CN201535814U - 基于iec61850标准的断路器在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于IEC61850标准的断路器在线监测系统，包括断路器监测装置(1)、数据处理机(2)和服务器(3)；其特征是：所述断路器监测装置(1)的输出端通过信号转换器(4)与数据处理机(2)的输入端连接，数据处理机(2)的输出端连接服务器(3)的输入端或通过数据交换器(5)连接服务器(3)的输入端；服务器(3)通过互联网NET与用户终端连接。本实用新型采用分层式、模块化结构，具有高达100Mbps的数据传输速率，使得波形数据传输时间缩减到毫秒级，有效防止录波缺失；实现不同厂家不同类型设备的无缝连接和系统集成。

Description

基于IEC61850标准的断路器在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于IEC61850标准的断路器在线监测系统，是一种基于IEC61850通信协议的中/高压断路器在线监测系统。适用于中、高压在线监测。属于电力设备性能在线监测领域。

背景技术

断路器的运行状态主要由电参量和机械参量来表征。通过对断路器电参量的监测，可得出断路器触头相对电寿命；通过对储能电机、断路器机械震动状态的监测可掌握断路器机械结构的好坏。目前国内外对断路器监测有诸多产品如许继电气的Optimizer+断路器监测装置；也有很多文章在讨论断路器的监测如《基于DSP的高压断路器综合在线监测装置》(易慧等《高压电气》2007.2)一文中提出使用RS-485工业现场总线作为数据传输方式，

《基于CAN总线的分布式高压断路器在线监测系统的设计》(张闻宇等《东北电力学院学报》2001.12)一文提出使用CAN工业现场总线作为数据传输方式。这些产品和文章都使用传输速率较慢的工业现场总线，存在如下缺点：其一，在传输波形等大数据量的应用中，数据传输速率较低，数据传输时间常以分钟计，这就使断路器监测装置存在录波盲区，在断路器重合闸情况下会造成录波缺失；其二，通用性较差，各个厂家和研究机构基本都采用自定义的数据格式，造成系统集成困难；其三，在变电站高电磁干扰环境下，通讯容易受到干扰，造成数据错误或数据丢失。另外，以往的技术往往难以提供明确的检修建议，需要用户自行分析断路器运行状态。因此，现有的技术难以满足实际应用环境的需要和用户对于在线监测系统的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的，是为了提供一种稳定可靠的基于IEC61850通信协议的中、高压断路器在线监测系统，该系统能对真空、多油及少油断路器的电寿命及机械状态综合评价，发布诊断结果，为用户制定检修策略提供充分的依据。

本实用新型的目的可以通过采取如下措施达到：

基于IEC61850标准的断路器在线监测系统，包括断路器监测装置、数据处理机和服务器；其结构特点是：所述断路器监测装置的输出端通过信号转换器与数据处理机的输入端连接，数据处理机的输出端连接服务器的输入端或通过数据交换器连接服务器的输入端；服务器通过互联网NET与用户终端连接。

断路器监测装置可以通过IEC61850通信协议与数据处理机进行数据交换，断路器监测装置对负荷电流、断路器储能信息进行采集、量化和上传，在断路器进行分/合闸操作时，对开关量、动作电流波形和分/合闸线圈电流的波形进行记录、存储和上传；所述数据处理机为中间管理单元，负责多个断路器监测装置的通信管理、数据处理，并对各断路器监测装置回送的数据进行解析整定，将处理后数据上传至服务器；所述服务器对各断路器监测装置发回的数据进行分析，通过分析数据对断路器的运行状态进行诊断、评价，并将诊断所得结果以web页面形式对用户发布。

本实用新型的目的可以通过采取如下措施达到：

本实用新型的一种实施方案是：所述的断路器监测装置由若干个断路器监测单元并联而成，所述断路器监测单元包括分/合闸线圈电流取样模块、一次电流取样模块、分/合闸线圈电流调理电路、一次电流调理电路、A/D取样模块、输入/输出缓冲电路、CPU、USB模块、数字量输入/输出回路和IEC61850通信模块连接而成。

分/合闸线圈电流取样模块、一次电流取样模块所取回的电流信号输入各自的信号调理电路，调理电路接入A/D取样模块；A/D取样模块与CPU相连，数字量输入/输出回路通过输入/输出缓冲电路与CPU相连，USB模块用于从CPU读取或存入数据，IEC61850模块负责与数据处理机之间的通信联系。没有分/合闸操作时，IEC6180模块接收数据处理机的命令，通过CPU对一次电流大小进行采集、量化并回送；当有分/合闸操作时CPU对一次电流信号、分/合闸线圈电流、数字量输入信号同时采集、存储并回送。

本实用新型的一种实施方案是：所述数据处理机采用Linux嵌入式操作系统，内嵌软件包括通信管理模块和数据处理模块；通信管理模块分为两层：其一是与断路器监测装置之间通过IEC61850通信协议进行数据交换；其二与服务器间通过TCP/IP协议相互传送数据和文件。数据处理模块功能为对各断路器监测装置回送的数据进行解析，并存入数据库和文件。

本实用新型的一种实施方案是：所述服务器包括通信模块、数据库、诊断模块和WEB发布模块。

本实用新型的一种实施方案是：断路器监测装置与数据处理机之间采用IEC61850通信协议。

本实用新型的一种实施方案是：信号转换器由光电转换器构成，断路器监测装置光电转换器之间及光电转换器与数据处理机之间通过光纤连接。

采用本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型采用分层式、模块化结构，断路器监测装置位于现场层，数据处理机位于中间层，服务器位于应用层。在现场层和中间层间采用光纤作为通讯介质，光信号不会受到电磁环境的干扰，传输具有高可靠性；使用以太网作为数据传输方式，具有高达100Mbps的数据传输速率，使得波形数据传输时间缩减到毫秒级，有效防止录波缺失；采用IEC61850协议作为通信标准，该协议是国际电工委员会颁布的一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现不同厂家不同类型设备的无缝连接和系统集成。

附图说明

图1表示本实用新型的结构示意图。

图2表示本实用新型的断路器监测装置的监测单元原理框图。

图3表示本实用新型的一次电流信号调理电路。

图4表示本实用新型的分/合闸线圈电流信号调理电路。

图5表示本实用新型的数据处理机原理框图。

图6表示本实用新型的服务器架构图。

具体实施方式

参照上述附图，对本实用新型的具体实施方案进行详细叙述。

如图1所示，一种基于IEC61850通信协议的中、高压断路器在线监测系统，包括断路器监测装置1、数据处理机2和服务器3；所述断路器监测装置1的输出端通过信号转换器4与数据处理机2的输入端连接，数据处理机2的输出端连接服务器3的输入端或通过数据交换器5连接服务器3的输入端；服务器3通过互联网NET与用户终端连接；所述断路器监测装置1由断路器监测单元11、断路器监测单元12、断路器监测单元13……断路器监测单元1n并联而成；所述断路器监测单元11、断路器监测单元12、断路器监测单元13……断路器监测单元1n分别与断路器1-1、断路器1-2、断路器1-3……断路器1-n连接。

如图2所示，所述的断路器监测装置1的监测单元包括：分/合闸线圈电流取样模块、一次电流取样模块、分/合闸线圈电流调理电路、一次电流调理电路、A/D取样模块、输入/输出缓冲电路、CPU、USB模块、数字量输入/输出回路、IEC61850通信模块。分/合闸线圈电流取样模块为安装于分/合闸线圈回路的一匝穿心式霍尔传感器，一次电流取样模块为安装在二次测量回路的一匝穿心式电流互感器，这两种模块所取回的电流信号输入各自的信号调理电路，调理电路接入A/D取样模块，A/D取样模块与CPU相连，由CPU控制电流量的采样；数字量输入为开关量输入和储能电机辅助接点的输入；USB模块用于从CPU读取分/合闸波形数据或存入配置数据，IEC61850模块负责与数据处理机之间的通信联系。没有分/合闸操作时，IEC6180模块定时接收数据处理机的命令，通过CPU对一次电流大小进行采集、量化并回送；当有分/合闸操作时CPU对一次电流信号、分/合闸线圈电流、开关量输入信号同时采集、存储并回送。

断路器监测装置1采用NXP公司LPC2378ARM控制器为主处理芯片，片上500k的FLASH空间用作指令空间，32k字节的RAM空间用以存储波形数据，外扩ISSI-LV1024L 128k字节的RAM存储器，用以存储操作系统、堆栈数据。以太网使用CPU自带的MAC控制器，收发芯片采用DAVICOM公司的DM9161A以太网收发芯片。A/D芯片采用2片MAXIM公司的8通道14位A/D转换芯片MAX125，组成16通道的A/D转换组。

如图3所示，UC和UD两级运放组成巴特沃斯低通滤波器，其放大倍数为10倍，通带频段允许7次谐波(相对于50Hz)通过。一次电流的输入信号调理电路后经由取样电阻R1转换为电压信号，电压信号分为两级，直接经取样电阻转换为电压的信号为第一级，经过巴特沃斯低通滤波器后的信号为第二级，第一级信号供断路器进行分/合闸操作时，录波之用；第二级信号供计算负荷电流时用。由于负荷电流的计算对精度要求比较高，因此通过巴特沃斯低通滤波器滤去高次谐波，并将信号放大10倍。

如图4所示，图中R1、R2、R4、R5其阻值相等，即前后两级运算放大器的放大倍数均为1，这两级运放组成一个全波整流电路。分、合闸线圈电流经过取样电阻后输入R1的输入端，若输入信号相对于地为正，则D1导通，反之D2导通，这样可把输入电流信号限定为数值为正的波形，便于服务器端软件的分析处理。

如图5所示，数据处理机2是以ARM9处理器为基础，嵌入Linux操作系统的数据处理平台，内嵌软件包括通信管理模块、数据处理模块。通信管理模块分为两层：其一是与断路器监测装置之间通过IEC61850通信协议进行数据交换；其二与服务器间通过TCP/IP协议相互传送数据和文件。数据处理模块功能为对各断路器监测装置回送的数据进行解析，并存入数据库和文件。

数据处理机2采用Atmel公司AT91RM9200ARM控制器为主处理器，扩展128M字节RAM空间，1GB字节程序空间。以太网使用Realtek公司的RTL8139D网络芯片，扩展为4路以太网接口。

服务器3是一台安装了数据库及配套软件的计算机，主要应用模块为：通信模块、数据库、诊断模块、WEB发布模块。数据库为服务器应用支撑平台，记录断路器每小时负荷电流数据、历次储能电机动作信息、历次分/合闸操作时的开关量波形、动作电流波形和分/合闸线圈波形；通信模块用以从数据处理机获取各断路器监测装置的原始测量数据，将其存入数据库，诊断模块分为电特性诊断和机械特性诊断模块，电特性诊断模块由历次断路器动作的动作电流大小I及动作时间t，通过∑I2t计算得出断路器触头的相对电寿命，机械特性诊断模块根据历次储能间隔和储能时间长短的变化判断储能机构的运作情况，根据分/合闸线圈电流波形计算断路器特征动作时间，依此为依据判断断路器操动机构的运作情况。

其工作过程描述如下：

本系统包括三个层次，四个组成部分，包括位于现场层的断路器监测装置1、位于中间层的数据处理机2、位于应用层的服务器3，以及这三个层次之间的联系网络，断路器监测装置1通过光纤通信(光电转换器4)与数据处理机2相连，数据处理机2通过交换机5(以太网)与服务器3相连。

三层之间通过以太网实现控制、数据获取、数据处理及诊断结果发布。以太网的架构使数据传输速率得到可靠保证，以单次录波数据30k字节为例，100Mbps的以太网将这些数据全部传送至数据处理机只需2.4毫秒，不存在录波盲区，有效防止录波缺失情况的发生。

断路器监测装置1为现场层数据采集单元，其完成对负荷电流的测量，储能电机动作数据的记录，分/合闸动作的波形记录，IEC61850协议标准的IED模型发布，数据封包和发送，并接受数据处理机的通讯控制；数据处理机起到承上启下的作用，为通讯控制和数据转发、处理单元，其完成并对外发布IEC61850IED模型，实现现场层断路器监测单元的通讯控制，解析断路器监测单元发回的数据，并将所得数据转发给服务器；所述服务器为应用层，服务器在接收到数据处理机发来的各断路器监测装置的数据后，对数据还原、入库，诊断模块从数据库取最新入库的一次数据记录，通过提取特征参数对断路器状态进行评定，给出相应的检修策略，将所得诊断结果和检修策略入库，Web模块从数据库提取本次和以往的历史记录以网页形式向用户展示。

断路器监测装置1在工作时处于等待命令状态，其一等待通讯命令；其二等待储能电机数据记录命令；其三等待录波命令。当有通讯命令时，则执行负荷电流采集、计算、发送数据的过程；当储能电机动作时，CPU通过储能电机辅助接点闭合时间来确定该次动作的开始时间和结束时间，两者时间差即为储能电机的动作时间；当有分/合闸操作时，CPU通过中断方式相应录波请求，将一次电流、分/合闸线圈电流及开关量波形每隔0.1毫秒采样一次，并存储在flash中，并将分/合闸数加1，等待数据处理机请求波形数据。

数据处理机每隔一分钟对各断路器监测装置发送一次负荷电流请求命令，断路器监测装置在接收到命令后，对当前的负荷电流进行取样、计算，并将该断路器监测装置当前的储能数、分闸数、合闸数一并发回给数据处理机，若当前储能数、分闸数、合闸数为零，则继续下一次取负荷电流循环；若储能数、分闸数或合闸数不为零，则数据处理机发送相应的取数据命令，将储能信息或分/合闸波形取回数据处理机。对于负荷电流数据和储能电机动作数据，数据处理机经解析后直接转发给服务器；对于分/合闸波形数据，数据处理机将其转换成文件的形式存储，并转发给服务器，服务器在接收到数据处理机转发来的数据后，将数据存入数据库。

诊断模块对于触头电寿命的计算方法如下：定义一台全新的断路器的相对电寿命为100％。则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为1/N，根据不同断路器的N-In曲线，即可求得任意大小开断电流Ic的对应允许开断次数N1，则对应的单次开断时的相对电磨损量为1/N1，定义为M，这样可求出任一次开断时的相对电磨损量，也可求出该断路器的相对电寿命L＝L1-∑M。

对于储能电机的机械特性，通过分析以往历次储能时间长短及一个月内储能频率的变化，来判定断路器储能机构是否完好。若储能频率增加则说明断路器存在漏油的密封不严的情况，若单次储能时间变长，则说明储能机构已经老化。

根据IEC61850通信标准要求，断路器监测装置为一个IED设备，每个IED设备都需要对外发布其自身模型，以支持标准所要求的互操作性，下表为其逻辑节点(LN)类型的概括：

LN Class	LN type	Description
			LLN0	gLLN0	通用逻辑节点零
LPHD	gLPHD	通用物理装置信息
			MMXU	cMMXU	监测的电流
XCBR	cXCBR	监测的断路器的位置、合闸数、分闸数、储能数

本实用新型将每台断路器以往的离线实验数据形成判据参考标准，将在线测量数据与离线数据比对，以确定断路器运行状态。具有如下突出优点：

1、采用IEC61850协议作为通信标准，该协议是国际电工委员会颁布的一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，使本断路器监测系统具有通用性，实现与不同厂家不同类型设备的无缝连接和系统集成。

2、舍弃以往所惯用的工业现场总线的通信方式，采用以太网的通信组织架构，使数据传输速率提升，将波形数据传输的时间缩减为毫秒级，从而减小录波盲区，有效防止录波缺失的情况。

3、在现场层与中间层之间以光纤为通信介质，降低变电站环境下强电磁干扰对通信造成的影响，提高数据传输的正确率和整个断路器在线监测系统的可靠性。

4、断路器监测装置和数据处理机均采用嵌入式ARM技术，断路器监测装置采用ARM7平台，数据处理机采用ARM9平台，嵌入实时多任务操作系统和完整的TCP/IP协议栈，遵循IEC61850标准的对外模型发布，支持协议所规定的互操作性。

5、诊断方法采用在线式数据和离线式数据相结合的综合评定方式，消除由于在线和离线运行方式不同所造成的数据差异，将断路器在线数据作为判定标准，并通过与离线数据的比对得出断路器运行状态。

6、诊断结果具有明确性。可准确地提供断路器运行状态的优劣，并为用户提供明确的检修指导建议。即针对断路器目前的运行状态可给出触头烧蚀严重、储能机构故障、分/合闸机构机械故障等针对性的故障指示。

本实用新型通过监测断路器的一次电流、分合闸线圈电流及储能电机的特征数据，对断路器电寿命、机械状态的好坏进行评价，并能够及时发现隐藏性故障。

上述为本实用新型的一种实施方式，但本发明的实施方式不限于上述实施方案，其他未背离本实用新型原理的改变、修饰、替代、组合、简化、均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于IEC61850标准的断路器在线监测系统，包括断路器监测装置(1)、数据处理机(2)和服务器(3)；其特征是：所述断路器监测装置(1)的输出端通过信号转换器(4)与数据处理机(2)的输入端连接，数据处理机(2)的输出端连接服务器(3)的输入端或通过数据交换器(5)连接服务器(3)的输入端；服务器(3)通过互联网NET与用户终端连接。

2.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的断路器在线监测系统，其特征在于：所述的断路器监测装置(1)由若干个断路器监测单元并联而成，所述断路器监测单元包括分/合闸线圈电流取样模块、一次电流取样模块、分/合闸线圈电流调理电路、一次电流调理电路、A/D取样模块、输入/输出缓冲电路、CPU、USB模块、数字量输入/输出回路和IEC61850通信模块连接而成。

3.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的断路器在线监测系统，其特征在于：所述数据处理机(2)采用Linux嵌入式操作系统，内嵌软件包括通信管理模块和数据处理模块；通信管理模块分为两层：其一是与断路器监测装置之间通过IEC61850通信协议进行数据交换；其二与服务器间通过TCP/IP协议相互传送数据和文件。

4.根据权利要求1所述的基于IEC61850标准的断路器在线监测系统，其特征在于：所述服务器(3)包括通信模块、数据库、诊断模块和WEB发布模块。

5.根据权利要求1至3任一权利要求所述的基于IEC61850标准的断路器在线监测系统，其特征在于：断路器监测装置(1)与数据处理机之间采用IEC61850通信协议。

6.根据权利要求1至3任一权利要求所述的基于IEC61850标准的断路器在线监测系统，其特征在于：信号转换器(4)由光电转换器构成，断路器监测装置(1)光电转换器之间及光电转换器与数据处理机(2)之间通过光纤连接。

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