CN102062838A - 220kV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置 - Google Patents

Abstract

一种220kV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其电流互感器与信号转换电路电连接，电流互感器、信号转换电路和光电隔离电路均具有N个，信号转换电路与CPLD电路电连接，CPLD内部具有数字滤波模块、逻辑分析模块、有限状态机和状态输出模块，数字滤波模块采集数据输入，数字滤波模块与逻辑分析模块连接，逻辑分析模块与有限状态机连接，有限状态机与状态输出模块连接，逻辑分析模块与状态输出模块连接，状态输出模块输出信号，该输出信号经由8位总线驱动器后进入光电隔离电路，N为6的整数倍。本发明能实现在线检测工作状态，当冷却系统发生故障时，能够提供故障详细信息。

Description

220kV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置

技术领域

本发明涉及一种220kV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置。

背景技术

电力变压器是变电所最关键的一次设备，也是电力系统的关键设备，其主要功能是将电力系统中的电能电压升高或降低，以利于电能的合理输送、分配和使用。电力变压器能否正常工作和可靠运行，对电力的合理输送、分配和使用至关重要。高压大型电力变压器都有冷却系统，使变压器工作产生的大量热量散发，降低温升，保证变压器长期安全工作。冷却系统有油浸风冷，强迫油循环风冷、油浸水冷和强迫油循环水冷等。目前，国内220kV及以上变电站的主电力变压器一般均采用强迫油循环风冷冷却系统，其冷却系统控制装置采用接触器、中间继电器、时间继电器等有触点继电器接触器逻辑系统实现对冷却器进行投入或切除控制，不能在线检测工作状态，当冷却系统发生故障时,也不能提供故障详细信息。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能实现在线检测工作状态，当冷却系统发生故障时，能够提供故障详细信息的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置。

本发明实现上述目的的技术方案是，一种220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其创新点在于：包括电流互感器、信号转换电路、CPLD电路和光电隔离输出电路，所述电流互感器、信号转换电路和光电隔离电路均具有N个，所述第一电流互感器与第一信号转换电路电连接，所述第二电流互感器与第二信号转换电路电连接，……，所述第N电流互感器与第N信号转换电路电连接，所述信号转换电路与CPLD电路电连接，所述CPLD电路包括CPLD，所述CPLD内部具有数字滤波模块、逻辑分析模块、有限状态机和状态输出模块，所述数字滤波模块采集数据输入，所述数字滤波模块与逻辑分析模块连接，逻辑分析模块与有限状态机连接，有限状态机与状态输出模块连接，所述逻辑分析模块与状态输出模块连接，所述状态输出模块输出信号，且该输出信号经由8位总线驱动器后进入光电隔离电路，所述N为6的整数倍。

所述信号转换电路包括放大电路、全波整流电路和电平调整滤波电路，所述放大电路通过电容器C2耦合到全波整流电路，所述全波整流电路与电平调整滤波电路电连接。 

所述放大电路包括运算放大器OPA1、电阻R2、电阻R3和电容C1，所述运算放大器OPA1的负输入端与电阻R2的另一端和电阻R3的一端连接，电阻R2的一端与电容C1连接。

所述全波整流电路包括运算放大器OPA2及二极管D1，二极管D2，电阻R4，电阻R5，电阻R6，所述运算放大器OPA2的负输入端与电阻R5的另一端和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与电阻R5的另一端连接。

所述电平调整滤波电路包括运算放大器OPA3及电阻R7，电阻R8和电容C3，所述运算放大器OPA3的负端与电阻R7、电阻R8连接，电阻R8与电容C3并联。

所述8位总线驱动器具有两个，分别为第一8位总线驱动器和第二8位总线驱动器，所述第一8位总线驱动器的引脚A2~A7与CPLD的输出信号引脚OA1~OA6相连接，所述第二8位总线驱动器的引脚A0~A5 与CPLD的输出信号引脚OB1~OB6相连接，所述CPLD的输出信号引脚OA1~OA6识别过流信号输出，输出信号引脚OB1~OB6识别缺相信号输出。

所述第一8位总线驱动器和第二8位总线驱动器均选用74HC245。

所述光电隔离电路包括光电耦合器、电阻和晶体三极管，所述光电耦合器的输入分别连接电阻和晶体三极管，光电耦合器的输出连接有输出接口。

所述光电耦合器选用TLP521-4的器件。

所述CPLD选用型号为EPM7128SLC84-15的器件。

本发明由于数据采集控制电路采用了硬件工作方式的CPLD，因此具有连续快速数据采集能力并且在强电磁干扰环境下能够稳定可靠工作，模块化的结构能够适应不同规模的电机集群，本装置在电力系统主变压器冷却系统中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的电流互感器和信号转换电路的电路连接图；

图3为本发明的数据采集控制电路和8位总线驱动器的电路连接示意图；

图4为本发明的光电耦合电路的电路连接图；

图5为本发明的CPLD内部数字滤波模块、逻辑分析模块、有限状态机和状态输出模块连接关系图。

[图2中：CT：小型精密电流互感器； R1-R8：普通电阻器；C1，C3：电解电容器；C2：无极性电容器；D1-D4：晶体二极管；VR1，VR2：电位器；OPA1-OPA3：运算放大器；图3中：R1-R26：普通电阻器；U1：CPLD   EPM7128SLC84-15； U2，U3：8位总线驱动器 74HC245；JK：电源接口；图4中：R1，R2：普通电阻器；T： 晶体三极管；U1A：光电耦合器（1个电路模块封装4个光电耦合器）；JM：输出接口]。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细描述。

如图1、4、5所示，一种220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，包括电流互感器1、信号转换电路2、CPLD电路3和光电隔离输出电路4，所述电流互感器1、信号转换电路2和光电隔离电路4均具有N个，所述第一电流互感器1-1与第一信号转换电路2-1电连接，所述第二电流互感器1-2与第二信号转换电路2-2电连接，……，所述第N电流互感器1-N与第N信号转换电路2-N电连接，所述信号转换电路2与CPLD电路3电连接，所述CPLD电路3包括CPLD U1，所述CPLD UI内部具有数字滤波模块U1-1、逻辑分析模块U1-2、有限状态机U1-3和状态输出模块U1-4，所述数字滤波模块U1-1采集数据输入，所述数字滤波模块U1-1与逻辑分析模块U1-2连接，逻辑分析模块U1-2与有限状态机U1-3连接，有限状态机U1-3与状态输出模块U1-4连接，所述逻辑分析模块U1-2与状态输出模块U1-4连接，所述状态输出模块U1-4输出信号，且该输出信号经由8位总线驱动器后进入光电隔离电路4，所述N为6的整数倍。

     所述信号转换电路2包括放大电路21、全波整流电路22和电平调整滤波电路23，所述放大电路21通过电容器C2耦合到全波整流电路22，所述全波整流电路22与电平调整滤波电路23电连接。 

所述放大电路21包括运算放大器OPA1、电阻R2、电阻R3和电容C1，所述运算放大器OPA1的负输入端与电阻R2的另一端和电阻R3的一端连接，电阻R2的一端与电容C1连接。

所述全波整流电路22包括运算放大器OPA2及二极管D1，二极管D2，电阻R4，电阻R5，电阻R6，所述运算放大器OPA2的负输入端与电阻R5的另一端和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与电阻R5的另一端连接。

所述电平调整滤波电路23包括运算放大器OPA3及电阻R7，电阻R8和电容C3，所述运算放大器OPA3的负端与电阻R7、电阻R8连接，电阻R8与电容C3并联。

所述8位总线驱动器具有两个，分别为第一8位总线驱动器U2和第二8位总线驱动器U3，所述第一8位总线驱动器U2的引脚A2~A7与CPLD U1的输出信号引脚OA1~OA6相连接，所述第二8位总线驱动器U3的引脚A0~A5 与CPLD U1的输出信号引脚OB1~OB6相连接，所述CPLD U1的输出信号引脚OA1~OA6识别过流信号输出，CPLD U1的输出信号引脚OB1~OB6识别缺相信号输出。所述第一8位总线驱动器U2的输出信号引脚B2~B7分别与第一光电隔离电路4-1、第二光电隔离电路4-2、……、第N光电隔离电路4-N（N=6）电连接，所述第二8位总线驱动器U3的输出信号引脚B0~B5分别与另外六个光电隔离电路4电连接。

所述第一8位总线驱动器U2和第二8位总线驱动器U3均选用74HC245。

所述光电隔离电路4包括光电耦合器U1A、电阻和晶体三极管T，所述光电耦合器U1A的输入分别连接电阻和晶体三极管T，光电耦合器U1A的输出连接有输出接口JM。

所述光电耦合器U1A选用TLP521-4的器件。

所述CPLDU1选用型号为EPM7128SLC84-15的器件。

本发明是针对一台主变配置多组油泵风扇，组成油泵风机电机集群的冷却系统，以大规模集成电路CPLD（复杂可编程逻辑器件）为核心单元，对油泵风机电机集群工作数据进行连续实时采集，实现冷却器电机的过载、缺相和短路等的工作状态检测和故障定位，为变压器的冷却控制和安全运行提供实时数据。本装置系统组成如图1所示，图中a，b，c为电机三相电源线，A为电机过流（过载或短路）输出信号，B为电机缺相输出信号，N为电机的数量，可根据主变压器冷却系统电机集群规模确定。本装置用于220KV主变，冷却系统设置4组油泵风机机组，每组1台油泵，2台风扇，电机数为：4×3=12。为提高数据采集系统的可靠性，本装置以6台电机作为一个采集单元，即以N=6做成一个独立的数据采集模块，对于220KV主变冷却系统的12台电机，采用2个数据采集模块即可。对于2台及以上的主变压器冷却系统，其电机集群规模成倍扩大，只需要适当增加数据采集模块，使接口数量与电机数量相匹配。若冷却系统实际电机数量为M，则匹配条件可表示为：模块数量≥M/6。整个数据采集系统的连续数据采集和处理能力与单个模块完全相同。图中CPLD是本装置的核心，主要功能是实现数据采集的智能控制。其中设计了数字滤波模块、逻辑分析与故障定位模块、状态识别和状态输出模块。数字滤波模块对输入信号进行滤波，滤除信号中的干扰分量，以得到准确可靠的检测信号。逻辑分析模块对三相电机的各分相进行逻辑分析比较，对缺相、过流等故障性质进行判断并建立定位信息。状态识别和状态输出：将各分相逻辑分析结果组合成对应三相电机的工作状态，形成电机集群的工作状态并通过输出逻辑输出，对于故障状态的电机在输出状态中附加定位信息。（如图5所示）状态输出函数为f=(s1(a1,b1,c1,d1),s2(a2,b2,c2,d2)，…si(ai,bi,ci,di)，…sn(an,bn,cn,dn))，其中n为集群中电机数量，ai，bi，ci数据宽度为2bit ，分别表示正常(01)，过流(10)，缺相(11)；di为表示定位信息的2 bit数据：01表示a相故障，10表示b相故障，11表示c相故障。

数据采集是弱信号检测，为增强系统的抗干扰性能，本装置采用外接开关稳压电源的供电方式。

图2是三相电机中的一相电流互感器信号转换电路图；图2中端口i1和i2串联接入电机的驱动电源线路。电机工作电流经过互感器变换后的微小信号，由运算放大器OPA1及R2，R3，C1组成的放大电路进行信号放大，并由C2耦合到后级。运算放大器OPA2及D1，D2，R4，R5，R6组成全波整流电路，将前级产生的交流信号变换成直流信号，并由R7传送到后级。运算放大器OPA3及R7，R8，C3组成电平调整和滤波电路，减小输出直流信号的波动并使输出电平保持在0-10V范围内。D3，D4，VR1，VR2组成输出分路和电平调整电路，端口A输出过流信号，端口B输出缺相信号，输出信号电平调整在CPLD的I/O端口要求的0-5V电压范围内。

图3中标号IA1-IA18为电机过流信号输入，标号IB1-IB18为电机缺相信号输入，其中A、B标号序号相同的每3个标号所标识的CPLD输入信号引脚为一台电机的输入信号，即IA1/IB1，IA2/IB2，IA3/IB3分别为第1台电机的过流/缺相信号输入，以此类推，IA16/IB16，IA17/IB17，IA18/IB18分别为第6台电机的过流/缺相信号输入，上述输入线分别与18个相同的图2所示的电流互感器信号转换电路相连接。CPLD输出信号引脚标号OA1-OA6与OB1-OB6分别标识6台电机的过流/缺相信号输出，此信号经过2个8位总线驱动器后，输出的A1-A6（过流信号）与B1-B6（缺相信号）分别连接12个相同的图4所表示的光电隔离电路。

图4中，标号A_B标识的输入信号来自图3中的A1-A6/B1-B6，晶体三极管T与R1，R2组成光电耦合器驱动电路，当电机集群中有电机发生故障时，输入信号为高电平，三极管T导通，驱动光电耦合器输出信号；当输入信号为低电平时，三极管T截止，光电耦合器无输出信号表示电机集群处于正常工作状态。

Claims (10)

1.一种220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于：包括电流互感器（1）、信号转换电路（2）、CPLD电路（3）和光电隔离输出电路（4），所述电流互感器（1）、信号转换电路（2）和光电隔离电路（4）均具有N个，所述第一电流互感器（1-1）与第一信号转换电路（2-1）电连接，所述第二电流互感器（1-2）与第二信号转换电路（2-2）电连接，……，所述第N电流互感器（1-N）与第N信号转换电路（2-N）电连接，所述信号转换电路（2）与CPLD电路（3）电连接，所述CPLD电路（3）包括CPLD（U1），所述CPLD（UI）内部具有数字滤波模块（U1-1）、逻辑分析模块（U1-2）、有限状态机（U1-3）和状态输出模块（U1-4），所述数字滤波模块（U1-1）采集数据输入，所述数字滤波模块（U1-1）与逻辑分析模块（U1-2）连接，逻辑分析模块（U1-2）与有限状态机（U1-3）连接，有限状态机（U1-3）与状态输出模块（U1-4）连接，所述逻辑分析模块（U1-2）与状态输出模块（U1-4）连接，所述状态输出模块（U1-4）输出信号，且该输出信号经由8位总线驱动器后进入光电隔离电路（4），所述N为6的整数倍。

2.根据权利要求1所述的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于：所述信号转换电路（2）包括放大电路（21）、全波整流电路（22）和电平调整滤波电路（23），所述放大电路（21）通过电容器C2耦合到全波整流电路（22），所述全波整流电路（22）与电平调整滤波电路（23）电连接。

3.根据权利要求2所述的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于：所述放大电路（21）包括运算放大器OPA1、电阻R2、电阻R3和电容C1，所述运算放大器OPA1的负输入端与电阻R2的另一端和电阻R3的一端连接，电阻R2的一端与电容C1连接。

4. 根据权利要求2所述的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于： 所述全波整流电路（22）包括运算放大器OPA2及二极管D1，二极管D2，电阻R4，电阻R5，电阻R6，所述运算放大器OPA2的负输入端与电阻R5的另一端和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与电阻R5的另一端连接。

5. 根据权利要求2所述的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于：所述电平调整滤波电路（23）包括运算放大器OPA3及电阻R7，电阻R8和电容C3，所述运算放大器OPA3的负端与电阻R7、电阻R8连接，电阻R8与电容C3并联。

6.根据权利要求1所述的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于： 所述8位总线驱动器具有两个，分别为第一8位总线驱动器（U2）和第二8位总线驱动器（U3），所述第一8位总线驱动器（U2）的引脚A2~A7与CPLD（U1）的输出信号引脚OA1~OA6相连接，所述第二8位总线驱动器（U3）的引脚A0~A5 与CPLD（U1）的输出信号引脚OB1~OB6相连接，所述CPLD（U1）的输出信号引脚OA1~OA6识别过流信号输出，输出信号引脚OB1~OB6识别缺相信号输出。

7.根据权利要求6所述的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于：所述第一8位总线驱动器（U2）和第二8位总线驱动器（U3）均选用74HC245。

8.根据权利要求6所述的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于：所述光电隔离电路（4）包括光电耦合器（U1A）、电阻和晶体三极管（T），所述光电耦合器（U1A）的输入分别连接电阻和晶体三极管（T），光电耦合器（U1A）的输出连接有输出接口（JM）。

9.根据权利要求8所述的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于：所述光电耦合器（U1A）选用TLP521-4的器件。

10.根据权利要求1所述的220KV主变油泵风机电机集群实时数据采集装置，其特征在于：所述CPLD（U1）选用型号为EPM7128SLC84-15的器件。

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