CN105372589B - 一种断路器配电状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器配电状态监测装置，包括姿态传感器模块、中央处理器、485通信电路、GSM通信电路、二键开关电路、电源转换电路、信号采集与调理电路、相应的接口、开合式电流互感器和电压互感器。该装置通过电压互感器监测断路器进线端电压，电流互感器监测断路器出线端电流，姿态传感器监测断路器手动开关空间状态，可真实监测断路器配电状态。通过中央处理器对所读取的传感器数据进行逻辑处理与判断，在断路器配电状态发生较大变化时，能通过485或GSM短信方式向用户发送配电状态变化信息。本发明装置可实时监测配电断路器电流、电压和开、断及故障状态，并可与用户进行本地和远程通信，具有全面监测、安装灵活和使用方便的特点。

Description

一种断路器配电状态监测装置

技术领域

本发明属于电力自动化领域，尤其涉及使用具有手动开关的断路器进行配电的配电状态监测装置。

背景技术

电能已经成为我们生活中必不可少的一种能源。电的产生、输送和使用中，配电是一个极其重要的环节。断路器作为配电系统中的重要器件，起着分配电能(不频繁启停电机)和保护线路及设备(过载或者短路情况下，自动切断电路)等作用。

设备配电电压、电流和断路器开断关系到设备的安全运行和经济效益。如果能实时监测设备配电状态，将有利于故障排查并最大限度减少损失。传统的设备配电状态监测，均使用互感器进行电压和电流监测，断路器开关状态也通过电压和电流间接表征。这种方法无法准确表征断路器真实状态，例如断路器输入电压断开的瞬间断路器跳闸，间接方法根本不能判断断路器真实开、断状态。

断路器状态直接监测还有通过位移传感器和图像处理进行监测的方法。但前者对位移传感器安装空间和位置有严格限制，而后者成本较高。考虑经济性和实用性上述两种方案显然有不足的地方。本发明是为解决现有技术中存在的上述问题，提供了一种安装方便、使用灵活的断路器配电状态监测装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对断路器配电状态监测，尤其是配电断路器真实状态监测难的问题，提供了一种断路器配电状态监测装置，以全面监测断路器配电状态，并依托姿态传感器监测断路器手动开关姿态判断断路器开、断状态，依托互感器监测电压、电流，通过处理器对监测信号逻辑比较，可适时向操控人员发送所监测断路器的配电状态信息。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种断路器配电状态监测装置，它是由传感器部分和硬件电路部分组成，两者通过硬件接口连接；传感器部分包括开合式电流互感器、电压互感器和姿态传感器模块；硬件电路部分由中央处理器模块、通信模块、按键电路、电源模块、存储模块、信号处理电路和接口电路组成；电压互感器监测配电断路器进线端电压，开合式电流互感器监测配电断路器出线端电流，姿态传感器监测断路器手动开关姿态角，姿态角包括俯仰角、横滚角和方向角；传感器监测信号通过接口电路将信号最终传送至中央处理器模块，经中央处理器逻辑处理后，在满足触发条件下，通过通信模块将配电信息发送出去；

所述姿态传感器模块是三轴加速度计和三轴陀螺仪一体传感器的最小系统，该模块仅需供应电源和连接通信线路便可工作；

所述按键电路即二键开关电路，作为中央处理器更新断路器手动开关开、断姿态角信息的触发条件使用，两个按键分别对应断路器开、断两种情况。

其中，所述中央处理器模块用于监测二键开关电路中开关状态、处理传感器的输出信息、与通信模块的信息交互、进行逻辑处理与运算，以及协调相应外围设备工作；中央处理器对断路器开、断状态判断，是通过对姿态传感器获取的实时姿态角与断路器开、断状态下的姿态角比较确定的。

其中，所述通信模块由485通信电路和GSM通信电路两部分组成，485通信电路实现中央处理器与上位机间进行通信的电平转换功能，GSM通信电路实现与远端GSM通信设备通信信息的收发处理功能。

其中，所述电源模块由电源转换电路、供电接口和后备电池接口组成，其为硬件电路部分和姿态传感器模块供电；电源转换电路用于电压大小转换、电源快速切换和稳压；供电接口用于连接市电供电电源；后备电池接口用于连接外部电池电源；在供电接口有市电供应时，市电为硬件电路部分和姿态传感器模块供电，并为后备电池供电；在供电接口市电断电后，后备电池为硬件电路部分和姿态传感器模块供电。

本发明的原理在于：

针对断路器在空间上安装方式多样，且要监测断路器真实状态的考虑，使用了姿态传感器对断路器手动开关进行姿态监测，并使用两个按键作为触发让处理器存储记忆断路器开、断两种状态下的姿态角信息，这样中央处理器通过实时获取断路器手动开关姿态角并与存储的断路器开、断状态下的姿态角进行比较就可以获得断路器的真实状态；针对要获取断路器配电信息及断路器状态变化原因，在断路器进线端使用电压互感器监测电压信息，在断路器出线端使用电流互感器监测电流信息，用中央处理器向存储模块中存储传感器信息并进行逻辑处理；针对状态监测装置向操作人员反馈信息的实时性和方便性考虑，采用了485通信和GSM通信两种方式，方便本地和远程通信。

所述硬件电路部分，其中中央处理器完成信号采集与处理(信号包括传感器信号、二键开关电路信号、通信信号)、逻辑处理与分析(通过传感器采集的信息和存储模块中已存储的信息进行综合判断断路器配电状态)、信息发送功能(根据对断路器配电状态的判断，通过485通信电路和GSM通信电路将断路器配电状态信息发送出去)；其中通信模块由485通信(有线通信)电路和GSM通信(无线通信)电路两部分组成，作为装置与外界的通信接口，具体应用可通过中央处理器编程修改；其中按键电路主要为中央处理器存储断路器手动开关开、断姿态角提供输入触发条件；其中电源模块为硬件电路部分和姿态传感器模块提供稳定、可靠的电源供应；其中信号处理电路为开合式电流互感器和电压互感器进行信号转换，以得到中央处理器可采集与处理的信号格式；其中接口电路包括传感器接口电路、485通信接口电路、供电接口电路和后备电池接口电路；其中存储模块为存储断路器开、断姿态角和重要参数及数据提供存储介质，该存储介质内容可由中央处理器读写。

所述传感器部分，电压互感器作为电压测量传感器，开合式电流互感器作为电流测量传感器，姿态传感器模块作为断路器状态测量传感器。选择开合式电流互感器主要是考虑装置的易用性，不需要修改线路即可将电流互感器安装好。所使用的姿态传感器是三轴加速度计和三轴陀螺仪一体传感器，经过中央处理器处理可获得断路器手动开关的姿态角。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明使用姿态传感器和中央处理器相结合的方式直接检测断路器开、断状态，可低成本、方便地实现对断路器开、断状态的真实监测；

(2)本发明可监测配电断路器的输入电压、输出电流和开断，不但可以全方位监测配电状态，而且通过中央处理器逻辑处理还能判断配电状态变化原因。

附图说明

图1断路器配电状态监测装置框图；

图2断路器配电状态监测装置应用图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明一种断路器配电状态监测装置，是由硬件电路部分和传感器部分组成的，两者通过硬件接口连接。如图1所示是断路器配电状态监测装置框图。硬件电路部分包括中央处理器模块、通信模块、按键电路、电源模块、存储模块、信号处理电路和接口电路组成；传感器部分包括开合式电流互感器、电压互感器和姿态传感器模块。

所述装置工作过程是：在完成如图2所示的装置安装后，即电压互感器安装于配电断路器进线端、开合式电流互感器安装于配电断路器出线端，姿态传感器模块安装于断路器手动开关上(姿态传感器只要能紧密安装于断路器手动开关上即可。因为断路器和姿态传感器模块安装好后，断路器相对于地面和姿态传感器相对于断路器手动开关位置均是固定的，且会在使用前获取姿态传感器相对于断路器开、断下的姿态角，故只要获得断路器手动开关相对姿态角即可。)，首先进行断路器开、断姿态角信息输入，通过二键开关让中央处理器分别获得断路器手动开关开、断下的姿态角信息，并存放于存储模块中；然后中央处理器对三种传感器信号周期性采集，综合逻辑判断电压、电流和断路器状态信息并根据逻辑判断适时通过485或GSM方式向上位机或GSM接收设备发送信息，其中断路器状态判断是根据断路器手动开关稳定后的姿态角与最初采集的断路器手动开关开、断姿态角进行比较判断的。

断路器手动开关姿态角获取使用三轴加速度计和三轴陀螺仪一体传感器(如MPU6050)，由于传感器输出的是三轴加速度和三轴角速度，为了获得准确、稳定的断路器手动开关俯仰角、横滚角和方向角这三种姿态角，中央处理器可采用卡尔曼滤波算法将加速度和陀螺仪传感器获得的加速度值和角速度值进行数据融合。断路器状态判断根据其手动开关姿态角进行判断，通过使用前获取的断路器手动开关在开、断两种状态下的姿态角作为比较值，经中央处理器周期性采集断路器手动开关姿态角并与断路器手动开关在开、断两种状态下的姿态角进行比较，便可获得断路器状态。由于断路器手动开关动作(开断变换)有个过程，而在这个过程中断路器手动开关姿态角是一个变化到稳定的过程，中央处理器会获取稳定后的断路器姿态角进行断路器状态判断。判断过程就是将采集到的稳定姿态角与断路器手动开关开、断下的姿态角进行比较来判断断路器的姿开、断状态。

配电状态变化原因可根据检测的电压、电流和断路器状态综合进行判断。如监测到断路器由开到断，通过同步监测的电压和电流与存储模块中对应信号明显变化前的值比较，可综合判断出断路器跳闸原因是过载、短路等明确原因；断路器状态没发生变化，但电压和电流异常也可表征供电和设备的相应状态变化。

Claims (1)

1.一种断路器配电状态监测装置，其特征在于：它是由传感器部分和硬件电路部分组成，两者通过硬件接口连接；传感器部分包括开合式电流互感器、电压互感器和姿态传感器模块；硬件电路部分由中央处理器模块、通信模块、按键电路、电源模块、存储模块、信号处理电路和接口电路组成；电压互感器监测配电断路器进线端电压，开合式电流互感器监测配电断路器出线端电流，姿态传感器监测断路器手动开关姿态角，姿态角包括俯仰角、横滚角和方向角；传感器监测信号通过接口电路将信号传送至中央处理器模块，经中央处理器逻辑处理后，在满足触发条件下，通过通信模块将配电信息发送出去；

所述姿态传感器模块是三轴加速度计和三轴陀螺仪一体传感器的最小系统，该模块仅需供应电源和连接通信线路便可工作；

所述按键电路即二键开关电路，作为中央处理器更新断路器手动开关开、断姿态角信息的触发条件使用，两个按键分别对应断路器开、断两种情况；

所述中央处理器模块用于监测二键开关电路中开关状态、处理传感器的输出信息、与通信模块的信息交互、进行逻辑处理与运算，以及协调相应外围设备工作；中央处理器对断路器开、断状态判断，是通过姿态传感器实时采集值与断路器开、断状态下的姿态角比较确定的；

所述通信模块由485通信电路和GSM通信电路两部分组成，485通信电路实现中央处理器与上位机间进行通信的电平转换功能，GSM通信电路实现与远端GSM通信设备通信信息的收发处理功能；

所述电源模块由电源转换电路、供电接口和后备电池接口组成，其为硬件电路部分和姿态传感器模块供电；电源转换电路用于电压大小转换、电源快速切换和稳压；供电接口用于连接市电供电电源；后备电池接口用于连接外部电池电源；在供电接口有市电供应时，市电为硬件电路部分和姿态传感器模块供电，并为后备电池供电；在供电接口市电断电后，后备电池为硬件电路部分和姿态传感器模块供电；

该断路器配电状态监测装置使用姿态传感器和中央处理器相结合的方式直接检测断路器开、断状态，可低成本、方便地实现对断路器开、断状态的真实监测；

该断路器配电状态监测装置可监测配电断路器的输入电压、输出电流和开断，不但可以全方位监测配电状态，而且通过中央处理器逻辑处理还能判断配电状态变化原因；

所述装置工作过程是：在完成装置安装后，即电压互感器安装于配电断路器进线端、开合式电流互感器安装于配电断路器出线端，姿态传感器模块安装于断路器手动开关上，姿态传感器只要能紧密安装于断路器手动开关上即可；因为断路器和姿态传感器模块安装好后，断路器相对于地面和姿态传感器相对于断路器手动开关位置均是固定的，且会在使用前获取姿态传感器相对于断路器开、断下的姿态角，故只要获得断路器手动开关相对姿态角即可，首先进行断路器开、断姿态角信息输入，通过二键开关让中央处理器分别获得断路器手动开关开、断下的姿态角信息，并存放于存储模块中；然后中央处理器对三种传感器信号周期性采集，综合逻辑判断电压、电流和断路器状态信息并根据逻辑判断适时通过485或GSM方式向上位机或GSM接收设备发送信息，其中断路器状态判断是根据断路器手动开关稳定后的姿态角与最初采集的断路器手动开关开、断姿态角进行比较判断的；

断路器手动开关姿态角获取使用三轴加速度计和三轴陀螺仪一体传感器MPU6050，由于传感器输出的是三轴加速度和三轴角速度，为了获得准确、稳定的断路器手动开关俯仰角、横滚角和方向角这三种姿态角，中央处理器可采用卡尔曼滤波算法将加速度和陀螺仪传感器获得的加速度值和角速度值进行数据融合；断路器状态判断根据其手动开关姿态角进行判断，通过使用前获取的断路器手动开关在开、断两种状态下的姿态角作为比较值，经中央处理器周期性采集断路器手动开关姿态角并与断路器手动开关在开、断两种状态下的姿态角进行比较，便可获得断路器状态， 由于断路器手动开关动作开断变换有个过程，而在这个过程中断路器手动开关姿态角是一个变化到稳定的过程，中央处理器会获取稳定后的断路器姿态角进行断路器状态判断；判断过程就是将采集到的稳定姿态角与断路器手动开关开、断下的姿态角进行比较来判断断路器的姿开、断状态；

配电状态变化原因可根据检测的电压、电流和断路器状态综合进行判断，如监测到断路器由开到断，通过同步监测的电压和电流与存储模块中对应信号明显变化前的值比较，可综合判断出断路器跳闸原因是过载、短路等明确原因；断路器状态没发生变化，但电压和电流异常也可表征供电和设备的相应状态变化。