变电站局部放电分级监测定位系统及方法与流程

1.本发明属于电力设备在线监测技术领域，特别涉及一种变电站局部放电分级监测定位系统及方法。


背景技术：

2.变电站是电力系统电能变换和分配的重要场所，其内设备的运行健康程度直接影响整个电网的运行质量。突发性绝缘事故是导致电力设备故障的重要原因之一，其预防是设备运维管理的一个核心目标。设备绝缘击穿前普遍存在的局部放电是绝缘劣化的重要征兆。局部放电的检测已经成为评估设备运行状态，预警设备突发性绝缘故障的重要手段。目前，局部放电在线监测已经在电力系统广泛应用，其在有效提升设备管理水平的同时，也逐渐暴露出以下一些问题。
3.特高频(ultra high frequency，uhf)法以其覆盖范围广、灵敏度高、能够识别并定位放电源等优点，成为近二十年来国内外局部放电检测领域研究的重点和热点。
4.近年来英国strathclyde大学的philip moore等人提出了特高频阵列空间定位的思路，通过4个特高频传感器组成传感阵列，实现整个变电站内放电源的检测及空间定位。这样的系统的结构简单，充分利用了特高频技术灵敏度高、覆盖范围广的优势。相比目前的在线监测和带电检测设备，在满足状态检修工作要求的同时，在经济性方面具有明显的优势。
5.实现变电站放电源准确定位的关键在于对广域空间内放电信号的有效检测。由于变电站一般面积较大，设备分布也较为分散，放电信号强弱差异化较大，且不同传输距离下的信号衰减也不同，故通过放电源定位系统检测未知点的放电信号时，信号处理的参数(放大倍数、滤波带宽等)很难做到自适应调整。工程上对放电弱信号的放大，一般采用固定倍数放大的方法，容易出现有效性不够、动态范围不足等问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种能够对放电源进行准确、有效定位的变电站局部放电分级监测定位系统。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.一种变电站局部放电分级监测定位系统，设置于划分为多个网格的变电站中，所述变电站局部放电分级监测定位系统包括：
9.监测终端，多个所述监测终端分别设置于各个所述网格中，所述监测终端用于监测其所在网格内是否发生疑似放电，并在发生疑似放电时回传疑似放电信号时频信息；
10.监测定位装置，所述监测定位装置与各个所述监测终端通信，所述监测定位装置用于接收所述疑似放电信号时频信息并启动放电定位，从而确定放电源。
11.所述监测终端包括：
12.全向检测传感器，所述全向检测传感器用于采集所在网格内的空间电磁波信号；
13.数据采集单元，所述数据采集单元与所述全向检测传感器相连接，用于获取所述空间电磁波信号；
14.数据分析单元，所述数据分析单元与所述数据采集单元相连接，用于对所述空间电磁波信号进行分析以诊断是否存在疑似放电信号；
15.终端数据通信单元，所述终端数据通信单元与所述数据分析单元相连接并与所述监测定位装置通信，用于在存在疑似放电信号时向所述监测定位装置回传所述疑似放电信号视频信息。
16.所述数据采集单元包括依次连接的信号放大模块、信号滤波模块、数据采集卡和数据存储芯片。
17.所述数据分析模块包括用于诊断所述空间电磁波信号是否出现异常频段信号的频谱分析电路、用于诊断所述空间电磁波信号的信噪比是否超过设定的阈值的比较电路，当所述空间电磁波信号出现异常频段信号或所述空间电磁波信号的信噪比超过所述阈值时存在所述疑似放电信号。
18.所述监测定位装置包括：
19.天线传感器阵列，所述天线传感器阵列用于检测所述变电站内的空间放电信号；
20.系统数据通信单元，所述系统数据通信单元用于与所述监测终端通信以接收所述传疑似放电信号时频信息、与远方监测中心通信；
21.定位单元，所述定位单元分别与所述天线传感器阵列、所述系统数据通信单元相连接，用于控制所述天线传感器阵列接收所述空间放电信号、基于所述空间放电信号对所述放电源进行定位和校验，以获得放电源定位结果。
22.所述天线传感器阵列包括n个全向天线传感器，n为大于或等于4的整数。
23.所述定位单元包括n个同步采集数据卡、与各个所述同步采集数据卡相连接的mcu、与所述mcu相连接的存储单元。
24.本发明还提供一种能够对放电源进行准确、有效定位的变电站局部放电分级监测定位方法，其方案是：
25.一种变电站局部放电分级监测定位方法，应用前述的变电站局部放电分级监测定位系统中，其包括以下步骤：
26.步骤1：将变电站划分为多个网格，并在各个网格中分别部署所述监测终端；
27.步骤2：利用所述监测终端监测其所在网格内是否发生疑似放电，并在发生疑似放电时回传疑似放电信号时频信息；
28.步骤3：利用所述监测定位装置接收所述疑似放电信号时频信息、采集所述变电站内的空间放电信号并对所述放电源进行定位和校验，从而得放电源定位结果。
29.所述步骤2中，所述监测终端采集空间电磁波信号，基于所述空间电磁波信号是否出现异常频段信号或所述空间电磁波信号的信噪比是否超过设定的阈值判断是否发生疑似放电，当所述空间电磁波信号出现异常频段信号或所述空间电磁波信号的信噪比超过所述阈值时发生疑似放电。
30.所述步骤3中，所述监测定位装置对数据调理参数进行调整后，对所述空间放电信号进行调理；所述监测定位装置基于时间到达法对所述放电源进行定位得到定位点，并结合所述监测终端的检测结果进行校验，若所述定位点位于发生疑似放电的网格中，则放电
源定位成功。
31.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明采用先区域定位、后触发精确定位的方案，通过采用分级检测、集中定位的方式能够对放电源进行准确、有效定位。
附图说明
32.附图1为本发明的变电站局部放电分级监测定位系统中监测终端的组成示意图。
33.附图2为本发明的变电站局部放电分级监测定位系统中监测定位装置的组成示意图。
34.附图3为本发明的变电站局部放电分级监测定位方法的流程图。
35.附图4为本发明的变电站局部放电分级监测定位方法中变电站区域划分的示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
37.实施例一：在划分为多个网格的变电站中设置的一种变电站局部放电分级监测定位系统，包括多个监测终端和监测定位装置。多个监测终端分别设置于各个网格中，用于监测其所在网格内是否发生疑似放电，并在发生疑似放电时回传疑似放电信号时频信息。监测定位装置与各个监测终端通信，用于接收疑似放电信号时频信息并启动放电定位，从而确定放电源。
38.如附图1所示，监测终端包括全向检测传感器、数据采集单元、数据分析单元和终端数据通信单元。全向检测传感器用于采集所在网格内的空间电磁波信号，其工作频率覆盖为300-3000mhz中的某一个或多个频段区间。数据采集单元与全向检测传感器相连接，用于获取空间电磁波信号。数据采集单元包括依次连接的信号放大模块、信号滤波模块、数据采集卡和数据存储芯片等。数据分析单元与数据采集单元相连接，用于对空间电磁波信号进行分析以诊断是否存在疑似放电信号。数据分析模块包括用于诊断空间电磁波信号是否出现异常频段信号的频谱分析电路、用于诊断空间电磁波信号的信噪比是否超过设定的阈值的比较电路，当空间电磁波信号出现异常频段信号或空间电磁波信号的信噪比超过阈值时存在疑似放电信号。终端数据通信单元与数据分析单元相连接并与监测定位装置通信，用于在存在疑似放电信号时向监测定位装置回传疑似放电信号视频信息，其可采用有线或无线的通信方式。
39.如附图2所示，监测定位装置包括天线传感器阵列、系统数据通信单元和定位单元。天线传感器阵列用于检测变电站内的空间放电信号，其包括n个全向天线传感器，n为大于或等于4的整数，传感器工作频段覆盖300-3000mhz中的某一个或多个频段区间，一般工作频段包含监测终端传感器工作频段。系统数据通信单元用于与监测终端通信以接收传疑似放电信号时频信息、与远方监测中心通信，可采用有线或无线的通信方式。定位单元分别与天线传感器阵列、系统数据通信单元相连接，用于控制天线传感器阵列接收空间放电信号、基于空间放电信号对放电源进行定位和校验，以获得放电源定位结果。定位单元包括n个同步采集数据卡、与各个同步采集数据卡相连接的mcu、与mcu相连接的存储单元。
40.一种应用前述的变电站局部放电分级监测定位系统中的变电站局部放电分级监测定位方法，包括以下步骤：
41.步骤1：将变电站划分为多个网格，并在各个网格中分别部署监测终端；
42.步骤2：利用监测终端监测其所在网格内是否发生疑似放电，并在发生疑似放电时回传疑似放电信号时频信息；
43.步骤3：利用监测定位装置接收疑似放电信号时频信息、采集变电站内的空间放电信号并对放电源进行定位和校验，从而得放电源定位结果。
44.具体的步骤如附图3所示：
45.1)依据变电站规模、设备分布情况、设备重要等级、设备类型等参数对变电站进行网格划分。图4为变电站区域划分的一个示例。实际划分中，可将变电站按照平面布局分成若干矩形区域，划分的标准根据实际需要确定，例如按照电压等级，分成220kv、110kv、35kv区。按照设备功能，分成开关区、变压区、线圈区等。
46.2)在每个网格内安装一个监测终端，利用监测终端定时采集网格区域内空间电磁波信号，并对信号时频特征进行分析。
47.3)判断网格区域内是否有疑似放电，如判断疑似放电，将疑似放电信号时频信息回传到空间定位系统。
48.具体的，监测终端采集空间电磁波信号，判断是否存在疑似放电是基于下述两种方法：
49.a.基于空间电磁波信号是否出现异常频段信号判断是否发生疑似放电，当空间电磁波信号出现异常频段信号时发生疑似放电，即对信号进行频谱分析，如发现突增异常频段的信号，可认为采集信号可能为疑似放电。
50.b.基于空间电磁波信号的信噪比是否超过设定的阈值判断是否发生疑似放电，当空间电磁波信号的信噪比超过阈值时发生疑似放电，即基于单位时间内异常放电脉冲数目分析，具体用到了采集脉冲信号的信噪比，如果信噪比大于设定阈值，则认为采集的脉冲为疑似放电脉冲。放电信噪比k计算公式如下(1)所示：
[0051][0052]
式(1)中，vf为特高频信号的幅值(峰值)；vn为检测的背景噪声平均值。
[0053]
4)监测定位装置依据终端回传的疑似放电信号时频信息，计算信号大致方位坐标、信号幅值大小和信号频段。
[0054]
5)监测定位装置对数据调理参数进行调整后，对空间放电信号进行调理，即监测定位装置调整信号采集参数，包括信号放大倍数、滤波器频段等，利用传感器阵列采集放电源的放电脉冲。
[0055]
对于局放源和天线传感器之间的直射路径，因传播过程中未遇到阻碍，所以直射路径的传输损耗可以以由自由空间路径损耗(path loss，pl)决定。
[0056]
pl＝-27.55+20lgl+20lgf-g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0057]
式(2)中，l为电磁波传播距离，单位为m，f为电磁波的频率，单位为mhz，g为传感器的增益，单位为db。
[0058]
通过pl值可以得到，信号从放电点到定位系统采集单元的衰减倍数，可以用于选
择信号调理放大的倍数，实现信号高动态范围检测。
[0059]
6)监测定位装置基于时间到达法对放电源进行定位得到定位点，并结合监测终端的检测结果进行校验，若定位点位于发生疑似放电的网格中，则放电源定位成功。
[0060]
放电源的定位一般基于时间到达法(tdoa法)，即多个传感器同步采集单个脉冲电磁波，利用电磁波到达各个天线的时间差，联立方程进行定位。
[0061]
7)输出定位结果。
[0062]
上述方案采用分级定位的思路，包括区域定位和精确定位。区域定位由监测终端实现，精确定位通过天线传感器阵列实现的。方案中的区域定位是通过空间局放检测诊断实现的，即通过判断区域内是否有疑似放电信号，如有疑似放电则认为定位到该区间。方案中的精确定位是通过天线传感器阵列同步采集疑似放电信号，即基于时间到达法(tdoa)来定位，并将结果与区域定位结果比对来实现最终定位的。监测定位装置的采集参数主要由局部放电监测终端监测数据来确定，即监测终端将疑似放电信号强度、频谱范围等数据回传至监测定位装置，监测定位装置依据放电点所在区间位置、放电信号的时频特征来确定采集频次、放大倍数、滤波带宽等采集参数。
[0063]
本专利的技术方案相对于现有技术，有以下优点：
[0064]
1.本专利的使用，提高了变电站空间局部放电定位准确度，相对于传统的天线阵列定位而言，通过分级定位方法，实现了定位检测的针对性；
[0065]
2.检测动态范围可以实现自适应调整，区域检测结果和天线阵列定位结果相互验证，提高了检测定位的准确性；
[0066]
3.本专利中定位步骤采用先区域定位，后触发精确定位的方法，天线传感器阵列无需实时工作，避免了海量特高频数据采集(目前天线传感器阵列精确定位系统数据采集卡多为数ghz采样率，长期采集数据量冗余严重，效率低下，装置功耗较大)。
[0067]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种变电站局部放电分级监测定位系统，设置于划分为多个网格的变电站中，其特征在于：所述变电站局部放电分级监测定位系统包括：监测终端，多个所述监测终端分别设置于各个所述网格中，所述监测终端用于监测其所在网格内是否发生疑似放电，并在发生疑似放电时回传疑似放电信号时频信息；监测定位装置，所述监测定位装置与各个所述监测终端通信，所述监测定位装置用于接收所述疑似放电信号时频信息并启动放电定位，从而确定放电源。2.根据权利要求1所述的变电站局部放电分级监测定位系统，其特征在于：所述监测终端包括：全向检测传感器，所述全向检测传感器用于采集所在网格内的空间电磁波信号；数据采集单元，所述数据采集单元与所述全向检测传感器相连接，用于获取所述空间电磁波信号；数据分析单元，所述数据分析单元与所述数据采集单元相连接，用于对所述空间电磁波信号进行分析以诊断是否存在疑似放电信号；终端数据通信单元，所述终端数据通信单元与所述数据分析单元相连接并与所述监测定位装置通信，用于在存在疑似放电信号时向所述监测定位装置回传所述疑似放电信号视频信息。3.根据权利要求2所述的变电站局部放电分级监测定位系统，其特征在于：所述数据采集单元包括依次连接的信号放大模块、信号滤波模块、数据采集卡和数据存储芯片。4.根据权利要求2所述的变电站局部放电分级监测定位系统，其特征在于：所述数据分析模块包括用于诊断所述空间电磁波信号是否出现异常频段信号的频谱分析电路、用于诊断所述空间电磁波信号的信噪比是否超过设定的阈值的比较电路，当所述空间电磁波信号出现异常频段信号或所述空间电磁波信号的信噪比超过所述阈值时存在所述疑似放电信号。5.根据权利要求1所述的变电站局部放电分级监测定位系统，其特征在于：所述监测定位装置包括：天线传感器阵列，所述天线传感器阵列用于检测所述变电站内的空间放电信号；系统数据通信单元，所述系统数据通信单元用于与所述监测终端通信以接收所述传疑似放电信号时频信息、与远方监测中心通信；定位单元，所述定位单元分别与所述天线传感器阵列、所述系统数据通信单元相连接，用于控制所述天线传感器阵列接收所述空间放电信号、基于所述空间放电信号对所述放电源进行定位和校验，以获得放电源定位结果。6.根据权利要求5所述的变电站局部放电分级监测定位系统，其特征在于：所述天线传感器阵列包括n个全向天线传感器，n为大于或等于4的整数。7.根据权利要求6所述的变电站局部放电分级监测定位系统，其特征在于：所述定位单元包括n个同步采集数据卡、与各个所述同步采集数据卡相连接的mcu、与所述mcu相连接的存储单元。8.一种变电站局部放电分级监测定位方法，应用于如权利要求1至7中任一项所述的变电站局部放电分级监测定位系统中，其特征在于：所述变电站局部放电分级监测定位方法包括以下步骤：
步骤1：将变电站划分为多个网格，并在各个网格中分别部署所述监测终端；步骤2：利用所述监测终端监测其所在网格内是否发生疑似放电，并在发生疑似放电时回传疑似放电信号时频信息；步骤3：利用所述监测定位装置接收所述疑似放电信号时频信息、采集所述变电站内的空间放电信号并对所述放电源进行定位和校验，从而得放电源定位结果。9.根据权利要求8所述的变电站局部放电分级监测定位方法，其特征在于：所述步骤2中，所述监测终端采集空间电磁波信号，基于所述空间电磁波信号是否出现异常频段信号或所述空间电磁波信号的信噪比是否超过设定的阈值判断是否发生疑似放电，当所述空间电磁波信号出现异常频段信号或所述空间电磁波信号的信噪比超过所述阈值时发生疑似放电。10.根据权利要求8所述的变电站局部放电分级监测定位方法，其特征在于：所述步骤3中，所述监测定位装置对数据调理参数进行调整后，对所述空间放电信号进行调理；所述监测定位装置基于时间到达法对所述放电源进行定位得到定位点，并结合所述监测终端的检测结果进行校验，若所述定位点位于发生疑似放电的网格中，则放电源定位成功。

技术总结
本发明涉及一种变电站局部放电分级监测定位系统及方法。系统包括多个监测终端和监测定位装置，多个监测终端分别设置于各个网格中，用于监测其所在网格内是否发生疑似放电，并在发生疑似放电时回传疑似放电信号时频信息；监测定位装置用于接收疑似放电信号时频信息并启动放电定位，从而确定放电源。监测终端包括全向检测传感器、数据采集单元、数据分析单元和终端数据通信单元。监测定位装置包括天线传感器阵列、系统数据通信单元和定位单元。方法应用于上述系统中。本发明采用先区域定位、后触发精确定位的方案，通过采用分级检测、集中定位的方式能够对放电源进行准确、有效定位。位。位。


技术研发人员：耿莲 王慧 王勇 庄汝学 姜莹 夏梦 谢维国 姚浩威
受保护的技术使用者：苏州电力设计研究院有限公司
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/7/22