开关柜内气体监测方法和系统与流程

1.本发明涉及电力装置检测技术领域，特别是涉及一种开关柜内气体监测方法和系统。


背景技术：

2.开关柜是一种重要的配电网上的电气设备，它的内部包含了一些隔离开关、母线、绝缘子、断路器以及相关的一些保护设施。开关柜如果发生事故，会对其它重要设备造成损坏，更有可能造成停电事故。
3.影响开关柜安全的主要因素的是局部放电和局部过热。局部放电和局部过热将导致有机绝缘材料及气体绝缘介质发生分解，并与设备内部的微量氧气、水分发生一系列复杂的化学反应。这些分解物可能腐蚀设备内部的导体及绝缘材料，加速绝缘材料的劣化过程。若能及时有效地检测分析气体分解物组分的生成特性，如组分种类、浓度、生成速率等，就能及时解决故障或者提早发现故障，防范于未然。
4.传统的开关柜气体检测技术都是在开关柜的通风处或者从柜体引入气体导管，通过导管将开关柜内的气体进行导出，再利用传感器或其他仪器对导出的气体进行不同的检测。其缺点在于，第一，气体是从高浓度向低浓度进行扩散的，通过导管所导出的气体并不是故障发生处或者开关柜的气体的平均浓度，所测量的故障气体导出浓度会与开关柜内的实际故障气体浓度有较大偏差。第二，因为每种气体的密度不同，开关柜内不同类型气体在不同地方的浓度也不一样，导出式检测只能取一个区域的气体，并不能检测到大多数区域。第三，对导出气体进行多次浓度的采集所取得平均值会产生误差，也不能反映开关柜内的实际情况。第四，传统的检测方法不能得到开关柜内实时的气体浓度，不能判断其内部是否处于故障阶段，也不利于对气体浓度趋势进行研判。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对传统采用导出气体后再进行检测所导致的问题，提供一种开关柜内气体监测方法和系统。
6.一种开关柜内气体监测系统，所述的监测系统包括：
7.气体传感器网络节点，数量为多个，并分布于待监测的开关柜内各待监测气体浓度的位置；
8.监测子站，位于所述气体传感器网络节点的通信范围内，与所述气体传感器网络节点通信连接；每个监测子站对应至少一个开关柜，并与所述至少一个开关柜内的气体传感器网络节点进行无线通信；
9.监控中心，与至少一个监测子站通信连接，从监测子站收集对应开关柜内的气体浓度信息，并进行处理。
10.在其中一个实施例中，所述气体传感器网络节点包括：
11.气体传感器，用于检测气体并转换为电信号；
12.微处理器，与所述气体传感器电连接，将所述气体传感器的电信号转化为气体浓度数据；
13.无线通信模块，与所述微处理器电连接，用于将所述气体浓度数据发送给监测子站；
14.电源，分别与所述气体传感器、微处理器以及无线通信模块电连接，用于为所述气体传感器、微处理器以及无线通信模块提供工作电压。
15.在其中一个实施例中，所述监测子站包括：
16.监控主板，包括子板接口模块；所述监控主板用于监测子站的数据处理和控制；
17.监控子板，与监控主板上的子板接口模块连接，用于与多个气体传感器网络节点通信。
18.在其中一个实施例中，所述监控主板还包括：
19.主控模块，用于存储和处理数据；
20.通信模块，与所述主控模块电连接，包括wifi通信模块、异步通信模块以及以太网通信模块的至少之一；
21.电源模块，用于为所述主控模块、通信模块以及子板接口模块供电。
22.在其中一个实施例中，所述气体传感器为一氧化碳型传感器或一氧化氮型传感器。
23.在其中一个实施例中，所述监控子板与气体传感器网络节点之间采用zigbee协议进行通信。
24.在其中一个实施例中，所述监测子站与气体传感器网络节点之间形成星形网络；多个监测子站之间形成自组织网络。
25.在其中一个实施例中，所述监控中心用于实现用户登录、监测参数设置、气体浓度显示、历史数据查询以及预警功能的至少之一。
26.一种开关柜内气体监测方法，基于上述的监测系统，包括：
27.在系统初始化完成后，气体传感器网络节点按设定周期采集所在开关柜内的气体浓度数据，并传输给监测子站；
28.监测子站将来自多个气体传感器网络节点的气体浓度数据汇总后发送给监控中心；
29.监控中心根据设定规则输出气体浓度监控结果。
30.在其中一个实施例中，所述监控中心还针对与监控中心交互产生的命令，执行以下处理至少之一：
31.启动或暂停气体浓度采集；
32.设置监测参数；
33.查询历史数据。
34.上述开关柜内气体监测系统及方法，通过在开关柜内各待监测气体浓度的位置设置多个气体传感器网络节点，并与监测子站进行无线通信将气体浓度数据传输给监控中心进行存储和处理。可以获得气体产生位置的浓度，实现获取不同位置气体浓度的真实情况。通过按周期采集气体浓度，基本上能够保障数据的实时性。数据的存储和汇总，则进一步可以用来分析气体浓度变化趋势。
附图说明
35.图1为一实施例的开关柜内气体监测系统结构图；
36.图2为图1中气体传感器网络节点的模块结构图；
37.图3为图1中气体监测子站的模块结构图
38.图4为一实施例的开关柜内气体监测方法流程图。
具体实施方式
39.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.图1为一实施例的开关柜内气体监测系统结构图。所述的监测系统包括气体传感器网络节点100、监测子站200和监控中心300。气体传感器网络节点100数量为多个，并分布于待监测的开关柜900内各待监测气体浓度的位置。例如可以将气体传感器网络节点100设置于开关柜900内的顶部中央、底部中央以及四周内壁的中央，或者其他易于监控绝缘材料分解产生气体的位置。监测子站200位于所述气体传感器网络节点100的通信范围内，与所述气体传感器网络节点100通信连接；每个监测子站200对应至少一个开关柜900，并与所述至少一个开关柜900内的气体传感器网络节点进行无线通信。在一些实施例中，每个开关柜900本身可以成为一个监测子站200。监控中心300与至少一个监测子站200通信连接，从监测子站200收集对应开关柜900内的气体浓度信息，并进行处理。各个监测子站200的汇聚节点通过以太网接入到监测网关，并通过监测网关将数据进行打包，向监控中心300进行传输。监控中心300还可以通过云端网络将数据发送至各类终端，例如pc端或者手机端。
43.上述开关柜内气体监测系统，通过在开关柜内各待监测气体浓度的位置设置多个气体传感器网络节点，并与监测子站进行无线通信将气体浓度数据传输给监控中心进行存储和处理。可以获得气体产生位置的浓度，实现获取不同位置气体浓度的真实情况。通过按周期采集气体浓度，基本上能够保障数据的实时性。数据的存储和汇总，则进一步可以用来分析气体浓度变化趋势。
44.如图2所示，在其中一个实施例中，所述气体传感器网络节点100包括：气体传感器102、微处理器104、无线通信模块106以及电源108。气体传感器102用于检测气体并转换为电信号。气体传感器102可以为一氧化碳(co)型传感器或一氧化氮(no)型传感器。微处理器104与所述气体传感器102电连接，将所述气体传感器102的电信号转化为气体浓度数据。由于微处理器104在气体传感器网络节点100中只起到传输作用，故可选用低功耗、节能优的
stm32主板微处理器。无线通信模块106与所述微处理104器电连接，用于将所述气体浓度数据发送给监测子站200；无线通信模块106可以选择型号为cc2530的无线通信产品。cc2530集成单片机、adc(模数转换)模块、无线通信模块于一体，大大地提高气体传感器网络节点100的可靠性，同时也减少了体积与质量。电源108分别与所述气体传感器102、微处理器104以及无线通信模块106电连接，用于为所述气体传感器102、微处理器104以及无线通信模块106提供工作电压。由于开关柜空间有限，同时需要进行气体传感器网络节点100的安装，故电源108可以选择纽扣锂电池，方便对其进行安装供电。
45.为了实现对气体浓度的在线监测，本技术中选取t
‑
mac协议作为无线传感器网络的mac协议。t
‑
mac协议可以将时间分为帧，帧长度固定。t
‑
mac协议规定了一个计时器ta，根据ta确定监听工作阶段的结束时间。通过设置每隔固定时长(例如5分钟)记录一次，可以周期性的对开关柜内的故障气体浓度进行监测。无线传感器网络的路由协议可以选取定向扩散(directed diffusion，dd)协议，dd协议的最大特点就是引入了网络梯度的概念，基于数据进行通信，是一种高能源有效性的协议，适用于持续性查询。通过对mac协议和路由协议的设立，开关柜900内的故障气体浓度数据将可以实时、低延迟、高效地传输。
46.如图3所示，在其中一个实施例中，所述监测子站200包括监控主板202和监控子板204。监控主板202包括子板接口模块206；所述监控主板202用于监测子站的数据处理和控制；监控子板204与监控主板上的子板接口模块206连接，用于与多个气体传感器网络节点100通信。所述监控主板202还包括用于存储和处理数据的主控模块208。其中，可以采用微处理器(mcu)处理数据以及采用存储模块存储数据。mcu作为嵌入式芯片，可以实现在具有一定处理能力(例如400mhz)的情况下，工作电流和电压(3a，5v)都比较小。存储模块可以包括sdram等随机存储器和flash等非易失性存储器，存储容量根据需要处理、传输以及存储的需求而定。本技术中，随机存储器为128mb、非易失性存储器为32m即可满足实时监控的需求。所述监控主板202还包括与所述主控模块208电连接的通信模块，通信模块包括wifi通信模块210、异步通信模块212以及以太网通信模块214的至少之一，可以使监测子站200满足至少一种通信需求。电源模块216用于为所述主控模块208、通信模块以及子板接口模块206供电。
47.在其中一个实施例中，所述监控子板202与气体传感器网络节点100之间采用zigbee协议进行通信。zigbee设备成本和能源消耗成本都较低，带宽可达250kbit/s，可有效满足小范围网络内的标量数据传输，非常适用于无线传感器数据的传输。
48.在其中一个实施例中，所述监测子站200与气体传感器网络节点100之间形成星形网络；多个监测子站200之间形成自组织网络。其中，监测子站200作为星形网络的中心节点，气体传感器网络节点100则作为星形网络的分支节点，这样监测子站200就能够收集至少一个气体传感器网络节点100采集的气体浓度数据并进行汇总。多个监测子站200之间形成自组织网络。这种分布式控制和无中心的网络结构能够在部分通信网络遭到破坏后维持剩余的通信能力，具有很强的鲁棒性和抗毁性。作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、ap)的情况下，提供终端之间的相互通信。由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借助于其它节点进行分组转发，这样节点之间构成了一种无线多跳网络。网络中的移动终端具有路由和分组转发功能，
可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。移动自组织网络既可以作为单独的网络独立工作，也可以以末端子网的形式接入现有网络，如internet网络和蜂窝网。
49.在其中一个实施例中，所述监控中心300用于实现用户登录、监测参数设置、气体浓度显示、历史数据查询以及预警功能的至少之一。用户登录可以实现用户身份认证后，提供相应的功能和权限。监测参数设置包括系统数据全部初始化，显示初始的各种气体浓度；设置采集周期；设置传感器的开闭的种类、位置和数量等。采集的数据可以以时间来命名，并存储到固定文件夹中，方便调用。对于预警功能而言，可以通过启动故障诊断程序，气体传感器网络节点100将开始对开关柜900的气体浓度进行采集，通过无线传感器网络(经由监测子站200)将数据传送至监控中心300，经过预设的规则对数据进行逻辑判断。如果浓度超过提前设置好的阈值，则报警并记录下报警时间、故障气体类型、故障气体浓度等，采用自动弹出警戒界面等方式提示，显示哪一类气体的浓度超标，同时向监控人员发出警报，提醒该开关柜内存在异常现象。
50.上述开关柜内气体监测系统，不将开关柜内的气体导出就能进行故障气体浓度的检测，减少了检测的误差性。通过对开关柜内不同位置的气体浓度检测，进一步缩小因检测带来的误差。对多个开关柜内气体浓度的检测可以进行同时的数据传输与检测，减少了一对一的监测难度，方便管理。可以实时的对开关柜的气体浓度进行监测，不用利用人工对柜内的气体进行抽检等工作，减少人力资源的浪费。可以远距离的利用移动设备对气体浓度曲线进行详细的查看，并且能与历史浓度进行比较，通过对气体浓度趋势的变化以及对阈值的比较做出重要的判断。
51.基于上述的监测系统，还提供一实施例的开关柜内气体监测方法，如图4所示，其可以包括以下步骤：
52.s402：在系统初始化完成后，气体传感器网络节点按设定周期采集所在开关柜内的气体浓度数据，并传输给监测子站。系统初始化可以包括建立气体传感器网络节点100和监测子站200的连接，监测子站200形成自组织网络，将全部待监测数据进行初始化等等。
53.s404：监测子站将来自多个气体传感器网络节点的气体浓度数据汇总后发送给监控中心。监测子站200按设定的周期将获得的气体传感器网络节点的气体浓度数据进行汇总，并通过自组织网络将数据传输到远端的网关，通过网关打包后发送给监控中心300。监控中心300还可以通过云端网络将数据发送至pc端或者手机端。
54.s406：监控中心根据设定规则输出气体浓度监控结果。监控中心300用于实现用户登录、监测参数设置、气体浓度显示、历史数据查询以及预警功能的至少之一。
55.在其中一个实施例中，所述监控中心300针对与监控中心交互产生的命令，执行以下处理至少之一：启动或暂停气体浓度采集；设置监测参数；查询历史数据。
56.具体地，监控中心300在实现相应功能时，也提供相应的界面，例如登录界面，参数设置界面、数据显示界面、预警界面、历史数据查询界面等。监控人员在使用监控中心300的功能时，例如首先会弹出登录界面，在输入账号密码后会显示四块区域，分别是参数设置界面、数据显示界面、预警界面、历史数据查询界面。
57.在开关柜900工作前，点击参数设置界面，将系统数据全部初始化，显示初始的各种气体浓度。
58.在正常状态下，监控人员与监控中心300交互，例如点击数据显示页面的气体浓度
采集的暂停按钮，将会产生相应的控制气体传感器网络节点100停止采集的指令，从而停止采集气体浓度。点击退出按钮也会产生相应的控制气体传感器网络节点100停止采集的指令，从而停止采集并存储数据，然后退回到系统初始界面。
59.监测人员可以启动故障诊断程序，监测系统将开始对开关柜900的气体浓度进行采集，通过无线传感器网络将数据传送至监控中心，经过预设的规则对数据进行逻辑判断，从而实现各类故障检测和报警。例如，如果浓度超过提前设置好的阈值，系统将会报警，并记录下报警时间，故障气体类型，故障气体浓度。还可以进行交互提示，例如自动弹出警戒界面，显示哪一类气体的浓度超标，同时向监控人员发出警报，提醒该开关柜内存在异常现象。
60.监控人员还可以点击历史数据查询界面，产生查询指令，从而查询获得历史数据。历史数据文件均可以以采集时间(xx年xx月xx日xx时xx分xx秒)的格式命名。将可以根据历史数据进行大数据分析，研判故障气体浓度的趋势，预防开关柜内的故障发生。
61.在一个实施例中，气体传感器网络节点100监测到异常事件的情况下会及时产生具有高优先级的报警数据包并向监控中心300上传，各中间节点均需对报警数据包进行优先处理、转发。
62.在一个实施例中，在无人监测期间，各气体传感器网络节点100向监测子站200周期性的上传普通数据包(即收集到的监测数据)，由监测子站完成汇聚、缓存处理后传送至监控中心300对监测数据进行存储、处理和分析。也可以由监控中心300通过轮询方式负责调度各监测子站200的上传时间，可使网络拥塞问题得以有效避免。各监测子站200采取时间及事件唤醒机制，在其他监测子站200的上传周期间隔内可以保持睡眠状态，以节省电量。
63.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
64.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。