专利名称：基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种高压电力设备局部放电在线监测系统及运行和故障诊断方法，特别适用于智能变电站高压开关柜的超高频局部放电信号的在线监测和故障诊断。
背景技术：
随着国家智能电网技术的发展，对变电站主设备关键部位的实时状态监测和故障诊断，已成为衡量电网可靠运行的一项重要指标。高压开关柜是智能变电站的重要部分，通过研制一种适用高压开关柜局部放电的监测系统，实时监测主要设备局部的放电情况和绝缘性能，掌握设备运行情况，及时发现故障隐患、采取措施检修处理，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。
当前，国内针对电气设备的绝缘性能的监测和维护，主要采取定期预防性试验和维修，对减少和防止事故的发生起到了很好的作用。但预防性试验是离线进行的，需要停电进行试验，停电后设备状态(如作用电压、温度等)与运行中不符，影响判断的准确度，况且不少重要电力设备，轻易不能停止运行，这给电力设备的试验与检修带来诸多不便。如今，一些便携式的放电检测装置虽然克服了停电试验检修的不足，但其监测方式不是连续的实时监测，绝缘仍可能在检修间隔期内发生故障，降低了检测的准确性。申请号为“201110104114. 7”名称为“基于无线网络的开关柜局部放电超声检测装置”和申请号为“200610129824. 4”名称为“基于超声辅助的局部放电带电检测装置”，都是通过超声传感器采集局部放电信号，经过A/D转换将采集的模拟信号转换成数字信号，最后传至监控室上位机进行数字信号处理得到放电信息。超声波检测抗干扰能力较强，检测频带主要集中在20kHz 220kHz，而局部放电信号产生的频率范围极宽，高频信号可达到几十GHz，超声波检测范围较窄不利于放电信号的频谱分析。再者，上述两款检测装置都是在监控室上位机进行数据处理，不能就地显示放电信息，不利于现场检修人员的检修和维护。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统及方法，克服现有技术的缺陷和不足，提高开关柜绝缘监测的准确性，本发明基于超高频(UHF)检测局部放电，检测频率带宽为300kHz 1200kHz。本系统具有就地显示放电信息、通信、报警和故障诊断等功能，上位机监控采用编程软件可实现复杂算法的运算并且可以直观的显示放电信息和故障数据。本发明的目的通过以下技术方案予以实现—种基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统，包括传感器单元、信号调理单元、MCU单元、通信单元、系统电源和上位机监控单元；其中，传感器单元输入端与信号调理单元的输入端相连；信号调理单元的输出端与MCU单元相连；MCU单元通过通信单元和上位机监控单元相连完成双向通信；系统电源为传感器单元、信号调理单元、MCU单元和通信单元提供电源。一种基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统的监测方法如下传感器单元中的超高频传感器接收开关柜内局部放电产生的高频电磁波信号，将电磁波信号转换成微电压信号送至放大电路；放大电路将微电压信号进行放大，并将放大后的信号传送至信号调理单元；信号调理单元包括前端放大滤波电路、频谱搬移电路和偏置电路；放大后的信号经过滤波放大电路滤波，将滤波后的信号经过频谱搬移电路完成高频信号到低频信号的变换；将频谱变换后的信号经过偏置电路偏置得到最终输出信号；MCU单元采用数字信号处理器，数字信号处理器中的A/D模块对最终输出信号进行模数转换，将模数转换后的信号再经FIR滤波器数字滤波去除干扰信号；通过短时傅里 叶变换将FIR滤波器数字滤波后的信号由时域信号转变为频域信号，然后再实现软件的频谱搬移即在频轴上对各频率分量平移，恢复原放电信号即电磁波信号的频谱；提取出恢复后的频谱信号的特征参量和在实验条件下得出的各放电类型的特征参数模式识别，来诊断放电信号的类型；最后，统计出放电发生的频率次数和幅值作为表征放电强度的参数，将所有的放电强度的参数传送至监控室上位机，当放电情况严重时，发出声光报警信号。本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现前述基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统，其中传感器单元包括超高频传感器和信号放大电路；所述超高频传感器接收局部放电产生的高频电磁波，将局部放电信号转换成微电压信号；信号放大电路完成微电压信号的放大，并将放大后的电压信号传送至信号调理单元。前述基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统，其中信号调理单元包括前端放大滤波电路、频谱搬移电路、后端滤波电路和偏置电路；所述放大滤波电路采用带增益的带通滤波完成信号的放大和滤波；频谱搬移电路实现信号频率从高频到低频的变换；偏置电路实现信号的偏置，使输出信号的电压范围符合MCU单元输入端的要求，供MCU单元中A/D转换的实现。前述基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统，其中MCU单元由数字信号处理处理器、键盘显示电路和时钟报警电路组成；数字信号处理处理器完成放电信号的采样转换、运算和数据存储，并按指定的通信协议与上位机通信；键盘显示电路实现放电信息的显示和参数设置；时钟电路为数字信号处理器提供时钟基准，具有掉电数据保护功能，报警电路在设备故障状态下产生报警信号。前述基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统的监测方法，其中频谱搬移的方法是将两个信号相乘，其具体步骤如下输入信号为Ui(t) = U1COSWjt式中，U1为输入信号电压幅值，Wi为输入信号的角频率。本振信号为U1 (t) = UlCOSW^式中，队为本振信号电压幅值，W1为本振信号的角频率。
相乘得输出信号为
权利要求
1.一种基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统，其特征在于，包括传感器单元(I)、信号调理单元(2)、MCU单元(3)、通信单元(4)、系统电源(5)和上位机监控单元(6);其中，传感器单元(I)输入端与信号调理单元(2)的输入端相连；信号调理单元(2)的输出端与MCU单元(3)相连；MCU单元通过通信单元(4)和上位机监控单元(6)相连完成双向通信；系统电源(5)为传感器单元(I)、信号调理单元(2)、MCU单元(3)和通信单元(4)提供电源。
2.根据权利要求I所述的基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统，其特征在于，所述传感器单元(I)包括超高频传感器和信号放大电路；超高频传感器接收局部放电产生的高频电磁波，将局部放电信号转换成微电压信号；信号放大电路完成微电压信号的放大，并将放大后的电压信号传送至信号调理单元(2)。
3.根据权利要求I所述的基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统，其特征在于，所述信号调理单元(2)由前端放大滤波电路依次串接频谱搬移电路、后端滤波电路和偏置电路；其中，放大滤波电路采用带增益的带通滤波完成信号的放大和滤波；频谱搬移电路实现信号频率从高频到低频的变换；偏置电路实现信号的偏置。
4.根据权利要求I所述的基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统，其特征在于，所述MCU单元(3)由数字信号处理处理器、键盘显示电路、时钟电路和报警电路组成；数字信号处理处理器完成放电信号的采样转换、运算和数据存储，并按指定的通信协议与上位机通信；键盘显示电路实现放电信息的显示和参数设置；时钟电路为数字信号处理处理器提供时钟基准，具有掉电数据保护功能，报警电路在设备故障状态下产生报警信号。
5.一种如权利要求I所述的基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述方法如下 传感器单元中的超高频传感器接收开关柜内局部放电产生的高频电磁波信号，将电磁波信号转换成微电压信号送至放大电路；放大电路将微电压信号进行放大，并将放大后的信号传送至信号调理单元； 信号调理单元包括前端放大滤波电路、频谱搬移电路和偏置电路；放大后的信号经过滤波放大电路滤波，将滤波后的信号经过频谱搬移电路完成高频信号到低频信号的变换；将频谱变换后的信号经过偏置电路偏置得到最终输出信号； MCU单元采用数字信号处理器，数字信号处理器中的A/D模块对最终输出信号进行模数转换，将模数转换后的信号再经FIR滤波器数字滤波去除干扰信号；通过短时傅里叶变换将FIR滤波器数字滤波后的信号由时域信号转变为频域信号，然后再实现软件的频谱搬移即在频轴上对各频率分量平移，恢复原放电信号即电磁波信号的频谱；提取出恢复后的频谱信号的特征参量和在实验条件下得出的各放电类型的特征参数模式识别，来诊断放电信号的类型；最后，统计出放电发生的频率次数和幅值作为表征放电强度的参数，将所有的放电强度的参数传送至监控室上位机，当放电情况严重时，发出声光报警信号。
6.根据权利要求5所述的基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统的监测方法，其特征在于，所述频谱搬移的方法是将两个信号相乘，其具体步骤如下 输入信号为 Ui (t) =U1COSWjt 式中，U1为输入信号电压幅值，Wi为输入信号的角频率；本振信号为 U1 (t) =UlCOSW^ 式中，队为本振信号电压幅值，W1为本振信号的角频率； 相乘得输出信号为
全文摘要
本发明公开了一种基于超高频检测的智能开关柜局部放电在线监测系统及方法。在线监测系统包括传感器单元、信号调理单元、MCU单元、通信单元、系统电源和上位机监控单元。在线监测方法为传感器单元完成对开关柜内局部放电信号的采集，通过信号调理单元实现信号的放大、滤波、降频和偏置得到能够被DSP中ADC模块可转换的信号，MCU单元实现信号的分析和处理，将数据通过以太网上传至监控室上位机。本发明采用频谱搬移技术实现了DSP对高频信号的采集和处理，将时频分析技术和模式识别理论应用于监测系统，具有故障诊断功能，系统采用IEC61850标准，便于变电站中各种IED管理及设备互联组网。
文档编号G01R31/12GK102841296SQ20121033152
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者曾庆军, 申成兵, 王彪 申请人:江苏科技大学