CN109870960A - 一种基于mems的智能断路器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS的智能断路器装置，包括载流灭弧单元、操动机构、基于MEMS的分布式微传感器系统、基于MEMS开关的智能控制单元；其中，所述基于MEMS的分布式微传感器系统用于实时采集断路器的状态参数，并传送给所述基于MEMS开关的智能控制电路单元；所述基于MEMS开关的智能控制单元用于将接收到的所述状态参数进行处理，并将处理结果通过无线传输方式传输到上位机及巡检人员；还用于接收并执行来自所述上位机的控制命令。本发明提供的一种基于MEMS的智能断路器装置，响应时间更快，并实现断路器的智能监测，监测范围参数多元，相互印证，进一步提升监测数据的可靠性。

Description

一种基于MEMS的智能断路器装置

技术领域

本发明实施例涉及断路器装置技术领域，尤其涉及一种基于MEMS的智能断路器装置。

背景技术

随着智能电网的持续推进，断路器作为电网安全运行中至关重要的控制以及保护设备，其智能化也是建设智能电网过程中的关键一环。断路器的智能化包括一次设备的智能化以及二次设备的智能化。其中，一次设备的智能化体现在其的遥信、遥测和遥控上，便于运维人员及时了解设备状况；二次设备的智能化体现在通信方式的实时性、可靠性和完整性。

目前断路器的智能化主要体现在加装智能化单元上，一般不对开关本体进行改动。这种方法操作简单，容易实现，但同时也存在一些问题。由于没有在断路器中预安装传感器，其遥测功能较为薄弱；同时，传感器测量数据较为单一，在线监测诊断时，可靠性不高；另一方面，其智能化单元的集成化仍需进一步加强。

发明内容

本发明提供一种基于MEMS的智能断路器装置，提高断路器的智能在线监测可靠性以及实现断路器的智能控制。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种基于MEMS的智能断路器装置，包括载流灭弧单元、操动机构、基于MEMS的分布式微传感器系统、基于MEMS开关的智能控制单元；其中，

所述基于MEMS的分布式微传感器系统用于实时采集断路器的状态参数，并传送给所述基于MEMS开关的智能控制电路单元；

所述基于MEMS开关的智能控制单元用于将接收到的所述状态参数进行处理，并将处理结果通过无线传输方式传输到上位机及巡检人员；还用于接收并执行来自所述上位机的控制命令。

进一步地，所述基于MEMS的智能断路器装置中，所述基于MEMS开关的智能控制单元包括数据处理和储存模块、执行模块、无线通信模块和电源模块。

进一步地，所述基于MEMS的智能断路器装置中，所述数据处理和储存模块包括微处理器和存储器；

所述微处理器用于将接收到的所述状态参数进行处理，并将处理结果发送给所述无线通信模块，由所述无线通信模块通过无线传输方式传输到上位机及巡检人员。

进一步地，所述基于MEMS的智能断路器装置中，所述无线通信模块包括基于射频微机电系统的射频前端和MEMS天线。

进一步地，所述基于MEMS的智能断路器装置中，所述基于MEMS的分布式微传感器系统预置于开关内部，采用冗余式、分布式配置。

进一步地，所述基于MEMS的智能断路器装置中，所述基于MEMS的分布式微传感器系统包括MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪、MEMS角速度传感器、MEMS位移传感器、MEMS噪声传感器、MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、MEMS温度传感器、MEMS湿度传感器、电流传感器和MEMS微型马达。

进一步地，所述基于MEMS的智能断路器装置中，所述MEMS加速度传感器、MEMS角速度传感器和MEMS位移传感器用于测量触头行程——时间曲线；

所述MEMS陀螺仪与三个方向上的MEMS加速度传感器组合形成惯性测量单元，用于对触头动作过程中的重力加速度分量进行修正，对有害加速度分量进行补偿；

所述MEMS噪声传感器用于采集柱上开关运行过程中的噪声，以及用于局部放电检测；

所述MEMS加速度传感器、MEMS角速度传感器、MEMS位移传感器和MEMS噪声传感器用于采集柱上开关运行过程中的振动信号；

所述MEMS磁传感器用于监测柱上开关运行过程中的磁场环境；

所述MEMS压力传感器用于测量储能弹簧压力、真空室内气体压力；

所述MEMS温度传感器用于测量触头温度、环境温度；

所述MEMS湿度传感器用于测量环境湿度；

所述电流传感器为分别串入分闸线圈、合闸线圈以及储能电机回路的霍尔电流传感器，用于测量上述回路的电流；

所述MEMS微型马达用于实现所述基于MEMS的分布式微传感器系统的导轨式配置，实现任意配置预设检测点，以获取真实的测量效果。

本发明实施例提供的一种基于MEMS的智能断路器装置，响应时间更快，并实现断路器的智能监测，监测范围参数多元，相互印证，进一步提升监测数据的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种基于MEMS的智能断路器装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一中基于MEMS的传感器节点的组成框图；

图3是本发明实施例一中非接触式离线人工巡检管理系统的组成框图；

图4是本发明实施例一中基于MEMS的智能断路器装置的工作流程图。

附图标记：

载流灭弧单元100，操动机构200，基于MEMS的分布式微传感器系统300，基于MEMS开关的智能控制单元400。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种基于MEMS的智能断路器装置的结构示意图。

所述基于MEMS的智能断路器装置，包括载流灭弧单元100、操动机构200、基于MEMS的分布式微传感器系统300、基于MEMS开关的智能控制单元400；其中，

所述基于MEMS的分布式微传感器系统300用于实时采集断路器的状态参数，并传送给所述基于MEMS开关的智能控制电路单元；

所述基于MEMS开关的智能控制单元400用于将接收到的所述状态参数进行处理，并将处理结果通过无线传输方式传输到上位机及巡检人员；还用于接收并执行来自所述上位机的控制命令。

需要说明的是，MEMS(Micro Electromechanical System，微机电系统)，是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。

所述基于MEMS开关的智能控制单元400采用MEMS开关取代传统控制电路中的基于接触器等机械式小型开关。MEMS继电器与开关优势是体积小，速度快，可以极大缩短柱上开关的动作时间，提高可靠性。

优选的，所述基于MEMS开关的智能控制单元400包括数据处理和储存模块、由电力电子技术和智能控制装置组成的执行模块、无线通信模块和电源模块。

其中，所述数据处理和储存模块包括微处理器和存储器；所述微处理器用于将接收到的所述状态参数进行处理，并将处理结果发送给所述无线通信模块，由所述无线通信模块通过无线传输方式传输到上位机及巡检人员。

所述无线通信模块包括基于射频微机电系统(RF MEMS)的射频前端和MEMS天线。采用RF MEMS技术制造的无源器件能够直接和有源电路集成在同一芯片内，实现射频系统的片内高集成。

所述基于MEMS开关的智能控制单元400可通过基于射频微机电系统(RF MEMS)的射频前端和MEMS天线，实现非接触式离线人工巡检管理；巡检人员接受管理中心下达的巡检任务，手持终端到达巡检地点，接收每一个被巡检设备RFID数据，完成巡检任务，管理中心根据上报的信息，统计分析巡检结果，从而实现对专用设备从安装到报废销毁的全生命周期的监控。通过射频前端和天线，还可以将传感器系统的数据以及断路器动作记录通过无线方式上传至上位机，同时接收上位机命令，实现在线监测与管理。

所述基于MEMS的分布式微传感器系统300预置于开关内部，采用冗余式、分布式配置，可实现电、磁、温度、力(振动)、声、位移等多参数测量，并通过无线传感器网络将数据传送给所述基于MEMS开关的智能控制单元400。

需要说明的是，所述无线传感器网络由多个无线传感器节点构成，传感器节点由MEMS传感器、模拟可编程器件、A/D转换器、数字可编程器件、基于射频微机电系统(RFMEMS)的射频前端和MEMS天线组成。

优选的，所述基于MEMS的分布式微传感器系统300包括MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪、MEMS角速度传感器、MEMS位移传感器、MEMS噪声传感器、MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、MEMS温度传感器、MEMS湿度传感器、电流传感器和MEMS微型马达。

其中，所述MEMS加速度传感器、MEMS角速度传感器和MEMS位移传感器用于测量触头行程——时间曲线；

所述MEMS陀螺仪与三个方向上的MEMS加速度传感器组合形成惯性测量单元，用于对触头动作过程中的重力加速度分量进行修正，对有害加速度分量进行补偿；

所述MEMS噪声传感器用于采集柱上开关运行过程中的噪声，以及用于局部放电检测；

所述MEMS加速度传感器、MEMS角速度传感器、MEMS位移传感器和MEMS噪声传感器用于采集柱上开关运行过程中的振动信号；

所述MEMS磁传感器用于监测柱上开关运行过程中的磁场环境；

所述MEMS压力传感器用于测量储能弹簧压力、真空室内气体压力；

所述MEMS温度传感器用于测量触头温度、环境温度；

所述MEMS湿度传感器用于测量环境湿度；

所述电流传感器为分别串入分闸线圈、合闸线圈以及储能电机回路的霍尔电流传感器，用于测量上述回路的电流；

所述MEMS微型马达用于实现所述基于MEMS的分布式微传感器系统300的导轨式配置，实现任意配置预设检测点，以获取真实的测量效果。

图2是基于MEMS的传感器节点的组成框图，MEMS传感器完成数据采集，ADC完成模拟到数字信号的变换，微处理器完成信号处理，射频前端和天线完成信号传送。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型，处理器通常选用低功耗的嵌入式微处理器。

图3是非接触式离线人工巡检管理系统的组成框图，图中数据处理过程采集描述如下：

(1)读写器数据的采集。巡检人员手持读写器，读写器通过天线发送一定频率的射频信号，当进入设备的巡检范围时，电子标签接收信号产生感应电流并将设备数据通过天线发送出去，读写器天线接收电子标签发送的信号并进行相应的处理最终得到电子标签数据；

(2)中间件对读写器采集数据的收集。中间件采集读写器数据并对其进行滤波处理，并根据实际情况进行转换，以提供给上位机的各种应用系统。中间件起到了读写器与应用系统之间联系的桥梁作用；

(3)中间件根据应用需求将原始数据统一处理成逻辑数据。应用系统通过中间件获得所需的数据。

图4是基于MEMS的智能断路器装置的工作流程图。以下结合流程图进一步对该装置的工作过程进行说明。

(1)基于MEMS的分布式微传感器系统300实时采集断路器的状态参数。各基于MEMS的无线传感器节点通过传感器收集所需的数据，其中：

所述MEMS加速度传感器、MEMS角速度传感器、MEMS位移传感器用于测量触头行程——时间曲线；

所述MEMS陀螺仪与三个方向上的MEMS加速度传感器组合起来形成惯性测量单元，对触头动作过程中的重力加速度分量进行修正，对有害加速度分量进行补偿；

所述MEMS噪声传感器用于采集柱上开关运行过程中的噪声，可用于局部放电检测；

所述MEMS加速度传感器、MEMS角速度传感器、MEMS位移传感器、MEMS噪声传感器用于采集柱上开关运行过程中的振动信号；

所述MEMS磁传感器用于监测柱上开关运行过程中的磁场环境；

所述MEMS压力传感器用于测量储能弹簧压力、真空室内气体压力；

所述MEMS温度传感器用于测量触头温度、环境温度；

所述MEMS湿度传感器用于测量环境湿度；

所述电流传感器为分别串入分闸线圈、合闸线圈以及储能电机回路的霍尔电流传感器，用于测量上述回路的电流；

(2)各传感器节点中的ADC完成模拟到数字信号的变换，微处理器完成信号处理，射频前端和天线把信号传送至基于MEMS开关的智能控制单元400。

(3)基于MEMS开关的智能控制单元400对传感器数据进行逻辑判断，如果数据超过设置的安全范围，则通过执行模块控制操动机构200断开断路器；否则，返回步骤(1)；

(4)在进行步骤(3)的同时，基于MEMS开关的智能控制单元400将数据传送至上位机。

(5)上位机运用专家系统或人工神经网络算法结合多参数及历史运行数据对断路器状态进行评估，如果断路器存在运行风险，安排检修，否则返回步骤(1)；

(6)在进行步骤(3)的同时，基于MEMS开关的智能控制单元400可通过基于射频微机电系统的射频前端和天线，实现非接触式离线人工巡检管理；巡检人员接受管理中心下达的巡检任务，手持终端到达巡检地点，接收每一个被巡检设备RFID数据，完成巡检任务，管理中心根据上报的信息，统计分析巡检结果，从而实现对专用设备从安装到报废销毁的全生命周期的监控。

本发明实施例提供的一种基于MEMS的智能断路器装置，响应时间更快，并实现断路器的智能监测，监测范围参数多元，相互印证，进一步提升监测数据的可靠性。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于MEMS的智能断路器装置，其特征在于，包括载流灭弧单元、操动机构、基于MEMS的分布式微传感器系统、基于MEMS开关的智能控制单元；其中，

所述基于MEMS的分布式微传感器系统用于实时采集断路器的状态参数，并传送给所述基于MEMS开关的智能控制电路单元；

所述基于MEMS开关的智能控制单元用于将接收到的所述状态参数进行处理，并将处理结果通过无线传输方式传输到上位机及巡检人员；还用于接收并执行来自所述上位机的控制命令。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS的智能断路器装置，其特征在于，所述基于MEMS开关的智能控制单元包括数据处理和储存模块、执行模块、无线通信模块和电源模块。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS的智能断路器装置，其特征在于，所述数据处理和储存模块包括微处理器和存储器；

所述微处理器用于将接收到的所述状态参数进行处理，并将处理结果发送给所述无线通信模块，由所述无线通信模块通过无线传输方式传输到上位机及巡检人员。

4.根据权利要求2所述的基于MEMS的智能断路器装置，其特征在于，所述无线通信模块包括基于射频微机电系统的射频前端和MEMS天线。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS的智能断路器装置，其特征在于，所述基于MEMS的分布式微传感器系统预置于开关内部，采用冗余式、分布式配置。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS的智能断路器装置，其特征在于，所述基于MEMS的分布式微传感器系统包括MEMS加速度传感器、MEMS陀螺仪、MEMS角速度传感器、MEMS位移传感器、MEMS噪声传感器、MEMS磁传感器、MEMS压力传感器、MEMS温度传感器、MEMS湿度传感器、电流传感器和MEMS微型马达。

7.根据权利要求6所述的基于MEMS的智能断路器装置，其特征在于：

所述MEMS加速度传感器、MEMS角速度传感器和MEMS位移传感器用于测量触头行程——时间曲线；

所述MEMS陀螺仪与三个方向上的MEMS加速度传感器组合形成惯性测量单元，用于对触头动作过程中的重力加速度分量进行修正，对有害加速度分量进行补偿；

所述MEMS噪声传感器用于采集柱上开关运行过程中的噪声，以及用于局部放电检测；

所述MEMS加速度传感器、MEMS角速度传感器、MEMS位移传感器和MEMS噪声传感器用于采集柱上开关运行过程中的振动信号；

所述MEMS磁传感器用于监测柱上开关运行过程中的磁场环境；

所述MEMS压力传感器用于测量储能弹簧压力、真空室内气体压力；

所述MEMS温度传感器用于测量触头温度、环境温度；

所述MEMS湿度传感器用于测量环境湿度；

所述电流传感器为分别串入分闸线圈、合闸线圈以及储能电机回路的霍尔电流传感器，用于测量上述回路的电流；

所述MEMS微型马达用于实现所述基于MEMS的分布式微传感器系统的导轨式配置，实现任意配置预设检测点，以获取真实的测量效果。