CN105823981A - 一种高压断路器在线监测系统及其数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压断路器在线监测系统及其数据处理方法，其技术特点是：该在线监测系统包括数据采集单元、主控单元和上位机；该数据采集单元、主控单元和上位机连接在一起；所述数据采集单元包括：位移传感器、电流互感器、霍尔电流传感器和信号调理单元；所述主控单元包括：DSP主控器和ARM处理器；所述位移传感器、电流互感器和霍尔电流传感器的输出端与信号调理单元的输入端相连接，所述信号调理单元的输出端与DSP主控器的输入端相连接，该DSP主控器与ARM处理器相连接并通过ARM处理器与上位机相连接。本发明采用位移传感器解决了不易使用传感器监测高压断路器一次线路电流电压的技术问题。

Description

一种高压断路器在线监测系统及其数据处理方法

技术领域

本发明属于高压断路器技术领域，特别涉及一种高压断路器在线监测系统及其数据处理方法。

背景技术

目前，在电力系统的一次设备中，断路器是仅次于发电机和变压器的大型电力设备，3kV及以上电力系统中使用的断路器称为高压断路器，它是电力系统中最重要的控制和保护设备,同时又是数量最多、检修量最大、费用高的设备。

因此，对高压断路器的在线监测越来越引起人们的注意，高压断路器在线监测是指对运行过程中的高压断路器的状态量进行不间断的实时监测，将采集到的信号量进行加工处理获取有用的信息，并通过信号识别判断出高压断路器故障和异常部位、原因和程度，预测高压断路器故障或异常可能发展的速度和后果，制定出维修计划和项目。

但现有的高压断路器在线监测系统普遍存在如下问题：(1)监测结果准确性低，监测手段单一且容易受到电磁干扰的影响；(2)监测结果只包含高压断路器机械参数的计算结果，而缺乏对其机械运动过程细节监测的计算结果；(3)通常使用的监测仪器寿命过短，精度不够高；数据分析功能、数据整理、状态特征量的提取分析不够完善等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、监测信号清晰、监测结果可靠性高且方便实用的高压断路器在线监测系统及其数据处理方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种高压断路器在线监测系统，包括：数据采集单元、主控单元和上位机；该数据采集单元、主控单元和上位机连接在一起；所述数据采集单元包括：位移传感器、电流互感器、霍尔电流传感器和信号调理单元；所述主控单元包括：DSP主控器和ARM处理器；所述位移传感器、电流互感器和霍尔电流传感器的输出端与信号调理单元的输入端相连接，所述信号调理单元的输出端与DSP主控器的输入端相连接，该DSP主控器与ARM处理器相连接并通过ARM处理器与上位机相连接。

而且，所述主控单元还包括：复位电路、手动复位开关、外扩存储器和LCD触摸显示屏，所述手动复位开关通过复位电路与DSP主控器相连接，所述外扩存储器与DSP主控器相连接；所述LCD触摸显示屏通过RS232接口和ARM处理器相连接。

而且，所述信号调理单元包括：行程信号滤波放大电路、电流-电压变换器、分合闸线圈电流信号预处理电路和A/D转换模块；该行程信号滤波放大电路连接在所述位移传感器与所述DSP主控器之间；该电流-电压变换器连接在所述电流互感器与A/D转换模块之间用于将电流互感器采集的开端电流信号经电流-电压变换后输出至A/D转换模块；该分合闸线圈电流信号预处理电路连接在所述霍尔电流传感器与A/D转换模块之间用于将经滤波处理后的分合闸线圈电流信号输出至A/D转换模块，所述A/D转换模块的输出端与DSP主控器的输入端相连接。

而且，所述电流-电压变换器为连接在电流互感器二次侧的继电保护电流-电压变换器，该电流-电压变换器前置有模拟低通滤波器；所述分合闸线圈电流信号预处理电路为二阶有源低通滤波电路。

而且，所述模拟低通滤波器为二阶RC滤波器。

而且，所述DSP主控器通过RS485接口与所述ARM处理器相连接。

而且，所述DSP主控制器采用型号为TMS320F2812DSP的芯片；所述信号调理单元采用型号为OPA4227的芯片；所述A/D转换模块采用型号为A/D7705的芯片；所述复位电路采用型号为TPS3823的复位芯片。

一种高压断路器在线监测系统的数据处理方法，包括以下步骤：

步骤1、利用与断路器动触头直接连接的位移传感器采集断路器动触头的行程信号，得到高压断路器动触头位移一时间曲线；

步骤2、采用有限冲击响应滤波器对初始高压断路器动触头行程信号进行滤波；

步骤3、对滤波数据进行修正，去除滤波器引入的相位误差；

步骤4、基于滤波修正后的位移一时间曲线，利用双极值法计算得出合闸换位点和分闸换位点，并对分闸换位点进行修正；

步骤5、根据步骤4中得到的换位点数据，计算所需关键参数。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的数据采集单元分别利用位移传感器采集高压断路器动触头行程信号、电流互感器采集开端电流信号、霍尔电流传感器采集分(合)闸线圈电流信号，通过对三种数据信号的监测与分析，使对高压断路器状态的监测结果更加可靠。而且，传统监测高压断路器一次线路电流电压时，只能采用离线测量接触电阻的方法，采用位移传感器解决了不易使用传感器监测高压断路器一次线路电流电压的技术问题。

2、本发明采用电流互感器采集开端电流信号经电流—电压变换器进行滤波放大处理后输出至A/D转换模块，所述电流—电压变换器连接于断路器电流互感器的二次侧，先将大电流转换为小电流，再经取样电阻可得到-5V—+5V的电压信号。特别选用继电保护专用的电流-电压变换器，是因其一次侧与二次侧间有良好的屏蔽隔离，铁心不易饱和。

3、本发明采用霍尔电流传感器采集分(合)闸线圈电流，选用对信号反应迅速的磁平衡式霍尔电流传感器，将高压断路器分、合闸线圈引线穿过霍尔电流传感器测量孔径，很方便地取得电流信号，既可以克服电磁式互感器的非理想性缺点，又解决了直流电参量测量时的隔离问题。

4、本发明通过与DSP主控器相连接的信号调理单元，对数据采集单元采集的各种监测数据信号进行滤波放大处理，使接收到的监测信号更加清晰。

5、本发明通过与DSP主控器相连接的ARM模块，使对高压断路器的监测以及监测数据显示更加方便快捷。

附图说明

图1是本发明的电路框图；

图2是本发明的前置有模拟低通滤波器的电流-电压变换器原理图；

图3是分闸线圈电流信号预处理电路图；

图4是本发明的信号调理单元的行程信号滤波放大电路原理图；

图5是本发明的外扩存储器电路原理图；

图6是本发明的复位电路原理图；

图7是本发明的RS232接口电路图；

图8是本发明的RS485接口电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种高压断路器在线监测系统，如图1所示，包括：数据采集单元、主控单元和上位机；该数据采集单元、主控单元和上位机连接在一起；所述数据采集单元包括：位移传感器、电流互感器、霍尔电流传感器和信号调理单元；所述主控单元包括：DSP主控器、ARM处理器、复位电路、手动复位开关、外扩存储器和LCD触摸显示屏；所述位移传感器、电流互感器和霍尔电流传感器的输出端与信号调理单元的输入端相连接，所述信号调理单元的输出端与所述DSP主控器的输入端相连接，该DSP主控器通过RS485接口与ARM处理器相连接并通过ARM处理器与上位机相连接；所述DSP主控器还分别与复位电路和外扩存储器相连接；所述手动复位开关通过复位电路与DSP主控器相连接，所述ARM处理器通过RS232接口和LCD触摸显示屏相连接。

本发明的数据采集单元分别利用位移传感器采集高压断路器动触头行程信号、电流互感器采集开端电流信号、霍尔电流传感器采集分(合)闸线圈电流信号后经过信号调理单元进行整形滤波处理后传输至DSP主控器。所述信号调理单元包括：行程信号滤波放大电路、电流-电压变换器和分合闸线圈电流信号预处理电路和A/D转换模块；该行程信号滤波放大电路连接在所述位移传感器与DSP主控器之间；该电流-电压变换器连接在所述电流互感器与A/D转换模块之间用于将电流互感器采集的开端电流信号经电流-电压变换后输出至A/D转换模块；该分合闸线圈电流信号预处理电路连接在所述霍尔电流传感器与A/D转换模块之间用于将经滤波处理后的分合闸线圈电流信号输出至A/D转换模块，该A/D转换模块的输出端与DSP主控器的输入端相连接。

下面分别对信号调理单元的行程信号滤波放大电路、电流-电压变换器和分合闸线圈电流信号预处理电路的电路原理进行说明：

(1)行程信号滤波放大电路

所述行程信号滤波放大电路，如图4所示，由电阻R8、R9、R10、R11、R12和运算放大器OPA227组成，所述电阻R10分别与运算放大器OPA227的负极输入端和所述电阻R8的一端相连接，所述电阻R8的另一端及运算放大器OPA227的输出端相连接并共同连接到电阻R12的一端，该电阻R12的另一端与ADCIN端口相连接；所述R11的一端与电压输入端相连接，另一端分别与所述运算放大器OPA227的正极输入端和电阻R9的一端相连接，所述电阻R9的另一端与REFout端相连接；所述运算放大器OPA227的两个供电端口分别连接+15V电源和-15电源。

在本实施例中，取R8＝100Ω，R9＝4k，R10＝4k，R11＝20k，R12＝1.2k，REFout＝1V(DSP的A/DC电压参考输出)，电源选择±15V的双电源供电。

(2)电流-电压变换器

所述电流-电压变换器为连接在电流互感器二次侧的继电保护专用电流-电压变换器且该电流-电压变换器前置有模拟低通滤波器，所述模拟低通滤波器为二阶RC滤波器。其电路原理图如图2所示，由电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、运算放大器LM2901构成；其中所述的电阻R1、电阻R2相互串联，与运算放大器LM2901的负极输入端连接；所述电容C1一端连接在电阻R1、电阻R2之间，其另一端接地；所述电容C2一端与运算放大器LM2901的负极输入端连接，其另一端接地；所述运算放大器LM2901的正极输入端与输出端连接；所述电流—电压变换器的输入端接收高压断路器的电流信号，其输出端输出信号给A/D转换模块。

为满足测量范围的需要，本实施例中，将电流-电压变换器的变比选为100A/5V，精确工作电流为0.4A至100A。

(3)分合闸线圈电流信号预处理电路

所述分闸线圈电流信号预处理电路为二阶有源低通滤波电路，其电路原理图如图3所示，由电阻R3、电阻R4、电阻R5以及二极管D1、电容C3、电容C4和单电源CMOS低功耗运算放大器LM324构成；电阻R3、电阻R4、电阻R5相互串联，且连接在运算放大器LM324的负极输入端；所述二极管D1的正极端连接在电阻R3和电阻R4之间，负极端连接+5V电源；所述电容C3的一端连接在电阻R4和电阻R5之间，另一端与运算放大器LM324的输出端连接；电容C4一端与运算放大器LM324的负极端连接，另一端接地；所述运算放大器LM324的正极端与输出端短接；所述运算放大器LM324的输出端输出信号给A/D转换模块。所述合闸线圈电流信号的处理与分闸线圈电流的调理电路基本一致，不同的是进入另一个模拟输入通道。

在本实施例中，霍尔电流传感器采用型号为SP03的霍尔电流传感器；DSP主控制器采用型号为TMS320F2812DSP的芯片；信号调理单元采用型号为OPA4227的芯片；A/D转换模块采用A/D转换模块采用16位且带有Σ―ΔA/D技术的信号为A/D7705的高精度芯片；复位电路采用型号为TPS3823的复位芯片。

下面分别对ARM处理器、外扩存储器、复位电路、RS232接口电路和RS485接口电路的功能和原理进行说明：

(1)ARM处理器

ARM处理器接口电路中通过RS485接口与DSP模块相连，通过RS232接口用于调试及与LCD触摸显示屏相连接，JTAG接口用于在线仿真，其硬件电路与DSP主控器相似，除此之外，还设有太网接口和液晶显示接口。

(2)对外扩存储器

外扩存储器扩展了一片EEPROM，其电路原理如图5所示，在本实施例中，它的存储容量为1Kbit。同时，在片外扩展了SRAM，它具有16位的数据总线和19根地址线，使用了DSP的片外存储区，存储容量为512K*16即8MB。

(3)复位电路

复位电路如图6所示，选择复位芯片TPS3823和14pin的JTAG接口。使用JTAG接口对硬件电路进行仿真调试，14pin的JTAG接口每个引脚都按照标准配置与DSP主控器相应引脚连接，部分引脚上拉或接地。在电路工作时需要有相对稳定的工作电压，复位芯片TPS3823具有电压检测的复位功能，能够在电压过低时产生复位信号，且可通过手动复位开关实现手动复位功能。

(4)RS232接口电路

RS232接口电路如图7所示，采用DSP主控器的SCIB接口，通过MAX3222进行电平转换，将TTL电平转换成232电平。

(5)RS485接口电路

RS485接口电路如图8所示，采用SN65HVD12芯片进行485电平和TTL电平直接的转换，并通过DSP主控器的GPIO口控制芯片收发的方向。

为了得到相对准确的监测数据曲线，必须对数据采集单元得到监测数据进行滤波及分析，本实施例中以高压断路器动触头行程信号数据处理方法为例进行说明：

一种高压断路器在线监测系统的高压断路器动触头行程信号的数据处理方法，包括以下步骤：

步骤1、利用与断路器动触头直接连接的位移传感器采集断路器动触头的行程信号，得到高压断路器动触头位移一时间曲线；

步骤2、采用有限冲击响应滤波器对初始高压断路器动触头行程信号进行滤波；

步骤3、对滤波数据进行修正，去除滤波器引入的相位误差；

步骤4、基于滤波修正后的位移一时间曲线，利用双极值法计算得出合闸换位点和分闸换位点，并对分闸换位点进行修正；

步骤5、根据步骤4中得到的换位点数据，计算所需关键参数。

本发明的工作原理是：首先由数据采集单元的位移传感器、电流互感器以及霍尔电流传感器分别采集动触头的行程信号、开端电流信号、分(合)闸线圈电流信号，然后经过信号调理单元进行整形滤波后进入DSP主控器，由DSP主控器将动触头的行程信号和经A/D转换模块进行数模转换后的开端电流数字信号和分(合)闸线圈电流数字信号进行处理，得到最终所需要的参数。该参数通过RS485接口传给ARM处理器中，然后通过ARM处理器将该参数显示在LCD触摸显示屏上。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种高压断路器在线监测系统，其特征在于：包括数据采集单元、主控单元和上位机；该数据采集单元、主控单元和上位机连接在一起；所述数据采集单元包括：位移传感器、电流互感器、霍尔电流传感器和信号调理单元；所述主控单元包括：DSP主控器和ARM处理器；所述位移传感器、电流互感器和霍尔电流传感器的输出端与信号调理单元的输入端相连接，所述信号调理单元的输出端与DSP主控器的输入端相连接，该DSP主控器与ARM处理器相连接并通过ARM处理器与上位机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高压断路器在线监测系统，其特征在于：所述主控单元还包括：复位电路、手动复位开关、外扩存储器和LCD触摸显示屏，所述手动复位开关通过复位电路与DSP主控器相连接，所述外扩存储器与DSP主控器相连接；所述LCD触摸显示屏通过RS232接口和ARM处理器相连接。

3.根据权利要求2所述的一种高压断路器在线监测系统，其特征在于：所述信号调理单元包括：行程信号滤波放大电路、电流-电压变换器、分合闸线圈电流信号预处理电路和A/D转换模块；该行程信号滤波放大电路连接在所述位移传感器与所述DSP主控器之间；该电流-电压变换器连接在所述电流互感器与A/D转换模块之间用于将电流互感器采集的开端电流信号经电流-电压变换后输出至A/D转换模块；该分合闸线圈电流信号预处理电路连接在所述霍尔电流传感器与A/D转换模块之间用于将经滤波处理后的分合闸线圈电流信号输出至A/D转换模块，所述A/D转换模块的输出端与DSP主控器的输入端相连接。

4.根据权利要求3所述的一种高压断路器在线监测系统，其特征在于：所述电流-电压变换器为连接在电流互感器二次侧的继电保护电流-电压变换器，该电流-电压变换器前置有模拟低通滤波器；所述分合闸线圈电流信号预处理电路为二阶有源低通滤波电路。

5.根据权利要求4所述的一种高压断路器在线监测系统，其特征在于：所述模拟低通滤波器为二阶RC滤波器。

6.根据权利要求1所述的一种高压断路器在线监测系统，其特征在于：所述DSP主控器通过RS485接口与所述ARM处理器相连接。

7.根据权利要求3所述的一种高压断路器在线监测系统，其特征在于：所述DSP主控制器采用型号为TMS320F2812DSP的芯片；所述信号调理单元采用型号为OPA4227的芯片；所述A/D转换模块采用型号为A/D7705的芯片；所述复位电路采用型号为TPS3823的复位芯片。

8.一种如权利要求1至7任一项所述高压断路器在线监测系统的数据处理方法，包括以下步骤：

步骤1、利用与断路器动触头直接连接的位移传感器采集断路器动触头的行程信号，得到高压断路器动触头位移一时间曲线；

步骤2、采用有限冲击响应滤波器对初始高压断路器动触头行程信号进行滤波；

步骤3、对滤波数据进行修正，去除滤波器引入的相位误差；

步骤4、基于滤波修正后的位移一时间曲线，利用双极值法计算得出合闸换位点和分闸换位点，并对分闸换位点进行修正；

步骤5、根据步骤4中得到的换位点数据，计算所需关键参数。