CN201336571Y - 中压开关设备状态智能监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种中压开关设备状态智能监控系统，包括中央处理模块、中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块、电源模块和输入输出模块，中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块、输入输出模块与中央处理模块连接，电源模块与中央处理模块、中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块和输入输出模块连接。采用了该种中压开关设备状态智能监控系统，具有带时限过电流、电流速断和单相接地保护功能，能对监测到的数据分析处理，与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信，具有通信功能和简单开关设备状态监测功能，结构简单实用，制造成本较低，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

Description

中压开关设备状态智能监控系统

技术领域

本实用新型涉及中压电网变电领域，特别涉及中压电网开关设备技术领域，具体是指一种中压开关设备状态智能监控系统。

背景技术

现代社会中，随着变电站综合自动化系统和配电自动化系统的发展与应用，开关设备的智能化成为必然趋势。现有技术中的开关设备均缺乏智能监控功能，无法实现微机测量、微机保护、与监控系统主机通信以及对开关设备运行状态在线监测等功能，从而给中压电网的安全可靠运行带来了很大的障碍和影响。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够有效进行中压电网运行状态智能监控、结构简单实用、性能稳定可靠、适用范围较为广泛的中压开关设备状态智能监控系统。

为了实现上述的目的，本实用新型的中压开关设备状态智能监控系统具有如下构成：

该中压开关设备状态智能监控系统，其主要特点是，所述的系统包括中央处理模块、中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块、电源模块和输入输出模块，所述的中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块、输入输出模块分别与所述的中央处理模块均相连接，所述的电源模块与所述的中央处理模块、中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块和输入输出模块均相连接。

该中压开关设备状态智能监控系统中的中央处理模块为单片机控制模块。

该中压开关设备状态智能监控系统中的单片机控制模块包括中央处理器CPU和扩展存储器，所述的扩展存储器与所述的中央处理器CPU相连接。

该中压开关设备状态智能监控系统中的中央处理器CPU为Intel 87C196KC芯片。

该中压开关设备状态智能监控系统中的中压电网模拟量采集模块包括电压互感器和电流互感器，所述的电压互感器和电流互感器分别与所述的中央处理模块相连接。

该中压开关设备状态智能监控系统中的开关量输入/输出模块可以为断路器、隔离开关或者切换开关，且该开关量输入/输出模块通过高速输入通道和高速输出通道与所述中央处理模块相连接。

该中压开关设备状态智能监控系统中的通信接口模块为RS-485串行通信接口电路。

该中压开关设备状态智能监控系统中的输入输出模块包括键盘输入控制电路和LCD显示输出电路，所述键盘输入控制电路和LCD显示输出电路分别与所述的中央处理模块相连接。

采用了该实用新型的中压开关设备状态智能监控系统，由于其能对电网三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数和电能等电力参数进行测量；具有带时限过电流、电流速断和单相接地保护功能，并有故障录波功能，记录电网故障前后10个周期的电流波形；具有在线监测与诊断功能，能对监测到的数据进行分析和处理，判断开关设备的剩余使用寿命和计算出维修期限；同时还可以与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信，从而具有通信功能和简单的开关设备状态监测功能，而且结构简单实用，制造成本较低，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

附图说明

图1为本实用新型的中压开关设备状态智能监控系统的功能模块组成示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，该中压开关设备状态智能监控系统，其中包括中央处理模块、中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块、电源模块和输入输出模块，所述的中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块、输入输出模块分别与所述的中央处理模块均相连接，所述的电源模块与所述的中央处理模块、中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块和输入输出模块均相连接。

其中，该中央处理模块为单片机控制模块，该单片机控制模块包括中央处理器CPU和扩展存储器，所述的扩展存储器与所述的中央处理器CPU相连接；而且该中央处理器CPU为Intel 87C196KC芯片。

同时，该中压电网模拟量采集模块包括电压互感器和电流互感器，所述的电压互感器和电流互感器分别与所述的中央处理模块相连接；该开关量输入/输出模块可以为断路器、隔离开关或者切换开关，且该开关量输入/输出模块通过高速输入通道和高速输出通道与所述中央处理模块相连接。

而且，该通信接口模块为RS-485串行通信接口电路，该输入输出模块包括键盘输入控制电路和LCD显示输出电路，所述键盘输入控制电路和LCD显示输出电路分别与所述的中央处理模块相连接。

在实际使用当中，本实用新型的中压开关设备状态智能监控系统以Intel 87C196KC单片机为核心，由单片机基本系统、模拟量采集电路、开关量输入/输出电路、RS-485串行通信接口、键盘与LCD显示电路、电源等部分组成。各单元电路采用模块式插件结构，所有插件封装在一个金属外壳内，通过防震缓冲装置安装在开关设备上(开关柜原有的仪表继电器室或断路器外壳的小间隔内)。

单片机基本系统如下：

单片机基本系统由CPU及扩展的存储器组成。CPU选用高性能的Intel 87C196KC芯片。87C196KC是16位单片机，其运算速度快(主频可运行到20MHz)；片内有512B数据存储器RAM和16kB程序存储器，后者可用于固化应用程序；具有4个高速输入通道(HSI)和4个高速输出通道(HSO)，可用于开关量的输入与输出，而且HSO能产生和输出宽度与周期均可调的PWM(脉宽调制)信号；片内有8个模拟量输入通道(P0：ACH0～ACH7)以及多路转换器、采样保持器和1个10位A/D转换器。

系统在CPU外扩1片6264A(8kB)RAM，用于记录故障发生前后电流波形数据。尽管87C196KC片内有16kB的程序存储器，但由于应用程序较大，容量不敷使用，所以外扩1片2764A(8kB)EPROM程序存储器。另外扩展1片串行E2PROM存储器X25043芯片，其内部集成了Watchdog定时器、上电复位控制器和512B容量的E2PROM。E2PROM用于存储保护整定值等运行参数，可以重新写入。

模拟量采集电路如下：

测量和保护功能的实现要采集电网的电压和电流信号。模拟量采用交流采样方式，信号来自电网的电流互感器(CT)和电压互感器(PT)。在中压电网，测量和保护一般只需采集两个线电压和两相电流，每相电流又分为测量信号和保护信号。为实现小电流接地电网的单相接地保护，需从零序电流互感器取得零序电流或从Y0/Y0/开口△接线的电压互感器的开口△两端取得零序电压信号。

来自标准CT和PT的电流和电压信号不能适应单片机A/D转换器的输入范围要求，需进行变换。同时，智能单元还要与强电系统隔离。本实用新型的具体实施方案中采用市售的微型互感器完成模拟信号的隔离变换和电压形成工作。

这种微型互感器小巧轻便，能直接焊接在印刷电路板上，全树脂密封，隔离度高。输入端接标准CT或PT二次侧。二次侧加一级运算放大器(OP07型)将电流量变换成电压量，通过调节运算放大器的反馈电阻R1，在输出端得到所要求的电压输出。

模拟量输入电路的采样保持、多路开关和模数转换环节采用一块Maxim公司的MAX197芯片，它是单电源、多量程、8路输入带内部采样/保持和多路开关、时钟、基准电压的12位信号采集系统，转换时间为6.0μs。

对于开关量输入/输出电路：

输入的开关量包括两类：一类是断路器、隔离开关等设备的辅助触点和有关继电器的接点，以检测这些设备的工作状态(开还是合)；另一类是智能单元装置的一些接点，例如开关量输出回路的继电器接点和装置面板上的切换开关。输出的开关量包括断路器跳闸脉冲和信号。

开关量的输入/输出通过87C196KC单片机的高速输入通道(HSI)和高速输出通道(HSO)，但必须利用光电耦合器使弱电与强电隔离。跳闸脉冲信号应有一定的宽度，这可以方便地由87C196KC单片机的PWM信号形成。跳闸信号由CPU输出锁存器控制驱动电路，使相应的中间继电器动作。

通信接口电路如下：

开关设备的智能单元与变电站综合自动化系统的主机之间的通信采用RS-485串行通信方式。RS-485为半双工通信，最大通信距离为1200m，此时的数据传输速率为100kb/s；如果通信距离为120m，则数据传输速率可达1Mb/s。为了简化通信机制，采用只有2条信号线的最简型连接。其中，单片机TXD(串行输出)端口输出的TTL逻辑电平信号通过光电隔离(6N137)，由MAX485芯片转换为RS-485电平信号，发送给监控系统主机。反之亦然。具体电路及原理可参考现有技术的如下相关文献：

黄绍平，秦祖泽.智能化电器RS-485通信设计[J].低压电器，2003，(3)：24-26。

算法过程如下：

智能单元采用交流采样方式，每周波的采样点数可选12、16、20或24，即采样间隔在0.8～1.8ms之间。

测量算法如下：

电压、电流有效值为：

$U=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_k^2}......\left(1\right)$

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k^2}......\left(2\right)$

式中：N为每周波采样点数，取值为12、16、20、24，u_k、i_k为电压、电流的第k次离散采样值。

中压电网为小电流接地系统，功率可用两瓦计法计算。三相总有功功率离散化后的计算式为：

$P=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{abk}}\·i_{\mathrm{ak}}+\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{cbk}}\·i_{\mathrm{ck}}=$

$\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(u_{\mathrm{ak}}-u_{\mathrm{bk}})\·i_{\mathrm{ak}}+$

$\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(u_{\mathrm{ck}}-u_{\mathrm{bk}})\·i_{\mathrm{ck}}=P_1+P_2......\left(3\right)$

三相总视在功率如下：

S＝U_ab·I_a+U_cb·I_c    ......(4)

据此可计算出无功功率和功率因数：

$Q=\sqrt{S^2-P^2}......\left(5\right)$

cosφ＝P/S    ......(6)

有功电能和无功电能按下式计算：

W_P＝∑P_kΔt            ......(7)

W_Q＝∑Q_kΔt            ......(8)

须指出，以上方法计算的电能量，精度可能满足不了电能计量的要求，只适于内部考核使用。测量误差主要包括两方面：测量中的截断误差和采样不同步误差。由于电压、电流、功率的测量值均采用离散化处理，因而有截断误差。采样不同步误差是由于电网频率波动，采样频率不能严格保持与电网频率同步产生的。如果采取硬件测量电网频率，以此频率决定采样的时间间隔，可以提高测量精度。

对于开关设备的状态监测来说，需要监测的项目较多，如机械性能、载流导体温度、凝露、电气绝缘性能等。这些监测经济代价大，实现也困难，有无必要值得商榷。不过，中压开关设备的状态监测仍可考虑以下几项：

①断路器操作次数统计-监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进行维修的次数；

②开断电流加权值-间接监测断路器触头的电磨损，预测其剩余电寿命；

③母线连接处温度。前两项根据电流采样值和软件处理就可以做到，母线温度监测采用数字温度传感器不难实现。

智能单元的软件由调试程序和运行程序构成。执行哪一程序由面板上的工作方式选择开关或LCD显示屏上的菜单决定。调试程序的主要任务是对智能单元各插件调试和设置保护动作值，通过键盘命令来实现。运行程序包括以下功能模块：

①对智能单元的各部分初始化；

②对交流电压和电流定时采样和数据处理；

③保护逻辑判断和跳闸处理；

④对开关量进行采集，并对跳闸命令执行情况反馈；

⑤串行通信中断服务程序；

⑥键盘中断服务程序；

⑦自检循环并发报警信号；

⑧显示。

采用了上述的中压开关设备状态智能监控系统，由于其能对电网三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数和电能等电力参数进行测量；具有带时限过电流、电流速断和单相接地保护功能，并有故障录波功能，记录电网故障前后10个周期的电流波形；具有在线监测与诊断功能，能对监测到的数据进行分析和处理，判断开关设备的剩余使用寿命和计算出维修期限；同时还可以与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信，从而具有通信功能和简单的开关设备状态监测功能，而且结构简单实用，制造成本较低，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1、一种中压开关设备状态智能监控系统，其特征在于，所述的系统包括中央处理模块、中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块、电源模块和输入输出模块，所述的中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块、输入输出模块分别与所述的中央处理模块均相连接，所述的电源模块与所述的中央处理模块、中压电网模拟量采集模块、开关量输入/输出模块、通信接口模块和输入输出模块均相连接。

2、根据权利要求1所述的中压开关设备状态智能监控系统，其特征在于，所述的中央处理模块为单片机控制模块。

3、根据权利要求2所述的中压开关设备状态智能监控系统，其特征在于，所述的单片机控制模块包括中央处理器CPU和扩展存储器，所述的扩展存储器与所述的中央处理器CPU相连接。

4、根据权利要求3所述的中压开关设备状态智能监控系统，其特征在于，所述的中央处理器CPU为Intel 87C196KC芯片。

5、根据权利要求1所述的中压开关设备状态智能监控系统，其特征在于，所述的中压电网模拟量采集模块包括电压互感器和电流互感器，所述的电压互感器和电流互感器分别与所述的中央处理模块相连接。

6、根据权利要求1所述的中压开关设备状态智能监控系统，其特征在于，所述的开关量输入/输出模块为断路器、隔离开关或者切换开关，且该开关量输入/输出模块通过高速输入通道和高速输出通道与所述中央处理模块相连接。

7、根据权利要求1所述的中压开关设备状态智能监控系统，其特征在于，所述的通信接口模块为RS-485串行通信接口电路。

8、根据权利要求1所述的中压开关设备状态智能监控系统，其特征在于，所述的输入输出模块包括键盘输入控制电路和LCD显示输出电路，所述键盘输入控制电路和LCD显示输出电路分别与所述的中央处理模块相连接。

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