本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)電氣設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及基于光譜分析方法的環(huán)網(wǎng)柜故障判別系統(tǒng)，用于對(duì)環(huán)網(wǎng)柜故障判別與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)不斷進(jìn)步、國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、高新技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛推廣應(yīng)用，環(huán)網(wǎng)柜的使用率也日益增加。城市環(huán)網(wǎng)柜在電力系統(tǒng)建設(shè)中起著重要作用，隨著國(guó)家對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)的需要，環(huán)網(wǎng)柜的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警也變得越來(lái)越重要。環(huán)網(wǎng)柜故障持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短與電氣設(shè)備遭受破壞程度有關(guān)，弧光故障時(shí)間越短造成的破壞就越短。如何對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的狀態(tài)檢測(cè)和對(duì)環(huán)網(wǎng)柜故障進(jìn)行預(yù)警，以及對(duì)故障及時(shí)處理是電力管理系統(tǒng)必須解決的重要問(wèn)題之一，同時(shí)也是保證電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性和電力建設(shè)研究的熱點(diǎn)技術(shù)。因而對(duì)于供電設(shè)施及其配套的環(huán)網(wǎng)柜等設(shè)備來(lái)講，由于短路和高壓下造成的電弧對(duì)設(shè)備及其人員的傷害非常嚴(yán)重，需要采取可靠的方式對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)并加以保護(hù)。但是幾乎對(duì)導(dǎo)體短路或其高壓下產(chǎn)生的電弧的光譜結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究的，弧光保護(hù)單位也只是利用自然界的電暈現(xiàn)象的光譜結(jié)構(gòu)及電弧的發(fā)光特性來(lái)進(jìn)行弧光檢測(cè)。因此，導(dǎo)體短路及高壓電離的弧光光譜特性研究的意義非常深刻，其光譜特性研究對(duì)弧光檢測(cè)具有至關(guān)重要的知道作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)目前環(huán)網(wǎng)柜故障判別系統(tǒng)存在的不足，提供了一種基于光譜分析方法的環(huán)網(wǎng)柜故障判別系統(tǒng)，用于在環(huán)網(wǎng)柜中準(zhǔn)確及時(shí)的獲取故障類型，進(jìn)而做出相應(yīng)的故障處理。該系統(tǒng)具有靈敏、準(zhǔn)確、快速、選擇性好、弧光整定誤差小、可靠性高的特點(diǎn)；該系統(tǒng)判別故障的同時(shí)避免了背景光干擾的問(wèn)題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

基于光譜分析方法的環(huán)網(wǎng)柜故障判別系統(tǒng)，包括信號(hào)采集單元、光學(xué)平臺(tái)、檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)處理單元、工控機(jī)。所述信號(hào)采集單元為線式弧光傳感器，線式弧光傳感器探測(cè)的弧光信號(hào)經(jīng)由光纖束傳送至光學(xué)平臺(tái)。線式弧光傳感器為Avago線式光傳感器，它通常是POF光纖。線式傳感器能采集光纖路徑上的大區(qū)域的光，同時(shí)由于線式傳感器的光纖是有長(zhǎng)度的，是沒(méi)有被環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)裝置遮擋的風(fēng)險(xiǎn)。因此線式傳感器可以檢測(cè)單個(gè)裝置內(nèi)部的多個(gè)單元，同樣也可以檢測(cè)多個(gè)裝置，更多的單元可以被檢測(cè)，可以減少要使用的傳感器數(shù)量。通過(guò)大口徑可靠性極好的POF光纖光纜傳遞信號(hào)，確保將光傳感器探頭所探測(cè)到的弧光信號(hào)傳給光學(xué)平臺(tái)，大口徑高可靠性POF光纜可長(zhǎng)達(dá)50m，確保遠(yuǎn)離重大電氣設(shè)備，安全性高。

所述光學(xué)平臺(tái)用于將弧光分解確定光譜成分。所述檢測(cè)系統(tǒng)用于按波長(zhǎng)排列，測(cè)量各波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度特征；

光學(xué)平臺(tái)和檢測(cè)系統(tǒng)將成分復(fù)雜的光分解成光譜線，區(qū)分弧光和可見(jiàn)光?；」馀c可見(jiàn)光的區(qū)別在于弧光包含可見(jiàn)光，同時(shí)它比可見(jiàn)光增加了紫外線成分。

所述信號(hào)處理單元包括光電轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器，弧光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，利用運(yùn)算放大器構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電平值，最后存儲(chǔ)在工控機(jī)上；

所述工控機(jī)型號(hào)為IPC-610，CPU型號(hào)CORE雙核2.4G E4600，內(nèi)存2G，硬盤(pán)容量250G，帶DVD光驅(qū)、帶鼠標(biāo)鍵盤(pán)及網(wǎng)口。

所述工控機(jī)用于分析光譜成分及各波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度，判別環(huán)網(wǎng)柜是否發(fā)生故障以及確定故障類型。

所述工控機(jī)用于環(huán)網(wǎng)柜故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)出現(xiàn)故障數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送“跳閘反饋”到斷路器。

所述光纖束為POF光纖光纜。

所述光學(xué)平臺(tái)包括入射狹縫、準(zhǔn)直元件、色散元件、聚焦元件；準(zhǔn)直元件為獨(dú)立的透鏡、或者獨(dú)立的反射鏡、或者直接集成在色散元件上；色散元件為光柵；入射狹縫在入射光的照射下形成光譜儀成像系統(tǒng)的物點(diǎn)，準(zhǔn)直元件使入射狹縫發(fā)出的光線變?yōu)槠叫泄猓⒃构庑盘?hào)在空間上按波長(zhǎng)分散成為多條光束，聚焦元件聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫的像，其中每一像點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一特定波長(zhǎng)。

所述檢測(cè)系統(tǒng)由探測(cè)器陣列構(gòu)成，探測(cè)器陣列放置于焦平面，用于測(cè)量各波長(zhǎng)像點(diǎn)的光強(qiáng)度，探測(cè)器陣列為CCD陣列。

所述光電轉(zhuǎn)換器型號(hào)為GH232，運(yùn)算放大器型號(hào)為OPA2227；信號(hào)處理單元采用FPGA作為核心處理器，型號(hào)為EP2C5Q208C8N，光電轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，利用OPA2227運(yùn)算放大器構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成適合FPGA的I/O端口接收的電平值；信號(hào)處理單元與工控機(jī)之間采用PCI接口實(shí)現(xiàn)通訊和供電，信號(hào)處理單元為一個(gè)PCI接口的板卡，可直接插入工控機(jī)的PCI插槽上。

基于光譜分析方法的環(huán)網(wǎng)柜故障判別及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，弧光傳感器探測(cè)的弧光信號(hào)，經(jīng)由光纖束傳送至光學(xué)平臺(tái)，光學(xué)平臺(tái)將弧光分解確定光譜成分，檢測(cè)系統(tǒng)按波長(zhǎng)排列，測(cè)量各波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度特征，光信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理單元處理后存儲(chǔ)在工控機(jī)上，工控機(jī)用于分析光譜成分及各波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度，判別環(huán)網(wǎng)柜是否發(fā)生故障以及確定故障類型，同時(shí)工控機(jī)用于環(huán)網(wǎng)柜故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)故障數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送“跳閘反饋”到斷路器。

本發(fā)明基于光譜分析方法的環(huán)網(wǎng)柜故障判別系統(tǒng)，技術(shù)效果如下：

1)、本發(fā)明基于光譜分析方法的環(huán)網(wǎng)柜故障判別系統(tǒng)，利用光譜分析方法檢測(cè)環(huán)網(wǎng)柜故障，光譜分析技術(shù)是一種最基本應(yīng)用最廣泛的分析技術(shù)，具有靈敏、準(zhǔn)確、快速、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。

2)、線式光傳感器可以檢測(cè)單個(gè)裝置內(nèi)部的多個(gè)單元，同樣也可以檢測(cè)多個(gè)裝置，更多的單元可以被檢測(cè)，可以減少要使用的傳感器數(shù)量同時(shí)降低保護(hù)系統(tǒng)的成本。

3)、聚焦元件聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫的像，其中每一像點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一特定波長(zhǎng)。探測(cè)器陣列可以測(cè)量各波長(zhǎng)像點(diǎn)的光強(qiáng)度。

4)、光學(xué)平臺(tái)和檢測(cè)系統(tǒng)將成分復(fù)雜的光分解成光譜線，根據(jù)光譜成份為紫外光、可見(jiàn)光還是紅外光以及各波長(zhǎng)像點(diǎn)的光強(qiáng)度判別故障類型，金屬導(dǎo)體短路導(dǎo)體燃燒及金屬離子放電發(fā)光還是金屬導(dǎo)體在高壓放電時(shí)致使空氣電離發(fā)光。

5)、工控機(jī)對(duì)出現(xiàn)的故障類型進(jìn)行編號(hào)區(qū)分，存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)出現(xiàn)故障數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送“跳閘反饋”到斷路器。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于光譜分析方法的環(huán)網(wǎng)柜故障判別系統(tǒng)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明中光學(xué)平臺(tái)與檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明中信號(hào)處理單元構(gòu)成示意圖。

圖4為本發(fā)明中所述光譜曲線圖。

具體實(shí)施方式

原理分析：

環(huán)網(wǎng)柜故障類別大致可以分為兩種，即不同金屬導(dǎo)體短路和金屬導(dǎo)體在高壓放電?；」馀c可見(jiàn)光的區(qū)別在于弧光包含可見(jiàn)光，同時(shí)它比可見(jiàn)光增加了紫外線成分，利用光學(xué)平臺(tái)和檢測(cè)系統(tǒng)將成分復(fù)雜的光分解成光譜線，區(qū)分弧光和可見(jiàn)光。

金屬導(dǎo)體短路時(shí)產(chǎn)生的弧光的主要成分是紫外光和可見(jiàn)光，此外還有很微弱的紅外光部分。從光譜曲線圖4可以看出，在紫外和可見(jiàn)光波段分別有一個(gè)峰值區(qū)域，中心波長(zhǎng)大約分別為330nm和530nm；導(dǎo)體在20kV的高壓下致使空氣電離所發(fā)出的弧光，僅紫外光比較明顯，而可見(jiàn)光和紅外光幾乎可以忽略?；」獬煞忠约跋嗤ㄩL(zhǎng)處的強(qiáng)度可以作為故障類型判別依據(jù)。

如圖1所示，基于光譜分析方法的環(huán)網(wǎng)柜故障判別系統(tǒng)，由信號(hào)采集單元、光學(xué)平臺(tái)、檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)處理單元、工控機(jī)等部分構(gòu)成。Avago線式弧光傳感器探測(cè)的弧光信號(hào)經(jīng)由光纖束傳送至光學(xué)平臺(tái)。光學(xué)平臺(tái)將弧光分解確定弧光光譜成分，檢測(cè)系統(tǒng)按波長(zhǎng)排列測(cè)量各波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度特征。信號(hào)處理單元包括光電轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器兩部分，弧光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，利用OPA2227運(yùn)算放大器構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電平值，最后存儲(chǔ)在工控機(jī)上。工控機(jī)用于分析光譜成分及各波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度，判別環(huán)網(wǎng)柜是否發(fā)生故障以及確定故障類型，同時(shí)工控機(jī)用于環(huán)網(wǎng)柜故障在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

所述信號(hào)采集單元為光傳感器，光傳感器為Avago線式光傳感器，它通常是POF光纖。線式傳感器能采集光纖路徑上的大區(qū)域的光，同時(shí)由于線式傳感器的光纖是有長(zhǎng)度的，是沒(méi)有被環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)裝置遮擋的風(fēng)險(xiǎn)。因此線式傳感器可以檢測(cè)單個(gè)裝置內(nèi)部的多個(gè)單元，同樣也可以檢測(cè)多個(gè)裝置，更多的單元可以被檢測(cè)，可以減少要使用的傳感器數(shù)量同時(shí)降低保護(hù)系統(tǒng)的成本。

所述的系統(tǒng)通過(guò)大口徑可靠性極好的POF光纖光纜傳遞信號(hào)，確保將Avago線式傳感器探頭所探測(cè)到的弧光信號(hào)傳給光學(xué)平臺(tái)，大口徑高可靠性POF光纜可長(zhǎng)達(dá)50m，確保遠(yuǎn)離重大電氣設(shè)備，安全性高。

所述的光學(xué)平臺(tái)和檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，為了區(qū)分弧光和可見(jiàn)光，將成分復(fù)雜的光分解成光譜線。弧光與可見(jiàn)光的區(qū)別在于弧光包含可見(jiàn)光，同時(shí)它比可見(jiàn)光增加了紫外線成分。環(huán)網(wǎng)柜故障大致可以分為兩種，即金屬導(dǎo)體短路和金屬導(dǎo)體在高壓放電。

所述的一個(gè)光學(xué)平臺(tái)由入射狹縫1、準(zhǔn)直元件2、色散元件3、聚焦元件4組成。

所述的入射狹縫1在入射光的照射下形成光譜儀成像系統(tǒng)的物點(diǎn)。準(zhǔn)直元件2使狹縫1發(fā)出的光線變?yōu)槠叫泄狻?zhǔn)直元件2可以是一獨(dú)立的透鏡、反射鏡、或直接集成在色散元件上，如凹面光柵光譜儀中的凹面光柵。色散元件3通常采用光柵，使光信號(hào)在空間上按波長(zhǎng)分散成為多條光束。聚焦元件4聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫1的像，其中每一像點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一特定波長(zhǎng)。

所述的檢測(cè)系統(tǒng)為由探測(cè)器陣列5構(gòu)成。探測(cè)器陣列5放置于焦平面，用于測(cè)量各波長(zhǎng)像點(diǎn)的光強(qiáng)度，探測(cè)器陣列5可以是CCD陣列。

所述信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，光電轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成信號(hào)處理單元。光電轉(zhuǎn)換器型號(hào)為GH232，運(yùn)算放大器型號(hào)為OPA2227。信號(hào)處理單元采用FPGA作為核心處理器，型號(hào)為EP2C5Q208C8N，光電轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，利用OPA2227運(yùn)算放大器構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成適合FPGA的I/O端口接收的電平值。信號(hào)處理單元與工控機(jī)之間采用PCI接口實(shí)現(xiàn)通訊和供電。信號(hào)處理單元為一個(gè)PCI接口的板卡，可直接插入工控機(jī)的PCI插槽上。

所述環(huán)網(wǎng)柜故障類型判別依據(jù)如表1所示，表1將環(huán)網(wǎng)柜故障類別大致可以分為兩類，即金屬導(dǎo)體短路和金屬導(dǎo)體在高壓放電。其中在故障原理不同的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步細(xì)分為不同金屬之間導(dǎo)致的故障。光學(xué)平臺(tái)和檢測(cè)系統(tǒng)將成分復(fù)雜的光分解成光譜線，與表1中故障光譜曲線波長(zhǎng)峰值與相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行比較，確定是否發(fā)生故障以及確定故障類型。每一種故障對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)號(hào)，工控機(jī)接收故障標(biāo)號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)故障數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送“跳閘反饋”到斷路器。

表1為環(huán)網(wǎng)柜故障類型判別表。

所述工控機(jī)型號(hào)為IPC-610，CPU型號(hào)CORE雙核2.4G E4600，內(nèi)存2G，硬盤(pán)容量250G，帶DVD光驅(qū)、帶鼠標(biāo)鍵盤(pán)及網(wǎng)口。