CN103197134B - 一种避雷器用在线数据采集装置 - Google Patents

Abstract

该发明属于一种电力系统避雷器用在线数据采集监测装置，包括脉冲输入接口电路，单片机，含时钟及Flash数据存储电路、隔离与数据传输电路、无线通信模块以及按键及液晶显示电路在内的数据传输通信模块，由三相相同电路结构组成的信号取样电路，由三相相同电路结构组成的泄漏电流放大整理电路以及由三相相同电路结构组成的同相电压信号放大整理电路，锁相环电路，ADC转换电路，电源电路。该发明具有功能全，性能稳定、可靠，实时性强，可对避雷器不停电的实时在线监测，及时发现避雷器的缺陷，有效提高电力部门安全管理避雷器的效率，特别是对野外偏远地区避雷器的工作状况进有效监测、以减少线路雷击停电等事故的发生，适应范围广等特点。

Description

一种避雷器用在线数据采集装置

技术领域

本该发明属于一种电力系统避雷器用在线数据采集监测装置。特别是一种监测避雷器电流电压各项参数指标及放电动作次数，并进行数据采集、分析、存储与传输的在线数据采集器。该采集器适合配套于6～500千伏电压等级的各式站内型及线路电力避雷器，监测避雷器工作运行状态，保障电网正常运行和电力设备安全。

背景技术

电力系统的避雷器的安全运行是整个电力系统安全运行的重要基础，避雷器在电网中运行时，如果其内部存在因制造不良、老化以及外力破坏造成的绝缘缺陷，会发生影响电力设备和电网安全运行的绝缘事故。目前，避雷器已经普遍配套了传统监测器和其改进产品如：公告号为CN201017462Y、发明名称为《避雷器动作计数远传器》所公开的包括脉冲输入接口电路、单片机电路、GSM模块接口及外围电路、电源电路在内的技术即为此类装置。该装置将现场显示避雷器的放电动作次数并将其远传，虽然具有结构简单，但功能单一，而且在数据传输通道上采用RS232串口通讯，不能满足目前国家电网通讯标准的要求，GSM在没有信号基站的情况下也存在失效及漏传的弊端。在避雷器数据采集功能方面，有的监测器虽然已经引入了计算机方式，但是由于技术不成熟，加之无统一或标准信息通路，至今大多数变电站无论是站内还是线路避雷器仍然是采用运行值班人员定期巡视记录的方式，因而存在人力物力花费大，且数据采集周期长，效率低，不能及时分析数据并报警等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，在背景技术基础上改进设计一种避雷器用在线数据采集装置，以便能够实时地将被监测的氧化锌避雷器的泄漏电流，包括全电流、阻性电流、三次谐波阻性电流、避雷器动作的放电时间、次数等参数进行自动记录并通过标准通讯协议准确及时地远程传输到电力系统服务管理中心或调度中心；达到有效提高电力部门安全管理避雷器的效率，对避雷器不停电的实时在线监测、特别是对野外偏远地区避雷器的实时在线监测，减少线路雷击停电事故等目的。

本发明避雷器用在线数据采集装置包括脉冲输入接口电路，单片机，数据传输通信模块，电源电路，关键在于该数据采集装置还包括由三相相同电路结构组成的信号取样电路，由三相相同电路结构组成的泄漏电流放大整理电路以及由三相相同电路结构组成的同相电压信号放大整理电路，锁相环电路，ADC转换电路，而数据传输通信模块则包含时钟及Flash数据存储电路、隔离与数据传输电路、无线通信模块以及按键及液晶显示电路；单片机分别通过数据线与脉冲输入接口电路、ADC转换电路、电源电路、时钟及Flash数据存储电路、通讯电路（总线）、无线通信模块以及按键及液晶显示电路连接，信号取样电路的输出端分别与脉冲输入接口电路的输入端及泄漏电流放大整理电路的输入端连接，泄漏电流放大整理电路及同相电压信号放大整理电路又分别通过数据线与ADC转换电路连接，锁相环电路通过其输入端及输出端分别与同相电压信号放大整理电路的输出端及ADC转换电路的输入端连接；整个装置工作时则通过信号取样电路的输入端口与三相电力避雷器的输出端连接、以接收其输出信号，通过同相电压信号放大整理电路的输入端口与三相电网连接，以分别接收避雷器的输出信号及三相电网的电压信号。

上述由三相相同电路结构组成的信号取样电路，每相均为两组、每组由三只二极管同向串联后再彼此反向并联组成的二极管取样电路。所述由三相相同电路结构组成的泄漏电流放大整理电路，每相电路均包括TVS管、仪表放大器、开关二极管、电压反馈运算放大器在内的一种运算放大整理电路。而所述由三相相同电路结构组成的同相电压信号放大整理电路，每相电路均包括TVS管、仪表放大器、开关二极管、电压反馈运算放大器在内的电压分压放大整理电路。所述锁相环电路，包括放大电路、施密特触发整流电路及锁相环集成电路。

本发明可实现：1.在线采集所设地点电力避雷器的动作次数及动作的精确时间，并自动记录数值；2.显示三相电网中单相避雷器的泄漏全电流、阻性电流、三次谐波阻性电流等，并通过采集泄漏电流信号，特别是阻性电流的计算反映出避雷器的真实工作状态和老化情况；3.通过直接与线路PT相连接，实时监测并真实显示电力系统线路出线端电压的具体数值；4.实时地将避雷器的泄漏电流、动作次数等数据通过485总线或无线模块远程传输到电力管理中心，从而极大地提高了电力部门安全管理避雷器的效率，减少了线路雷击停电事故，并克服了野外偏远地区的避雷器不能有效监测，且监测不够全面以及由此带来的诸多问题；5.嵌入到大型电力工业监控系统、无人值守智能电力系统中，使用统一的标准通讯协议，满足这些系统所需要的高可靠性、高实时性等要求，且性能稳定；

因而本发明具有功能全，性能稳定、可靠性高，适应范围广，实现了对避雷器不停电的实时在线监测，解决了传统避雷器用监测器功能单一无多项电流数据采集分析的弊端，能及时发现避雷器的缺陷并有效防止雷击停电事故，可有效提高电力部门安全管理避雷器的效率，实时性强，特别是对野外偏远地区避雷器的工作状况进有效监测、以减少线路雷击停电等事故的发生等特点。

附图说明

图1为本发明的电路原理结构示意图（方框图）；

图2为本发明具体实施方式电路结构及连接关系示意图；

图3为本发明具体实施方式脉冲输入接口电路102中各单相（Ma、Mb、Mc）脉冲输入接口电路图；

图4为本发明具体实施方式泄漏电流放大整理电路103和同相电压信号放大整理电路104中各单相电路图；

图5为本发明具体实施方式由放大电路、施密特触发整流电路及锁相环集成电路组成的锁相环电路。

图中：101.信号取样电路，102.脉冲输入接口电路，103.泄漏电流放大整理电路，104.同相电压信号放大整理电路，105锁相环电路，106.ADC转换电路，107.单片机，108.时钟及Flash数据存储电路，109.（485）通讯电路，110.无线通讯模块，111.按键及液晶显示电路，112.电源电路；201、202：分别为三相机电式在线监测器、三相电压互感器输入线。

具体实施方式

图2为本发明实施方式电路结构及连接关系示意图，其中：

信号取样电路101为三相电路，每相均为两组、每组由三只二极管1N5401同向串联后再彼此反向并联组成的二极管取样电路（图2中101虚线框内所示即为每相取样电路图）；取样所得的三相脉冲信号由数据线接入脉冲输入接口电路102的光耦绝缘芯片6N137，而泄漏电流信号则由数据线接入泄漏电流放大整理电路103的电流信号保护及仪表放大器INA128U_BB；

脉冲输入接口电路102本实施方式由三组附图3所示的电路组成，分别负责接入信号取样电路101输入的三相脉冲信号，每组电路包括瞬态抑制二极管（以下简称TVS管）P6KE20CA、光耦绝缘芯片6N137、双可再触发单稳态多谐振荡器SN74HC123N和六角施密特触发器逆变器SN74HC14N在内的光电隔离模块（电路）；其中TVS管与光耦绝缘芯片6N137并联、该芯片又与双可再触发单稳态多谐振荡器串联，双可再触发单稳态多谐振荡器SN74HC123N与六角施密特触发器逆变器SN74HC14N串联，输出信号接入单片机（SMT32F101VBT6）107；

泄漏电流放大整理电路103本实施方式由三相（组）与附图4所示相同的的电路组成、分别负责接入电路101输入的三相泄漏电流信号，每相电路包括型号为P6KE20CA的TVS管、精密低功耗仪表放大器INA128U_BB、开关二极管IN4148，电压反馈运算放大器OPA227U_BB在内的一种运算放大电路；其中TVS管与精密低功耗仪表放大器INA128U_BB并联，精密低功耗仪表放大器与开关二极管IN4148串联，开关二极管与电压反馈运算放大器OPA227U_BB串联；输出的电流信号由数据线与ADC转换电路106的AD转换芯片AD7656连接；

同相电压信号放大整理电路104本实施方式仍由三相与附图4所示相同的电路组成、通过数据线202分别接收由外部互感器采集的三相电网电压信号，每相电路均包括型号为P6KE20CA的TVS管、精密低功耗仪表放大器INA128U_BB、开关二极管IN4148，电压反馈运算放大器OPA227U_BB；其中TVS管与精密低功耗仪表放大器INA128U_BB并联，精密低功耗仪表放大器与开关二极管IN4148串联，开关二极管与电压反馈运算放大器串联OPA227U_BB，输出的电压信号由数据线分别输入到锁相环电路105中的的运算放大器TL082C和电路106的AD转换芯片AD7656；

锁相环电路105，附图5即为本实施方式锁相环电路图，主要包括运算放大电路TL082C，由开关二极管IN4148、四倍双输入与非门施密特触发器MC14093BCL、整流器T521-1、晶体小功率三极管9013组成的施密特触发整流电路，由CMOS锁相环集成块CD4046、14位二进制串行计数器CD4020、双单稳态触发器D4528、晶体小功率三极管9013组成的锁相环集成电路；其中运算放大电路TL082C接收经由电路104输出的电压信号，运算放大电路与施密特触发整流电路串联，施密特触发整流电路与锁相环集成电路串联，输出ADC启动信号由数据线接入ADC转换电路106的AD转换芯片AD7656；

ADC转换电路106，本实施方式采用型号为AD7656的AD转换芯片，该模拟数字转换IC是一款6通道，同步采样的AD转换芯片，可以非常准确的将输入的6个通道相关信号进行同步采样，并可同时接收来自泄漏电流放大整理电路103、同相电压信号放大整理电路104、锁相环电路105的信号并进行数模转化，输出信号由数据线接入单片机（SMT32F101VBT6）107；

单片机107，采用型号SMT32F101VBT6，作为本设计的核心处理器，具有32位总线，72Mhz主频的ARMCortex-M系列处理器。它通过数据线连接并同时接收来自电路102、电路106的全部信号并进行运算分析处理，同时由数据线连接电路108、电路109、电路110和电路111。

单片机107作为在线数据采集装置的核心处理器，本实施方式采用型号SMT32F101VBT6单片机，该单片机是一种具有32位总线、72Mhz主频的ARMCortex-M系列处理器；

时钟及Flash数据存储电路108，采用SPI口Flash存储模块AD45DB041B-SI；

485通讯电路109，型号为ADM2482EBRWZ，作为485通讯隔离IC；

无线通讯模块110，采用433MHz无线射频传输模块；

按键及液晶显示电路111，采用串口控制256色的3.5寸彩色液晶显示器；

电源电路112采用参数为输入AC220V，输入DC5V，3A的电源输入模块。

本实施方式所得的装置工作时的流程为：

当电力系统正常运行时，避雷器产生电流信号经取样电路101的二极管采样，输出电流信号MOA_Ia、MOA_Ib、MOA_Ic至泄漏电流放大整理电路103的采样电阻，并与TVS管并联，TVS管对电流信号进行箝位，保护其后级电路；信号随后进入精密低功耗仪表放大器进行电位调整，并进行驱动功率放大后再由TVS管进行箝位保护，并经由电压反馈运算放大器再次进行功率驱动放大，最后使经电路103放大整理后的电流信号Ia、Ib、Ic满足送入ADC转换电路106的参数要求，并分别接入ADC芯片106的第42引脚、45引脚、48引脚；电网电压通过外部同相PT输出对应的电压信号MOA_Ua、MOA_Ub、MOA_Uc至同相电压信号放大整理电路104，其前端分压电阻对输入信号进行分压，TVS管对分压电阻信号进行箝位，保护后级电路，信号进入仪表放大器后进行电位调整、并进行驱动放大后再由整流二极管进行箝位保护，并经由电压反馈运算放大器再次进行功率驱动放大，最后使经电路104放大整理后的电压信号Ua、Ub、Uc满足送入ADC转换电路106的参数要求，并分别接入ADC芯片的第33引脚、36引脚、39引脚；与此同时，电路104产生的电压信号Ua’接入锁相环电路105后，送入运算放大器进行信号放大，经由整流二极管箝位保护后，送至四倍双输入与非门施密特触发整流电路进行驱动能力的提升，再经过三极管驱动光耦整流器，得到电气隔离的被测电网频率，再送入CMOS锁相环集成电路、双单稳态触发器、14位二进制串行计数器得到被测电网的64倍频率信号ADC_OPEN，其具有实时跟随电网变化而调整的特性，ADC_OPEN接ADC转换芯片的21-23脚用来驱动进行信号的数字化转换操作；ADC转换电路106的芯片支持6路模拟信号同步采样，一旦ADC_OPEN信号触发ADC转换，则该转换芯片将同时锁存6路模拟信号，转换成功后触发单片机，单片机读取ADC转换器的数据结果，进行进一步的计算，进而求得A相、B相、C相三相的电力避雷器泄漏电流的全电流、基波阻性电流、基波容性电流、三次谐波阻性电流、三次谐波容性电流等参数。

当电力系统遭遇雷击避雷器动作时，在线监测器经取样电路101输出雷电脉冲信号Ma、Mb、Mc进入电路102后，经过TVS管进行箝位、保护后级电路，并由电阻限流后进入光耦芯片，通过光电隔离后，脉冲信号再经过单稳态触发器，进行施密特调整和相位调整，最后将雷电动作的脉冲信号Pa、Pb、Pc送至单片机107的67脚；单片机识别到雷电脉冲信号后，将启动测试信号的保存功能，保存放电脉冲信号发生时的电压、电流信号及其发生时间，电路111按键及液晶显示电路连接到单片机107主体可现场设置及数据浏览，电源电路112由可靠的外部220V交流电源接入采集装置，可保证本发明设备能持续长期地工作。

根据用户的预先写入程序及功能设定，单片机将得到的数据通过（485）通讯电路109或无线通讯模块110并以485数据总线通讯方式或433MHz无线通讯模块无线信号方式传送到电力系统服务管理中心或调度中心，时钟及Flash数据存储电路108则用来定时保存单片机得到的数据并实时传输。

Claims (5)

1.一种避雷器用在线数据采集装置，包括脉冲输入接口电路，单片机，数据传输通信模块，电源电路，由三相相同电路结构组成的信号取样电路，由三相相同电路结构组成的泄漏电流放大整理电路以及由三相相同电路结构组成的同相电压信号放大整理电路，其特征在于该数据采集装置还包括锁相环电路，ADC转换电路，而数据传输通信模块则包含时钟及Flash数据存储电路、隔离与数据传输电路、无线通信模块以及按键及液晶显示电路；单片机分别通过数据线与脉冲输入接口电路、ADC转换电路、电源电路、时钟及Flash数据存储电路、通讯电路、无线通信模块以及按键及液晶显示电路连接，信号取样电路的输出端分别与脉冲输入接口电路的输入端及泄漏电流放大整理电路的输入端连接，泄漏电流放大整理电路及同相电压信号放大整理电路又分别通过数据线与ADC转换电路连接，锁相环电路通过其输入端及输出端分别与同相电压信号放大整理电路的输出端及ADC转换电路的输入端连接；整个装置工作时则通过信号取样电路的输入端口与三相电力避雷器的输出端连接、以接收其输出信号，通过同相电压信号放大整理电路的输入端口与三相电网连接，以分别接收避雷器的输出信号及三相电网的电压信号。

2.按权利要求1所述避雷器用在线数据采集装置，其特征在于所述由三相相同电路结构组成的信号取样电路，每相均为两组、每组由三只二极管同向串联后再彼此反向并联组成的二极管取样电路。

3.按权利要求1所述避雷器用在线数据采集装置，其特征在于所述由三相相同电路结构组成的泄漏电流放大整理电路，每相电路均包括TVS管、仪表放大器、开关二极管、电压反馈运算放大器在内的一种运算放大整理电路。

4.按权利要求1所述避雷器用在线数据采集装置，其特征在于所述由三相相同电路结构组成的同相电压信号放大整理电路，每相电路均包括TVS管、仪表放大器、开关二极管、电压反馈运算放大器在内的电压分压放大整理电路。

5.按权利要求1所述避雷器用在线数据采集装置，其特征在于所述锁相环电路，包括放大电路、施密特触发整流电路及锁相环集成电路。