CN113671310A - 一种交流系统支路故障监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明申请公开的一种交流系统支路故障监测系统及方法，包括控制CPU、电压采集模块、电流采集模块和通信模块，其中：所述电压采集模块采集交流系统母线电压，所述电流采集模块至少采集两路电流，所述通信模块将所述电压采集模块采集到的电压信号和所述电流采集模块采集到的电流信号传输到控制CPU。通过分别对每条供电线路的电压、负荷电流以及剩余电流变化进行监测，所述交流系统支路故障监测系统采集每条线路的电压信号和电流信号，依据监测数据分析交流馈线支路故障，有针对性地监测需要监测的线路，及时发现故障，节省成本，同时提升维修人员的检修效率，保障供电安全。

Description

一种交流系统支路故障监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，特别涉及一种交流系统支路故障监测系统及方法。

背景技术

站用交流系统是保证变电站安全可靠运送电能的一个必不可少的环节，站用电能主要为变电站的一、二次设备提供电源，为大型变压器的强迫油循环冷却系统供电，可作为交流操作的电源、直流系统用交流电源，设备用加热、驱潮、照明等的交流电源，可作为为UPS、SF6气体监测装置提供交流电源，正常及事故用排风扇电源，照明等生活电源，所以站用交流系统至关重要。

站用交流系统电源从站用变电站出来到站用变馈线屏，在馈线屏以及出去供电线路均为需要监测的路段，但是交流供电线路发生绝缘故障、短路故障、缺陷故障均没有办法告警，检修人无法及时发现故障，导致检修人无法及时维修。

发明内容

鉴于现有技术中，交流供电线路发生绝缘故障、短路故障、缺陷故障均没有相关的技术实现及时告警，导致检修人无法及时发现故障，这样就使检修人无法是第一时间对线路进行维修，故提出以下申请：

一种交流系统支路故障监测系统，包括控制CPU、电压采集模块、电流采集模块和通信模块，其中：

所述电压采集模块采集交流系统母线电压，所述电流采集模块至少采集两路电流，所述通信模块将所述电压采集模块采集到的电压信号和所述电流采集模块采集到的电流信号传输到控制CPU。

进一步的，所述电流采集模块通过电流互感器对电流进行采样，所述电流采集模块至少连接两个电流互感器。

进一步的，所述电流采集模块设置有至少一个电流互感器。

进一步的，所述支路故障监测系统还包括显示模块、报警模块和电源模块，所述电源模块为各功能模块提供电源，所述显示模块与所述控制CPU通过串口引脚连接，所述报警模块接到所述控制CPU输出的报警信号后进行报警。

进一步的，所述电流采集模块采用电流互感器感应电压，所述电压经过运算放大器处理再通过AD采集。

进一步的，所述电压采集模块通过直接输入接触式采集电压信号。

进一步的，支路电压通过电阻、电容分压滤波器、光耦隔离放大器，经运算放大得到最终电压信号。

一种交流系统支路故障监测方法，执行于前述的一种交流系统支路故障监测系统，包括以下步骤：

采集交流系统支路电压信号和交流系统支路电流信号；

预设电压预设值；

将采集到的电压信号和电压预设值进行比较；

根据电压信号和电流信号判断是否发生线路绝缘故障，若线路发生故障，则进行报警。

进一步的，所述根据电压信号和电流信号判断是否发生线路绝缘故障具体还包括以下步骤：

设置功率预设值；

根据电压信号和电流信号计算实时功率；

将实时功率与所述功率预设值比较，若实时功率大于功率预设值，且持续时间超过预设时间，则进行报警。

进一步的，所述电压预设值包括下限告警电压阈值、上限告警电压阈值、缺相电压阈值，当采集到的电压信号小于下限告警电压阈值，则判断故障类型为欠压故障；

当采集到的电压信号大于上限告警电压阈值，则判断故障类型为过压故障；

当采集到的电压信号小于缺相电压阈值，则判断故障类型为缺相故障。

本发明公开是一种交流系统支路故障监测系统及方法，通过分别对每条供电线路的电压、负荷电流以及剩余电流变化进行监测，所述交流系统支路故障监测系统采集每条线路的电压信号和电流信号，依据监测数据分析交流馈线支路故障，从而实现同时监测每条供电线路的故障情况，此系统可以安装在任何需要安装的供电回路，无需整个交流系统都安装，可以有针对性地监测需要监测的线路，及时发现故障，节省成本，同时提升维修人员的检修效率，保障供电安全。

附图说明

图1为本发明所述交流系统支路故障监测系统工作原理图；

图2为本发明所述电流采集模块工作原理图；

图3为本发明所述交流系统支路故障监测方法步骤示意图；

图4为本发明所述步骤S4具体步骤示意图；

图5为本发明所述电流采集模块电路原理图；

图6为本发明所述电压采集模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

一种交流系统支路故障监测系统，如图1所示，包括控制CPU、电压采集模块、电流采集模块和通信模块，其中：

所述电压采集模块采集交流系统母线电压，所述电流采集模块至少采集两路电流，所述通信模块将所述电压采集模块采集到的电压信号和所述电流采集模块采集到的电流信号传输到控制CPU。

在本申请的一种优选实施例中，所述交流系统支路故障监测系统用于交流系统中，变电站用交流系统是保证变电站安全可靠地输送电能的一个必不可少的环节，站用电主要为了变电站内的一、二次设备提供电源，变电站用交流系统为大型变压器的强迫油循环冷却系统提供电源，也可以作为交流操作电源、直流系统用交流电源，为设备加热、驱潮、照明等。

所述控制CPU采用STM32F103Tx单片机设计，利用单片机的2个串口、7路ADC、2路I/O资源，所述控制CPU的2个串口分别与显示模块和通信模块连接，所述显示模块设计串口电路与所述控制CPU的一个串口引脚连接，所述通信模块通过485通信接口电路与所述控制CPU发另一个串口引脚连接。

电压采集模块设计有三个电压采集放大电流，分别与所述控制CPU的三个ADC接口连接；电流采集模块设计有四个电压采集放大电流，分别与所述控制CPU的四个ADC接口连接。

进一步的，在本申请的一种优选实施例中，如图2所示，所述电流采集模块通过电流互感器对电流进行采样，所述电流采集模块至少连接两个电流互感器。

所述电流采集模块设计四个电压采集方法电路，所述电流采集模块的输入端接入4个CT(Current transformer，电流互感器)，所述电流互感器是依据电磁感应原理，将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器。所述CT对电流进行采样，其中3只打电流流程CT，分别采集交流系统线路电流，1只安防用大口径CT，采集线路漏电电流。

如图5所示，电流采集模块的电流采集电路采用CT感应电流，输出进入运算放大器处理，最后进行AD采集。

进一步的，在本申请的一种优选实施例中，如图2所示，所述电流采集模块设置有至少一个电流互感器。

所述电流传感器具体为安防用大口径电流互感器，在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流(中国规定电流互感器的二次额定为5A或1A)，另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。

进一步的，在本申请的一种优选实施例中，如图1所示，所述支路故障监测系统还包括显示模块、报警模块和电源模块，所述电源模块为各功能模块提供电源，所述显示模块与所述控制CPU通过串口引脚连接，所述报警模块接到所述控制CPU输出的报警信号后进行报警。

所述显示模块优选地采用4.3寸的工业触摸屏涉及，实现设备人机交互功能，显示模块设计串口电路与CPU的一个串口引脚相连。

告警电路是利用两个12V1A的继电器设计告警信号输出电路，分别输出装置系统故障和交流系统故障；告警电路与CPU的两个I/O口相连。

电源模块主要由开关电源模块和电源芯片设计的稳压电路组成，开关电源实现高压变低压功能，稳压芯片实现各种功能模块所需电源输出功能。电源模块优选的采用D-75B型号开关电源供电，该开关电源以AC220V输入能够输出12V和5V两路输出；其中12V供给告警继电器、显示器这类大功率器件电源；5V供给模拟电路和数字电路电源，由于设计需要，5V直接供给模块的CPU侧模拟电路与通信电路电源，采用IB0505S隔离电源芯片输出1路隔离5V电源供强电侧，即电压采集电路交流系统侧，模拟电路供电，采用ASM111电源稳压芯片输出1路3.3V稳定电压供给数字电路供电。

进一步的，在本申请的一种优选实施例中，如图5所示所述电流采集模块采用电流互感器感应电压，所述电压经过运算放大器处理再通过AD采集。

进一步的，在本申请的一种优选实施例中，如图6所示，所述电压采集模块通过直接输入接触式采集电压信号。

所述电压采集模块的电压采集电路结构是直接输入接触式采集，22V交流输入，通过电阻、电容分压滤波处理，输出mV级别电压，经过光耦隔离放大(光耦的输入侧使用5V隔离电源，输出侧用5V电源)，经光耦低倍放大后再经运算放大芯片进行放大，最终电压控制在3.3V以内进行采集。

进一步的，在本申请的一种优选实施例中，如图6所示，支路电压通过电阻、电容分压滤波器、光耦隔离放大器，经运算放大得到最终电压信号。

一种交流系统支路故障监测方法，执行于前述的一种交流系统支路故障监测系统，如图3所示，包括以下步骤：

步骤S1、采集交流系统支路电压信号和交流系统支路电流信号；

可同时采集三路支路电压U_a、U_b、和U_c，与此同时，同时采集三路支路电流I_a、I_b、和I_c，以及采集支路漏电电流i。所述交流系统支路电压信号和所述交流系统支路电流信号均为数值，用于计算支付负荷实时功率。

步骤S2、预设电压预设值；

在系统中提前预设电压预设值，所述电压预设值包括下限告警电压阈值、上限告警电压阈值和缺相电压阈值，提前预设电压预设值为了可以通过比较实时采集到的交流系统支路电压信号与电压预设值，从而判断电路故障类型。

步骤S3、将采集到的电压信号和电压预设值进行比较；

此步骤中，电压预设值不是唯一的一个值，电压预设值包括下限告警电压阈值、上限告警电压阈值、缺相电压阈值，此步骤中的比较是对电压值进行大小比较，若实时采集到的电压小于下限告警电压阈值，则电路故障类型为欠压故障；若实时采集到的电压大于上限告警电压阈值，则电路故障类型为为过压故障；若实时采集到的电压小于缺相电压阈值，则电路故障类型为缺相故障。

步骤S4、根据电压信号和电流信号判断是否发生线路绝缘故障，若线路发生故障，则进行报警。

进一步的，在本申请的一种优选实施例中，如图4所示，步骤S4中的所述根据电压信号和电流信号判断是否发生线路绝缘故障具体还包括以下步骤：

步骤S410、设置功率预设值；

步骤S420、根据电压信号和电流信号计算实时功率；

步骤S430、将实时功率与所述功率预设值比较，若实时功率大于功率预设值，且持续时间超过预设时间，则进行报警。

进一步的，在本申请的一种优选实施例中，所述电压预设值包括下限告警电压阈值、上限告警电压阈值、缺相电压阈值，当采集到的电压信号小于下限告警电压阈值，则判断故障类型为欠压故障；

当采集到的电压信号大于上限告警电压阈值，则判断故障类型为过压故障；

当采集到的电压信号小于缺相电压阈值，则判断故障类型为缺相故障。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，read-onlymemory)、随机存取存储器(RAM，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (10)

1.一种交流系统支路故障监测系统，其特征在于，包括控制CPU、电压采集模块、电流采集模块和通信模块，其中：

所述电压采集模块采集交流系统母线电压，所述电流采集模块至少采集两路电流，所述通信模块将所述电压采集模块采集到的电压信号和所述电流采集模块采集到的电流信号传输到控制CPU。

2.根据权利要求1所述的一种交流系统支路故障监测系统，其特征在于，所述电流采集模块通过电流互感器对电流进行采样，所述电流采集模块至少连接两个电流互感器。

3.根据权利要求1所述的一种交流系统支路故障监测系统，其特征在于，所述电流采集模块设置有至少一个电流互感器。

4.根据权利要求1所述的一种交流系统支路故障监测系统，其特征在于，所述支路故障监测系统还包括显示模块、报警模块和电源模块，所述电源模块为各功能模块提供电源，所述显示模块与所述控制CPU通过串口引脚连接，所述报警模块接到所述控制CPU输出的报警信号后进行报警。

5.根据权利要求2所述的一种交流系统支路故障监测系统，其特征在于，所述电流采集模块采用电流互感器感应电压，所述电压经过运算放大器处理再通过AD采集。

6.根据权利要求1所述的一种交流系统支路故障监测系统，其特征在于，所述电压采集模块通过直接输入接触式采集电压信号。

7.根据权利要求6所述的一种交流系统支路故障监测系统，其特征在于，支路电压通过电阻、电容分压滤波器、光耦隔离放大器，经运算放大得到最终电压信号。

8.一种交流系统支路故障监测方法，其特征在于，执行于权利要求1至7任一项所述的一种交流系统支路故障监测系统，包括以下步骤：

采集交流系统支路电压信号和交流系统支路电流信号；

预设电压预设值；

将采集到的电压信号和电压预设值进行比较；

根据电压信号和电流信号判断是否发生线路绝缘故障，若线路发生故障，则进行报警。

9.根据权利要求8所述的一种交流系统支路故障监测方法，其特征在于，所述根据电压信号和电流信号判断是否发生线路绝缘故障具体还包括以下步骤：

设置功率预设值；

根据电压信号和电流信号计算实时功率；

将实时功率与所述功率预设值比较，若实时功率大于功率预设值，且持续时间超过预设时间，则进行报警。

10.根据权利要求8所述的一种交流系统支路故障监测方法，其特征在于，所述电压预设值包括下限告警电压阈值、上限告警电压阈值、缺相电压阈值，当采集到的电压信号小于下限告警电压阈值，则判断故障类型为欠压故障；

当采集到的电压信号大于上限告警电压阈值，则判断故障类型为过压故障；

当采集到的电压信号小于缺相电压阈值，则判断故障类型为缺相故障。

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