CN113189481A - 一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表及监测方法，包含微处理器、信号采集电路、继电器控制开关、时钟芯片、电源模块、数据存储模块、通信模块和人机交互模块。通过电压、电流信号采集实现对断路器寿命的非侵入式监测功能，提高了负载回路用电的可靠性，降低了断路器故障造成安全事故的风险，且具有现场安装方便、操作简便、成本低廉等优点。同时针对回路中三相电流的采样，电力仪表具有三相电流采集电路、三相分断电流采集电路两组采集通道，既保证了负载回路正常运行电流的检测精度，又能够确保检测到短路、接地等造成故障电流的幅值，提高了断路器寿命评估的准确性。

Description

一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表及监测方法
技术领域
本发明属于电力测量设备技术领域，更为具体地说，涉及一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表及监测方法。
背景技术
断路器是能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并在规定的时间内承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下电流的开关装置，是电力系统中常见的电气设备之一。断路器在使用过程中出现故障将会引起局部或者大范围的停电，并对工业生产及社会生活造成不利的影响。因此，断路器的正常可靠运行对电网以及负载侧用电安全至关重要。目前，市场上的电力仪表仅能实现对回路内用电负荷的全电量参数的实时测量，并不具有对本回路进线端断路器的寿命状态进行监测的功能，对存在失效风险的断路器无法进行及时的检修和保养，进而无法保证负荷用电的可靠性与安全性。此外，伴随着能源互联网及其框架下智能电网迅猛发展，单一测量功能的电力仪表无法适应电力系统智能化发展的要求，带有断路器寿命监测功能的电力仪表成为当前低压电器领域研发的重要方向，具有广阔的发展与应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表，包含微处理器(1)、信号采集电路(2)、继电器控制开关(3)、时钟芯片(4)、电源模块(5)、数据存储模块(6)、通信模块(7)和人机交互模块(8)，所述信号采集模块(2)、继电器控制开关(3)、时钟芯片(4)、电源模块(5)、数据存储模块(6)、通信模块(7)和人机交互模块(8)均与微处理器(1)电气连接，微处理器(1)在电力仪表上电初始化后，采集电压和电流信号获得全电量参数并评估断路器寿命状况。
进一步，所述信号采集模块(2)包含三相电流采集电路、三相分断电流采集电路和三相电压采集电路。
进一步，所述继电器控制开关(3)用于控制负载回路中继电器的动作以实现保护机制的联动。
进一步，所述数据存储模块(6)为铁电存储器。
进一步，所述通信模块(7)包括RS485接口和以太网接口。
进一步，所述人机交互模块(8)包含LCD显示屏和操作按键。
一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表的监测方法，微处理器(1)用于在电力仪表上电初始化后，采集电压和电流信号获得全电量参数并评估断路器寿命状况，包含以下步骤：
1)从数据存储模块(6)中读取三相电流采集电路、三相分断电流采集电路和三相电压采集电路的标定参数信息；
2)由三相电流采集电路、三相电压采集电路分别采集三相电流和三相电压信号，计算获得全电量参数信息，通过人机交互模块(8)进行实时显示，同时由通信模块(7)上传到监控后台；
3)若断路器发生分闸，则通过三相分断电流采集电路、三相电压采集电路分别采集三相分断电流和三相电压信号各两个周波的数据，即分闸前一个周波及分闸后一个周波；
4)通过波形数据的逐个比较，分别获得分相分断电流波形和分相电压波形的峰值；进而分别计算获得分相的分断电流峰值和分相的电弧电压峰值；将对应相的分断电流峰值与电弧电压峰值分别相乘，即可获得分相的分断功率；
5)每次断路器分闸操作时，将分断功率进行累加计算，可得到分相分断功率的累计值，并储存在数据存储模块(6)中；
6)若任一相的累计值超过预先设定的阈值时，表明断路器触头的分断能力将失效，存在触头粘连的风险，进而触发报警任务后跳转至步骤2)；反之，则直接跳转到步骤2)。
进一步，所述全电量参数信息包含三相电压、三相电流、中性线电流、分相及总有功功率、分相及总无功功率、分相及总视在功率、分相及总功率因数和频率。
进一步，所述步骤3)断路器发生分闸的判断依据为以三相电流值为判定基准，若三相电流值由零值开始增大，则判定断路器发生合闸操作；反之，则判定断路器发生分闸操作。
进一步，所述断路器的操作事件记录在数据存储模块(6)中。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表，通过电压、电流信号采集实现对断路器寿命的非侵入式监测功能，提高了负载回路用电的可靠性，降低了断路器故障造成安全事故的风险，且具有现场安装方便、操作简便、成本低廉等优点。针对回路中三相电流的采样，电力仪表具有三相电流采集电路、三相分断电流采集电路两组采集通道，既保证了负载回路正常运行电流的检测精度，又能确保够检测到短路、接地等造成故障电流的幅值，提高断路器寿命评估的准确性。同时，电力仪表还具有LCD显示、继电器输出控制，数字通讯等功能，适应复杂的监控现场需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1是本发明公开的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表的结构框图；
图2是本发明公开的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表的工作流程图。
具体实施方式
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。
详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1是本发明公开的具有断路器寿命监测功能的电力仪表的结构框图，仅以示意方式显示与本发明有关的构成。如图1所示的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表包含微处理器1、信号采集电路2、继电器控制开关3、时钟芯片4、电源模块5、数据存储模块6、通信模块7和人机交互模块8。信号采集模块2、继电器控制开关3、时钟芯片4、电源模块5、数据存储模块6、通信模块7和人机交互模块8均与微处理器1电气连接。这里断路器的类型为塑壳式断路器。
其中，信号采集模块2包含三相电流采集电路、三相分断电流采集电路和三相电压采集电路。三相电流采集电路用于采集负载回路正常运行电流，具有量程小，精度高的特点，这里优选的最大量程为本回路额定电流的两倍。三相分断电流采集电路用于采集由短路、接地等造成的故障电流，具有量程大的特点，这里优选的最大量程为本仪表所监测断路器的额定极限短路分断电流。继电器控制开关3用于控制负载回路中继电器的动作以实现保护机制的联动。时钟芯片4为事件记录提供时间戳，便于信息查找。电源模块5为电力仪表提供稳定的直流电压3.3V和5V。数据存储模块6为铁电存储器，具有掉电非易失性，能够长久地保存数据。优选的方案为MSP430FR5739，能够满足数据的频繁刷新与掉电保存速度的要求。通信模块7包括RS485接口和以太网接口，两种不同的通讯接口能够满足监控现场的需求，也便于功能扩展。人机交互模块8包含LCD显示屏和操作按键，为调试人员现场调试提供极大的便利。
现结合图2，对一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表的工作流程进行介绍。微处理器1用于在电力仪表上电初始化后，采集电压和电流信号获得全电量参数并评估断路器寿命状况，包含以下步骤：
1)从数据存储模块6中读取三相电流采集电路、三相分断电流采集电路和三相电压采集电路的标定参数信息；
2)由三相电流采集电路、三相电压采集电路分别采集三相电流和三相电压信号，计算获得全电量参数信息，包含三相电压、三相电流、中性线电流、分相及总有功功率、分相及总无功功率、分相及总视在功率、分相及总功率因数和频率；通过人机交互模块8进行实时显示，便于现场工作人员查看；同时由通信模块7上传到监控后台，保存到数据库；
3)若断路器发生分闸，则通过三相分断电流采集电路、三相电压采集电路分别采集三相分断电流和三相电压信号各两个周波的数据，即分闸前一个周波及分闸后一个周波；这里断路器发生分闸操作的判断依据为以三相电流值为判定基准，若三相电流值由零值开始增大，则判定断路器发生合闸操作；反之，则判定断路器发生分闸操作。同时将断路器的操作事件记录在数据存储模块6中，这里优选的事件记录格式为带有时间戳，关于时间信息由时钟芯片4提供；
4)通过波形数据的逐个比较，分别获得分相分断电流波形和分相电压波形的峰值；进而分别计算获得分相的分断电流峰值和分相的电弧电压峰值；将对应相的分断电流峰值与电弧电压峰值分别相乘，即可获得分相的分断功率；
5)每次断路器分闸操作时，将分断功率进行累加计算，可得到分相分断功率的累计值，并储存在数据存储模块6中；
6)若任一相的累计值超过预先设定的阈值时，表明断路器触头的分断能力将失效，存在触头粘连的风险，进而触发报警任务后跳转至步骤2)；反之，则直接跳转到步骤2)。报警任务包括现场的声光电警示提醒，也包括监控后台的远程报警，这里仅作为示例，不应理解为限制。
综上，本发明的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表及监测方法，包含微处理器、信号采集电路、继电器控制开关、时钟芯片、电源模块、数据存储模块、通信模块和人机交互模块。通过电压、电流信号采集实现对断路器寿命的非侵入式监测功能，提高了负载回路用电的可靠性，降低了断路器故障造成安全事故的风险，且具有现场安装方便、操作简便、成本低廉等优点。同时针对回路中三相电流的采样，电力仪表具有三相电流采集电路、三相分断电流采集电路两组采集通道，既保证了负载回路正常运行电流的检测精度，又能够确保检测到短路、接地等造成故障电流的幅值，提高了断路器寿命评估的准确性。
以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表，其特征在于，包含微处理器(1)、信号采集电路(2)、继电器控制开关(3)、时钟芯片(4)、电源模块(5)、数据存储模块(6)、通信模块(7)和人机交互模块(8)，所述信号采集模块(2)、继电器控制开关(3)、时钟芯片(4)、电源模块(5)、数据存储模块(6)、通信模块(7)和人机交互模块(8)均与微处理器(1)电气连接，微处理器(1)在电力仪表上电初始化后，采集电压和电流信号获得全电量参数并评估断路器寿命状况。
2.如权利要求1所述的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表，其特征在于，所述信号采集模块(2)包含三相电流采集电路、三相分断电流采集电路和三相电压采集电路。
3.如权利要求1所述的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表，其特征在于，所述继电器控制开关(3)用于控制负载回路中继电器的动作以实现保护机制的联动。
4.如权利要求1所述的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表，其特征在于，所述数据存储模块(6)为铁电存储器。
5.如权利要求1所述的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表，其特征在于，所述通信模块(7)包括RS485接口和以太网接口。
6.如权利要求1所述的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表，其特征在于，所述人机交互模块(8)包含LCD显示屏和操作按键。
7.一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表的监测方法，其特征在于，微处理器(1)用于在电力仪表上电初始化后，采集电压和电流信号获得全电量参数并评估断路器寿命状况，包含以下步骤：
1)从数据存储模块(6)中读取三相电流采集电路、三相分断电流采集电路和三相电压采集电路的标定参数信息；
2)由三相电流采集电路、三相电压采集电路分别采集三相电流和三相电压信号，计算获得全电量参数信息，通过人机交互模块(8)进行实时显示，同时由通信模块(7)上传到监控后台；
3)若断路器发生分闸，则通过三相分断电流采集电路、三相电压采集电路分别采集三相分断电流和三相电压信号各两个周波的数据，即分闸前一个周波及分闸后一个周波；
4)通过波形数据的逐个比较，分别获得分相分断电流波形和分相电压波形的峰值；进而分别计算获得分相的分断电流峰值和分相的电弧电压峰值；将对应相的分断电流峰值与电弧电压峰值分别相乘，即可获得分相的分断功率；
5)每次断路器分闸操作时，将分断功率进行累加计算，可得到分相分断功率的累计值，并储存在数据存储模块(6)中；
6)若任一相的累计值超过预先设定的阈值时，表明断路器触头的分断能力将失效，存在触头粘连的风险，进而触发报警任务后跳转至步骤2)；反之，则直接跳转到步骤2)。
8.如权利要求7所述的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表的监测方法，其特征在于，所述全电量参数信息包含三相电压、三相电流、中性线电流、分相及总有功功率、分相及总无功功率、分相及总视在功率、分相及总功率因数和频率。
9.如权利要求7所述的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表的监测方法，其特征在于，所述步骤3)断路器发生分闸的判断依据为以三相电流值为判定基准，若三相电流值由零值开始增大，则判定断路器发生合闸操作；反之，则判定断路器发生分闸操作。
10.如权利要求9所述的一种具有断路器寿命监测功能的电力仪表的监测方法，其特征在于，所述断路器的操作事件记录在数据存储模块(6)中。
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