CN112505420A - 一种配电盘智能试验分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电盘智能试验分析系统，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括人机交互单元、通讯单元、中央处理单元、动力回路接触电阻测试模块、开关机械特性测试模块、一次绝缘电阻测量模块、直流电源输出模块、二次分合闸线圈测试模块、二次绝缘电阻测量模块、开关量输入输出模块、功率输出单元等，且硬件系统的各部位集成在一个便携式4U机箱内，所述软件系统包括智能检测模块、智能分析模块、基础信息管理模块及系统管理模块。该配电盘智能试验分析系统能够自动进行试验，无需人工拆接线，提高试验效率与准确度，避免因接错线造成的安全隐患，安全性和效率性均得到有效提升。

Description

一种配电盘智能试验分析系统

技术领域

本发明涉及配电盘试验技术领域，具体为一种配电盘智能试验分析系统。

背景技术

配电盘又称配电柜，通常由柜体、开关、保护装置、电能计量表以及其他二次元器件组成。配电盘的主要用途是：方便停电、送电，起到计量、保护的作用和功能，当发生电路故障时有利于检修。配电盘通常安装在发电站﹑变电站以及用电量较大的电力客户处。 目前，中、低压的电气开关及监控仓电流、电压继电器广泛应用于配电设备的电源控制与保护，电站对电气设备制定了相应的检查标准。配电盘的检查需要通过操作试验和继保试验进行，通常，安装在客户现场的电气配电盘开关操作试验均是在盘柜仓内进行，通过测量开关辅助节点来判断开关分合闸动作及相关保护功能是否正常。 现有技术存在以下两方面的缺陷： 1）现有试验过程涉及大量拆接线操作，存在直流回路短路、接地风险，以及接错线风险，安全隐患较大； 2）需要多次在盘柜电缆仓二次端子位置进行测量，空间狭窄且接线密集，信号测量异常困难，不仅效率不高，而且有很大误碰、误测、短路、接地等风险。 因此，为了降低电气盘开关操作试验风险，提高检修效率，亟需一种配电盘智能试验装置，能够自动完成检修程序的电气开关的操作试验及各保护校验步骤，实现无纸化试验，免去拆接线以及人工测量等繁琐的操作工序，提高配电盘试验的效率和安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种配电盘智能试验分析系统，能够对试验结果进行智能分析，包括故障告警分析和趋势分析。通过以时间轴滚动方式展示配电盘全寿期内的实验大事记并对试验结果进行展示和故障标记，从而对故障结果进行告警分析；通过绘制试验记录、试验信息及试验过程中采集的数据变化趋势图，从而进行配电盘试验的趋势分析。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种配电盘智能试验分析系统，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括人机交互单元、通讯单元、中央处理单元、动力回路接触电阻测试模块、开关机械特性测试模块、一次绝缘电阻测量模块、直流电源输出模块、二次分合闸线圈测试模块、二次绝缘电阻测量模块、开关量输入输出模块、功率输出单元等，且硬件系统的各部位集成在一个便携式4U机箱内，所述软件系统包括智能检测模块、智能分析模块、基础信息管理模块及系统管理模块。 优选的，所述人机交互单元通过装置内设嵌入式工控机实现，所述工控机采用研祥嵌入式主板AIMB-U117D、CPU为双核AtomX7-E3950、主频1.6G、硬盘选用32G，所述嵌入式主板包含两路100M网口，4路RS232串行通信接口，4个USB口，通过WAN口与通讯单元相连，。 优选的，所述通讯单元主体采用IP175G网络交换机模块，该模块具有5口10/100M以太网集成交换，通过RJ45接口分别与工控机、中央处理单元相连。优选的，所述中央处理单元采用DSP与FPGA芯片作为主控芯片，主要包括DSP模块、FPGA模块、FPGA外围电路模块和数字量输入输出接口模块。 优选的，所述开关机械特性测试模块由直流电源与开关量输入模块构成，由中央处理单元控制。 优选的，所述绝缘电阻测量模块包括一次绝缘电阻测量模块和二次绝缘电阻测量模块。 优选的，所述开关量输入输出模块分为开关量输入模块和开关量输出模块两个部分。 优选的，所述智能分析模块包括告警分析和趋势分析及预警、数据查询三大模块。 优选的，所述基础信息管理模块包括设备管理和项目管理两大模块。 优选的，所述系统管理模块包括用户管理、权限管理和日志管理三个子模块。 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 1）能够自动进行试验，无需人工拆接线，提高试验效率与准确度，避免因接错线造成的安全隐患，安全性和效率性均得到有效提升； 2）能够对试验结果进行智能分析，简化人工分析工作内容，提高试验结果分析效率，为智能化决策提供依据，智能化程度较高。

附图说明

图1为本发明配电盘智能试验系统整体结构示意图；

图2为本发明配电盘智能试验装置外观结构示意图；

图3为本发明工控机结构框图；

图4为本发明通讯方式流程示意图；

图5为本发明中央处理单元结构框图；

图6为本发明动力回路接触电阻测试原理框图；

图7为本发明开关机械特性测试示意图；

图8为本发明绝缘电阻测试原理框图；

图9为本发明航空障碍灯运检管控流程示意图；

图10为本发明智能检测试验流程图；

图11为本发明动力回路接触电阻接线示意图；

图12为本发明开关控制回路辅助接点测试示意图；

图13为本发明分合闸线圈测试示意图；

图14为本发明开关机械特性测试示意图；

图15为本发明继电器及保护装置校验测试示意图。

本发明中的零件均可通过市场购买和私人定制获得。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-15，本发明提供的一种配电盘智能试验分析系统实施例：一种配电盘智能试验分析系统，包括硬件系统和软件系统；

一、硬件系统包括人机交互单元、通讯单元、中央处理单元、动力回路接触电阻测试模块、开关机械特性测试模块、一次绝缘电阻测量模块、直流电源输出模块、二次分合闸线圈测试模块、二次绝缘电阻测量模块、开关量输入输出模块、功率输出单元等，且硬件系统的各部位集成在一个便携式4U机箱内，设备外观如说明书附图2所示。

1）人机交互单元通过装置内设嵌入式工控机实现，工控机采用研祥嵌入式主板AIMB-U117D，CPU为双核AtomX7-E3950，主频1.6G，硬盘可选用32G，该嵌入式主板接口丰富，包含两路100M网口，4路RS232串行通信接口，4个USB口。通过WAN口与通讯单元相连。工控机结构如图3所示。

2）通讯单元主体采用IP175G网络交换机模块，该模块具有5口10/100M以太网集成交换，通过RJ45接口分别与工控机、中央处理单元相连。将应用程序的命令与中央处理单元的反馈相互交换。配电盘智能试验装置基于以太网进行通讯，人机交互单元（工控机或PC机）与通讯单元、通讯单元与中央处理单元之间均使用以太网通讯，并使用定值UDP报文格式进行通讯。同时，通讯单元与继保自动化装置用以太网通讯，按照继保自动化保护装置的通讯规约进行。通讯方式如图4所示。

3）中央处理单元采用DSP与FPGA芯片作为主控芯片，主要包括DSP模块、FPGA模块、FPGA外围电路模块和数字量输入输出接口模块。中央处理单元的总体设计方案原理如图5所示。

通过DSP与FPGA模块的结合，系统能够实时完成复杂的运算，而且兼具DSP的高速数字信号处理功能和FPGA功耗低、主频高的优点。不仅如此，通过DSP与FPGA模块的结合，系统能够方便地修改控制策略，便于进行控制参数修正，并可使设备具有良好的可靠性、可维修性，有效降低成本。此外，通过DSP与FPGA模块的结合，系统可采用的智能控制策略更多，结构灵活，适合于模块化设计，易于维护和扩展，有较强的通用性。

DSP模块采用PHILIP公司的TMS320F2812作为主控芯片，它是32位控制专用DSP，内含FLASH，主频高达150MHz，具有数字信号处理、事件管理和嵌入式控制功能，适用于大批量数据处理的场合。同时，选用PHILIP公司生产的TPS767D318芯片来实现TMS320F2812的电源设计，将5V电源分别转换为3.3V和1.8V。SRAM是DSP常用的外围存储器，它具有接口简单、读写速度快等优点，所以选择大小为64KB的随机存储器CY7C1021作为存储器扩展芯片。在对外接口部分，包含一个RS232接口和一个RJ45接口，其中，RS232用于控制外部的可调直流电源模块和耗能模块，RJ45用于接收用户传下来的实验规程。

FPGA模块采用Altera公司的Cyclone系列EP1C6TC44C8作为主控芯片，EP1C6TC44C8具备高性能、低功耗的特点。EP1C6TC44C8具有2个锁相环，包含5980个逻辑单元，相当于12万门的规模，同时还包含了最高频率200MHz、92160bit的内部RAM。无论是逻辑门数量、频率，还是I/O引脚的数量，EP1C6TC44C8都能够满足需求。

4）动力回路接触电阻测量模块采用四线法测试电阻的方式对接触电阻进行测试，由恒流源输出电流施加在断路器上，通过采样回路测试断路器触点两侧的电压，进而计算接触电阻。该回路接触电阻小，电流较大，使用前需施加100A电流进行测试，图6为动力回路接触电阻测试原理框图。由中央处理单元负责控制恒流源的输出，输出检测电路和高精度AD转换器将采得的电流I和电压Ux传回中央处理单元，计算电阻得到接触电阻Rx=Ux/I。为了防止线路上的压降对Ux的电压产生影响，高精度AD转换器的采样线路直接从断路器触点两侧进行采样。

5）开关机械特性测试模块由直流电源与开关量输入模块构成，由中央处理单元根据测试需求输出直流电压至开关分合闸线圈上，控制开关分合，由开关量输入采集开关状态，同时计算分合闸时间、同期特性，测试示意图如图7。正反转回路切换时，由测试设备控制开入量模块接线切换。

6）绝缘电阻测量模块包括一次绝缘电阻测量模块和二次绝缘电阻测量模块，两个测试模块测试原理相同，区别在于一次测试需要2500V的直流电压，二次测试只需要500V直流电压。两个测试模块均由直流电压变换器将电池电压转换为直流高压电作为测试电压，这个测试电压施加在被测回路上产生的电流经电流电压转换器转换为相应的电压值，然后送入AD转换器变为数字编码，再由中央处理单元计算处理。

图8为绝缘电阻测试原理框图。其中，直流电压变换器（DC-DC变换器）将较低的直流电压电压转换为直流高压作为测试电压，根据项目测试需要，有2500V和500V两种。采用脉宽调制(pwm)型集成控制器将直流电压转换为脉宽调制信号，经升压变压器转化为高压脉冲，由倍压整流平滑成直流高压测试电压，其输出电压大小是通过输出电压控制电路调节脉冲宽度来实现的。电流电压转换器（I-V转换）由待测电阻Rx、反馈电阻Rf及运算放大器A1组成，其用于将流经被测绝缘电阻Rx的电流转换为电压信号输出。模数转换器及显示电路：模数转换器(A/D)将Rref和Vin转换成数字信号传送至中央处理单元，由中央处理单元对数据进行计算处理。

7）直流电源输出模块采用一路可调直流220V/5A电源，为被测提供可以调节的直流电压。另外配置一个双路输出24V/48V的1A模块电源，为装置提供电源，并通过中央处理单元控制输出，对直流可调电源的保护进行反馈。

8）二次分合闸线圈测试模块主要用于测试二次分合闸线圈的起励电压、分励电压以及线圈直阻，该模块与直流电压输出模块、开关量输入输出模块相配合，内部集成多路AD采样回路，对分合闸线圈的参数进行测量。

9）开关量输入输出模块分为开关量输入模块和开关量输出模块两个部分。 开关量输入模块主要采集被测装置上的数字信号，并将采集的数值传输至中央处理单元，以配合其他模块完成中低压开关的各项测试，测量时间精度为0.1ms，可以自适应空接点和带电接点。该模块主要包含：数字信号采集部分、MCU微控制单元、通讯接口部分。通讯接口CAN使用PHILIP的SN65HVD234D收发器芯片；MCU微控制单元部分使用ST公司的stm32f105，其自带CAN控制器和GPIO端口；数字信号采集部分，即输入部分，采用光电隔离器件进行隔离。 开关量输出模块主要用于输出开关量信号至卡件，其主要包含：数字信号输出部分、MCU微控制单元、通讯接口部分。通讯接口CAN使用PHILIP的SN65HVD234D收发器芯片；MCU微控制单元部分ST公司的stm32f105，自带CAN控制器和GPIO端口；数字信号输出部分采用欧姆龙1A的继电器接点输出。

10）功率输出单元主要用于继电自动化保护装置以及单体继电器的激励量输出，包含3路电压输出和4路电流输出，其中三相电压输出线电压0-480V，4路电流中3路电流输出0-50A，零序电流输出0-35A。由中央处理单元提供信号，功率输出单元进行多级放大后输出试验所需电压电流模拟量。

图9为功率输出单元示意图。 二、软件系统包括智能检测模块、智能分析模块、基础信息管理模块及系统管理模块，通过客户端软件对配电盘进行自动化试验及智能分析，实现试验控制、故障告警分析及趋势分析等功能。

1）智能检测模块 在该模块，用户可进行相应的检测试验操作，具体流程为：选择配电盘—选择抽屉—选择开关—选择测例—准备工作确认—自动测试。其中，自动测试首先进行的是空载测试，空载测试结果显示检测装置内部各功能状态良好后，进行相应的自动化试验。

图10为系统进行智能检测的流程图。试验过程中可对试验数据进行实时监测，当阈值超出设定范围时，发出故障告警信号。

2）智能分析模块 该模块主要包括告警分析和趋势分析及预警、数据查询三大模块。用户可以通过数据查询模块查看试验编号、设备编号、试验时间、试验结果等数据。告警分析模块将配电盘全寿期内的试验事件以时间轴的方式滚动显示，并对试验故障进行突出标识，从而进行告警，通过点击告警标识可查看试验记录、故障内容等信息。趋势分析及预警模块则通过对试验过程中记录的数据进行图表展示的方式，显示配电盘试验变化趋势，并对不符合常规的变化进行预警提示。

3）基础信息管理模块 基础信息管理模块包括设备管理和项目管理两大模块。 设备管理实现对配电盘和检测设备的统一管理，包括设备编码、管理员、设备状态等；设备管理列表界面中，可以对设备信息进行添加、删除、修改、图片上传及浏览操作。设备对象可编辑，具备扩展性。检测设备的管理还包括对设备引脚、通道、端口以及参数设置等的管理，用户可自定义各测量开关的辅助接点的端口，兼容电压信号、干接点信号，信号注入时间可控。 项目管理实现对检测项目的管理，包括项目编号、项目名称、负责人、项目设备、项目内容、开始时间、结束时间等。用户可以查看项目信息，管理员可对项目进行查看、添加、修改、删除。

4）系统管理模块 系统管理模块包括用户管理、权限管理和日志管理三个子模块。用户管理用于实现用户信息的维护及管理。包用户名、密码、姓名、工号、部门、职务、电话号码、角色、个人所参与试验等，该页面提供excel模板导入导出功能，可供操作人员进行批量人员信息的导入和导出。系统管理员可以对用户信息进行维护和修改，对不再需要访问本系统的用户信息进行禁用，禁止登陆使用本系统。用户登陆系统后可以对用户个人信息与密码等信息进行修改。

权限管理模块实现角色权限划分和角色信息管理功能。不同角色具有不同的系统操作权限，只有管理员才拥有创建角色的权限，不同用户分配不同的功能权限和数据资源。该模块显示角色名称、创建时间、备注等信息，可提供查询、添加、修改、功能权限功能。系统设置有管理员，负责向其他用户提供不同类型的软件使用授权。 日志管理用表格的形式对用户登录情况进行记录。登录的日志列表包括用户名、登录时间以及登录ID，这是系统安全性的保障。系统提供以用户名、登录时间的筛选方式查询具体用户登录的信息。用户可在界面的查询区通过输入用户名、登录时间等条件筛选符合查询条件的结果，显示在日志列表区内。

三、本发明提供的配电盘智能试验装置可实现的测试试验包括：动力回路接触电阻测试、动力回路和控制回路相间及对地绝缘电阻测试、开关控制回路辅助接点分合闸状态检测和导通直阻测量、分合闸线圈和储能电机直阻以及分合闸励磁电压检测、开关机械特性检测、继电器及保护装置校验。

1）动力回路接触电阻测试 动力回路接触电阻测试的测试流程为：由中央处理单元控制动力回路测试模块输出100A直流电流，回采测试点两点之间的电压u，计算得出接触电阻r=u/i。图11为动力回路接触电阻测试接线图。

2）动力回路和控制回路相间及对地绝缘电阻测试 测试流程为：由中央处理单元控制一二次绝缘电阻测试模块输出DC2500V/500V的直流电压u，回采测试点两点之间的电压i，计算得出绝缘电阻r=u/i。其中2500V采用高压绝缘线单独出线，测量开关一次侧的绝缘电阻。500V出线采用航插的形式直接与配电盘二次部分对接，由程序控制测试仪内部切换，依次测量各测试点的绝缘电阻。

3）开关控制回路辅助接点分合闸状态检测和导通直阻测量 开关控制回路辅助接点分合闸状态检测流程为：由中央处理单元控制控制直流电源输出模块输出分合闸线圈所需电压，控制开关分合，开关量输入单元连接辅助接点测量的分合状态。导通电阻的测量流程为：当辅助接点处于合位时，测量电压U1、Ux计算接触电阻Rx=Ux/（U1/R1）。测量示意图如图12所示，R1为阻值确定的精密电阻，出线直接采用航插与控制回路直接对接。

4）分合闸线圈和储能电机直阻以及分合闸励磁电压检测 分合闸线圈测量利用直流电源模块的可调直流部分输出电压，同时通过开关量输入模块检测线圈对应接点的状态来测量分合闸励磁电压，在分合闸线圈起励后利用内置的AD采用单元测量线圈直阻。测试原理图如图13所示，电压源输出电压Uo，精密电阻R1上电压为U1，线圈上电压Ux=Uo-U1，取Ux为分合闸线圈励磁电压，直阻Rx=Ux/（U1/R1）。

5）开关机械特性检测 图14所示为进行开关机械特性检测的示意图，直流模块输出电压控制开关分合，同时将开关的三相触点接到测试仪开入端子，从电源输出激励量开始计时，分别记录ABC三相触点的动作时间，时间记录精度至0.1ms，以此测试开关的分合闸时间、三相不同期时间以及合闸弹跳等时间。

6）继电器及保护装置校验 图15为继电器及保护装置校验的测试示意图，继电器及保护装置校验通过中央控制单元控制功率源输出保护装置或继电器所需的激励量，用开关量输出模块给保护装置提供开关位置信号，用开关量输入模块接收保护装置或继电器的跳闸出口。 综上，本发明提供的一种配电盘智能试验装置，能够实现中低压配电盘自动化试验过程的信号输出、信号采集、信号处理、信号传输、参数管理、试验控制、数据分析、故障分析等工作。通过人机交互单元、通讯单元、中央处理单元、动力回路接触电阻测试模块、开关机械特性测试模块、一次绝缘电阻测量模块、直流电源输出模块、二次分合闸线圈测试模块、二次绝缘电阻测量模块、开关量输入输出模块、功率输出单元，自动完成动力回路接触电阻测试、动力回路和控制回路相间及对地绝缘电阻测试、开关控制回路辅助接点分合闸状态检测和导通直阻测量、分合闸线圈和储能电机直阻以及分合闸励磁电压检测、开关机械特性检测、继电器及保护装置校验。 本发明通过将纸质维修程序中的试验内容数字化编程，在检修试验中依靠标准化的计算机程序和各种测量装置完成配电盘检修试验，提高试验效率与准确度，并能进行故障告警分析和趋势分析，智能分析试验结果，简化人工分析工作内容，提高试验结果分析效率，为智能化决策提供依据。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种配电盘智能试验分析系统，包括硬件系统和软件系统，其特征在于：所述硬件系统包括人机交互单元、通讯单元、中央处理单元、动力回路接触电阻测试模块、开关机械特性测试模块、一次绝缘电阻测量模块、直流电源输出模块、二次分合闸线圈测试模块、二次绝缘电阻测量模块、开关量输入输出模块、功率输出单元等，且硬件系统的各部位集成在一个便携式4U机箱内，所述软件系统包括智能检测模块、智能分析模块、基础信息管理模块及系统管理模块。

2.据权利要求1所述的一种配电盘智能试验分析系统，其特征在于：所述人机交互单元通过装置内设嵌入式工控机实现，所述工控机采用研祥嵌入式主板AIMB-U117D、CPU为双核Atom X7-E3950、主频6G、硬盘选用32G，所述嵌入式主板包含两路100M网口，4路RS232串行通信接口，4个USB口，通过WAN口与通讯单元相连。

3.据权利要求1所述的一种配电盘智能试验分析系统，其特征在于：所述通讯单元主体采用IP175G网络交换机模块，该模块具有5口10/100M以太网集成交换，通过RJ45接口分别与工控机、中央处理单元相连。

4.据权利要求1所述的一种配电盘智能试验分析系统，其特征在于：所述中央处理单元采用DSP与FPGA芯片作为主控芯片，主要包括DSP模块、FPGA模块、FPGA外围电路模块和数字量输入输出接口模块。

5.据权利要求1所述的一种配电盘智能试验分析系统，其特征在于：所述开关机械特性测试模块由直流电源与开关量输入模块构成，由中央处理单元控制。

6.据权利要求1所述的一种配电盘智能试验分析系统，其特征在于：所述绝缘电阻测量模块包括一次绝缘电阻测量模块和二次绝缘电阻测量模块。

7.据权利要求1所述的一种配电盘智能试验分析系统，其特征在于：所述开关量输入输出模块分为开关量输入模块和开关量输出模块两个部分。

8.据权利要求1所述的一种配电盘智能试验分析系统，其特征在于：所述智能分析模块包括告警分析和趋势分析及预警、数据查询三大模块。

9.据权利要求1所述的一种配电盘智能试验分析系统，其特征在于：所述基础信息管理模块包括设备管理和项目管理两大模块。

10.根据权利要求1所述的一种配电盘智能试验分析系统，其特征在于：所述系统管理模块包括用户管理、权限管理和日志管理三个子模块。

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