CN103196495A - 城乡供电线路真空分段开关故障预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城乡供电线路真空分段开关故障预警系统，包括真空分段开关的状态采集模块、故障预警终端装置、GSM移动通信网络、远程管理多个故障预警终端装置的监测主站，真空分段开关的状态采集模块包括三相电流互感器、湿度传感器、声波传感器、分合闸状态信号传感器；故障预警终端装置包括信号调理电路、A/D数据采集模块、控制芯片、通信模块、显示模块、键盘模块、电源模块、时钟模块、报警模块；监测主站包括内置GSM无线通信模块短信息接收终端装置、串口通信线路、通过串口通信线路与内置GSM无线通信模块短信息接收终端装置相连的工业计算机服务器、与工业计算机服务器相连接的故障显示装置，可以解决供电线路分段真空开关的故障预警问题，提高供电可靠性。

Description

城乡供电线路真空分段开关故障预警系统

 

技术领域

本发明涉及一种可以解决供电线路分段真空开关的故障预警问题，提高供电可靠性的基于GSM网络的城乡供电线路真空分段开关故障预警系统。

背景技术

随着国民经济的快速发展，农网的结构与布局日趋复杂，用电量不断的增加，对供电的可靠性及供电质量要求也越来越高。为了提高城乡电网运行的可靠性和安全性，需要在输电线路上，每隔一定距离，装设一套分段开关。一旦发生故障，可以分段隔离，便于尽早发现故障，进行检修。这样可以减少停电时间，缩小停电范围，提高供电的可靠性。

目前，在我国城乡电网应用了较多种类的分段开关是由真空断路器构成的，其应用效果较好。但由于该开关运行在户外，受到风刮、日晒、雨淋、污染等恶劣环境的影响，常发生以下故障：（1）灭弧室真空度下降。若不能及时发现，在开断大的短路电流时就有可能造成真空灭弧室爆炸，造成断路器整体炸裂。（2）由于箱体密封性能下降，箱体内部凝露或进水、污染等，造成箱体内部导体对地放电或短路。如果长时间运行，将引起火灾。

真空分段开关因其特殊地安装环境和应用方式，它不像户内开关那样可以进行真空度及凝露监测预防，目前，针对我国城乡供电线路的分段真空开关的运行状态检测与故障预警技术相对落后，没有现成的解决方案，主要靠人工现场巡检故障，工作量大，巡检周期长，往往是一台分段开关安装后，几年内无人问津，只有当断路器发生了事故才去处理，影响了城乡工农业生产和人们的生活，而且对于一些潜在故障和轻微故障状态无法发现，影响了供电的可靠性和安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种解决供电线路分段真空开关的远程故障预警问题的基于GSM网络的城乡供电线路真空分段开关故障预警系统，能准确采集真空分段开关的状态信息，远程无线发送状态信息，辨识故障类型，预测故障情况。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种城乡供电线路真空分段开关故障预警系统，用于实时监测真空分段开关的运行状态，发现故障，辨识故障，包括真空分段开关的状态采集模块、故障预警终端装置、GSM移动通信网络、与故障预警终端装置之间通过GSM移动通信网络实现无线通信并且能够远程管理多个故障预警终端装置的监测主站，其特征在于：

所述真空分段开关的状态采集模块由多个传感器构成，包括三相电流互感器、湿度传感器、声波传感器、分合闸状态信号传感器，用于采集真空分段开关的三相电流、湿度、声音、分合闸状态信号；

所述故障预警终端装置包括信号调理电路、A/D数据采集模块、控制芯片、通信模块、显示模块、键盘模块、电源模块、时钟模块、报警模块；信号调理电路的输入端上连接有真空分段开关的状态采集模块，信号调理电路接收真空分段开关的状态采集模块采集到的三相电流、湿度、声音、分合闸状态信号，并转换成标准信号送入A/D数据采集模块，A/D数据采集模块将模拟量转换成离散数字信号并送入控制芯片进行相关故障处理；所述的控制芯片与通信模块相连接，控制通信模块通过GSM移动通信网络向监测主站发送和接收GSM信息数据；电源模块、时钟模块和键盘模块分别与控制芯片的输入端相连接，向控制芯片提供电源、时钟信息和输入控制命令；所述的报警模块与控制芯片的输出端相连接，判断采集到的状态信号与正常工作状态信号不符时，所述报警模块以铃声报警；显示模块与控制芯片的输出端相连接，显示故障预警终端装置的各种状态信息；

所述监测主站包括内置GSM无线通信模块短信息接收终端装置、串口通信线路、通过串口通信线路与内置GSM无线通信模块短信息接收终端装置相连接的工业计算机服务器、与工业计算机服务器相连接的故障显示装置。监测主站与故障预警终端之间通过GSM移动通信网络实现无线通信；一个监测主站可以远程管理多个故障预警终端。

所述控制芯片单片机芯片，或者是DSP芯片，或者其他嵌入式芯片。

本发明具有如下积极效果： 

本发明实现了农网配电线路的真空分段开关的分／合闸状态、线路电流、开关相内湿度、带电体放电声波信号等参数的检测，以及对线路过负荷、开关箱内进水与结露、真空断路器的真空度恶化、导线对地放电等进行判断。并当真空分段开关运行异常或故障时，将其故障特征通过GSM短信方式将相关信息上报主站，为解决了供电线路分段真空开关的故障预警问题，提供一个手段。本发明的应用将便于尽早发现分段真空开关的故障，及时进行检修，可以减少停电时间，提高了农网配电线路的可靠性和安全性。

附图说明

图1 为本发明提供的一种真空分段开关故障预警系统图。

图2为本发明的故障预警终端装置的连接结构关系图。

图3 为本发明的监测主站的组成结构示意图。

图4 为本发明的具体实施方式中采用单片机实现的故障预警终端装置的连接结构关系图。

图5为本发明的具体实施方式中所提供的计算机与TC35的连接图。

图6为本发明的湿度传感器及信号调理电路的连接电路图。

图7为本发明的声波传感器及信号调理电路的连接电路图。

图8为本发明的电流传感器及调理电路的连接电路图。

图9为本发明的真空开关的分合闸状态传感器及调理电路的连接电路图。

具体实施方案

本发明的核心是提供一种用于检测真空分段开关故障的故障预警系统，该故障预警系统能够实现方便、高效地对多个真空分段开关进行状态监测和故障预警。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示,本发明所述的基于GSM网络真空分段开关故障预警系统用于实时监测真空分段开关的运行状态，发现故障，辨识故障，包括真空分段开关的状态采集模块1、与真空分段开关状态采集模块1相连接的故障预警终端装置2、GSM移动通信网络3、与故障预警终端装置之间通过GSM移动通信网络实现无线通信并且能够远程管理多个故障预警终端装置的监测主站4。基本工作原理为：真空分段开关状态采集模块1实时检测农网配电线路的真空分段开关的分／合闸状态、开关出线电流、开关箱内湿度、带电体放电声波信号等状态信息，并将这些信息送入故障预警终端装置2中；利用故障预警终端装置2中预置的故障算法程序，对线路过负荷、真空断路器的真空度是否恶化、导线是否对地放电等故障进行判断，对诊断出的故障结果一方面在故障预警终端装置2的显示装置上报警显示，另一方面通过GSM移动通信网络3将分段开关状态信息和故障信息以GSM无线短信方式传送给上级监测主站4，一个监测主站4可以远程管理多个故障预警终端2，实现监测主站4对多个不同地点的分段开关状态和故障信息进行汇总、分类和显示，以便集中由人工对故障进行及时处理。

本发明所述的基于GSM网络的城乡供电线路真空分段开关故障预警装置的功能有：（1）检测功能。实时检测农网配电线路的真空分段开关的分／合闸状态、三相线路电流、开关相内湿度、带电体放电声波信号等参数。（2）故障预警功能。通过算法程序，实现线路过负荷、开关箱内结露与进水、真空断路器的真空度恶化、导线对地放电等异常与故障现象的判断。（3）无线通信报警功能。一旦发现开关状态变位、以及开关运行出现异常和故障，故障预警终端自动通过GSM短信方式将相关信息上报主站。（4）主站可通过GSM短信方式了解故障预警终端的工作状态，以及获取分段真空开关的运行状态。

如图2所示，为本发明的故障预警终端装置的连接结构关系图。所述真空分段开关的状态采集模块1由多个传感器构成，包括三相电流互感器5、湿度传感器6、声波传感器7、分合闸状态信号传感器8，用于采集真空分段开关的三相电流、湿度、声音、分合闸状态信号。

所述故障预警终端装置2包括信号调理电路9、A/D数据采集模块10、控制芯片11、通信模块12、显示模块13、键盘模块14、电源模块15、时钟模块16、报警模块17；信号调理电路9的输入端上连接有真空分段开关的状态采集模块1，信号调理电路9接收真空分段开关的状态采集模块1采集到的三相电流、湿度、声音、分合闸状态信号，并转换成标准信号送入A/D数据采集模块10，A/D数据采集模块10将模拟量转换成离散数字信号并送入控制芯片11进行相关故障处理。

所述控制芯片11与通信模块12相连接，控制通信模块12通过GSM移动通信网络向监测主站4发送和接收GSM信息数据；电源模块15、时钟模块16和键盘模块14分别与控制芯片11的输入端相连接，向控制芯片11提供电源、时钟信息和输入控制命令；所述报警模块17与控制芯片11的输出端相连接，判断采集到的状态信号与正常工作状态信号不符时，所述报警模块17以铃声报警；显示模块13与控制芯片11的输出端相连接，显示故障预警终端2（故障预警终端装置）的各种状态信息。

控制芯片11可以是常规的单片机如80C51系列，或者DSP数字信号处理芯片如TI2812系列，或者其他微型控制芯片；或者其他嵌入式芯片。

故障预警终端2中集成的故障诊断程序的故障判别依据如下：

（1）、线路过负荷的判断。根据三相电流互感器送来的三相电流值。该任意一项电流值大于过负荷值时，则认为该线路过负荷。过负荷值根据实际线路的负荷情况而定。

（2）、开关箱内进水与结露的判断。根据湿度传感器送来信号的大小，按四个档次来确定开关箱内干燥、潮湿、结露、进水。

（3）、真空断路器的真空度恶化与导线对地放电的判断。根据1#、2#声波传感器送来电压值，判断真空断路器的真空度恶化与导线对地放电。

如图3所示，图3为上位监测主站4的组成连接示意图，所述监测主站4包括内置GSM无线通信模块短信息接收终端装置41、串口通信线路42、通过串口通信线路42与内置GSM无线通信模块短信息接收终端装置41相连接的工业计算机服务器43、与工业计算机服务器43相连接的故障显示装置44。

本系统在通讯方式上，为了节省一次投资，摒弃光纤通讯，采用基于GSM的无线通信网络传递讯息，当主站需要了解故障预警终端2的工作状态和获取分段真空开关的运行状态时，可通过GSM无线短信方式呼唤故障预警终端。一个监测主站4可以远程管理多个故障预警终端2，实现监测主站4对多个不同地点的分段开关状态和故障信息进行汇总、分类和显示，以便集中由人工对故障进行及时处理。

下面给出部分模块的实现实例：

1、故障预警终端：

故障预警终端对功能要求较高,而且存在着较繁重的计算任务。为此，如图2、4所示，控制芯片11选用美国Microchip公司的高速CMOS处理器PIC18F4520单片机，其内部资源极其丰富。PIC18F4520具有以下特点：高速、内部采用哈佛总线结构和精简指令集(RISC)并结合流水线取指令方式，指令的执行速度比一般的单片机要快4～5倍；低功耗，PIC18F4520采用CMOS电路设计，并结合了诸多的节点特性，功耗很低；开发容易，完全支持MCC18编译器，MCC18几乎完全支持标准C，代码转换效率很高。PIC18F4520是一款采用纳瓦技术的40引脚增强型闪存单片机，它具有3个可编程外部中断，4个输入电平变化中断，2个捕捉/比较/PWM(CCP)模块和增强型捕捉/比较/PWM(ECCP)模块，主同步串口（支持3线SPI模式和I2C主从模式），增强型可寻址USART模块以及13路通道的10位A/D数据采集模块。

所述真空分段开关的状态采集模块1由多个传感器构成，包括三相电流互感器5（三相电流互感器TAa、TAb、TAc）、湿度传感器6、声波传感器7（1#、2#声波传感器）、分合闸状态信号传感器8，用于采集真空分段开关的三相电流、湿度、声音、分合闸状态信号；

故障预警终端2由单片机芯片11、时钟芯片16（时钟模块）、GSM模块12（TC35通信模块）、显示模块13、键盘输入模块（键盘模块14）、开关量输入电路、电源模块15、报警模块17几个部分构成。

其接线原理如下：

（1）、三相电流互感器（TAa、TAb、TAc）。主要用于判断线路是否过负荷。选用采用霍尔型，输出为0～5V。通过双绞线接到PIC18F4520单片机的模拟量输入引脚AN0～AN2。

（2）、湿度传感器。主要用于检测开关箱内是否进水与结露。该湿度传感器选用输出为0～5V信号，通过双绞线接到PIC18F4520单片机的模拟量输入引脚AN3。

（3）、1#、2#声波传感器。1#、2#声波传感器用来测试导体对地放电时的音频信号，当真空断路器的真空度恶化与导线对地放电时该传感器将输出对应电压信号。该传感器用于判断真空断路器的真空度是否恶化，决定灭弧室是否还能继续使用，同时判断各相对地的是否发生放电现象。用2个可以判断出哪一相真空断路器或线路出现异常。该传感器选用输出为0～5V信号，通过双绞线接到PIC18F4520单片机的模拟量输入引脚AN4、AN5。

（4）、分合闸状态信号传感器（光电耦合器），真空开关的分／合闸状态信号通过光电耦合器送至PIC18F4520单片机的模拟量输入引脚RC0。

（5）、单片机与TC35模块的通信接口电路。PIC18F4520单片机与TC35通过九针串口（RS232）相连接，见图4。

信号调理电路（9）由3个电流传感器、1个湿度传感器、2个声波传感器、1个分合闸状态信号传感器的输出电信号的变换电路组成。A/D数据采集模块（10）采用专用的A/D芯片AD1674，其输入信号由信号调理电路（9）提供，经过AD1674的模数转换，以数字信号的形式输出给单片机芯片（11）。

如图6所示，为本发明的湿度传感器及信号调理电路的连接电路图，图中虚线左侧为湿度传感器，虚线右侧为湿度信号调理电路。本发明的湿度传感器采用法国Humirel公司推出的一款电容式相对湿度传感器HS1100，它是一种基于电容原理的湿度传感器,相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在测试时，电容值随着空气湿度的变化而变化，为了有效地数据采集，可将电容值的变化转换成电压或频率的变化，即用555集成电路组成振荡电路，HS1100湿度传感器充当振荡电容，完成湿度到频率的转换。湿度的脉冲信号f经过后面的二极管D1整流、RC积分电路，得到随湿度变化的电压。由于信号比较微弱，再经过一个同向比例放大器把信号放大，最终把信号调理为0-5V的输出，通过引脚AN3送到A/D采集模块10。

如图7所示，为本发明的声波传感器及信号调理电路的连接电路图，图中虚线左侧为1#、2#声波传感器，虚线右侧为声波信号调理电路。本发明的真空开关内的声音信号采用对声音敏感的电容式驻极体话筒来采集。该电容式驻极体话筒即为声波传感器，其原理是：声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压经滤波放大后，被转化成0~5V的标准电压，送给AD数据采集模块。如图所示。输入信号为声音信号，通过XF-18D驻极体电容式微麦克风进行测量，输出信号经MAX4477构成的前置放大电路，得到0~5V的电压信号，送给A/D采集模块，进行电压A/D采样。

如图8所示，为本发明的电流传感器及调理电路的连接电路图，图中虚线左侧为三相电流传感器，虚线右侧为电流信号调理电路。本发明的分段开关的电流采用市场上常见的LT系列电流传感器LT100来采集电流，以A相为例，转换电阻RL计算公式：RL（Ω）＝Ua测量电压输出／I1 输出, 得到-5~+5V标准电压信号，通过引脚AN0、AN1、AN2送给A/D数据采集模块10采集信号。

如图9所示为本发明的真空开关的分/合闸状态传感器及调理电路的连接电路图，图中虚线左侧为分/合闸状态传感器，虚线右侧为合闸信号调理电路。由低通滤波电路和光电耦合电路构成。本发明将断路器辅助触点用作分/合闸状态传感器，即通过断路器辅助触点的信息，完成对断路器分闸、合闸状态的检测。当真空断路器处于合闸状态时，其辅助触点闭合，电路接通，发光二极管发光，光敏三极管导通，电路输出电压是0；当真空断路器处于分闸状态时，其辅助触点断开，电路没有接通，发光二极管不不发光，光敏三极管截止，电路输出电压是5V。真空开关的分/合闸状态检测电路的输出信号送至PIC18F4520单片机的数字量输入引脚RC0。

2、监测主站

监测主站4位于县局调度中心或变电站。监测主站的主要硬件设备为：一台作为监测主站服务器的工业计算机、内置GSM无线通信模块短信息接收终端和两者相连的串口线。如图5所示。其原理为：由TC35短信息接收终端，接收来自故障预警终端发来的故障预警信号，然后通过RS232串口线送给监测主站服务器。另一方面，主站需要了解故障预警终端的工作状态，以及获取分段真空开关的运行状态时，可通过TC35向故障预警终端发送呼唤信息。监测主站计算机采用9针D-SUB接头的RS232接口与TC35的连接。由于计算机的TXD和RXD电平为TTL逻辑电平，必须经过RS-232电平转换，将TTL电平转化成RS-232电平,才能和TC35进行串行通信。为此，使用了MAX232进行电平转换。可以根据需要通过软件控制TC35工作。

（1）、主站服务器基本配置：CPU Intel奔腾IV 2．4G高速处理器；硬盘80G用于数据库系统；内存高速512MB；显示器17英寸液晶显示器；操作系统为WINDOWS 2000 Server／WINDOWS XP。

（2）、主站服务器基本功能

① 实时接收故障预警终端发来的信息并分类保存；② 对远程终端进行状态监视；③ 管理数据库，并能够实时显示各故障预警终端的情况，打印备份的数据库。

（3）、GSM无线通信模块

GSM无线通信模块的核心芯片为TC35。TC35是SIEMENS公司推出的GSM专用调制解调器，它可在GSM网中完成语音、数据呼叫、短消息以及传真的传送。TC35具有标准的工业接口和完整的SIM卡阅读器，其性价比、可靠性都很高。

Claims (2)

1.一种城乡供电线路真空分段开关故障预警系统，用于实时监测真空分段开关的运行状态，发现故障，辨识故障，包括真空分段开关的状态采集模块（1）、故障预警终端装置（2）、GSM移动通信网络（3）、与故障预警终端装置之间通过GSM移动通信网络实现无线通信并且能够远程管理多个故障预警终端装置的监测主站（4），其特征在于：

所述真空分段开关的状态采集模块（1）由多个传感器构成，包括三相电流互感器（5）、湿度传感器（6）、声波传感器（7）、分合闸状态信号传感器（8），用于采集真空分段开关的三相电流、湿度、声音、分合闸状态信号；

所述故障预警终端装置（2）包括信号调理电路（9）、A/D数据采集模块（10）、控制芯片（11）、通信模块（12）、显示模块（13）、键盘模块（14）、电源模块（15）、时钟模块（16）、报警模块（17）；

信号调理电路（9）的输入端上连接有真空分段开关的状态采集模块（1），信号调理电路（9）接收真空分段开关的状态采集模块（1）采集到的三相电流、湿度、声音、分合闸状态信号，并转换成标准信号送入A/D数据采集模块（10），A/D数据采集模块（10）将模拟量转换成离散数字信号并送入控制芯片（11）进行相关故障处理；

所述控制芯片（11）与通信模块（12）相连接，控制通信模块（12）通过GSM移动通信网络向监测主站（4）发送和接收GSM信息数据；电源模块（15）、时钟模块（16）和键盘模块（14）分别与控制芯片（11）的输入端相连接，向控制芯片（11）提供电源、时钟信息和输入控制命令；所述报警模块（17）与控制芯片（11）的输出端相连接，判断采集到的状态信号与正常工作状态信号不符时，所述报警模块（17）以铃声报警；显示模块（13）与控制芯片（11）的输出端相连接，显示故障预警终端装置（2）的各种状态信息；

所述监测主站（4）包括内置GSM无线通信模块短信息接收终端装置（41）、串口通信线路（42）、通过串口通信线路（42）与内置GSM无线通信模块短信息接收终端装置（41）相连接的工业计算机服务器（43）、与工业计算机服务器（43）相连接的故障显示装置（44）。

2.根据权利要求1所述的城乡供电线路真空分段开关故障预警系统，其特征在于：所述控制芯片（11）是单片机芯片，或者是DSP芯片，或者其他嵌入式芯片。

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