CN104019975A - 一种高压gis机械状态在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压GIS机械状态在线监测系统，该发明主要由以下部分组成：a.传感器模块、b.高压GIS机械状态监测模块电路、c.高压GIS在线状态监测系统主控模块电路、d.高压GIS在线状态监测系统IEC61850客户端。本发明系统地研究了高压GIS控制回路信号提取方法，信号的滤波方法、隔离方法，嵌入式系统程序设计，设计了高压GIS机械状态监测模块电路和高压GIS在线状态监测系统主控模块电路，能够适用于变电站等强电磁环境，具有较高的测量精度和稳定性。

Description

一种高压GIS机械状态在线监测系统

技术领域

本发明属于电气技术领域，涉及高压GIS在线监测技术，特别涉及一种基于IEC61850标准的高压GIS机械状态在线监测系统。

背景技术

高压GIS是电力系统非常关键的设备，如果在运行的过程中发生了故障又得不到及时的处理，将有可能给电网的运行带来严重的危害。近年来随着我国经济建设的繁荣发展，电力系统容量与能量的需求随之增加，对电力系统的可靠性和经济性提出了越来越高的要求。对于高压GIS来说，操动机构和传动机构的机械失效，以及电气控制和辅助回路的故障往往会引起严重的机械故障。为了避免高压GIS出现拒动和误动等严重的机械故障，通常对高压GIS的机械特性进行在线监测，但目前的监测技术测量精度低、抗干扰能力弱，通讯模式传统，不能满足智能变电站建设要求。

高压GIS机械状态在线监测产品工作的环境一般都是强电磁干扰环境，监测信号极容易收到干扰，导致结果不准确，甚至误报警、误动作的情况发生。本发明所涉及的高压GIS机械状态在线监测系统采用了多重手段，增强抗干扰性。现在市场上的电力设备机械状态在线监测产品可扩展性和通用性都不高，而且基本采用RS-485或CAN总线等通信方式，不能满足变电站自动化的要求。

在坚强智能电网建设的形势下，加强对高压GIS各种故障的监测，提前发现潜在故障，对降低电力系统的运行成本、提高电力系统的安全性和可靠性具有非常重要的意义。

发明内容

当前电力系统中，对变电站自动化的要求越来越高，为方便变电站中各种IED的管理以及设备间的互联，国际电工委员会(IEC)制定了IEC61850标准。本发明公开了一种基于IEC61850标准的高压GIS机械状态在线监测系统，可以提前设备发现潜在故障，提高电力系统稳定性和变电站智能化程度。

一种高压GIS机械状态在线监测系统，所述系统基于IEC61850标准，且所述系统包括依次连接的传感器模块和高压GIS机械状态监测模块，其特征在于：

所述传感器模块(a)用于采集高压GIS运行时的机械状态参量并以高低压隔离的形式将采集的信号输出至所述高压GIS机械状态监测模块，其中：

所述传感器模块至少包括：采集高压GIS控制回路的分、合闸线圈电流和储能电机电流的电流传感器(1)，以及感测高压GIS主轴行程角位移的角位移传感器(2)，所述角位移传感器为光电编码器；

所述高压GIS机械状态监测模块(b)用于对高压GIS机械状态参量进行处理，所述监测模块至少包括依次连接的信号调理电路(3)、信号输入电路(4)，以及依次连接的光电编码器、差分电路(5)，进一步的，所述信号输入电路(4)、差分电路(5)分别连接隔离电路(6)，其中：

所述信号调理电路包括依次相连的放大电路和滤波电路，用于对所述电流传感器输出的信号进行放大和滤波，并将调理后的信号输出至信号输入电路；

所述信号输入电路包括AD模数转换器，用于将信号调理电路输出的信号进行模数转换后通过隔离电路实现隔离输出；

所述差分电路(5)将光电编码器输出的信号转换为单端信号后通过隔离电路实现隔离输出。

本发明系统地研究了高压GIS控制回路信号提取方法，信号的滤波方法、隔离方法，以及软件触发模式，本监测系统能够适用于变电站等强电磁环境，具有较高的测量精度和稳定性。

附图说明

图1为本发明中的一个实施例所示的系统功能框图；

图2为高压GIS机械状态监测模块电路功能框图；

图3为高压GIS在线状态监测系统主控模块电路功能框图；

图4为IEC61850模块应用框图；

图5为IEC61850客户端的主通讯流程图；

图6为IEC61850客户端的远程操作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

为加强对高压GIS机械故障的监测，提前发现潜在故障，降低电力系统的运行成本、提高电力系统的安全性和可靠性，本发明公开了一种基于IEC61850标准的高压GIS机械状态在线监测系统，如图1所示，所述在线监测系统包括传感器模块a、高压GIS机械状态监测模块电路b、高压GIS在线状态监测系统主控模块电路c，高压GIS在线状态监测系统IEC61850客户端d，其特征在于，包括以下部分：

1)传感器模块a

传感器模块a用于提取高压GIS运行时的机械状态与温度状态参量并实现高低压部分隔离；其中包括高压GIS控制回路分、合闸线圈电流、储能电机电流传感器，高压GIS主轴行程角位移传感器；

2)高压GIS机械状态监测模块电路b

该模块电路b用于对高压GIS机械状态参量进行处理，其中包括信号调理电路、信号输入电路、差分电路、隔离电路、主控芯片、通讯电路；

3)高压GIS在线状态监测系统主控模块电路c

该模块电路c用于收集模块电路b采集到的信号、对信号处理上传至后台、接收后台发送来的阈值控制等各类信息，其中包括内部通讯电路、外部通讯电路和主控芯片；

4)高压GIS在线状态监测系统IEC61850客户端d

本发明利用开源软件框架和关系型数据库技术，开发了基于Qt框架和MysQL数据库的IEC61850通讯软件，开发了基于制造报文规范(MMS)的IEC61850应用层协议，将变电站层和间隔层之间的抽象通信服务接口映射到以太网。可以实现遥测、遥控、定值、故障录波等功能，并将采集的数据存入MySQL数据库。

传感器模块a中所述电流传感器采用闭环霍尔电流传感器，高压GIS控制回路中的分、合闸线圈导线和储能电机电流导线从霍尔电流传感器穿心而过，实现高低压隔离。所述角位移传感器使用增量式光电编码器，输出两路差分信号。

图2为高压GIS机械状态监测模块电路功能框图，信号调理电路包括放大电路和滤波电路，放大电路选用仪表运算放大器，通过放大电阻阻值的选择达到不同的放大要求。在运放的同相输入端和反向输入端之间连接一个瞬态抑制二极管，抑制浪涌，保护后级电路。滤波电路通过运算放大器构建Sallen-Key结构的四阶巴特沃斯低通滤波器，去除信号频带中的无用部分和噪声，保留有用的信号。滤波后对信号进行绝对值处理，使用运算放大器构成绝对值电路，满足后级电路模数转换器对输入信号的要求。

信号输入电路与信号调理电路相连，通过模数转换模块将经过放大滤波后的模拟信号转换为数字信号，转换后的数据传输给主控芯片。

光电编码器差分信号输入差分电路后经隔离后接主控芯片的定时器，差分电路芯片例如可以是SN65175。隔离芯片可以是MAX14850型数字隔离器，可以保护主控芯片，破坏干扰途径、切断干扰耦合通道，使信号更加可靠。采取以上抗干扰措施，本发明所涉及的高压GIS机械状态在线监测模块电路通过了电磁兼容4级测试。

模块电路b的主控芯片可以选用STM32系列微控制器。该系列芯片具有丰富的外设接口和强大的功能，支持SPI，QSPI，MICROW-IRE等通信标准，包括CAN接口和RS485接口，内部具有多个定时器，具有FSMC(Flexible StaticMemory Controller，可变静态存储控制器)，可方便的实现存储的扩展，这一型号的芯片可满足电力设备机械状态监测的要求。

模块电路b的主控芯片接收数字隔离后的各种信号，例如采集到的多路模拟信号、编码器信号等。主控芯片使用CAN总线与高压GIS在线状态监测系统主控模块电路c相连，可上传录波、机械参数等信息，主控模块电路c也可以通过CAN总线向机械状态监测模块电路b发送指令，例如可以下发参数设置命令、对时或修改主控模块内的程序等。模块电路b的主控芯片通过FSMC将监测过程中的各种参数存储于外部的存储器内，例如可以是非易失性存储器，这样当主控芯片失电后系统所存储的关键参数或程序也不会丢失。

通讯电路支持CAN总线标准，可将采集到的高压GIS控制回路分、合闸线圈电流、储能电机电流信号和高压GIS主轴行程角位移信号，以及根据信号计算出的断路器机械参数上传给主控模块电路c。

图3为高压GIS在线状态监测系统主控模块电路功能框图，其通过内部通讯电路与模块电路b相连，用于接收模块电路b采集到的高压GIS控制回路分、合闸线圈电流、储能电机电流信号和高压GIS主轴行程角位移信号，还用于接收模块电路b计算的高压GIS分、合闸速度，分、合闸时间，分、合闸线圈电流等机械特性参数。

模块电路c的主控芯片采用基于PowerPC的MPC8247处理器，运行VxWorks实时操作系统。模块电路c的主控芯片将收集到的数据按照IEC61850标准处理后，通过外部通讯电路、以100M以太网为媒介发送至IEC61850客户端。对于模块电路b上传的分、合闸线圈电流、主轴行程角位移等数据，模块电路c的主控芯片按照录波文件的形式存储在非易失性存储器上。

模块电路c的主控芯片还可以将IEC61850客户端下发的遥控指令、阈值参数等通过内部通讯电路发送给模块电路b。

图4为IEC61850模块应用框图。本发明开发了基于制造报文规范(MMS)的IEC61850应用层协议，将变电站层和间隔层之间的抽象通信服务接口映射到以太网。主控模块中的IEC61850部分由数据库、内部数据接口、MMS库接口、回调函数四部分组成。其中，内部数据接口负责与主控模块中的其他程序进行数据交换；MMS库接口则负责与MMS协议栈进行数据交换。在本模块中，IEC61850的数据利用基于以太网的MMS网络协议栈，与IEC61850客户端进行通讯。主控模块收集的所有采样值数据、事件与报警数据，都将通过MMS网络上送到IEC61850客户端。同时，IEC 61850客户端也通过MMS协议将定值数据和遥控命令下发到主控模块。

图5为IEC61850客户端的主通讯流程图，描述了通讯程序的启动，以及遥测数据的采集过程。该程序首先创建基于Qt开发框架的应用对象，并通过加载配置文件获取连接目标的名称、IP地址等网络连接参数。接着，该应用对象启动通讯线程，线程的数目由将要连接的目标设备数决定。然后，该应用对象加载负责MMS网络协议的动态链接库(DLL)，同时启动一个UDP Socket Server来负责接收来自WEB端通过UDP协议发送的命令。紧接着，负责MySQL数据库服务的线程将被启动，该服务用于将遥测量等数据存入数据库。最后，该应用对象启动IEC 61850通讯，并检查相关网络连接状态。通讯连接建立后，该应用对象将循环监测MMS协议来更新网络连接和数据传送与接收。

图6为IEC61850客户端的远程操作流程图。该程序首先创建基于Qt开发框架的应用对象，定义基于MMS协议的数据报文格式和流对象，然后通过sendSocket和recSocket两个函数创建基于UDP协议的udpsocket对象，并绑定一个固定端口号用于与WEB端的数据进行交互。当udpsocket对象接收到来自WEB端的远程操作指令，会根据命令的操作形式和操作对象，将相关操作信息按照IEC 61850标准规定的格式，通过MMS网络协议发送到主控模块。主控模块接收到命令并执行，执行的结果会以事件报文的形式发送到客户端，客户端以此作为判断远程操作是否完成的依据。客户端等待这个确认报文有一个TimeOut时限，超过这个时限依然没有收到确认报文，客户端即认为本次远程操作失败，同时显示出错误信息。

本发明的客户端基于开源软件框架和关系型数据库技术、Qt框架和MysQL数据库以及IEC61850标准，以及基于制造报文规范(MMS)的IEC61850应用层协议，将变电站层和间隔层之间的抽象通信服务接口映射到以太网。本发明可以实现遥测、遥控、定值、故障录波等功能，并将采集的数据存入MySQL数据库。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种高压GIS机械状态在线监测系统，所述系统基于IEC61850标准，且所述系统包括依次连接的传感器模块和高压GIS机械状态监测模块，其特征在于：

所述传感器模块(a)用于采集高压GIS运行时的机械状态参量并以高低压隔离的形式将采集的信号输出至所述高压GIS机械状态监测模块，其中：

所述传感器模块至少包括：采集高压GIS控制回路的分、合闸线圈电流和储能电机电流的电流传感器(1)，以及感测高压GIS主轴行程角位移的角位移传感器(2)，所述角位移传感器为光电编码器；

所述高压GIS机械状态监测模块(b)用于对高压GIS机械状态参量进行处理，所述监测模块至少包括依次连接的信号调理电路(3)、信号输入电路(4)，以及依次连接的光电编码器、差分电路(5)，进一步的，所述信号输入电路(4)、差分电路(5)分别连接隔离电路(6)，其中：

所述信号调理电路包括依次相连的放大电路和滤波电路，用于对所述电流传感器输出的信号进行放大和滤波，并将调理后的信号输出至信号输入电路；

所述信号输入电路包括AD模数转换器，用于将信号调理电路输出的信号进行模数转换后通过隔离电路实现隔离输出；

所述差分电路(5)将光电编码器输出的信号转换为单端信号后通过隔离电路实现隔离输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：优选的，所述系统还包括主控模块(c)，该主控模块c用于：接收所述高压GIS机械状态监测模块(b)输出的信号、和对信号进行处理并上传至后台、以及接收后台发送来的阈值控制指令以控制所述高压GIS机械状态监测模块(b)；所述主控模块至少包括主控芯片(11)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述电流传感器(1)采用闭环霍尔电流传感器，高压GIS控制回路中的分、合闸线圈导线和储能电机电流导线从所述霍尔电流传感器穿心而过，实现高低压隔离；所述角位移传感器(2)使用增量式光电编码器。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述放大电路包括运算放大器，所述运算放大器的同相输入端和反向输入端之间连接有瞬态抑制二极管。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述系统还包括基于IEC61850标准的客户端(d)，所述客户端与所述主控模块(c)通信，且所述客户端基于制造报文规范MMS的IEC61850应用层协议，将变电站层和间隔层之间的抽象通信服务接口映射到以太网，以实现遥测、遥控、定值、故障录波的功能，并将客户端获得的数据存入数据库。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述主控芯片运行于VxWorks实时操作系统，且所述主控芯片采用基于ARM内核的STM32系列微控制器或基于PowerPC的MPC8247处理器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述监测模块(b)经所述主控芯片的内部通讯电路(9)连接所述主控芯片，且所述主控芯片还包括CAN总线接口、485总线接口、PPS秒脉冲对时接口和485液晶屏通讯接口，以连接相应的外围设备。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述主控芯片还包括外部通讯电路(10)，以提供100M以太网接口，并实现与所述客户端(d)的通信，所述通信符合IEC61850标准。