技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力系统技术领域，特别是一种电气预警保护系统及方法。
背景技术
[0002] 在电力系统中，为了保证电气设备和线路的安全运行，必须使用继电保护技术，现有的继电保护技术是通过采集电气系统的
电流、
电压、
波形和
频率等参数，在这些电气参数异常时继电保护发出报警或进行故障
切除。尽管如此，现有的继电保护技术只能在电气参数严重异常时才能有所反应，往往不能给人们足够的时间来解决电气故障问题。当继电保护动作跳闸或误动后，造成电力系统停电；当继电保护拒动时，则会造成电力系统设备和线路损坏甚至系统瓦解，所以寄希望于保护尽可能少动作或不动作。
[0003] 电力系统的电气设备和线路在电气参数异常和故障之前，通常都是表现为电气绝缘老化或损伤的早期潜伏性
缺陷和故障，电力系统的电气设备和线路运行一段时间后，随着电气绝缘老化，电气损耗发热，电气负荷增加或设备堵转引起的过载和发热，漏或绝缘劣化引起的发热，电流电气机械强度变弱，引起电磁振动和发热等。发热意味着
温度升高，绝缘劣化和绝缘老化引起
电磁波变化，造成局部放电。早期潜伏性缺陷和故障发展到一定的阶段，就不潜伏了，通常会表现为电气参数异常，并继续发展成电气故障。目前的继电保护技术仅通过采集电流、电压、波形和频率等参数无法发现早期潜伏性缺陷和故障。如果能通过有效的技术措施发现早期潜伏性缺陷和故障，就可以提前预警，并对缺陷和故障点的
定位，再通过有计划的安排，对缺陷和故障点修复处理，就能在保护动作之前消除电气缺陷和故障。
[0004] 其次，现有保护监控技术的显示操作界面为
液晶显示面板，固定安装，显示内容少且不灵活，如果能升级显示界面为移动终端（智能手机），则显示界面更友好，显示更直观，更容易被人们接受。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：为了发现电气绝缘老化或损伤的早期潜伏性缺陷和故障，并找到缺陷和故障点，本发明提出了一种电气预警保护系统及方法。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：一种电气预警保护系统，包括电气主回路、电流互感器、电压互感器、N个非
接触式
传感器、电气预警保护模
块和显示终端，所述电流互感器和电压互感器接入电气主回路，所述电流互感器和电压互感器连接电气预警保护模块，所述N个非接触式传感器未接入电气主回路，所述N为大于1的自然数，所述N个非接触式传感器连接电气预警保护模块，所述电气预警保护模块连接显示终端。
[0007] 进一步的，所述N个非接触式传感器包括温湿度红外传感器、特高频传感器、
超声波传感器和视频
探头。
[0008] 进一步的,所述温湿度红外传感器、特高频传感器、
超声波传感器和视频探头集成在一个测量盒子里形成一个多物理量综合传感器，所述测量盒子具有一个485串口或以太网口或无线通讯模块，所述测量盒子设置在电气设备和线路所在的空间里，所述温湿度红外传感器、特高频传感器、
超声波传感器和视频探头通过所述485串口或以太网口或无线通讯模块连接到电气预警保护模块。
[0009] 进一步的，电气预警保护模块包括电源单元、第一
信号输入单元、第二信号输入单元、第一信号变换单元、第二信号变换单元、运算单元、同步时钟模块、定值管理单元、分析诊断单元、设置单元、通讯单元、存储单元、结果输出单元、显示单元以及预警报警和保护动作单元，所述电压互感器的信号、电流互感器的信号以及外部
输入信号连接第一信号输入单元，所述N个非接触式传感器的信号连接第二信号输入单元，所述第一信号输入单元连接第一信号变换单元，所述第二信号输入单元连接第二信号变换单元，所述第一信号变换单元和第二信号变换单元连接运算单元，所述同步时钟模块、定值管理单元、分析诊断单元、设置单元和通讯单元均连接运算单元，所述同步时钟模块连接定值管理单元再连接分析诊断单元，所述设置单元连接通讯单元，所述分析诊断单元和通讯单元均连接存储单元， 所述存储单元和通讯单元均连接结果输出单元，结果输出单元连接预警报警和保护动作单元；所述的电源单元给上述的各单元提供工作电源，所述的显示单元作为
人机界面显示图谱、图像、输出画面和操作画面。
[0010] 进一步的，所述显示终端采用移动式显示终端，通过无线网与电气预警保护模块连接。
[0011] 本发明还包括了一种电气预警保护方法，具体包括以下过程：采用电流互感器和电压互感器采集电气主回路电流信号和电压信号，传输给电气预警保护模块；
采用N个非接触式传感器采集电力系统内电气设备和线路的信号，所述N为大于1的自然数，传输给电气预警保护模块，所述N个非接触式传感器不接入电气主回路；
电气预警保护模块建立相关的运算模型，计算电流互感器、电压互感器和N个非接触式传感器采集的信号；将运算模型的输出值与环境数据进行
相位同步，识别
干扰信号，实现缺陷和故障点的定位和报警。
[0012] 进一步的，所述N个非接触式传感器同时采集温湿度信号、特高频信号、超声波信号和
视频信号，所述温湿度信号、特高频信号、超声波信号和视频信号通过一个485串口或以太网口或无线通讯模块传输到电气预警保护模块。
[0013] 进一步的，所述定位和报警信号通过无线网传输给移动终端进行显示。
[0014] 与
现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明的技术方案采用电流互感器、电压互感器、智能温湿度红外传感器、特高频智能传感器、超声波传感器和视频探头等智能
感知方法，在接入电流、电压、波形和频率参数的同时，通过接入电力系统的电气设备和线路的温湿度、声（振动、声音、超声波）、光、电（特高频电磁波和电流脉冲）和视频等信号。通过融合和信息共享，在增加了电气缺陷和故障预警功能和达到现有的电气保护技术相同功能的前提下，增加了现有电气保护的判断依据，完善了现有电气保护的运算模型，增强了现有电气保护的保护功能，提高了电气保护的可靠性、选择性、灵敏性。还能借助视频信号，能够实时图像画面监控设备的操作状态和运行状态（边操作边观察电气设备的动作状态）。利用继电保护的
硬件配置，节约硬件成本，降低硬件的复杂性，提高电气预警保护技术的可靠性。
[0015] 另外，将现有电气保护的固定安装的显示操作界面为液晶显示面板，升级为内置专用APP的移动终端（智能手机），显示界面可移动更友好，显示更直观，除图谱分析外，还能显示实时视频图像，操作也更简便。
附图说明
[0016] 图1是本发明N个非接触式传感器分立的电气预警保护系统的结构示意图。
[0017] 图2是本发明将N个非接触式传感器多物理量综合的电气预警保护系统的结构示意图。
[0018] 图3是本发明电气预警保护模块的结构示意图。
[0019] 图4是接入主回路的电流电压互感器电气预警保护过程示意图。
[0020] 图5是N个非接触式传感器的电气预警保护过程示意图。
[0021] 图6是本发明电气预警保护系统的应用场景结构示意图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0023] 一种电气预警保护系统，包括电气主回路、电流互感器、电压互感器、N个非接触式传感器、电气预警保护模块和显示终端，所述电流互感器和电压互感器接入电气主回路，所述电流互感器和电压互感器连接电气预警保护模块，所述N个非接触式传感器未接入电气主回路，所述N为大于1的自然数，所述N个非接触式传感器连接电气预警保护模块，所述电气预警保护模块连接显示终端。在主回路中安装电流互感器和电压互感器，以便电气保护读取电气设备和线路的电气运行参数，电气保护技术根据其数学模型进行运算，一旦这些参数发生异常，达到保护设定值，电气保护将及时作出相应的反应；如图1所示，本实例除了采用现有的电流互感器和电压互感器（接入主回路）采集电流、电压、波形和频率参数外，同时还需要采用智能温湿度红外传感器、特高频智能传感器、超声波传感器和视频探头等（可组合成非接触式多物理量综合传感器），采集电力系统内电气设备和线路的温湿度、声（振动、声音、超声波）、光、电（特高频电磁波和电流脉冲）和视频等信号，这些信号可以是有线连接，也可以是无线传输，运用这些不需要接入电气系统主回路的感知技术，不会对主回路产生任何影响，将温湿度红外传感器、特高频智能传感器、超声波传感器和视频探头采集的信号通过运算、
相位同步、识别等过程，能将缺陷和故障点进行定位，在电气设备和线路还能正常工作的同时，提前检测出缺陷
位置。如图1所示，N个非接触式传感器可以分立设置；也可以将N个非接触式传感器的多物理量综合，形成多物理量综合传感器，如图2所示，所述温湿度红外传感器、特高频传感器、超声波传感器和视频探头集成在一个测量盒子里，即该测量盒子里具有一个非接触式多物理量综合传感器，所述测量盒子具有一个485串口或以太网口或无线通讯模块，所述盒子设置在电气设备和线路所在的空间里，所述非接触式多物理量综合传感器通过所述485串口或以太网口或无线通讯模块连接到电气预警保护模块。
[0024] 优选地，所述N个非接触式传感器包括温湿度红外传感器、特高频传感器、超声波传感器和视频探头。利用视频探头能够实时图像画面监控设备的操作状态和运行状态（边操作边观察电气设备的动作状态）。
[0025] 优选地，如图3所示，电气预警保护模块包括电源单元、第一信号输入单元、第二信号输入单元、第一信号变换单元、第二信号变换单元、运算单元、同步时钟模块、定值管理单元、分析诊断单元、设置单元、通讯单元、存储单元、结果输出单元、显示单元以及预警报警和保护动作单元，所述电压互感器的信号、电流互感器的信号以及外部输入信号连接第一信号输入单元，所述N个非接触式传感器的信号连接第二信号输入单元，所述电压互感器的信号和电流互感器的信号通过第一信号变换单元进行信号变换处理，N个非接触式传感器的信号通过第二信号变换单元进行信号变换处理，然后将变换后的
信号传输给运算单元，通过同步、与定值对比、运算、分析诊断，将运算结果进行存储并传输给结果输出单元，结果输出单元连接预警报警和保护动作单元执行相关结果。其中，如图4所示，电流互感器采集的电流信号和电压互感器采集的电压信号经过电流电压信号变换后，结合外部信号，进行信号去干扰过滤，提取记录数据A，并进行数据存储（存储单元进一步进行数据上传），提取的记录数据根据运算模型和保护判定要素进行信号分析，获得保护故障类型，并根据预警设定值进行保护动作趋势分析，如果没有超过定值，则将分析信号反馈给运算模型，如果超过定值则进行保护动作。另一方面，如图5所示，实时采集N个非接触式
传感器数据，并采集环境数据（背景值）和监测异常信号，将异常信号和背景值对比，如果有异常，则通过第二信号变换单元进行变换，进行信号去干扰过滤，提取记录数据B（提取记录数据A和提取记录数据B信息共享，提取记录数据A增加保护判定依据，提取数据记录B作为预警信号比较依据），并进行数据存储（存储单元进一步进行数据上传），提取的记录数据根据运算模型和缺陷判定要素进行信号分析，获得缺陷故障类型。通过采集的信号进行成像定位识别，相位同步，实现缺陷和故障定位（缺陷定位可以通过诊断方法和缺陷定位分析实现），通过N个非接触式传感采集的数据，在整个电力系统彻底不能用之前，就能通过数据体现出电力系统出现的小缺陷，这些小缺陷不会影响整个电力系统的运行。因此，这里进行缺陷发展趋势分析，根据预警设定值判断，如果未超过定值，将该分析信号反馈给运算模型，如果超过定值，则进行缺陷和故障的预警，并将预警进行数据的存储。
[0026] 优选地，所述显示终端采用移动式显示终端，通过无线网与电气预警保护模块连接。显示界面可移动更友好，显示更直观，除图谱分析外，还能显示实时视频图像，操作也更简便。
[0027] 基于电气预警保护系统，本发明还包括了一种电气预警保护方法，具体包括以下过程：采用电流互感器和电压互感器采集电气主回路电流信号和电压信号，传输给电气预警保护模块；
采用N个非接触式传感器采集电力系统内电气设备和线路的信号，所述N为大于1的自然数，传输给电气预警保护模块，所述N个非接触式传感器不接入电气主回路；N个非接触式传感器不会对主回路产生任何影响；
电气预警保护模块建立相关的运算模型，计算电流互感器、电压互感器和N个非接触式传感器采集的信号；将运算模型的输出值与环境数据进行相位同步，识别干扰信号，实现缺陷和故障点的定位和报警。
[0028] 优选地，所述N个非接触式传感器同时采集温湿度信号、特高频信号、超声波信号和视频信号，所述温湿度信号、特高频信号、超声波信号和视频信号通过一个485串口或以太网口或无线通讯模块传输到电气预警保护模块。N个非接触式传感器组成非接触式多物理量综合传感器，集成在一个测量盒子里，通过一个线路连接到电气预警保护模块。
[0029] 其中，利用智能温湿度红外传感器预警实施过程：循环检测
环境温度信号、循环探测电气设备温度升高信号、探测温度升高信号空间位置；将温度升高信号与环境温度信号的相对温差，进行对比分析，转换两个对应测点之间的温差与其中温度升高点的温升之比的百分数，输入数学模型；结合电气保护采集到的传导负荷电流、运行电压数据进行比较，利用电流和电压的致热效应，排除用电负荷增加或设备堵转引起的过载发热引起的温度升高，将相应的故障传送至电气预警保护模块，增加电气热保护依据;去除干扰信号；进行温度升高点的温升时间和空间的相位同步；记录温度升高点的温度连续数据；绘制连续温升曲线；诊断缺陷类型；分析诊断温升趋势；成像定位识别；对比设定的异常参数进行预警。
[0030] 其中，利用智能温湿度红外传感器的预警实施过程：循环检测环境湿度信号、循环探测电气设备内部空间的湿度升高信号、探测最大凝露空间位置；将湿度升高信号与环境湿度信号的
相对湿度差，进行对比分析，转换分析数据输入数学模型；记录湿度升高数据；绘制连续湿度升高曲线；分析诊断湿度升高和凝露趋势；将湿度升高和凝露趋势数据传送至电气保护，由电气保护启动除湿。判断缺陷类型（连接不良、受潮、绝缘缺陷）；对凝露位置进行成像定位识别；对异常凝露位置进行预警。
[0031] 其中，利用特高频智能传感器的预警实施过程：循环采集环境电磁波信号、循环采集电气设备或线路纳秒级电流脉冲和特高频电磁波信号；将环境电磁波信号和采集电气设备或线路电流脉冲和电磁波信号，进行对比分析；发现异常信号后，对检测到的信号进行变换；对变化后的信号进行抑制干扰，提高检测灵敏度，增加
信噪比；排除干扰源；排除外部静电干扰；抑制雷达和无线电广播等的连续周期性窄带干扰；抑制手机等的脉冲干扰；抑制电气设备和
电子元件等的白噪声干扰；从而完成信号过滤；对排除和抑制干扰后的异常信号进行数据记录和图谱记录，提取并记录数据，进行数据存储和数据上传；同时将某些数据与电气保护共享，增加电气保护判据；确认有异常电流脉冲和电磁波后，进行信号和图谱分析，并进行
数据处理，对不同缺陷特征参数进行识别；根据相位图谱特征判断异常信号与电源信号的相关性，确认是否是局部放电，判断缺陷类型；利用多通道的电磁波和光波传输的时间差（每纳秒0.33米），时间差在波形和图谱上计算，和类似卫星空间定位原理，对缺陷和故障点进行定位识别；利用视频探头对缺陷和故障点进行成像定位识别；根据信号幅值、上升沿时间、频率分布、波形特征、反射波时间来判断信号源的方向和相位，进行缺陷定位分析；进行局部放电点的相位同步；完成缺陷定位；分析诊断缺陷和故障的发展趋势；对比设定的异常参数进行缺陷和故障预警。
[0032] 其中，利用超声波传感器进行预警的实施过程：循环检测环境背景超声波信号、循环测量电气设备不同相别的超声波信号；将背景超声波信号和测量电气设备不同相别的超声波信号，进行对比分析；发现异常信号后，对检测到的信号进行变换；对变化后的信号进行抑制干扰，提高检测灵敏度，增加信噪比；对排除和抑制干扰后的异常信号进行数据记录和图谱记录，提取并记录数据，进行数据存储和数据上传；同时将某些数据与电气保护共享，增加电气保护判据；确认有信号的声音明显异常后，根据信号幅值、频率和带宽进行信号和图谱分析，并进行数据处理，对不同缺陷特征参数进行识别；根据相位图谱特征判断异常信号与电源信号的相关性，确认是否是局部放电，判断缺陷类型；利用多通道的超声波传输时间差（每纳秒0.33米），时间差在波形和图谱上计算，和类似卫星空间定位原理，对缺陷和故障点进行定位识别；利用视频探头对缺陷和故障点进行成像定位识别；根据不同相别信号的差异性、方向和位置来判断信号源的方向和相位，进行缺陷定位分析；进行局部放电点的相位同步；完成缺陷定位；分析诊断缺陷和故障的发展趋势；对比设定的异常参数进行缺陷和故障预警。
[0033] 其中，利用视频探头进行预警的实施过程：完成成像定位识别；确认温度升高点的设备元件信息；确认设备凝
露点的具体状况；确认特高频和超声波信号异常时的缺陷和故障点进行成像定位识别；根据需要随时观察设备的内部情况和线路的周围环境情况；观察电气设备操作过程中的动作状态和运行状态；采集需要的实时图像画面。
[0034] 优选地，所述定位和报警信号通过无线网传输给移动终端进行显示。显示界面可移动更友好，显示更直观，除图谱分析外，还能显示实时视频图像，操作也更简便。
[0035] 如图6所示，可以设置多个本发明的电气预警保护系统在电力系统里面，每个电气预警保护系统中，电流互感器和电压互感器采集主回路的电流、电压、波形和频率参数，以便电气保护读取电气设备和线路的电气运行参数，电气保护技术根据其数学模型进行运算，一旦这些参数发生异常，达到保护设定值，电气保护将及时作出相应的反应。在此
基础上，每个电气预警保护系统中采用N个非接触式传感器采集电气设备和线路中温湿度、声（振动、声音、超声波）、光、电（特高频电磁波和电流脉冲）和视频等信号，这些信号可以是有线连接，也可以使无线传输。采集的信号传输给
数据采集系统（有线或无线通信管理机或路由器），采集的数据上传到网络交换机和
服务器，网络交换机和服务器连接了报警器、北斗定位时钟接收器、显示终端、移动终端、规约转换器、UPS电源等，依靠
人工智能、
区块链技术、
物联网（互联网+）、
虚拟现实等技术，运用
大数据、
云计算平台，建立运算模型、计算电流互感器、电压互感器和N个非接触式传感器采集的信号；将运算模型的输出值与环境数据进行相位同步，识别干扰信号，实现缺陷和故障点的定位和报警。
[0036] 结合采集到的电气设备和线路的温湿度、声（振动、声音、超声波）、光、电（特高频电磁波和电流脉冲）和视频等信号，增加现有的电气保护技术的判断依据，升级并完善现有电气保护的运算模型，增强现有电气保护的保护功能，大幅提高电气保护的可靠性、选择性、灵敏性。
[0037] 结合采集到的视频信号，可以随时看到设备的内部情况和线路的周围环境情况，能够利用实时图像画面，可以边操作边观察电气设备的动作状态和运行状态。
[0038] 利用了当今的高科技智能传感器感知技术、无线自组网技术和多传感器信息融合技术，实现电气设备和线路缺陷和故障的本地监测及远程自动预警。
[0039] 另外，利用目前的移动手机技术，将现有电气保护的固定安装的显示操作界面（液晶显示面板），升级为移动终端（智能手机），显示界面可移动更友好，显示更直观，还能显示实时视频图像，操作也更简便。
[0040] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本
说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明
权利要求保护的范围。
