CN103630781B - 有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***及其数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***，由电流传感模块、通信总线、监测计算机等组成。电流传感器测量供能激光器所在的合并单元的直流电源电流大小，通过通信总线传输至位于监控室内的计算机；计算机同时接收合并单元的采样值；监测软件对数据进行处理融合，判断供能激光器的工作状态并给出相应指示。从而实现对具有复合供能的有源电子式电流互感器的供能激光器进行非接触式在线状态监测，判断供能激光器的运行状态和使用寿命，作为状态检修的依据。所发明的监测***通过非接触式测量监测，实现了供能激光器从定期检修或故障维修到状态检修。

Description

有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***及其数据处理方法

技术领域

本发明属于智能电网设备在线状态监测领域，涉及的是一种有源电子式电流互感器的复合供能非接触式在线监测***，能对带有激光供能***的有源电子式电流互感器的供能激光器进行非接触式在线状态监测，判断供能激光器的运行状态并做寿命预测，实现了供能激光器从定期检修或故障维修到状态检修。 

背景技术

随着科学技术的发展和人类社会的进步，电力***正向着以测控技术、数字技术和通信技术等现代化技术为技术支撑的智能电网方向发展。数字化变电站是智能电网的重要组成部分，数字化变电站中的关键设备之一，电子式电流互感器联系着高压电网和计量或继电保护***，起着至关重要的作用。 

电子式电流互感器的组合式电源***，《中国优秀硕士学位论文全文数据库(工程科技Ⅱ辑)》，王少杰，2008年第08期，第42～47页。电子式电流互感器根据工作原理不同，分为有源电子式电流互感器和无源电子式电流互感器。无源电子式电流互感器主要是使用全光纤或光学玻璃制造传感头，其高压侧没有电子线路，无需复杂的供能***。但无源电子式电流互感器由于传感头部分有复杂的光学***，容易受到多种外界因素的影响，使得无源电子式电流互感器并未大量投入实用。有源电子式电流互感器是基于电磁感应原理的传感原件与光纤通信技术相结合的新型电流测量设备，是目前高压电子式电流互感器中实用化程度较高的。由于有源电子式电流互感器在高压侧有电子元器件工作，因此其高压侧需要配置合理的供 能***。有源电子式电流互感器目前的主流供能方式是复合供能，典型的具有复合供能***的电子式电流互感器，其结构示意图如图1所示。低功率铁芯线圈1、空心线圈2和取能线圈3安装于一次母线4上，铁芯线圈1和空心线圈2是电流传感器，其输出正比于一次母线4中的电流大小，经信号变换器5之后由采集单元6中的A/D转换器7转换为数字量；数字量经组帧编码处理，由光纤8传输至合并单元9；最后经网口10以符合IEC61850-9-2标准的格式帧将测量的一次母线4中的电流发送出去。采集单元6的供能采用复合供能方式，取能线圈3和采集单元6中的AC-DC变换器11构成CT(Current Transformer)供能***；合并单元9中的带光电转换器13的供能激光器12，和采集单元6中光电转换器14构成激光供能***。复合供能***的具体工作模式为：在一次母线4中的电流较大时，由CT供能***提供电源；当一次母线4中的电流过小而导致CT供能***不能为采集单元6提供足够的电能时，切换至激光供能***。合并单元直流电源15作为合并单元9的工作电源。 

现有电子式电流互感器的运行经验及统计数据表明，有源电子式电流互感器出现故障率最高的是采集单元，而采集单元故障主要是由供能***故障引起。对于复合供能***，其故障原因主要有两个：一是位于合并单元9中的供能激光器12老化或损坏，致使当切换至激光供能***之后出现供能故障；二是供能***切换控制策略出现故障，致使供能***在需要切换时拒切换或不需要切换时误切换。上述故障中，供能故障和拒切换故障会直接导致电子式电流互感器不工作；而误切换会使供能激光器额外增加工作时间，等效为缩短了供能激光器的使用寿命。目前CT供能***技术成熟，一般比较可靠稳定；相比之下，激光供能***往往更易出现故障，即使采用目前性能最优的供能激光器，仍然故障频发。 

对关键设备进行状态在线监测和状态检修是发展智能电网的重要内 容。作为智能电网的关键设备之一，电子式电流互感器是重要监测对象。然而，目前对有源电子式电流互感器的供能激光器尚没有有效的在线监测手段，无法评估供能激光器的工作状态，更无法对激光器剩余寿命作出评估。有源电子式电流互感器尚且停留在定期检修或故障维修，即每隔一段时间进行检修或者出现故障之后进行维修，完全不能满足在线监测和状态检修的需求。 

发明内容

本发明针对有源电子式电流互感器故障率最高的供能激光器，提出了一种有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***，为了使运行的监测***对变电站内的设备完全没有任何干扰，采用了非接触式测量方式，实现在线状态实时监测。 

本发明提供的一种有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***，包括电流传感模块、通信总线和监测计算机； 

电流传感模块包括电流传感器、直流电源、微处理器和通信协议转换接口； 

传感器直流电源作为电流传感模块的工作电源，电流传感器安装于合并单元直流电源给合并单元供电的进线处，以测量合并单元直流电源的电流大小； 

微处理器的信号处理接口与电流传感器电连接，微处理器与通信协议转换接口连接，通信协议转换接口通过通信总线与监测计算机的通信接口连接，监测计算机的网口与合并单元的网口连接；微处理器用于对电流传感器的输出信号进行初步处理，通信协议转换接口起到电平转换和通信协议转换作用； 

电流传感器所测量的合并单元直流电源的电流数据经通信总线传至监测计算机；监测计算机还通过其网口获取当前一次母线中的电流值，并根 据所获得的电流数据和电流值对供能激光器的状态进行分析。 

为了对有源电子式电流互感器的关键部件之一供能激光器进行非接触式在线状态监测，从而评估供能激光器的运行状态和使用寿命，发现供能激光器的潜在故障并发出预警提示，本发明提出了一种有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线供能激光器监测***，以此实现供能激光器从定期检修或故障维修到状态检修。本发明通过对有源电子式电流互感器的供能激光器进行实时监测，实现了对有源电子式电流互感器的状态在线监测。***通过测量被监测供能激光器所在的合并单元的电源电流，结合测量的一次母线中的电流，判断有源电子式电流互感器的供能激光器运行状态，给出供能激光器的故障概率预测值，实现了供能激光器从定期检修或故障维修到状态检修，填补了电子式电流互感器在线状态监测的空白。 

附图说明

图1为现有的典型复合供电有源电子式电流电流互感器结构示意图； 

图2为本发明提供的有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***示意图； 

图3为电流传感模块示意图； 

图4为有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线***监测软件流程图； 

图5为拟合出的威布尔函数的曲线。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 

本发明提出的有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线供能激光 器监测***，通过测量被监测供能激光器12所在的合并单元9的直流电源15的电流，并将测量的直流电源15的电流值与通过网口11获得的当前一次母线4中的电流值关联起来，用统计方法判断供能激光器的工作状态。将被监测供能激光器12所在合并单元9的直流电源15的电流和一次母线中4的电流关联起来采用概率论方法进行分析，并根据寿命模型预测供能激光器的故障率为本发明的创新点。创新点主要克服了单一根据直流电源15的电流分析判断供能激光器工作状态时判据不足的缺点，而根据寿命模型预测供能激光器的故障率更为科学。 

具体的说，由于供能激光器12作为合并单元9的一部分，供能激光器12的工作电源由合并单元9的直流电源15提供，当供能激光器12不工作时，直流电源15的电流会相对较小；当供能激光器12工作时，直流电源15的电流会明显增大。所以，通过测量供能激光器12所在的合并单元9的直流电源15的电流，理论上完全可以间接判断供能激光器12的工作状态，实现非接触式测量监测。然而在现场使用时，这种判断手段存在很大的不足。一方面由于直流电源15的电流变化较小，而现有的非接触式测量方法很难精确测量如此小的电流变化；另一方面由于现场环境的电磁干扰，使得测量结果的可信度不高。因此，仅仅根据测量直流电源15的电流判断供能激光器12的工作状态存在一定的问题。通过将测量的直流电源15的电流值与通过网口11获得的当前一次母线4中的电流值关联起来，用统计方法判断供能激光器12的工作状态，从统计学角度更科学的判断出供能激光器的工作状态。 

如图2所示，本发明提出的一种有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***包括电流传感模块16、通信总线17和监测计算机18。其各部分具体实施方式以下分别予以详细说明。 

如图3所示，电流传感模块主要包括电流传感器19、传感器直流电源 20、微处理器21和通信协议转换接口22等。 

电流传感器19安装于直流电源15给合并单元9供电的进线处，以测量直流电源15的电流大小。测量的直流电源15的电流数据经通信总线17传至位于控制室的监测计算机18。监测计算机18一方面通过其自带的通信接口23获取直流电源15的电流数据，另一方面通过其自带的网口24获取当前一次母线4中的电流值，对获取的数据采用概率论方法处理，从统计角度判断供能激光器的当前运行状态，并根据已有的历史数据，对供能激光器的寿命状态作出评估。 

上述的电流传感模块具体实施方式为： 

电流传感器19用于测量直流电源15的电流，可选用开启式或闭环电流传感器。开启式可以不停电安装，而闭环电流传感器需要停电安装或在投运前及检修时安装。对于变电站内的合并单元，其供电电源一般为直流220伏，电流为十数毫安到数十毫安，选用量程合适的电流传感器即可。例如霍尔电流传感器JLB-13，测量范围可设定为5mA—10A，标准导轨安装。 

直流电源20为电流传感模块提供工作电源，采用12V或者15V直流电源模块，配合电压变换器即可。例如选用THJ20-170S15开关电源，配合线性稳压器LM7805，即可构成为电流传感模块提供工作电源的直流电源。 

微处理器21是电流传感模块的控制核心，用于对电流传感器19的输出信号进行初步处理，例如进行A/D转换之后再对多次测量值做滑动平均滤波以及按照要求的数据格式编码组帧。滑动平均滤波可以消除由于直流电源15的电流偶发的异常波动对测量结果造成的干扰；按照要求的数据格式组帧发送则有助于提高数据传输的可靠性与准确性，例如采用曼切斯特编码和增加冗余码校验。微处理器选用具有标准通信接口的低功耗微处理器，例如TI公司的MSP430系列微处理器。 

通信协议转换接口22用于连接电流传感模块和通信总线，起到电平转 换和通信协议转换作用。通信接口可由微处理器自带通信模块和外加的电平转换芯片组成，例如微处理器的UART模块加MAX232构成RS232标准现场工业总线。 

上述通信总线的具体实施方式为： 

通信总线17用于连接电流传感模块16和监测计算机18，电流传感模块16测量的电流数据通过通信总线17传输到位于监控室内的监测计算机18，实现测量数据可靠传输。通信总线根据需要可以选择RS232或者RS485等标准工业总线，其中RS485通信距离可达1000米，能实现现场测量数据可靠传输。 

上述监测计算机的具体实施方式为： 

监测计算机18作为数据获取和软件运行平台，目前的通用计算机性能优越，处理器运算速度快，硬件配置大部分能满足要求，如惠普HP PavilionP6-1480CN型计算机。运行于监测计算机上的监测软件对获取数据进行处理，判断供能激光器的工作状态，并根据建立的供能激光器寿命模型，做出寿命预测用于辅助状态检修。 

上述判断供能激光器工作状态的具体实施方式为： 

例如采用贝叶斯统计法，对供能激光器某次启动进行分析，其具体流程图如图4所示。 

假设由传感模块16测量合并单元直流电源15所得的10次电流值经过滑动平均滤波后为I_x；在10次测量的时间段内，由有源电子式互感器测量的一次母线4中的电流峰值为I_y。通过有源电子式互感器的出厂实验，可以获得供能激光器12启动时合并单元9的直流电源15的电流为I₀；根据有源电子式电流互感器的设计参数，可以获得供能激光器启动时的一次电流为I₁。现在需要分析在合并单元9的直流电源15的电流为I_x、一次母线4中的电流峰值为I_y的条件下，供能激光器正常启动的概率大小。假设供能 激光器的状态的先验分布概率为p，其后验分布概率为p’，即根据I_x、I₀、I_y和I₁四个已知量及相应的概率分布求p’。具体步骤如下： 

1、确定各变量的先验分布。供能激光器的状态只有两种——工作或者不工作，显然其先验概率p服从伯努利分布，假设分布函数为P；p’为待求的供能激光器的后验概率。I₀是实验获得的供能激光器12启动时合并单元9的直流电源15的电流值，理论上应服从高斯分布，假设分布函数为G₁；I₁是有源电子式电流互感器的设计参数，理论上为定值，但在实际运行中会有变动，为确保统计的准确性，可以假定I₁服从标准差很小的高斯分布，假设分布函数为G₂。显然，供能激光器12启动时直流电源15的电流值和一次母线4中的电流大小没有任何关系，因此I₀和I₁是相互独立的。 

2、确定供能激光器启动的条件。根据前面分析，复合供能***的具体工作模式为：在一次母线4中的电流较大时，由CT供能***提供电源；当一次母线4中的电流过小而导致CT供能***不能为采集单元6提供足够的电能时，切换至激光供能***。因此，在不考虑临界情况下，供能激光器启动的条件应该是直流电源15的电流I_x大于I₀，此时一次母线4中的电流I_y小于I₁。 

3、计算供能激光器启动的概率p’。由贝叶斯公式即可计算得出p’为： 

$p^{\&prime;}=P(k=1|I_x>I_0,I_y<I_1)=\frac{P(k=1)}{G_1(I_x>I_0)\&CenterDot;G_2(I_y<I_1)}$

4、判断供能激光器的工作状态。计算出供能激光器启动的概率之后，判断供能激光器的工作状态。例如当p’大于0.95时，判定供能激光器启动。此时，错判的概率为0.05。 

上述建立供能激光器寿命模型的具体实施方式为： 

采用可靠性分析及寿命检验的经典理论——威布尔分布，根据已有的供能激光器的历史运行统计数据，例如根据一年之间对N台有源电子式电 流互感器的监测数据，拟合出威布尔函数的曲线如图5所示，从而建立供能激光器寿命模型。模型具体建立过程如下： 

1、确定二参数威布尔分布函数。二参数威布尔失效函数的形式为： 

λ(t)＝mt^m-1

式中λ(t)为失效率即故障率，m为根据历史统计数据求出的估计值，决定威布尔函数曲线形状，t为供能激光器的工作时间。 

2、根据历史统计数据，确定m值。假设t时间的故障数率为λ(t)，m的估计值为： 

$\hat{m}=\frac{{\&Integral;}_0^T\ln t\ln \mathrm{\&lambda;}\left(t\right)-\frac{1}{{\&Integral;}_0^{T}t}{\&Integral;}_0^T\ln t{\&Integral;}_0^T\ln \mathrm{\&lambda;}\left(t\right)}{{\&Integral;}_0^T{\left(\ln t\right)}^2-\frac{{\left({\&Integral;}_0^T\ln t\right)}^2}{{\&Integral;}_0^{T}t}}+1$

在计算m的估计值过程中，根据实际情况，可以将时间离散化。 

3、根据步骤1和2确定威布尔函数曲线，即为供能激光器寿命模型，根据某地区对在运有源电子式电流互感器运行的一年统计数据，建立的具体寿命模型实例如图5所示。根据这一模型，可以对该地区的有源电子式电流互感器寿命进行预测。 

需要补充说明的是，因为供能激光器的寿命还与工作环境有关，如温湿度、海拔等，故某一具体模型只能作为该特定地区在运有源电子式互感器的预测依据。 

上述寿命预测的具体实施方式为： 

1、确定被监测的供能激光器其历史总运行时间。假设被监测供能激光器历史总运行时间为t，t处于图5中威布尔函数曲线的A点，即被监测的供能激光器的寿命状态在威布尔函数曲线的A点。 

2、求A点故障率，即作出寿命预测。A点的故障率用图解法或者解析 法可以得到。 

3、根据预测结果作出决策。例如A点的故障率为0.175，即供能激光器在运行了t时间后，发生故障的概率为0.175，参考这一故障率决策是否更换供能激光器。 

需要补充说明的是，从图5可以看出，在供能激光器投入运行初期，故障率也比较高，但一般在出厂老化实验时已经做了筛选，故不用考虑。 

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。 

Claims (5)

1.一种有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***，包括电流传感模块、通信总线和监测计算机；

电流传感模块包括电流传感器、直流电源、微处理器和通信协议转换接口；

传感器直流电源作为电流传感模块的工作电源，电流传感器安装于合并单元直流电源给合并单元供电的进线处，以测量合并单元直流电源的电流大小；

微处理器的信号处理接口与电流传感器电连接，微处理器与通信协议转换接口连接，通信协议转换接口通过通信总线与监测计算机的通信接口连接，监测计算机的网口与合并单元的网口连接；微处理器用于对电流传感器的输出信号进行初步处理，通信协议转换接口起到电平转换和通信协议转换作用；

电流传感器所测量的合并单元直流电源的电流数据经通信总线传至监测计算机；监测计算机还通过其网口获取当前一次母线中的电流值，并根据所获得的电流数据和电流值对供能激光器的状态进行分析。

2.根据权利要求1所述的有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***，其特征在于，所述监测计算机用于对获取数据进行处理，判断供能激光器的工作状态，并根据建立的供能激光器寿命模型，做出寿命预测用于辅助状态检修。

3.根据权利要求2所述的有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***，其特征在于，所述对获取数据进行处理的方式为：将无关联的合并单元直流电源电流数据和一次母线电流值相结合，以概率论方法判断供能激光器的工作状态，并根据建立的供能激光器寿命模型，做出寿命预测用于辅助状态检修。

4.一种用于权利要求1所述的有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***的数据处理方法，其特征在于，该方法由所述监测计算机完成，其工作过程为：

第1步确定各变量的先验分布：

供能激光器的先验概率p服从伯努利分布，假设分布函数为P；p’为待求的供能激光器的后验概率，I₀是实验获得的供能激光器启动时合并单元的直流电源的电流值，I₁是有源电子式电流互感器的设计参数；

第2步确定供能激光器启动的条件：

在不考虑临界情况下，供能激光器启动的条件是直流电源的电流I_x大于I₀，此时一次母线(4)中的电流I_y小于I₁；

第3步由贝叶斯公式计算供能激光器启动的概率p’；

第4步根据启动的概率p’判断供能激光器的工作状态；

第5步根据建立的供能激光器寿命模型做出寿命预测。

5.根据权利要求4所述的有源电子式电流互感器的复合供能非接触在线监测***的数据处理方法，其特征在于，第5步采用威布尔分布，根据供能激光器的历史运行统计数据和被监测供能激光器的历史数据，对被监测的供能激光器进行寿命分析。