的理论意义和广泛的实用价值。

目前，市场上的开关在线监测装置种类较多，但大多是功能相对单一，即一台装置只能监测开关的一种状态。如若实现开关本体的各状态全方位监测需要多台装置配合，不仅配置复杂、成本较高、工程实施困难，还大量占用了开关户外柜的使用空间。

发明内容

基于现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，可以用一台装置实现开关整体状态的全方位监测。智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置基本涵盖了开关整体状态的监测内容，主要包括机械特性状态、SF₆气体状态、避雷器状态和局部放电状态的在线监测，能够计算开关本体的特征参数，通过故障诊断和数据融合技术来判别开关的故障情况及运行状态，发出报警信号，并将故障参数和波形数据通过以太网上传至后台监控系统。

本发明具体采用以下技术方案：

一种智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，包括机械特性状态监测单元、SF₆气体状态监测单元、避雷器状态监测单元、局部放电状态监测单元和信息管理单元；其特征在于：

各监测单元之间及各监测单元和信息管理单元采用插件型式，通过在线监测与故障诊断装置内部CAN网和以太网进行通信和数据交互，信息管理单元经以太网通过IEC61850通信规约将数据上传至变电站后台监测系统。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述机械特性状态监测单元包括机械特性状态传感器模块和机械特性数据处理模块，传感器模块和机械特性数据处理模块通过屏蔽电缆相连。

其中，机械特性状态传感器模块包括行程传感器、加速度传感器、控制回路线圈采集器、主回路电流采集器和开入信号接入单元；机械特性状态传感器模块所采集的信号包括通过行程传感器采集的开关本体分合闸行程、通过加速度传感器采集的开关本体分合动作时的振动信号、通过控制回路线圈采集器测量的控制回路电流和电压、通过主回路电流采集器采集的主回路二次侧电流及通过开入信号接入单元采集的开入信号，所述机械特性状态传感器模块将采集的上述采集信号送至机械特性数据处理模块。

机械特性数据处理模块实时接收机械特性状态传感器模块上送的采集信号，对其中的模拟信号进行A/D装换，对数字信号进行解析，开关动作时，机械特性数据处理模块可自启动录波，根据动作过程中的各传感器采集的数据变化，对各传感器进行录波，计算智能开关的分/合闸行程、分/合闸时间和分/合闸线圈电流等机械特性特征参数，并对智能开关的机械特性状态进行初步诊断，将机械特性状态初步诊断结果和机械特性特征参数上送至信息管理单元。

所述SF₆气体状态监测单元包括SF₆传感器和SF₆数据处理模块，SF₆传感器和SF₆数据处理模块通过屏蔽电缆相连；SF₆传感器测量开关气室内的SF₆气体状态参数，包括SF₆气体压力、密度、温度和微水含量；SF₆数据处理模块对SF₆气体状态进行初步诊断，将SF₆气体状态初步诊断结果和SF₆气体状态参数上送至信息管理单元。

所述避雷器状态监测单元包括避雷器前置电流、电压采集模块和避雷器数据处理模块，所述避雷器前置电流、母线电压采集模块和避雷器数据处理模块通过屏蔽电缆相连。

避雷器前置电流、母线电压采集模块分别采集避雷器的泄漏电流和母线电压信号，将采集的数据及计算出的避雷器泄漏参数和母线电压参数通过屏蔽电缆上送至避雷器数据处理模块，避雷器数据处理模块结合避雷器前置电流、母线电压的参数，计算出避雷器的状态参数，包括阻性电流、容性电流及相角；并对避雷器的状态进行初步诊断，将避雷器状态初步诊断结果和避雷器状态参数上送至信息管理单元。

所述局部放电状态监测单元包括多个UHF传感器、采集模块和局放数据处理模块；其中，多个UHF传感器分别安装在智能开关的断路器气室内的不同部位，每一个UHF传感器的输出端和采集模块采用同轴电缆相连，采集模块和局放数据处理模块通过在线监测与故障诊断装置内部以太网进行通信；UHF传感器接收局部放电产生的电磁波信号；采集模块完成局放信号的采集，并接入工频同步信号将局放信号和工频电压信号关联上送至局放数据处理模块；局放数据处理模块接收到局放信号和工频电压信号后，计算局放特征参数，并对智能开关的局部放电进行初步诊断，将局部放电初步诊断结果和局放特征参数上送至信息管理单元。

信息管理单元和各监测单元通过以太网和CAN网进行通信，并管理各监测单元；信息管理单元接收到各监测单元上送的初步诊断结果和相应的状态参数，对智能开关的故障状态作出综合判断。

信息管理单元经以太网通过IEC61850规约和站控层后台监控系统通信，将各监测单元的初步诊断结果和对应的状态参数上送至后台监控系统，并生成诊断日志和告警信号。

智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置可通过PC端开发的智能组件配置工具对监测功能模块选择和监测量自由配置，通过配置工具生成在线监测与故障诊断装置的标准的61850配置文件和模型文件，最后通过FTP工具导入在线监测与故障诊断装置的信息管理单元；信息管理单元根据配置文件对各监测单元进行参数配置，根据61850模型文件的信息点配置可后台监控系统通信。

本发明一种智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，其优点和有益效果如下：

1、智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置能够对开关本体的机械特性状态、SF₆气体状态、避雷器状态和局部放电状态进行全方位的实时在线监测。

2、智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置集成度高，可根据工程需要选择开关需要监测的状态进行灵活配置，节省了户外柜的使用空间，降低了工程成本，便于工程实施。

3、通过各监测单元的参数综合分析，采用D-S证据融合诊断技术对开关的故障状态作出决策分析，评估出开关的健康状况。

4、装置的各监测单元采用插件式，通过背板总线和信息管理单元进行通信，装置配置灵活，可监测三相联动和三相分相操动机构的开关。装置可出61850模型，便于组网和站控层通信。

附图说明

图1本发明智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置的结构框图；

图2本发明的数据融合诊断流程图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术路线和有益效果更加清晰明白，现结合附图和具体实施方式进一步说明，具体实施不构成对本发明的限制。

如图1所示，智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置包括机械特性状态监测单元、SF₆气体状态监测单元、避雷器状态监测单元、局部放电状态监测单元和信息管理单元。各监测单元之间及各监测单元和信息管理单元通过装置内部CAN网和以太网进行通信和数据交互，信息管理单元经以太网通过IEC61850通信规约将数据上传至变电站后台监测系统。各单元的结构和实现功能具体如下：

一、机械特性状态监测单元。机械特性状态监测单元包括机械特性状态传感器模块和机械特性数据处理模块，传感器模块和机械特性数据处理模块采用屏蔽电缆和机械特性数据处理模块相连。其中，传感器模块包括行程传感器、加速度传感器、控制回路线圈采集器、主回路电流采集器和开入信号；机械特性数据处理模块位于装置内，由核心处理器DSP和应用电路处理模块构成。机械特性状态监测实现方法和运行原理如下：

行程传感器选用光栅旋转编码器，安装在开关本体的转轴侧，开关进行开合动作时，动触头的直线运动通过拐臂转换为旋转运动。通过记录开关动作过程中的转角的数据变化，可反映出动触头的运动情况。行程传感器转动过程中输出422差分脉冲信号，将开关的行程数据转换成脉冲编码信号，传至机械特性数据处理模块采集处理。

加速度传感器选用双轴压电式加速度传感器，安装在开关本体操动机构近旁，可监测操动机构上的振动信号，将振动信号转换成电流信号，交由机械特性数据处理模块处理。

控制回路线圈采集器和主回路电流采集器，安装在开关近旁的户外柜内，可可采集分合闸回路的电压和电流信号、储能电机线圈的电压、电流信号及主回路二次侧电流信号，通过485总线上传至机械特性数据处理模块处理。

开入信号由开关辅助触点引出，反应开关当前的位置状态，其接入电压范围是DC220V。

机械特性数据处理模块通过背板总线进行通信，装置配置灵活，可监测三相联动和三相分相操动机构的开关。监测三相联动结构时，配置一块机械特性数据处理模块，相应的传感器配置一套；监测三相分相开关时，配置三块机械特性数据处理模块，相应的传感器配置三套。

机械特性数据处理模块实时采集传感器模块的数据，开关动作时，根据各传感器的数据变化采用录波启动判别算法；满足启动条件时，装置对各传感器数据进行录波；然后，根据行程、控制回路电流和电压通道的数据计算开关的机械特性特征参数，如分/合闸行程、分/合闸时间、分/合闸线圈电流和电压等。由加速度传感器采集的振动数据计算开关振动的频率、峰值及时间等特征参数。开关进行分闸动作时，由主回路电流数据计算开关单次电磨损和累积电磨损，评估出开关剩余的电寿命，对开关的机械特性状态作初步诊断，并将特征参数和诊断结果上送至信息管理单元。

二、SF₆气体状态监测单元。

SF₆气体状态监测单元包括SF₆传感器和SF₆数据处理模块，通过屏蔽电缆相连。SF₆传感器可测量开关气室内的SF₆气体压力、密度、温度和微水含量等参数。SF₆数据处理模块可连接modbus规约和4～20mA信号的SF₆传感器。其实现方法和运行过程如下：

SF₆传感器安装在开关本体气室上，通过连通阀和气室导通，可测量开关气室内的SF6气体压力、密度、温度和微水含量。SF₆传感器带有表计，可以就地读压力数值，同时通过485总线将参数传至SF₆数据处理模块。当连接modbus规约的传感器时，可以直接通过485总线和SF₆数据处理模块通信；如采用4～20mA模拟信号的SF₆传感器时，需配置直流采集模块进行A/D转换，然后将数据送至SF₆数据处理模块处理。

SF₆数据处理模块采用主从式通信方式，对各个SF₆传感器轮询读数，各传感器根据地址进行区分。当连接modbus规约的传感器时，SF₆数据处理模块最大可连接256个传感器；如配置4～20mA信号的传感器，连接的最大个数依据直流模块的数量而定。SF₆数据处理模块根据SF₆气体参数，对SF₆气体状态进行初步诊断，将诊断结果和状态参数上送至信息管理单元。

三、避雷器状态监测单元。

避雷器状态监测单元包括避雷器前置电流、母线电压采集模块和避雷器数据处理模块，模块通过屏蔽电缆相连。避雷器前置电流、母线电压采集模块分别采集避雷器的泄漏电流和主回路二次侧电压信号，将采集数据和计算出的避雷器泄漏电流参数和母线电压参数结果通过485总线上送至避雷器数据模块。避雷器数据模块处理接收到数据，并进一步计算避雷器的状态参数，对避雷器的状态进行初步诊断，将诊断结果和状态参数上送至信息管理单元。其实现方法与运行过程如下：

避雷器前置电流采集模块和母线电压采集模块安装在开关本体上，前置电流模块内部采用霍尔线圈元件采集避雷器的泄漏全电流，母线电压模块内部采用电压互感器采集主回路二次侧电压信号。其中，避雷器前置电流模块根据避雷器个数进行配置；由于同一间隔内电压相位相同，母线电压采集模块可按间隔进行配置，即一台母线电压采集模块可对应多个前置电流采集模块。

避雷器数据处理模块定时向前置电流采集模块和母线电压采集模块下发同步采样脉冲信号。当前置电流采集模块和母线电压采集模块接收到采样同步脉冲后，启动采样进程，二者根据采集数据计算出避雷器的泄漏全电流有效值和母线电压有效值及谐波分量，并分别计算出电流和电压相对于采样脉冲的同步相位，并将计算参数经屏蔽电缆上传至避雷器数据处理模块。避雷器数据处理模块根据上送的数据，计算出避雷器的阻性电流和容性电流等参数，并根据避雷器的状态参数对避雷器的故障状态进行初步诊断，将诊断结果和状态参数上送至信息管理单元。

四、局部放电状态监测单元。

局部放电状态监测单元包括多个UHF传感器、采集模块和局放数据处理模块。其中，UHF传感器和采集模块采用同轴电缆相连，采集模块和局放处理模块通过装置内部以太网进行通信。其实现方法与运行原理如下：

UHF传感器安装在开关本体的气室内，靠近开关触头的位置，用于搜集放电产生的电磁波信号。UHF传感器接收到的局放信号经同轴电缆传至采集模块，每个采集模块可接两个通道，如同时监测多个通道的局放信号，需要配置多个采集模块，同时采集还需接入50Hz的工频同步信号，用关联局放信号和工频信号相位。

采集模块对多个通道进行定时轮询采集放电数据，并将采集的工频信号一同传至局放数据处理模块。局放处理模块接收到放电信号后，进行局放脉冲信号的提取，根据提取出的脉冲信号计算局放特征参数，诊断出局部放电类型及发生缺陷的大概位置。最后，将原始放电数据、特征参数和诊断结果等信息发送至信息管理单元。

五、信息管理单元

信息管理单元由核心处理器ARM构成，和各监测单元模块通过以太网和CAN网进行通信，并管理各监测单元。信息管理单元接收到各监测单元上送的数据后，采用数据融合技术对对开关的故障状态作出融合决策分析，得出决策结论。信息管理单元经以太网通过IEC61850规约和站控层后台监控系统通信，将数据和诊断结果上送至后台监控系统，并生成诊断日志和告警信号。

智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置可以通过智能组件配置工具对功能模块和监测信息点自由配置，通过配置工具生成装置的61850配置文件和模型文件，最后通过FTP工具导入装置的信息管理单元。信息管理单元根据配置文件对各监测单元进行参数配置，根据61850模型文件的信息点配置可后台监控系统通信。

如图2所示，智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置的诊断步骤如下：

第一步，数据采集。通过安装在开关本体上的传感器，搜集开关本体的状态信息，实时采集各传感器的数据，开关动作时，记录动作过程中机械特性状态各传感器数据的变化。

第二步，数据处理。各监测单元的数据处理模块接收到传感器的数据，根据各状态的参数信息，对数据进行预处理，提取出反应开关状态的信息特征参数，作为后续诊断的依据。

第四步，初步诊断。对监测单元采用阀值判断方法，判别出各自的故障状态，给出初步诊断结果。

第五步，决策级融合诊断。信息管理单元根据各状态监测单元上送的特征参数和初步诊断结果，进行综合决策判断。

Claims (8)

1.一种智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，包括机械特性状态监测单元、SF₆气体状态监测单元、避雷器状态监测单元、局部放电状态监测单元和信息管理单元；其特征在于：

各监测单元之间及各监测单元和信息管理单元采用插件型式，通过在线监测与故障诊断装置内部CAN网和以太网进行通信和数据交互，信息管理单元经以太网通过IEC61850通信规约将数据上传至变电站后台监测系统；

所述机械特性状态监测单元包括机械特性状态传感器模块和机械特性数据处理模块，传感器模块和机械特性数据处理模块通过屏蔽电缆相连；

其中，机械特性状态传感器模块包括行程传感器、加速度传感器、控制回路线圈采集器、主回路电流采集器和开入信号接入单元；机械特性状态传感器模块所采集的信号包括通过行程传感器采集的开关本体分合闸行程、通过加速度传感器采集的开关本体分合动作时的振动信号、通过控制回路线圈采集器测量的控制回路电流和电压、通过主回路电流采集器采集的主回路二次侧电流及通过开入信号接入单元采集的开入信号，所述机械特性状态传感器模块将采集的上述采集信号送至机械特性数据处理模块；

其中，所述行程传感器采用光栅旋转编码器，安装在开关本体的转轴侧，开关进行开合动作时，动触头的直线运动通过拐臂转换为旋转运动，通过记录开关动作过程中的转角的数据变化，反映出动触头的运动情况，行程传感器转动过程中输出422差分脉冲信号，将开关的行程数据转换成脉冲编码信号，传至机械特性数据处理模块采集处理；

加速度传感器采用双轴压电式加速度传感器，安装在开关本体操动机构近旁，监测操动机构上的振动信号，将振动信号转换成电流信号，交由机械特性数据处理模块处理；

控制回路线圈采集器和主回路电流采集器，安装在开关近旁的户外柜内，可采集分合闸回路的电压和电流信号、储能电机线圈的电压、电流信号及主回路二次侧电流信号，通过485总线上传至机械特性数据处理模块处理；

开入信号由开关辅助触点引出，反应开关当前的位置状态，其接入电压范围是DC220V；

机械特性数据处理模块通过背板总线进行通信，监测三相联动和三相分相操动机构的开关，监测三相联动结构时，配置一块机械特性数据处理模块，相应的传感器配置一套；监测三相分相开关时，配置三块机械特性数据处理模块，相应的传感器配置三套；

机械特性数据处理模块实时采集传感器模块的数据，开关动作时，根据各传感器的数据变化采用录波启动判别算法；满足启动条件时，装置对各传感器数据进行录波；然后，根据行程、控制回路电流和电压通道的数据计算开关的机械特性特征参数，包括分/合闸行程、分/合闸时间、分/合闸线圈电流和电压；由加速度传感器采集的振动数据计算开关振动的频率、峰值及时间特征参数；开关进行分闸动作时，由主回路电流数据计算开关单次电磨损和累积电磨损，评估出开关剩余的电寿命，对开关的机械特性状态作初步诊断，并将特征参数和诊断结果上送至信息管理单元。

2.根据权利要求1所述的智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，其特征在于：

机械特性数据处理模块实时接收机械特性状态传感器模块上送的采集信号，对其中的模拟信号进行A/D装换，对数字信号进行解析。

3.根据权利要求1所述的智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，其特征在于：

所述SF₆气体状态监测单元包括SF₆传感器和SF₆数据处理模块，SF₆传感器和SF₆数据处理模块通过屏蔽电缆相连；SF₆传感器测量开关气室内的SF₆气体状态参数，包括SF₆气体压力、密度、温度和微水含量；SF₆数据处理模块对SF₆气体状态进行初步诊断，将SF₆气体状态初步诊断结果和SF₆气体状态参数上送至信息管理单元。

4.根据权利要求1所述的智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，其特征在于：

所述避雷器状态监测单元包括避雷器前置电流、电压采集模块和避雷器数据处理模块，所述避雷器前置电流、母线电压采集模块和避雷器数据处理模块通过屏蔽电缆相连；

避雷器前置电流、母线电压采集模块分别采集避雷器的泄漏电流和母线电压信号，将采集的数据及计算出的避雷器泄漏参数和母线电压参数通过屏蔽电缆上送至避雷器数据处理模块，避雷器数据处理模块结合避雷器前置电流、母线电压的参数，计算出避雷器的状态参数，包括阻性电流、容性电流及相角；并对避雷器的状态进行初步诊断，将避雷器状态初步诊断结果和避雷器状态参数上送至信息管理单元。

5.根据权利要求1所述的智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，其特征在于：

所述局部放电状态监测单元包括多个UHF传感器、采集模块和局放数据处理模块；其中，多个UHF传感器分别安装在智能开关的断路器气室内的不同部位，每一个UHF传感器的输出端和采集模块采用同轴电缆相连，采集模块和局放数据处理模块通过在线监测与故障诊断装置内部以太网进行通信；UHF传感器接收局部放电产生的电磁波信号；采集模块完成局放信号的采集，并接入工频同步信号将局放信号和工频电压信号关联上送至局放数据处理模块；局放数据处理模块接收到局放信号和工频电压信号后，计算局放特征参数，并对智能开关的局部放电进行初步诊断，将局部放电初步诊断结果和局放特征参数上送至信息管理单元。

6.根据权利要求1所述的智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，其特征在于：

信息管理单元和各监测单元通过以太网和CAN网进行通信，并管理各监测单元；信息管理单元接收到各监测单元上送的初步诊断结果和相应的状态参数，对智能开关的故障状态作出综合判断。

7.根据权利要求6所述的智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，其特征在于：

信息管理单元经以太网通过IEC61850规约和站控层后台监控系统通信，将各监测单元的初步诊断结果和对应的状态参数上送至后台监控系统，并生成诊断日志和告警信号。

8.根据权利要求1所述的智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置，其特征在于：

智能开关状态综合在线监测与故障诊断装置可通过PC端开发的智能组件配置工具对监测功能模块选择和监测量自由配置，通过配置工具生成在线监测与故障诊断装置的标准的61850配置文件和模型文件，最后通过FTP工具导入在线监测与故障诊断装置的信息管理单元；信息管理单元根据配置文件对各监测单元进行参数配置，根据61850模型文件的信息点配置后台监控系统通信。