本發明涉及一種基于物聯網技術、嵌入式技術和數據挖掘技術的便攜式開關柜局部放電巡檢系統。適用于開關柜絕緣缺陷的現場巡檢。
背景技術：
隨著電力系統改革發展的需要和用戶對供電可靠性要求的提高，高壓設備運行的可靠性受到了越來越高的重視，但在配網中高壓設備的絕緣問題也愈來愈突出，嚴重影響了供電可靠性的提高。
中高壓開關柜是電力配網系統中的主要設備之一，開關柜的絕緣狀態的優劣直接影響到供電系統的安全性和可靠性，若發生電力事故，還會造成巨大的經濟損失。局部放電是表征電力設備絕緣狀態的主要參數之一，相關研究表明，檢測局部放電能有效評估開關柜的絕緣狀態，避免電力事故的發生，并能結合局部放電數據給出合理的檢修建議。
相對于侵入式的局部放電檢測技術而言，由于非侵入式的局部放電檢測技術對開關柜結構和電網無侵入，在進行局部放電的巡檢過程中不影響開關柜的正常運行而被國內外廣泛推廣。目前，國內外針對開關柜局部放電的非侵入式檢測技術主要包括：超聲波檢測法、地電波檢測法、高頻電流檢測法和超高頻檢測法等。
目前較為常用的非侵入式的局部放電檢測技術均具備自身獨有的特性和優勢，如有些技術難以知道問題在什么時候發生，有些技術難以知道問題每次發生時持續了多長的時間，有些技術難以知道問題發生時的強度和嚴重性，有些技術難以查找問題部件及位置所在，有些技術難以查找因機械或過熱原因而產生的故障，有些技術難以發現并識別多個同時發生的故障等等。因此為了得出更科學更準確的檢修建議亟需將多種常用的非侵入式的局部放電技術進行系統性的整合。
研究表明近年來國內配電網管理中引進的地電波、超聲波及高頻電流檢測技術，揭開了配電網絕緣檢測新技術應用于日常巡視維護的新篇章，逐步取得了階段性成果。隨著近幾年國內電網信息化工作的開展及相關先進傳感器的國產化，亟需將配電網的運行維護工作規范化及系統化，從而全面提高工作的效率，避免連續高強度工作，提升電網、人員安全性；提升運維資源利用率，降低運維成本。
國內目前較為普遍的開關柜的局部放電巡檢過程，主要是檢測人員通過現場分析基于單一的局部放電檢測技術的檢測儀器所檢測到當次巡檢數據是否存在放電現象。這類設備都只是具備一般的巡檢能力，對于巡檢得到的數據不能進行歸納分析，因此，檢測人員只能根據當時檢測到的數據對開關柜的運行狀態進行判定，無法判斷設備在整體上是否發生變化，不能提供關于開關柜是否存在問題的更為細致清晰的判據。這種類型的檢測設備只有信號采集單元，而且都不具備數據存儲能力，更不具備對數據進行分析綜合的能力。另一方面，這類設備的檢測能力與操作人員的主觀能動性息息相關，檢測人員的經驗豐富程度會直接影響最后的決斷，存在誤判的隱患。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有的技術缺點，提供一種便攜式開關柜局部放電巡檢系統，它采用藍牙的聯接方式將基于不同局部放電檢測技術的各個信號采集單元與數據處理單元聯網進行數據傳輸，數據處理單元采集統計各采集單元的數據并通過WIFI方式將數據統一傳輸到區域服務器上形成大數據，提供更宏觀、全面的決策依據，幫助運維人員及時發現處于異常運行狀態中的設備，預防重大事故的發生。
依照本發明所要解決的技術問題，提供一種便攜式開關柜局部放電巡檢系統，主要應用于開關柜的絕緣狀態巡檢，其特征在于其主要包括信號采集單元和數據處理單元兩大模塊，其中信號采集單元包括超聲波信號采集單元、地電波信號采集單元、高頻電流信號采集單元、環境信號采集單元，其中所述超聲波信號采集單元包括超聲波信號傳感器，所述地電波信號采集單元包括電容式地電波信號傳感器，所述高頻電流信號采集單元包括高頻電流信號傳感器，所述環境信號采集單元包括環境溫濕度傳感器，信號采集單元還包括外殼、信號預處理單元、模數轉換模塊、嵌入式處理器、外擴存儲卡、藍牙通信模塊、彩色液晶顯示屏、控制按鈕、低紋波電源模塊、巡檢輔助附件；數據處理單元包括無線通信模塊、嵌入式處理器、數據存儲介質和人機交互單元；信號采集單元的輸出端通過藍牙無線數據傳輸的方式與數據處理單元的輸入端連接；所述數據處理單元接收各信號采集單元傳輸過來的信號作進一步的處理，包括數據提取，數據歷史趨勢分析、時頻特征分析、相位分析以及提取特征參數按照故障類型進行分類分離，然后將接收到的數據通過WIFI或3G/4G網絡傳輸到區域服務器上形成大數據進行宏觀、全面的數據分析并生成知識庫，作出維修策略包括判斷是否有局部放電以及放電嚴重程度。
本發明上述不同種類的信號采集單元相應的信號傳感器與信號預處理單元連接，信號預處理單元與模數轉換模塊連接，傳感器、信號預處理單元、模數轉換模塊、外擴存儲卡、藍牙通信模塊、顯示屏以及控制按鈕均與嵌入式處理器連接，低紋波電源模塊為整個信號采集單元的電路供電，巡檢輔助附件用于輔助現場不同的實地情況進行數據采集。
本發明所述的巡檢輔助附件包括信號采集延長探頭、超聲波信號聚波器探頭以及巡檢背包，其中巡檢背包為前背式的側拉鏈設計可裝入各信號采集單元和數據處理單元，方便巡檢過程中多種信號采集單元的攜帶和巡檢操作。
本發明所述信號預處理單元負責對采集到的信號進行差分放大、濾波、信號跟隨以及模數轉換，為嵌入式處理器提供更干凈的局部放電信號，節省處理器運行資源，提高信號采集的準確率。
本發明所述外擴存儲卡負責在信號采集單元工作于單機模式時進行數據存儲，便于現場人員對巡檢數據進行回放、分析。并可通過USB線將存儲卡中的測試數據導出，便于后續查閱。
本發明所述的低紋波電源模塊采用可充電電池作為電源輸入，經過高效率開關電源模塊及低紋波DC-DC模塊產生信號采集單元工作所需電壓，同時具有關機完全斷電功能，降低信號采集單元的功耗。
本發明所述的數據處理模塊中的嵌入式處理器主要負責對信號作進一步的處理，包括表單數據輸入、 數據提取、開關柜絕緣狀態判斷。
本發明所述的表單數據輸入包括被測開關柜信息，通過RFID技術(射頻識別技術)進行輸入、巡檢實施日期、巡檢設備臺賬信息、環境溫濕度、環境背景噪聲、開關柜情況記錄、開關房內的開關柜布局平面圖，所述開關柜記錄情況為母排、斷路器、電纜以及其他主要電氣設備所在位置。
本發明所述的開關柜絕緣狀態判斷是指對每種局放信號的數據進行歷史變化趨勢分析，以時間為參考統計不同的局部放電信號數據進行疊加對比分析，對采集到的局部放電信號進行傅立葉變換進行時頻特征分析，以220V工頻電壓的相位作為相位參考繪制局放相位分布圖進行相位分析，根據開關房內開關柜的布局平面圖繪制局部放電量分布圖進行局放能量分析，根據上述分析結果定位開關柜絕緣狀態異常點，并給出絕緣狀態異常點的異常類型建議。
本發明的開關柜局部放電巡檢工作原理為：首先根據開關柜局部放電巡檢要求選擇需要的信號采集單元進行信號采集，采集后的信號經由信號傳感器轉變成電信號后經過差分放大、濾波、信號跟隨處理，由模數轉換模塊轉換成嵌入式處理器可讀取的數字信號被信號采集單元量化，通過操作信號采集單元中的保存按鍵進行數據保存同時將數據通過藍牙傳輸方式傳輸到數據處理模塊中的巡檢表單中；完成巡檢表單的填寫后觸屏操作數據處理模塊中的分析按鍵，數據處理模塊便對表單中的數據進行數據歷史趨勢分析、時頻特征分析、相位分析、提取特征參數按照故障類型進行分類分離，生成信號頻譜圖、能量相位分布圖、歷史趨勢圖、不同檢測技術的結果對比圖，并可一鍵生成報告，對設備的絕緣缺陷進行綜合判斷，得出維修決策。
本發明的便攜式開關柜局部放電巡檢系統還包括多種帶電開關柜信號采集單元，并可通過藍牙無線連接的方式靈活擴展更多不同采集信源的帶電開關柜信號采集單元，包括紅外圖像采集單元和特高頻信號采集單元。
本發明的各信號采集單元均能工作于單機模式，即不聯接數據處理單元，也可單獨完成日常巡檢任務中的數據測量和記錄的要求同時還可以在巡檢現場為被測設備狀態提供簡單的現場決策依據。
本發明所述的現場決策依據包括局部放電量的大小值、局部放電量是否超過警界閾值提示、工頻電源周期內的放電次數以及局部放電的嚴重程度。
本發明的便攜式開關柜局部放電巡檢系統，其特征在于數據處理單元可通過統計各種信號采集單元采集的數據，進行歷史趨勢分析、疊加比較分析、區域布局統計分析、時頻特征分析、相位分析、能量分析以及根據設備故障類型進行分類分離，統計分析結果做出設備維修決策并生成報告，能夠為開關柜的絕緣狀態提供更全面、更準確和更直觀的決策輔助。
另外，本發明公開的便攜式開關柜局部放電巡檢系統，其特征在于數據處理單元可通過WIFI連接到互聯網，并將檢測到的數據上傳到指定的服務器上實現數據共享；每種單個信號采集單元的重量均小于250g，采用磁吸附式設計可直接貼合在開關柜上進行信號采集；各種信號采集單元和數據處理單元通過自 主設計訂做的背包進行整合；所述整合背包能裝下巡檢任務所需的所有信號采集單元和數據處理單元以及外置傳感器和充電器附件，并能配合完成巡檢任務。
附圖說明
圖1為便攜式開關柜局部放電巡檢系統框架圖
具體實施方式
參照附圖，現在將在下面描述用于實施本發明的最佳模式。
圖1示出了一種便攜式開關柜局部放電巡檢系統，包括信號采集單元和數據處理單元，信號采集單元是基于不同開關柜非嵌入式局部放電檢測技術的多個信號采集單元，其中包括但不僅限于超聲波信號采集單元、地電波信號采集單元、高頻電流信號采集單元以及環境信號采集單元，不同的信號采集單元通過相應的傳感器采集相應的局部放電信號，并對接收到的信號進行預處理，包括信號的差分放大、濾波、信號跟隨以及模數轉換，然后將數字化后的信號通過藍牙無線傳輸模塊傳輸到數據處理單元。數據處理單元接收各信號采集單元傳輸過來的信號作進一步的處理，包括數據提取，數據歷史趨勢分析、時頻特征分析、相位分析以及提取特征參數按照故障類型進行分類分離等，然后將接收到的數據通過WIFI或3G/4G網絡傳輸到區域服務器上形成大數據進行宏觀、全面的數據分析并生成知識庫，作出維修策略包括判斷是否有局部放電以及放電嚴重程度，幫助運維人員及時發現處于異常運行狀態中的設備，預防重大事故的發生。
其中信號采集單元包括外殼、信號傳感器、信號預處理單元、模數轉換模塊、嵌入式處理器、外擴存儲卡、藍牙通信模塊、彩色液晶顯示屏、控制按鈕、低紋波電源模塊、巡檢輔助附件。信號傳感器與信號預處理單元連接，信號預處理單元與模數轉換模塊連接，信號傳感器、信號預處理單元、模數轉換模塊、外擴存儲卡、藍牙通信模塊、顯示屏以及控制按鈕均與嵌入式處理器連接，低紋波電源模塊為整個信號采集單元的電路供電，巡檢輔助附件用于輔助現場不同的實地情況進行數據采集。另外，數據處理單元包括藍牙通信模塊、嵌入式處理器、WIFI或3G/4G模塊、彩色液晶觸摸屏，嵌入式處理器與其它3個模塊連接，進行數據處理以及結果顯示等。本發明的特征在于利用物聯網技術、嵌入式技術以及數據挖掘技術為相關運維人員提供一套設備狀態檢測的整體方案，采用藍牙的聯接方式將基于不同局部放電檢測技術的各個信號采集單元與數據處理單元聯網進行數據傳輸，數據處理單元采集統計各采集單元的數據并通過WIFI方式將數據統一傳輸到區域服務器上形成大數據，提供更宏觀、全面的決策依據，幫助運維人員及時發現處于異常運行狀態中的設備，預防重大事故的發生。
所述的信號傳感器包括超聲波信號傳感器、電容式地電波信號傳感器、高頻電流信號傳感器以及環境溫濕度傳感器。
所述信號預處理單元負責對采集到的信號進行差分放大，根據目標信號特征進行信號濾波和信號跟隨，為嵌入式處理器提供更干凈的局部放電信號，節省處理器運行資源，提高信號采集的準確率。
所述外擴存儲卡負責在信號采集單元工作于單機模式時進行數據存儲，便于現場人員對巡檢數據進行回放、分析。并可通過USB線將存儲卡中的測試數據導出，便于后續查閱。
所述的低紋波電源模塊采用可充電電池作為電源輸入，經過高效率開關電源模塊及低紋波DC-DC模塊產生信號采集單元工作所需電壓，同時具有關機完全斷電功能，降低信號采集單元的功耗。
所述的巡檢輔助附件包括信號采集延長探頭、超聲波信號聚波器探頭以及巡檢背包等，其中巡檢背包為特殊訂造，前背式的側拉鏈設計可裝入各信號采集單元和數據處理單元，方便巡檢過程中多種信號采集單元的攜帶和巡檢操作。
所述的數據處理模塊中的嵌入式處理器主要負責對信號作進一步的處理，包括表單數據輸入、數據提取、開關柜絕緣狀態判斷。
所述的表單數據輸入包括被測開關柜信息，通過RFID技術(射頻識別技術)進行輸入、巡檢實施日期、巡檢設備臺賬信息、環境溫濕度、環境背景噪聲、開關柜情況記錄(母排、斷路器、電纜等主要電氣設備所在位置)、開關房內的開關柜布局平面圖等。
所述的開關柜絕緣狀態判斷是指對每種局放信號的數據進行歷史變化趨勢分析，以時間為參考統計超聲波信號采集單元、地電波信號采集單元、高頻電流信號采集單元、溫濕度信號采集單元采集回來的局部放電信號數據進行疊加對比分析，局部放電信號數據包括局部放電量、工頻周期內放電次數、局部放電嚴重程度以及溫濕度；對采集到的局部放電信號進行傅立葉變換進行時頻特征分析，標記最大幅值處的頻率；以220V工頻電壓的相位作為相位參考繪制局部放電量相位分布圖進行相位分析；根據開關房內開關柜的布局平面圖繪制局部放電量分布圖進行局放能量分布分析，根據上述分析結果定位開關柜絕緣狀態異常點，并給出絕緣狀態異常點的異常類型建議。
該便攜式開關柜局部放電巡檢系統具體通過下述方案實現，首先根據開關柜局部放電巡檢要求選擇需要的信號采集單元進行信號采集。目標信號經由信號傳感器轉變成電信號后經過信號預加重、濾波以及整形處理，由模數轉換模塊轉換成嵌入式處理器可讀取的數字信號被信號采集單元量化，通過操作信號采集單元中的保存按鍵進行數據保存同時將數據通過藍牙傳輸方式傳輸到數據處理模塊中的巡檢表單中。完成巡檢表單的填寫后觸屏操作數據處理模塊中的分析按鍵，數據處理模塊便對表單中的數據進行數據歷史趨勢分析、時頻特征分析、相位分析、提取特征參數按照故障類型進行分類分離，生成信號頻譜圖、能量相位分布圖、歷史趨勢圖、不同檢測技術的結果對比圖等，并可一鍵生成報告，對設備的絕緣缺陷進行綜合判斷，得出維修決策。
本發明的有益效果是：該便攜式開關柜局部放電巡檢系統體積小、重量輕便于攜帶，提高了對高壓設備的現場巡檢檢測效率，數據采集卡與微處理器的應用使得本發明具備數據存儲與數據分析綜合能力；其次，本發明集成了目前常用的非嵌入式開關柜局部放電檢測技術，綜合了各種技術的檢測優勢對開關柜的絕緣狀態進行更宏觀、更全面的分析判斷。使局部放電巡檢結果更加客觀，大大減少了巡檢分析判斷對檢 測人員經驗的依賴性，更精確的預防重大電力事故的發生，進一步降低因電力事故帶來的經濟損失。最后，本發明將電網巡檢的整套流程均以軟件形式固化到系統中，一套系統即可實現巡檢任務分發、開關柜局部放電巡檢、開關柜絕緣狀態分析和判斷、生成報告等，將配電網的運行維護工作規范化及系統化，從而全面提高工作效率，避免連續高強度工作，提升電網、人員安全性；提升運維資源利用率，降低運維成本。