CN112485655B - 一种变电站断路器跳合闸回路精准监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变电站跳合闸回路精准监测装置与方法，该装置包括跳合闸回路、测试回路、线性功率放大器、DA模块、FPGA、功率电阻、第一路信号放大模块、第一路AD采集模块、霍尔传感器、第二路信号放大模块、第二路AD采集模块、温湿度传感器和开入模块。本发明主要利用对变电站跳合闸回路电流的精准监测，既可以识别跳合闸的分合闸状态，还可以监测变电站长期运行中可能发生的线路老化等原因导致跳合闸回路电流异常增大的情况，快速定位故障点,有效保障电网安全运行。

Description

一种变电站断路器跳合闸回路精准监测装置与方法

技术领域

本发明涉及电力系统变电站二次回路领域，具体涉及一种变电站断路器跳合闸回路精准监测装置与方法。

背景技术

高压断路器的跳合闸回路是电力系统控制中最终的保护回路，因此对跳合闸回路的监视十分重要。目前，国内外对断路器跳合闸回路的监视方法大致有4种：采用简单直观的红绿灯回路直接监视；采用跳合闸位置继电器常闭触点串联启动中央信号的间接监视；采用合闸状态下的跳合闸回路完整性信号灯监视；采用串接高内阻继电器于跳闸回路的间接监视。

但上述四种方法只能监视断路器跳合闸回路的通断状态，不能实时监测回路电流。所以当电缆故障导致跳合闸回路电流异常时，无法预警，且不能对故障点定位，进而无法提醒运维人员进行补救措施。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，提供了一种变电站断路器跳合闸回路精准监测装置与方法，可以对变电站断路器跳合闸回路的电流进行检测，而且精度较高，并且可快速定位故障点。

本发明采用的技术方案如下：

一种变电站断路器跳合闸回路精准监测装置，包括跳合闸回路、测试回路、线性功率放大器、DA模块、FPGA、功率电阻、第一路信号放大模块、第一路AD采集模块、霍尔传感器、第二路信号放大模块、第二路AD采集模块、温湿度传感器和开入模块；

线性功率放大器通过DA模块与FPGA连接，功率电阻一端通过测试回路与电气地连接，功率电阻另一端分别与线性功率放大器的输出端以及第一路信号放大模块的输入端连接，第一路信号放大模块通过第一路AD采集模块与FPGA连接，

跳合闸回路和测试回路均穿过霍尔传感器，霍尔传感器与第二路信号放大模块的输入端连接，第二路信号放大模块通过第二路AD采集模块与FPGA连接；

FPGA分别与温湿度传感器和开入模块连接，跳合闸回路上设置有跳合闸硬接点，开入模块用于监测跳合闸硬接点的开合状态。

进一步的，所述霍尔传感器为可开合式霍尔传感器。

进一步的，所述霍尔传感器包含一个环形霍尔磁芯，跳合闸回路和测试回路同时穿过环形霍尔磁芯。

进一步的，所述温湿度传感器用于采集设备环境温度，直接连接FPGA芯片的I/O引脚。

进一步的，所述跳合闸回路为待测断路器跳合闸回路。

进一步的，所述测试回路产生的电流方向与跳合闸回路电流方向相同；所述DA模块用于将FPGA芯片提供的数字信号转换为模拟信号；所述线性功率放大器用于对所述DA模块提供的模拟信号进行功率放大并输出给测试回路，以使所述功率电阻产生电流和电压；所述第一路信号放大模块用于获取功率电阻的电压并进行信号放大；所述第一路AD采集模块用于将功率电阻的电压模拟信号转换为功率电阻电压数字信号；所述霍尔传感器用于测量穿过霍尔磁芯的总回路电流并获得总回路电流模拟信号；所述第二路信号放大模块用于对霍尔传感器输出的总回路电流模拟信号进行放大；所述第二路AD采集模块用于将总回路电流模拟信号转换为总回路电流数字信号；所述开入模块用于监测跳合闸硬接点的状态，以将其状态信息传输给FPGA。

一种变电站断路器跳合闸回路精准监测方法，其利用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一、FPGA对DA模块进行初始化；

步骤二、FPGA向DA模块输出数字量0；

步骤三、FPGA获取第一路AD采集模块输出的功率电阻电压数字信号，根据功率电阻电压数字信号计算测试回路当前电流值，并将测试回路当前电流值记为基准电流值Is；

步骤四、FPGA获取开入模块输入的电平状态；

步骤五、FPGA获取第二路AD采集模块输出的总回路电流数字信号，并生成总回路电流值，并将总回路电流值存储为基准采样值Ds；

步骤六、FPGA增大对DA模块的数字量输出，使得测试回路的电流增大；

步骤七、FPGA获取第一路AD采集模块输出的功率电阻电压数字信号，并生成功率电阻电压值，并根据功率电阻电压值计算测试回路电流值，若测试回路电流值大于1A，执行步骤十一，否则执行步骤八；

步骤八、FPGA将步骤七计算的测试回路电流值，减去步骤三中测试回路基准电流值Is，得出测试回路电流增量，并使用测试回路电流增量数组In存储测试回路电流增量，n为序号，步骤八每执行一次n值加1，之后执行步骤九；

步骤九、FPGA获取开入模块的电平状态，若本步骤的电平状态与步骤三中的电平状态不一致，n设置为初始值1，执行步骤二，否则执行步骤十；

步骤十、FPGA获取第二路AD采集模块输出的总回路电流数字信号，并生成总回路电流值，将总回路电流值减去步骤五中的基准采样值Ds，得出总回路电流增量，并使用总回路电流增量数组Dn存储，步骤10每执行一次n值加1，之后执行步骤六；

步骤十一、FPGA使用最小二乘法对步骤八中的测试回路电流增量与步骤十获得的总回路电流增量进行线性回归分析，获得测试回路电流增量与总回路电流增量之间的线性关系；

步骤十二、FPGA驱动DA模块，使得FPGA向DA模块输出的数字量为0；

步骤十三、FPGA通过温湿度传感器获取当前环境温度，并记录为参考环境温度T0；

步骤十四、FPGA通过温湿度传感器获取当前环境温度T1，若当前环境温度T1与步骤十三中的参考环境温度T0，温差达到预设的阈值时，执行步骤二，否则继续执行步骤十五；

步骤十五、FPGA获取第二路AD采集模块采集的总回路电流数字信号，并生成总回路电流值，并将总回路电流值减去步骤五中的基准采样值Ds，得到总回路电流增量；

步骤十六、根据步骤十五中计算的总回路电流增量，以及测试回路电流增量与总回路电流增量之间的线性关系，计算跳合闸回路电流变化值，之后执行步骤十七；

步骤十七、FPGA根据跳合闸回路电流变化值对断路器跳合闸回路进行状态监测与故障预警。

进一步的，所述的步骤十七中进行状态监测与故障预警包括以下内容：

当前后两次监测的跳合闸回路电流变化值大于等于1A，且开入模块产生电平跳变，FPGA认定断路器发生分合闸操作；

当前后两次监测到跳合闸回路电流变化值大于等于110mA且小于1A，FPGA做出绝缘故障预警；

当前后两次监测的跳合闸回路电流变化值大于等于10mA且小于110mA，FPGA做出电流波动预警。

进一步的，步骤十四中所述阈值为10摄氏度。

进一步的，步骤十一中，假定测试回路电流增量与总回路电流增量的线性关系为y＝a*x+b，其中y为测试回路电流增量，x为总回路电流增量，a和b为FPGA使用最小二乘法计算出的线性参数。

本发明的有益效果如下：

1、本发明使用可开合式的霍尔传感器，安装简单，可操作性较高，既可以用于新建的变电站，也可用于已投运的变电站，安装时无需变电站停运，具有较高社会效益；

2、本发明使用明确的电流增量，让装置学习以建立装置测试结果与实际电流增量的函数关系，在实际应用时使用该函数关系计算电流值，因此对于变电站断路器跳合闸回路的电流检测精度高，最高可达10mA级；

3、本发明具有在线实时校准的特性、较高的环境适应性以及暂态数据过滤的特性，本发明带有跳合闸检测功能，当监测到跳合闸动作时，装置对于电流的变化不做告警，有效避免跳合闸回路动作时的误告警，从而有效杜绝断路器分合闸操作对系统监测数据的干扰，保证数据监测准确性。

4、本装置与方法可以完成对多个跳合闸回路的监测，发生故障时，可以快速定位故障点。

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，对于本领域技术人员来讲，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他的附图。

图1为本发明的变电站断路器跳合闸回路精准检测装置的结构示意图；

图2为本发明的变电站断路器跳合闸回路精准检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供的一种变电站断路器跳合闸回路精准检测装置的实施例，如图1所示。

所述变电站断路器跳合闸回路精准检测装置包括：跳合闸回路101、测试回路102、线性功率放大器103、DA模块104、FPGA芯片105、功率电阻106、第一路信号放大模块107、第一路AD采集模块108、霍尔传感器109、第二路信号放大模块110、第二路AD采集模块111、温湿度传感器112、开入模块113和跳合闸硬接点114。所述霍尔传感器109进一步包含一个环形霍尔磁芯。

所述跳合闸回路101为待测断路器跳合闸回路；

所述测试回路102产生电流方向与跳合闸回路10电流方向相同，跳合闸回路101和测试回路102同时穿过环形霍尔磁芯。

所述FPGA芯片105为本系统的主控芯片；

所述DA模块104用于将FPGA芯片105提供的数字信号转换为模拟信号；

所述线性功率放大器103用于对所述DA模块104提供的模拟信号进行功率放大并输出给测试回路，以使所述功率电阻106产生电流和电压；

所述第一路信号放大模块107用于获取功率电阻106的电压并进行信号放大；所述第一路AD采集模块108用于将功率电阻的电压模拟信号转换为功率电阻电压数字信号；

所述霍尔传感器109用于测量穿过霍尔磁芯的总回路电流并获得总回路电流模拟信号；

所述第二路信号放大模块110用于对霍尔传感器109输出的总回路电流模拟信号进行放大；

所述第二路AD采集模块111用于将总回路电流模拟信号转换为总回路电流数字信号；

所述温湿度传感器112用于采集设备环境温度。

所述跳合闸硬接点114串联在跳合闸回路中，用于获取断路器的分合闸状态。

所述开入模块113用于监测跳合闸硬接点114的状态，以将其状态信息传输给FPGA105。跳合闸硬接点114存在两种状态：跳闸状态与合闸状态，此处开入模块113则是获取跳合闸硬接点是处于两种状态中的哪一种。

所述FPGA芯片105、DA模块104、线性功率放大器103、功率电阻106依次顺序连接；第一路信号放大模块107、第一路AD采集模块108、FPGA芯片105依次顺序连接；霍尔传感器109、第二路信号放大模块110、第二路AD采集模块111、FPGA芯片105依次顺序连接；跳合闸回路硬接点114、开入模块113、FPGA芯片105依次顺序连接；温湿度传感器112直接连接FPGA芯片105的I/O引脚。

优选地，所述霍尔传感器109为可开合式霍尔传感器，可开合式霍尔传感器对于跳合闸回路电流采集更为方便。

优选地，所述FPGA芯片选用intel公司的cyclone V系列芯片。

本发明可通过对断路器跳合闸回路电流的实时监测实现对跳合闸回路的状态监测与故障预警。具体地，系统通过两种模式完成对断路器跳合闸回路得精准监测，一种是校准模式，一种是监测模式。其中，校准模式实现对霍尔传感器输出特性的测定，即霍尔传感器的输出与穿过霍尔磁芯的回路电流之间的线性关系，进而完成对断路器跳合闸回路电流的准确采集；监测模式完成对断路器跳合闸回路的状态监测与故障预警。

本发明实施例还提供一种变电站断路器跳合闸回路精准监测方法，其采用上述装置进行，如图2所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S201、系统上电启动，FPGA105对DA模块104执行初始化操作，使得DA模块104正常工作。之后执行步骤S202进入校准模式。

步骤S202、FPGA105向DA模块104输出数字量0。之后执行步骤S203。

FPGA105向DA模块104输出的数字量最小为0，此时DA模块104输出的模拟量同样为最小值，进而使得测试回路102的电流值为最小值。

步骤S203、FPGA105获取第一路AD采集模块108输出的功率电阻电压数字信号，根据功率电阻电压数字信号计算测试回路102当前电流值，并将测试回路102当前电流值记为基准电流值Is，之后执行步骤S204。

第一路AD采集模块采集108功率电阻106的电压模拟信号并转换为功率电阻电压数字信号发送到FPGA105，因此FPGA105可以通过功率电阻电压数字信号计算功率电阻电压值，进而计算测试回路电流值。所述基准电流Is为测试回路所产生的最小电流值。

步骤S204、FPGA105获取开入模块113输入的电平状态，之后执行步骤S205。

具体地，开入模块113的电平状态与断路器分合闸状态有关，开入模块113输入高电平表明断路器处于合闸状态；开入模块113输入低电平，表明断路器处于分闸状态。

步骤S205、FPGA105获取第二路AD采集模块111输出的总回路电流数字信号，并生成总回路电流值，并将总回路电流值存储为基准采样值Ds，之后执行步骤S206。

第二路AD采集模块111输出的总回路电流数字信号反应霍尔传感器109的输出，霍尔传感器109的输出与穿过霍尔磁芯的跳合闸回路与测试回路电流总和成正比。

当断路器分合闸状态不发生改变时，跳合闸回路电流基本保持不变。所以当测试回路电流为最小值时，跳合闸回路与测试回路的电流值总和也为最小值，霍尔传感器109的输出亦为最小值。所述基准采样值Ds即第二路AD采集模块111采样值亦为最小值。

步骤S206、FPGA105增大对DA模块104的数字量输出，使得测试回路电流增大，之后执行步骤S207。

步骤S207、FPG105获取第一路AD采集模块108输出的功率电阻电压数字信号，并生成功率电阻电压值，并根据功率电阻电压值计算测试回路电流值，若测试回路电流值大于1A，执行步骤S211，否则执行步骤S208。

第一路AD采集模块108采集功率电阻106的电压信号，因此FPGA105通过第一路AD采集模108采样值计算功率电阻的电压值，进而计算测试回路电流值。

步骤S208、FPGA105将步骤S207中计算的测试回路电流值，减去步骤S203中测试回路基准电流值Is，得出测试回路电流增量，并使用测试回路电流增量数组In存储测试回路电流增量，n为序号，初始值为1，步骤S208每执行一次n值加1，之后执行步骤S209。

步骤S209、FPGA105获取开入模块113的电平状态，若此时的电平状态与步骤S203中的电平状态不一致，n设置为初始值1，执行步骤S202，否则执行步骤S210。

具体地，开入模块113电平没有发生改变，表明断路器状态未改变，即跳合闸回路电流依然保持恒定，仅测试回路102的电流发生改变。

步骤210、FPGA105获取第二路AD采集模块111输出的总回路电流数字信号，并生成总回路电流值，将总回路电流值减去步骤S205中的基准采样值Ds，得出总回路电流增量，并使用总回路电流增量数组Dn存储，n为序号，步骤S210每执行一次n值加1。之后执行步骤S206。

第二路AD采集模块111的采样值反应霍尔传感器109的输出，霍尔传感器109的输出与穿过霍尔磁芯的跳合闸回路与测试回路电流总和成正比。

由于步骤S209确保了跳合闸回路电流保持恒定，因此第二路AD采集模块111获得的总回路电流与测试回路电流值成正比。

步骤S211、FPGA105使用最小二乘法对步骤S208中的测试回路电流增量与步骤S210获得的总回路电流增量进行线性回归分析，获得测试回路电流增量与总回路电流增量之间的线性关系，即霍尔传感器109输出特性。之后执行步骤S212。

由于霍尔传感器的输出与穿过霍尔磁芯的总回路电流成正比，本系统中穿过霍尔磁芯的总回路包括跳合闸回路与测试回路。在上述过程中保证了断路器状态不变，所以跳合闸回路电流保持恒定。即霍尔传感器的输出与测试回路电流成正比。

假定两者的线性关系为y＝a*x+b，其中y为测试回路电流增量，x为总回路电流增量，a和b为FPGA使用最小二乘法计算出的线性参数。此线性关系即霍尔传感器输出特性。

步骤S212、FPGA105驱动DA模块104，使得FPGA105向DA模块104输出的数字量为0，之后执行步骤S213。

步骤S213、FPGA105通过温湿度传感器111获取当前环境温度，并记录为参考环境温度T0，至此校准模式执行完毕，之后执行步骤S214进入监测模式。

由于系统使用霍尔传感器109测量回路电流，而霍尔传感器109的输出对温度敏感。因此步骤S211中的霍尔传感器109的输出特性适用于当前环境温度下。当环境温度发生大幅改变时，步骤S217中测定的霍尔传感器输出特性可能发生改变，导致电流测量出现误差。

步骤S214、FPGA105通过温湿度传感器112获取当前环境温度，并记录为当前环境温度T1。若当前环境温度T1与步骤S213中的参考环境温度T0，温差达到10摄氏度，执行步骤S202进入校准模式重新测定霍尔传感器输出特性，否则继续执行步骤S215。

步骤S215、FPGA105获取第二路AD采集模块111采集的总回路电流数字信号，并生成总回路电流值，并将总回路电流值减去步骤S205中的基准采样值Ds，得到总回路电流增量。

由于在步骤S212中对测试回路电流置为恒定最小值，所以本步骤中，第二路AD采集模块111采样值的波动来源于跳合闸回101路，跳合闸回路101电流的改变既可能源于断路器状态的改变，也可能来源于线路故障。

步骤S216、根据步骤S215中计算的总回路电流增量与步骤S211中测定的霍尔传感器输出特性，即测试回路电流增量与总回路电流增量之间的线性关系，计算跳合闸回路电流变化值。之后执行步骤S217。

步骤S217、FPGA105根据跳合闸回路电流变化值对断路器跳合闸回路进行状态监测与故障预警。具体步骤如下：

当前后两次监测的跳合闸回路电流变化值大于等于1A，且开入模块产生电平跳变，FPGA105认定断路器发生分合闸操作；

当前后两次监测到跳合闸回路电流变化值大于等于110mA且小于1A，FPGA认定为跳合闸回路对地绝缘降低，做出绝缘故障预警；

当前后两次监测的跳合闸回路电流变化值大于等于10mA且小于110mA，FPGA认定跳合闸回路存在电流波动，做出电流波动预警。

在上述步骤完成后即可对断路器跳合闸回路电流进行精准监测，进而根据电流大小判定跳合闸回路状态以及根据电流波动发出跳合闸回路异常预警(例如跳合闸回路对地短路等故障，跳合闸回路对地短路时，跳合闸回路电流将出现异常增大)。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种变电站断路器跳合闸回路精准监测方法，其特征在于利用变电站断路器跳合闸回路精准监测装置进行，所述装置包括跳合闸回路、测试回路、线性功率放大器、DA模块、FPGA、功率电阻、第一路信号放大模块、第一路AD采集模块、霍尔传感器、第二路信号放大模块、第二路AD采集模块、温湿度传感器和开入模块；

线性功率放大器通过DA模块与FPGA连接，功率电阻一端通过测试回路与电气地连接，功率电阻另一端分别与线性功率放大器的输出端以及第一路信号放大模块的输入端连接，第一路信号放大模块通过第一路AD采集模块与FPGA连接，

跳合闸回路和测试回路均穿过霍尔传感器，霍尔传感器与第二路信号放大模块的输入端连接，第二路信号放大模块通过第二路AD采集模块与FPGA连接；

FPGA分别与温湿度传感器和开入模块连接，跳合闸回路上设置有跳合闸硬接点，开入模块用于监测跳合闸硬接点的开合状态，所述测试回路产生电流方向与跳合闸回路的电流方向相同；所述方法包括如下步骤：

步骤一、FPGA对DA模块进行初始化；

步骤二、FPGA向DA模块输出数字量0；

步骤三、FPGA获取第一路AD采集模块输出的功率电阻电压数字信号，根据功率电阻电压数字信号计算测试回路当前电流值，并将测试回路当前电流值记为基准电流值Is ；

步骤四、FPGA获取开入模块输入的电平状态；

步骤五、FPGA获取第二路AD采集模块输出的总回路电流数字信号，并生成总回路电流值，并将总回路电流值存储为基准采样值Ds；

步骤六、FPGA增大对DA模块的数字量输出，使得测试回路的电流增大；

步骤七、FPGA获取第一路AD采集模块输出的功率电阻电压数字信号，并生成功率电阻电压值，并根据功率电阻电压值计算测试回路电流值，若测试回路电流值大于1A，执行步骤十一，否则执行步骤八；

步骤八、FPGA将步骤七计算的测试回路电流值，减去步骤三中测试回路基准电流值Is，得出测试回路电流增量，并使用测试回路电流增量数组In存储测试回路电流增量，n为序号，步骤八每执行一次n值加1，之后执行步骤九；

步骤九、FPGA获取开入模块的电平状态，若本步骤的电平状态与步骤三中的电平状态不一致，n设置为初始值1，执行步骤二，否则执行步骤十；

步骤十、FPGA获取第二路AD采集模块输出的总回路电流数字信号，并生成总回路电流值，将总回路电流值减去步骤五中的基准采样值Ds，得出总回路电流增量，并使用总回路电流增量数组Dn存储，步骤10每执行一次n值加1，之后执行步骤六；

步骤十一、FPGA使用最小二乘法对步骤八中的测试回路电流增量与步骤十获得的总回路电流增量进行线性回归分析，获得测试回路电流增量与总回路电流增量之间的线性关系；

步骤十二、FPGA驱动DA模块，使得FPGA向DA模块输出的数字量为0；

步骤十三、FPGA通过温湿度传感器获取当前环境温度，并记录为参考环境温度T0；

步骤十四、FPGA通过温湿度传感器获取当前环境温度T1，若当前环境温度T1与步骤十三中的参考环境温度T0，温差达到预设的阈值时，执行步骤二，否则继续执行步骤十五；

步骤十五、FPGA获取第二路AD采集模块采集的总回路电流数字信号，并生成总回路电流值，并将总回路电流值减去步骤五中的基准采样值Ds，得到总回路电流增量；

步骤十六、根据步骤十五中计算的总回路电流增量，以及测试回路电流增量与总回路电流增量之间的线性关系，计算跳合闸回路电流变化值，之后执行步骤十七；

步骤十七、FPGA根据跳合闸回路电流变化值对断路器跳合闸回路进行状态监测与故障预警。

2.根据权利要求1所述的一种变电站断路器跳合闸回路精准监测方法，其特征在于，所述的步骤十七中进行状态监测与故障预警包括以下内容：

当前后两次监测的跳合闸回路电流变化值大于等于1A，且开入模块产生电平跳变，FPGA认定断路器发生分合闸操作；

当前后两次监测到跳合闸回路电流变化值大于等于110mA且小于1A，FPGA做出绝缘故障预警；

当前后两次监测的跳合闸回路电流变化值大于等于10mA且小于110mA，FPGA做出电流波动预警。

3.根据权利要求1所述的一种变电站断路器跳合闸回路精准监测方法，其特征在于，步骤十四中所述阈值为10摄氏度。

4.根据权利要求1所述的一种变电站断路器跳合闸回路精准监测方法，其特征在于，步骤十一中，假定测试回路电流增量与总回路电流增量的线性关系为y=a*x+b，其中y为测试回路电流增量，x为总回路电流增量，a和b为FPGA使用最小二乘法计算出的线性参数。

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