一种基于4G传输的局部放电在线检监测方法及装置

本发明涉及电气工程领域，尤其是涉及一种基于4g传输的局部放电在线检监测方法及装置。

背景技术：

1、电气设备的安全稳定运行是保障电力系统与工业生产连续性的核心环节，其中高压电机作为冶金、石化、矿山等领域的核心动力设备，其绝缘性能直接关系到生产安全与经济效益。局部放电（partial discharge, pd）是高压设备绝缘劣化的早期征兆，也是评估绝缘状态的关键特征量，因此局部放电在线监测技术已成为电气设备智能运维的重要研究方向。

2、1. 局部放电检测技术现状

3、目前主流的局部放电检测方法包括脉冲电流法、超高频法、超声波法和高频电流法等。其中，脉冲电流法依据iec 60270标准，通过耦合电容测量放电产生的纳秒级脉冲电流，具有定量准确（可直接输出pc值）、国际通用等优势，是型式试验的首选方案；高频电流法则利用罗哥夫斯基线圈套接在接地线或屏蔽层上，非侵入式安装，适合在线监测电缆及环网柜设备。然而，上述技术在实际应用中仍存在局限性：各类传感器往往独立使用，检测信息源单一，难以应对复杂的现场干扰环境；特别是在强电磁干扰背景下，微弱的有效局部放电信号极易被噪声淹没，导致检测灵敏度下降，误报率和漏报率居高不下。

4、2. 在线监测网络拓扑与数据处理架构

5、现有的局部放电在线监测系统通常采用“端-管-云”的集中式架构。在拓扑结构上，多采用星形以太网或光纤环网，虽能保证通信稳定性，但布线成本高昂，难以适应电缆隧道或分散布置的高压电机群。在数据处理模式上，传统方案普遍依赖云端计算：前端采集设备仅负责原始高频信号的采样与上传，海量的纳秒级脉冲数据（通常采样率达100msps）全部汇聚至云端进行分析。这种模式存在显著弊端：一是数据传输量巨大，对网络带宽造成严重压力，且通信时延高，无法实现实时告警；二是云端服务器面临海量多源异构数据的处理压力，算力成本高；三是原始数据在公网传输中存在隐私泄露风险。虽然边缘计算概念已被引入工业物联网，但现有的边缘设备多为通用型网关，缺乏针对局部放电信号特性的专用处理逻辑，仅能实现简单的数据过滤，未能充分发挥边缘侧的计算潜能，且部署成本较高，难以在局部放电监测领域大规模推广。

6、经过检索中国专利公开号cn120214524a公开了了一种基于脉冲电流的局部放电实时监测系统，包括信号采集模块、预处理模块、初步诊断模块、故障隔离模块、深层诊断模块，实时采集的信号经数据标记、基线校准和脉冲提取等预处理，精准去除干扰，保证数据可靠；通过对传感器断路及采样卡异常的针对性检测，快速定位故障；故障隔离模块可在故障发生时，自动切换备用传感器，降低故障影响；深层诊断模块利用多维度特征构建故障特征向量，与样本集对比实现故障精细分类；故障预警模块能实时将传感器和局部放电故障预警信号发送给运维人员。但是该现有专利仅实现局部放电信号的采集、诊断与预警，未集成边缘计算模块，所有原始监测数据均需上传云端或本地服务器处理，当监测节点规模扩大时，会占用大量网络带宽，且数据从采集端到云端的传输时延较高，无法满足高压电机局部放电的实时响应需求，并且监控数据也不准确；同时该现有专利仅采用高频电流传感器采集脉冲电流信号，无法同时获取线棒主绝缘放电、电缆屏蔽层放电等多维度数据。

7、因此，如何提高监测数据的准确性；降低数据从采集端到云端的传输时延，满足高压电机局部放电的实时响应需求；如何同时获取线棒主绝缘放电、电缆屏蔽层放电等多维度数据成为需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于4g传输的局部放电在线检监测方法及装置。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种基于4g传输的局部放电在线检监测方法，包括：

4、步骤s1，局部放电检测传感器信号通过sma接入保护与隔离接线盒得到电脉冲信号；

5、步骤s2，对所述电脉冲信号统一进行高频信号处理，所述高频信号处理为对输入脉冲信号做带通放大和电荷归一处理得到射频电压；

6、步骤s3，对所述射频电压进行数字化得到数字信号并构建fifo数据缓冲机制对数据进行缓冲，所述数字信号通过hspi传输至边缘控制嵌入式计算机；

7、步骤s4，所述边缘控制嵌入式计算机根据云端的配置对所述数字信号做特征提取；

8、步骤s5，所述特征采用modbus或者mqtt协议通过4g cat.1上传至云端虚拟网关。

9、作为优选的技术方案，所述数字化包括为局部放电脉冲的复制计算，包括：

10、对处理后的模拟信号进行高速模数转换并计算局部放电脉冲的视在放电量q：q=kvpd

11、其中：vpd，脉冲电压幅值；k，校准常数，由方波注入法得到。

12、作为优选的技术方案，所述特征提取包括：提取各通道局部放电电压正最大值、负最大值、正放电脉冲个数及负放电脉冲个数作为特征参数。

13、作为优选的技术方案，所述4g cat.1工作在tcp-client模式，采用串行通信工业标准协议将边缘预处理后的特征参数上传至云端服务器。

14、根据本发明的第二方面，提供了一种基于4g传输的局部放电在线检监测边缘装置，能够实现所述的方法，包括：

15、保护与隔离接线盒、高频信号处理模块、高速数据采集模块、缘计算控制模块模块、4g cat.1无线通信模块；

16、所述局部放电检测传感器信号通过sma接口接入输入保护与隔离接线盒；

17、所述电脉冲信号统一接入高频信号处理模块得到射频电压；所述射频电压进入高速数据采集模块，所述高速数据采集模块对所述脉冲信号进行数字化并构建fifo数据缓冲机制；所述高速数据采集模块和边缘计算控制模块通信，所述边缘计算控制模块根据云端的配置对高速采集数据做数据处理；所述数据由4g-cat.1模块数据上传dtu。

18、作为优选的技术方案，所述保护与隔离接线盒包括保护电路和隔离电路；

19、所述保护电路为限流电路；所述隔离电路主要隔离电压，防止因为意外高压漏电影响二次电路工作，另外一路高频电流传感器根据电缆情况选装。

20、作为优选的技术方案，所述保护与隔离接线盒包括四路信号输入端，其中三路连接高压电机三相线圈的高压电容耦合传感器以采集脉冲电流法局部放电信号，第四路连接高频电流传感器以感应电缆屏蔽层的高频接地电流，所述信号经sma接口接入并经所述输入保护与隔离电路处理后输出。

21、作为优选的技术方案，所述高压电容耦合传感器采用固体电容结构，电容量为100pf，根据响应的匹配电阻，得到放电信号中心频率为15mhz左右，输入做一个15mhz带通滤波器。

22、作为优选的技术方案，所述高速数据采集模块包括ad9283-100高速adc、epm570cpld、fifo数据缓冲模块；

23、所述缘计算控制模块包括边缘控制cpu、本地存储模块、特征提取算法模块；

24、作为优选的技术方案，所述4g cat.1无线通信模块采用4g-cat.1协议，工作在tcp-client模式，通信协议采用modbus或mqtt。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、1. 状态诊断准确性显著提升

27、本发明边缘侧提取每通道的局部放电电压正/负最大值、正/负放电脉冲个数共12个核心特征值，为后续数据融合分析提供充足输入，相比单一传感器检测方案，可从多维度识别绝缘缺陷，大幅降低误判、漏判概率。

28、2. 数据传输压力与云端计算负荷大幅降低，响应效率提升

29、现有技术普遍将原始高频局放数据全量上传云端，数据量庞大易造成网络拥堵、响应延迟。本发明采用检测与边缘计算集成架构，在设备端通过cpld实现fifo数据缓冲，先完成视在放电量计算，再由边缘控制处理器提取12个核心特征值后再上传，仅传输特征数据而非原始波形，数据量减少90%以上；同时边缘侧就近处理数据，避免了长距离传输延迟，故障报警响应速度从秒级提升至毫秒级，有效缓解云端调度压力，适配大规模设备接入场景。

30、3. 设备部署成本显著降低，工业场景适配性强

31、通用边缘计算设备功能冗余、部署成本高，单独为局放监测配置性价比极低。本发明针对中高压电机放电特性定制嵌入式边缘处理方案，无需额外外接通用边缘计算设备，去除冗余功能部件，通过专用双cpu架构（实现检测与计算的一体化集成，硬件成本较传统方案降低40%以上；同时设备支持4g-cat.1无线通信，无需额外布设有线网络，进一步降低了电缆隧道、户外散点等复杂场景的部署成本。

32、4. 抗干扰能力与检测可靠性增强

33、输入模块设置独立保护电路与隔离电路，可避免现场意外高压漏电损坏二次电路；前端配置15mhz带通滤波器，匹配电容传感器特性，可有效滤除低频电晕、开关操作等背景干扰；多路开关配合t型增益调整网络，保证阻抗全程匹配，避免信号传输畸变，在强电磁干扰的工业环境下仍能稳定采集有效局放信号，检测可靠性显著优于普通局放监测设备。

34、5. 运维成本大幅下降，经济效益显著

35、本发明已在首钢京唐现场验证，实际效益如下：

36、1） 降低人工点检成本：覆盖50台高压电机时，每年可节省人工点检费用约36万元；

37、2） 延长维护周期：将高压电机下线维护周期从3年延长至6年，50台设备每年可节省维护成本37.5万元，且现场精准维护可单台节省停机时间30天；

38、3） 减少事故损失：可将电机绝缘故障率降低80%，年均避免事故损失约70万元。综合年效益可达143.5万元，同时减少了非计划停机对生产的影响，间接提升了生产效率。