本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種微弱電流信號監(jiān)測系統(tǒng)，用于對運行中的設(shè)備進行故障的監(jiān)測。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)的安全運行離不開組成電力系統(tǒng)的設(shè)備，要求通過狀態(tài)監(jiān)測判斷其設(shè)備各個部件的運行狀態(tài)，識別故障的早期征兆，并采取相應(yīng)的措施避免故障的進一步惡化。但有些電力設(shè)備因結(jié)構(gòu)等原因，難以用一般方法對其進行監(jiān)測，故應(yīng)采用特殊的監(jiān)測方法。

為了提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及可靠性，有必要對電力系統(tǒng)設(shè)備檢測技術(shù)進行研究，并研制檢測平臺，提高現(xiàn)場事故搶修效率。電力設(shè)備故障可能有多種原因，其中大多伴隨著故障電流信號的出現(xiàn)，因此對故障電流信號的監(jiān)測非常重要。然而目前缺乏適用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、測量困難等設(shè)備的故障電流監(jiān)測的電流傳感器及監(jiān)測系統(tǒng)，如電力變壓器，卡板等，導(dǎo)致這些設(shè)備發(fā)生故障時無法及時定位，降低了其運行穩(wěn)定性和可靠性。針對電力系統(tǒng)中各種設(shè)備的運行故障，目前并沒有可行的監(jiān)測方案實施在線監(jiān)測與故障診斷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種微弱電流信號監(jiān)測系統(tǒng)，通過實時在線采集電流波形，分析平臺可以通過監(jiān)測電流進行參數(shù)計算、趨勢預(yù)測、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示，并采用EMD_HHT計算出歸一化時頻譜，提取故障特性量，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的綜合診斷，識別早期故障特征，并進行有效的故障診斷，以便采取預(yù)防措施，避免事故發(fā)生。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種微弱電流信號監(jiān)測系統(tǒng)，包括電流傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、積分器、電光轉(zhuǎn)換器、光纖、光電轉(zhuǎn)換器、分析平臺。電流傳感器的輸出直接傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行信號采集，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后采用積分器對其進行積分還原，積分后的數(shù)據(jù)輸出經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號，然后利用光纖傳輸至低壓端電路中，低壓端電路中的光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后傳輸給分析平臺進行分析處理。分析平臺用于對被監(jiān)測電流進行參數(shù)計算、趨勢預(yù)測、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示，并采用EMD-HHT時頻分析方法提取信號的特征，實現(xiàn)各分量的準(zhǔn)確提取。

所述電流傳感器采用方形結(jié)構(gòu)Rogowski線圈，其結(jié)構(gòu)是4根纏繞線圈的直線型Rogowski線圈，4根直線型線圈首尾相接，固定在環(huán)氧樹脂板上。

所述方形Rogowski線圈的結(jié)構(gòu)為：骨架為兩個半環(huán)形式，四個線圈分成兩組，分別位于兩個半環(huán)上，通過導(dǎo)線實現(xiàn)線圈輸出的相連；測量時，兩個半環(huán)可以打開，形成開合式結(jié)構(gòu)，從而可以方便的測量被測導(dǎo)線上的電流，無需導(dǎo)線斷開，可對工作中的設(shè)備實現(xiàn)測量。方形Rogowski線圈四個邊加在一起，電壓輸出為：

所述電流傳感器由兩個傳感器組成：第一傳感器①、第二傳感器②，每個傳感器由四個直線型線圈構(gòu)成一個方形結(jié)構(gòu)的Rogowski線圈，兩個傳感器骨架的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，不同點在于線圈匝數(shù)不一樣，第一傳感器①線圈匝數(shù)少為200匝，用于大電流的測量，第二傳感器②線圈匝數(shù)少為1000匝，用于小電流的測量，通過兩個線圈的配合實現(xiàn)寬動態(tài)范圍內(nèi)電流的精確測量。該監(jiān)測系統(tǒng)測量范圍廣，小電流時可測量毫安級，大電流時可測量百安級電流，精度高，應(yīng)用廣泛。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信號調(diào)節(jié)電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器FPGA芯片、電光轉(zhuǎn)換模塊連接組成，電流傳感器的輸出傳給信號調(diào)節(jié)電路，將其轉(zhuǎn)換成合適的大小，然后信號傳送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，然后在微處理器FPGA芯片中進行組幀處理，微處理器采用FPGA芯片作為核心處理器，對數(shù)據(jù)進行處理后，通過電光轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成光信號，然后傳至低壓端電路。

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為有源電路的設(shè)計，本發(fā)明采用電路較為簡單可靠的一次電流取能方式，保證良好測量準(zhǔn)確度的同時，并向高壓側(cè)信號采集系統(tǒng)電路供電。

所述積分器采用改進后的低頻增益特性的積分電路，這種積分器不僅適合實際應(yīng)用，且能較好的提高算法的精度和減弱低頻噪音。積分器的傳遞函數(shù)為：

本發(fā)明一種微弱電流信號監(jiān)測系統(tǒng)，技術(shù)效果如下：

1)電流傳感器，采用方形結(jié)構(gòu)Rogowski線圈，體積小，易于緊密加工和制作。通過對稱結(jié)構(gòu)的安裝設(shè)計，提高了測量精度，達(dá)到較高的測量準(zhǔn)確度和較大的動態(tài)范圍等要求。方形結(jié)構(gòu)Rogowski線圈骨架為兩個半環(huán)形式，四個線圈分成兩組，分別位于兩個半環(huán)上，通過導(dǎo)線實現(xiàn)線圈輸出的相連。測量時，兩個半環(huán)可以打開，形成開合式結(jié)構(gòu)，從而可以方便的測量被測導(dǎo)線上的電流，無需導(dǎo)線斷開，可對工作中的設(shè)備實現(xiàn)測量。

2)電流傳感器由兩個傳感器組成，每個傳感器由四個直線型線圈構(gòu)成方形結(jié)構(gòu)Rogowski線圈，兩個傳感器骨架的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，不同點在于線圈匝數(shù)不一樣，第一傳感器①線圈匝數(shù)少，用于大電流的測量；第二傳感器②匝數(shù)多，用于小電流的測量，通過兩個線圈的配合實現(xiàn)寬動態(tài)范圍內(nèi)電流的精確測量。

3)積分器采用改進后的低頻增益特性的積分電路，這種積分器不僅適合實際應(yīng)用，且能較好的提高算法的精度和減弱低頻噪音。

4)分析平臺可以通過監(jiān)測電流進行參數(shù)計算、趨勢預(yù)測、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示、故障診斷等。并且分析平臺含有故障診斷軟件的設(shè)計，通過EMD-HHT時頻分析提取信號的特征，區(qū)別正常特征和故障特征，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的綜合診斷，識別早期故障特征，及時對設(shè)備進行維修和更換。

5)本發(fā)明一種微弱電流信號監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)測量范圍廣，小電流時可測量毫安級，大電流時可測量百安級電流，精度高，應(yīng)用廣泛。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種微弱電流信號監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖。

圖2為本發(fā)明中電流傳感器示意圖。

圖3為本發(fā)明中方形結(jié)構(gòu)Rogowski線圈結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明中改進低頻增益的積分原理圖。

圖5為本發(fā)明中信號EMD-HHT分解圖。

圖6為本發(fā)明中電流傳感器誤差測試結(jié)果圖。

具體實施方式

一種微弱電流信號監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示，由電流傳感器1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2、積分器3、電光轉(zhuǎn)換器4、光纖5、光電轉(zhuǎn)換器6、分析平臺7等部分構(gòu)成。電流傳感器1的輸出直接傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2進行信號采集，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于電流傳感器1的輸出為電壓微分信號，為了消除頻率波動等因素的影響，需要對其進行積分還原。采用改進后的低頻增益特性的積分電路對其進行積分還原。積分器3的傳遞函數(shù)為：

上述公式中，各字母含義如圖4中所標(biāo)注。圖4中R_f＝1MΩ，R＝1kΩ，C＝100nF，C_f＝2.2uF，s為拉氏變換。

積分后的數(shù)據(jù)輸出經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換器4(E/O轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)換為光信號，然后利用光纖5傳輸至低壓端電路中。低壓端電路中的光電轉(zhuǎn)換器6件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后傳輸給分析平臺7進行分析處理。分析平臺7用于對被監(jiān)測電流進行參數(shù)計算、趨勢預(yù)測、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示等。分析平臺7采用筆記本電腦實現(xiàn)，利用Labview軟件編程，對被監(jiān)測電流信號進行分析計算。

Rogowski線圈具有動態(tài)范圍大、測量頻帶寬、無鐵磁飽和等優(yōu)點，適用于測量變化范圍較大的電流。本發(fā)明中采用方形結(jié)構(gòu)Rogowski線圈結(jié)構(gòu)，如圖3所示，基本結(jié)構(gòu)是4根纏繞線圈的直線型Rogowski線圈，4根直線型線圈首尾相接，固定在環(huán)氧樹脂板上。采用方形結(jié)構(gòu)Rogowski線圈，體積小，易于緊密加工和制作。通過對稱結(jié)構(gòu)的安裝設(shè)計，提高測量精度。由結(jié)果表1可知，電流傳感器誤差受影響較小，比差影響小于0.05％，角差影響小于0.3’，達(dá)到較高的測量準(zhǔn)確度和較大的動態(tài)范圍等要求。

表1位置影響測試結(jié)果

所述電流傳感器1由兩個傳感器構(gòu)成：第一傳感器①、第二傳感器②，每個傳感器由四個直線型線圈構(gòu)成一個方形結(jié)構(gòu)Rogowski線圈，骨架為如圖2所示：兩個半環(huán)形式，四個線圈分成兩組，分別位于兩個半環(huán)上，通過導(dǎo)線實現(xiàn)線圈輸出的相連。測量時，兩個半環(huán)可以打開，形成開合式結(jié)構(gòu)，從而可以方面的測量被測導(dǎo)線上的電流，無需導(dǎo)線斷開，可對工作中的設(shè)備實現(xiàn)測量。兩個線圈骨架的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，不同點在于線圈匝數(shù)不一樣，第一傳感器①線圈匝數(shù)為200匝，第二傳感器②線圈匝數(shù)為1000匝；第一傳感器①線圈匝數(shù)少，用于大電流的測量，第二傳感器②匝數(shù)多，用于小電流的測量，通過兩個線圈的配合實現(xiàn)寬動態(tài)范圍內(nèi)電流的精確測量。

方形結(jié)構(gòu)Rogowski線圈四個邊加在一起，電壓輸出：

其中u_out為傳感器輸出電壓，φ為傳感器中的磁通量，μ₀為真空磁導(dǎo)率，μ_r為直線型線圈骨架的相對磁導(dǎo)率(此處為1)，d為直線型線圈的橫截面直徑，N為傳感器線圈匝數(shù)，i(t)為被測一次電流。

一次額定電流為50A時，設(shè)計的Rogowski線圈取d＝3mm，l＝10mm，傳感器1線圈匝數(shù)N₁＝200匝，傳感器2線圈匝數(shù)N₂＝1000匝，此時兩個傳感器的輸出u_out分別為2.50mv和12.82mv。

電流傳感器1誤差測試結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看出，第一傳感器①在測量大電流時誤差較小，第二傳感器②則更適合測量小電流信號，因此當(dāng)測量電流結(jié)果大于1A時，以第一傳感器①的結(jié)果作為最終輸出結(jié)果；測量小于1A的電流時，以第二傳感器②的輸出結(jié)果作為最終輸出。

所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由信號調(diào)節(jié)電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器FPGA芯片、電光轉(zhuǎn)換模塊組成。電流傳感器的輸出傳給信號調(diào)節(jié)電路，將其轉(zhuǎn)換成合適的大小，然后信號傳送至A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，然后在微處理器中進行組幀處理等。微處理器采用FPGA芯片作為核心處理器，對數(shù)據(jù)進行處理后，通過電光轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成光信號，然后傳至低壓端電路。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2為有源電路的設(shè)計，目前對高壓側(cè)電路進行供能的方案有激光取能、一次電壓取能、一次電流取能?？紤]到激光取能裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高昂，長期工作可靠性和穩(wěn)定性有待提高，而電壓取能電路較復(fù)雜，本發(fā)明采用電路較為簡單可靠的一次電流取能方式，保證良好測量準(zhǔn)確度的同時，并向高壓側(cè)信號采集系統(tǒng)電路供電。

所述積分器3如圖4所示，采用改進后的低頻增益特性的積分電路，該積分器基本比較適合實際應(yīng)用，并且有較好的減弱低頻噪音。積分器的傳遞函數(shù)為：

上述公式中，各字母含義如圖4中所標(biāo)注。圖4中R_f＝1MΩ，R＝1kΩ，C＝100nF，C_f＝2.2uF，s為拉氏變換。

分析平臺7含有故障診斷軟件的設(shè)計，信號EMD-HHT分解圖如圖5所示，仿真結(jié)果表明，通過EMD-HHT時頻分析提取信號的特征，區(qū)別正常特征和故障特征，進行故障特征診斷，識別早期故障特征，及時對設(shè)備進行維修和更換。

本發(fā)明一種微弱電流信號監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計了一種可以方便開合的開合式線圈作為電流傳感器，電流傳感器由第一傳感器①、第二傳感器②組成，每個傳感器由四個直線型線圈構(gòu)成一個方形Rogowski線圈。第一傳感器①、第二傳感器②骨架的結(jié)構(gòu)和尺寸相同，但匝數(shù)不一樣，第一傳感器①的線圈匝數(shù)少，用于實現(xiàn)較大電流的測量；第二傳感器②線圈匝數(shù)多，用于實現(xiàn)微弱電流的測量。通過傳感器的配合，實現(xiàn)較大動態(tài)范圍內(nèi)電流的準(zhǔn)確測量。線圈輸出需要積分，為了提高精度，本發(fā)明中積分器3采用改進后的低頻增益特性的積分電路，這種積分器不僅適合實際應(yīng)用，且能較好的提高算法的精度和減弱低頻噪音。分析平臺7可以通過監(jiān)測電流進行參數(shù)計算、趨勢預(yù)測、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示，并采用EMD_HHT計算出歸一化時頻譜，提取故障特性量，實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的綜合診斷，識別早期故障特征，及時對設(shè)備進行維修和更換。