一种变配电高频电流局放传感器及其方法与流程

1.本发明涉及高频电流传感器技术领域，具体为一种变配电高频电流局放传感器及其方法。


背景技术：

2.局部放电一般是由绝缘体内部电场过于集中而引起，发生时必然有正负电荷中和，并伴随着产生一个陡脉冲电流，以脉冲电流为测量对象的局部放电检测方法称为脉冲电流法。脉冲电流法将绝缘体等效为一个集总参数对地电容元件，局部放电会在电容上产生一个瞬时的脉冲电流和电压变化，可利用电容耦合作用在检测阻抗中产生一个脉冲电压，通过该脉冲电压可获得视在放电量、放电相位等局部放电信息。高频电流局部放电检测方法是用于电力设备局部放电缺陷与定位的常用测量方法，其检测频率范围在3～30mhz之间，高频电流局部放电检测技术可广泛应用于电力电缆及附件、变压器、开关柜等电力设备的局部放电检测。高频电流传感器采用罗格夫斯基线圈结构，夹在电缆中间接头、中线点接线或终端处接地线上，具有安装方便、现场抗干扰能力好等优点。
3.现状问题：由于高频局放检测技术应用高频电流传感器，与传统的脉冲电流法具有类同的检测原理，若传感器及信号处理电路相对确定的情况下，可以对被测局部放电的强度进行描述，以便于准确评估被检测电力设备局部放电的绝缘劣化程度。设计为开口ct的安装方式，在非嵌入方式下能够实现局放脉冲电流的非接触式检测，安装应用方便。高频电流传感器由环形铁氧体磁芯构成，铁氧体配合经磁化处理的陶瓷材料，对于高频信号具有很高的检测灵敏度，局部放电发生后，放电脉冲电流将沿着接地线的轴向方向传播，在垂直于电流传播方向的平面上产生磁场，高频电流传感器从该磁场中耦合放电信号，利用hfct进行测量还具有可校正的优点。
4.传统依赖人工巡视的运检模式工作量巨大、检测周期长、效率低下；无法有效、及时发现缺陷；人力投入成本高，比如表计抄录、开箱检查等简单、重复的机械性工作占用运维人员大量时间，超声波局放传感器有利于降本增效；传统在线监测装置结构庞杂、体积笨重、耗电巨大；受电磁环境影响大，组网方式不灵活，维护工作量大，总体而言传统在线监测系统整体实用化水平不高，难以满足需求。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种变配电高频电流局放传感器及其方法，目的在于本发明采用高频电流、温湿度检测电路和mcu集成芯片，能够实现可靠的高频电流局部放电监测；同时利用低功耗lora物联网无线通信技术，对数据进行监测、预警，实时数据记录，帮助用户在设备发生绝缘故障前消除隐患。
6.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：一种变配电高频电流局放传感器，包括高频电流罗氏线圈，所述高频电流罗氏线圈用于采集局部放电信号，且高频电流罗氏线圈的输出端电性连接高频电流检测电路，所述高频电流检
测电路中设有积分运算放大器和多级模拟放大电路，且所述高频电流检测电路的输出端连接处理器；还包括温湿度ic芯片，所述温湿度ic芯片的输出端连接处理器，所述处理器的通讯端信号连接输变电节点设备终端， 且所述处理器通过电源管理电路供电。
7.优选地，上述一种变配电高频电流局放传感器，所述高频电流罗氏线圈采用频率3～30mhz的高频电流，所述温湿度ic芯片的型号设为sht31，监测电力设备温度-40～80℃，湿度0%～99%rh；所述积分运算放大器的型号设为ad8032，多级模拟放大电路采用型号opa379的放大器；所述处理器采用型号为arm cortex-m4，依据设定的采样周期检测，上传数据包括高频电流hfct信号，运行环境温湿度。
8.优选地，上述一种变配电高频电流局放传感器，所述变配电高频电流局放传感器与输变电节点设备之间采用470mhz 的lora无线通信技术传输，通过无线收发sx1268芯片，将数据传输至输变电节点设备终端。
9.优选地，上述一种变配电高频电流局放传感器，所述电源管理电路采用工业级锂亚电池供电，并设有电池电量检测ad采样处理电路。
10.优选地，上述一种变配电高频电流局放传感器，所述变配电高频电流局放传感器采用一体成型封装铸铝外壳，外壳的底部设有磁吸块。
11.优选地，上述一种变配电高频电流局放传感器，所述lora无线通信技术传输通过输变电设备物联网无线组网协议与输变电节点设备连接；且lora无线通信技术采用边缘计算框架，局放诊断app搭载。
12.一种变配电高频电流局放传感器的使用方法，具体包括如下：步骤一，分布式高频电流局放传感器的组装与配网，将每个高频电流传感器通过其底部的磁吸块定位并安装在局放源上，同时每个高频电流传感器通过lora无线通信和输变电设备物联网无线组网协议接入输变电节点设备终端，进行调试；步骤二，高频电流局放传感器的运行，高频电流罗氏线圈采集局部放电信号，积分运算放大器和多级模拟放大电路对传感器采集信号进行调节放大，温湿度ic芯片采集局放源的温湿度，处理器根据设定的采样周期检测，上传数据，通过无线收发sx1268芯片，将数据传输至输变节点设备；步骤三，输变节点设备的传输，基于上述采集的数据，输变节点设备通过物联网无线组网协议接入终端设备，终端设备可将采集的感知数据进行可视化呈现。
13.优选地，上述一种变配电高频电流局放传感器的使用方法中，步骤一中所述局放源的定位，首先利用高频电流局放传感器在电缆终端、各接头处分别进行局放信号的检测，通过对比分析不同传感器位置放电信号的时域和频域特征，进行放电源的初步定位；再利用放电脉冲信号在电缆中传输衰减原理，随放电信号的传播放电信号幅值减小，上升时间下降、脉冲宽带变宽，信号高频分量严重衰减等，初步判断放电源的位置；最后利用分布式局放同步检测，在连续几个接头处进行同步测量，根据测量处耦合到同一脉冲信号的幅值大小、极性以及到达时间的不同而准确定位放电源的位置。
14.优选地，上述一种变配电高频电流局放传感器的使用方法中，步骤二中所述高频电流传感器耦合的放电信号混合了电磁干扰噪声，按照时域波形特征，高频电流对数字信号处理抗干扰方法包括聚类分析法和小波分析法。
15.优选地，上述一种变配电高频电流局放传感器的使用方法中，所述小波分析法基
于非平稳信号的分析手段，在时域、频域同时具有良好的局部化性质，适合于不规则、瞬变信号的处理用于高频电流局放检测的干扰抑制措施中；所述聚类分析法将放电信号按各自的等效频率、等效时长与波形相关的特征参量进行分类，形成时频域映射谱图。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采集局部放电信号，经过电力apn安全加密通道，接入电力设备物联网管理与应用平台，对感知数据可视化呈现，可实现对局部放电监测、预警，实时数据记录，运行情况的综合分析，从而保障电力设备安全运行，实现设备的智能检修；从而实现电力生产现场、运行、控制数据的全面在线采集，通过可靠灵活网络传输并满足各类智能应用，实现电网各环节设备状态的可测、可视、可控，实现电网侧设备运检从事后检修到事前诊断及主动预警，并利用物联网技术，最终实现供电网络自动投切，达到自愈的目的。
附图说明
17.图1是本发明内容的一种变配电高频电流局放传感器及其方法的模块化设计图；图2是本发明内容的一种变配电高频电流局放传感器及其方法的应用场景图；图3是本发明内容的一种变配电高频电流局放传感器的方法使用流程图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种变配电高频电流局放传感器，包括高频电流罗氏线圈，高频电流罗氏线圈用于采集局部放电信号，且高频电流罗氏线圈的输出端电性连接高频电流检测电路，高频电流检测电路中设有积分运算放大器和多级模拟放大电路，且高频电流检测电路的输出端连接处理器；还包括温湿度ic芯片，温湿度ic芯片的输出端连接处理器，处理器的通讯端信号连接输变电节点设备终端， 且处理器通过电源管理电路供电。
20.具体的，高频电流罗氏线圈采用频率3～30mhz的高频电流，温湿度ic芯片的型号设为sht31，监测电力设备温度-40～80℃，湿度0%～99%rh；积分运算放大器的型号设为ad8032，多级模拟放大电路采用型号opa379的放大器；处理器采用型号为arm cortex-m4，依据设定的采样周期检测，上传数据包括高频电流hfct信号，运行环境温湿度。
21.进一步的，变配电高频电流局放传感器与输变电节点设备之间采用470mhz 的lora无线通信技术传输，通过无线收发sx1268芯片，将数据传输至输变电节点设备终端。同时电源管理电路采用工业级锂亚电池供电，并设有电池电量检测ad采样处理电路。采用休眠、唤醒工作模式，有效的电源管理，保证电池连续工作时间。
22.需要说明的变配电高频电流局放传感器采用一体成型封装铸铝外壳，外壳的底部设有磁吸块。采用微型化集成封装铸铝外壳，磁吸式安装方式或者利用扎带将主控单元固定，磁吸式将带有磁力的底座吸附于电力设备表面，将高频电流传感器夹在电缆中间接头、中线点接线或终端处接地线上。
23.本实施例需要注意的，lora无线通信技术传输通过输变电设备物联网无线组网协议与输变电节点设备连接；每一个传感器对应唯一一个 id 号，在使用前需要将对应的传感器加入到节点设备和后台中。接入初始化，配置传感器白名单和黑名单属性。根据接入节点的调度结果，在指定帧序号，进行低功耗传感器接入的广播，低功耗传感器可以是预先调度（无需随机接入，在指定帧序号和时隙位置可上行通信），也可以通过随机接入（完成随机竞争、注册的过程）。
24.较佳的，lora无线通信技术采用边缘计算框架，局放诊断app搭载。通过电力apn安全加密通道，接入电力设备物联网管理与应用平台，通过高频电流局放传感器感知数据可视化呈现，实现电力电缆及附件、变压器铁心及夹件、避雷器、开关柜等电力设备的局部放电监测、预警，实时数据记录，运行情况的综合分析，从而保障电力设备安全运行，实现设备的智能检修。
25.基于上述，本发明的变配电高频电流局放传感器采用微型化集成封装铸铝外壳，磁吸式安装或者利用扎带将主控单元固定方式，通过电力apn安全加密通道，接入电力设备物联网管理与应用平台，通过高频电流局放传感器感知数据可视化呈现。
26.请参考图2，同时实现电力电缆及附件、变压器铁心及夹件、避雷器、开关柜等电力设备的局部放电监测、预警，实时数据记录，运行情况的综合分析，从而保障电力设备安全运行，实现设备的智能检修。
27.请参考图3，结合图1，一种变配电高频电流局放传感器的使用方法，具体包括如下：步骤一，分布式高频电流局放传感器的组装与配网，将每个高频电流传感器通过其底部的磁吸块定位并安装在局放源上，同时每个高频电流传感器通过lora无线通信和输变电设备物联网无线组网协议接入输变电节点设备终端，进行调试；本实施例具体说明的，局放源的定位，首先利用高频电流局放传感器在电缆终端、各接头处分别进行局放信号的检测，通过对比分析不同传感器位置放电信号的时域和频域特征，进行放电源的初步定位；再利用放电脉冲信号在电缆中传输衰减原理，随放电信号的传播放电信号幅值减小，上升时间下降、脉冲宽带变宽，信号高频分量严重衰减等，初步判断放电源的位置；最后利用分布式局放同步检测，在连续几个接头处进行同步测量，根据测量处耦合到同一脉冲信号的幅值大小、极性以及到达时间的不同而准确定位放电源的位置。基于上述，双端局放定位采用脉冲反射原理，在电缆两端分别安装高频电流传感器，当远端检测到放电脉冲信号时触发大幅值脉冲发生器发出一个幅值较大的脉冲，从而可根据原脉冲与大脉冲信号之间的时间差对电缆缺陷进行准确定位。
28.为解决外部背景噪声主要包括周期型干扰信号、脉冲型干扰信号和白噪声干扰信号，高频电流传感器耦合的放电信号混合了电磁干扰噪声，按照时域波形特征，本发明的高频电流对数字信号处理抗干扰方法包括聚类分析法和小波分析法。
29.进一步的，小波变换基于非平稳信号的分析手段，在时域、频域同时具有良好的局部化性质，适合于不规则、瞬变信号的处理用于高频电流局放检测的干扰抑制措施中。通过与不同缺陷放电特征数据库进行对比，进行放电信号的模式识别，包括放电信号的测量、放电信号特征提取与分类和特征指纹库比对，判断所测信号是否为真实的放电信号以及是何种放电。
30.具体的，小波分析法基于非平稳信号的分析手段，在时域、频域同时具有良好的局部化性质，适合于不规则、瞬变信号的处理用于高频电流局放检测的干扰抑制措施中；聚类分析法将放电信号按各自的等效频率、等效时长与波形相关的特征参量进行分类，形成时频域映射谱图。其中，小波分析法利用相位统计谱图的形状特点，通过计算统计谱图的偏斜度、陡峭度以及相互关联因素等特征参数，对缺陷类型进行确认和识别；聚类分析法中的时频谱图的特点是多个放电源、不同放电类型的局放脉冲会被映射到不同聚点，便于在局放相位谱图上将真实放电和噪声干扰区分开来，还可利用三相同步局放检测对耦合的信号进行幅度、相位或频率的计算进行分类。
31.步骤二，高频电流局放传感器的运行，高频电流罗氏线圈采集局部放电信号，积分运算放大器和多级模拟放大电路对传感器采集信号进行调节放大，温湿度ic芯片采集局放源的温湿度，处理器根据设定的采样周期检测，上传数据，通过无线收发sx1268芯片，将数据传输至输变节点设备；具体说明的，外积分罗氏线圈称作为窄带型电流传感器，为得到电流的波形，线圈的输出需要经过无源外积分电路，由运放构成的有源外积分电路。自积分罗氏线圈称为宽带型电流传感器，具有相对较宽的检测频带。由于直接采用积分电阻，因此频率响应较快，用于测量上升时间较短的脉冲电流信号。罗氏线圈检测频率范围在3～30mhz，由于所测量的局部放电信号是微小的高频电流信号，传感器需要在较宽的频带内有较高的灵敏度，因此hfct选用高磁导率的磁芯作为线圈骨架，并通过采用自积分式线圈结构。实际使用中，要求hfct有尽可能高的灵敏度，并且在较宽的频带范围内有平滑的幅频响应曲线。同时要求hfct有较强的抗工频磁饱和能力，因为实际检测时不可避免有工频电流流过，而此时不因磁芯饱和而影响检测结果。接地线hfct采用分体式线圈可开合，方便测试时安装和拆卸。hfct传感器下限截止频率大于在1mhz以下，上限截止频率为30mhz。传感器输出信号需要进行滤波和放大。实际测量中会有各类噪声和干扰信号，需要配合硬件滤波器和数字滤波器进行滤波。滤波后信号幅值会有一定程度衰减，需经过带宽放大器放大，从而达到提高局部放电信号信噪比的目的，对经过滤波放大的局部放电脉冲信号进行检波处理，降低对后续信号处理的要求。信号处理单元性能主要由上、下限截止频率和放大倍数来衡量。信号采集单元将采集到的模拟信号转化为数字信号，主要性能参数为采样率、采样分辨率、带宽以及存储深度。高频电流局放传感器采样率在几m/s到100m/s，采样率越高越能还原局放放电信号的高频分量。局放数据处理与分析诊断，包括单脉冲时域波形、单周期（20ms）时域波形、多周期局放谱图、prpd谱图、局放脉冲频谱分析，实现数字滤波、局放类型模式识别、局放定位功能。
32.步骤三，输变节点设备的传输，基于上述采集的数据，输变节点设备通过物联网无线组网协议接入终端设备，终端设备可将采集的感知数据进行可视化呈现。
33.具体说明的，被检测的电力设备，电力设备连接电力设备物联网，电力设备物联网总体架构分为：接入层传感器系统、节点系统和边缘计算系统、平台层后台接入系统。感知层由传感器和节点（含边缘代理）设备组成，是物联网架构的核心层级，是实现设备状态采集的关键。涵盖了无线通信、数据传输、传感器等各个方面，是物联网系统实现“互联互通”的基础。节点设备将数据转给边缘代理，由边缘框架或边侧app将传感器数据格式转化为符合物管平台要求的json格式数据，然后采用mqtt协议或udp协议，实现边缘物联代理与后台
接入系统的数据交互。
34.本实施例变电主设备的状态感知。上传站内电流、电压等设备运行信息及设备异常告警信号，在线监测传感器，如高频电流局放传感器、超声波局放传感器、sf6微水传感器、避雷器泄漏电流传感器、sf6微水传感器、温度传感器，实现变电设备状态全方位实时感知。变电站运行环境的状态感知。采集分析变电站温湿度、微气象、噪声、烟雾、电缆沟水位水浸、sf6气体等传感器数据，实现变电站运行环境状态感知，并及时推送站内安全运行风险预警。
35.具体的，采用高频电流(hfct)测量技术对电力设备局部放电进行故障检测。传感器磁吸式安装方式或者利用扎带将主控单元固定，磁吸式将带有磁力的底座吸附于电力设备表面，将高频电流传感器夹在电缆中间接头、中线点接线或终端处接地线上，对高压电力设备无任何损害，所有的检测对高压设备的运行不产生任何影响。可以对测量进行信号多周期观察，对放电进行频率识别，并通过多种模式进行分析，能够清楚地判断出开关柜是否出现故障。
36.本发明通过电力apn安全加密通道，接入电力设备物联网管理与应用平台，通过高频电流局放传感器感知数据可视化呈现，对局部放电监测、预警，实时数据记录，运行情况的综合分析，从而保障电力设备安全运行，实现设备的智能检修。实现电力生产现场、运行、控制数据的全面在线采集，通过可靠灵活网络传输并满足各类智能应用，使得各种电力设备构成一个巨大的相互连接的电力广域网络，最终形成覆盖输电、变电、配电各环节的信息模型统一、通信规约统一、数据服务统一和应用服务统一的全景全息电力物联网，实现电网各环节设备状态的可测、可视、可控，实现电网侧设备运检从事后检修到事前诊断及主动预警，并利用物联网技术，最终实现供电网络自动投切，达到自愈的目的。
37.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。