CN201867474U - 一种六氟化硫断路器密度继电器综合校验仪 - Google Patents
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Abstract
一种SF6断路器密度继电器综合校验仪，它由硬件结构、软件结构及气动单元构成。硬件结构在软件结构的控制下驱动气动单元动作，进行数据采集和分析，并与监控中心服务器单元进行通讯。该硬件结构分为下位机硬件和上位机硬件，前者安装在现场SF6断路器柜台下，后者安装在主控室电力测量柜台上，通过CAN总线网络实现通讯。软件结构也分为下位机软件和上位机软件；前者控制下位机硬件对校验现场进行监测，并将相关数据传送至上位机硬件，后者控制上位机硬件对数据进行接收和处理；气动单元由气缸和管道组成，气缸里的活塞在步进电机带动下进行拉伸和推进，它在智能控制输出单元的控制下，改变气路中的气体压力值。本实用新型在监测技术领域里具有广阔地应用前景。
Description
(一)技术领域：
本实用新型涉及一种六氟化硫(SF6)断路器密度继电器综合校验仪(以下简称综合校验仪)。该综合校验仪能够对SF6断路器密度继电器进行现场校验，并能对SF6断路器密度继电器性能进行综合评估，实现设备的检验，从而提高电力系统自动化水平及可靠性，有效预防电力系统由于SF6断路器密度继电器故障所引起的灾害。其中涉及数据采集技术、信号处理技术、智能推理技术、先进控制技术和CAN总线通讯技术。该综合校验仪属于信号处理与监测类技术领域。
(二)背景技术：
随着科技及经济的发展，以SF6气体为灭弧介质的SF6开关及全密封组合电器(GIS)已在电力系统中广泛使用，正在逐步取代以前的多油式、少油式、真空式断路器。它具有体积小、重量轻、容量大、成套组装、维修量小等优点，这些都是传统断路器无法比拟的。然而，SF6气体的泄漏及SF6气体在寒冷状态下的液化会导致设备绝缘能力的下降，甚至造成严重事故等。因此，SF6电气设备的整体密封性能便成为SF6电气设备的一个重要指标。这一指标通常以断路器密度继电器(或称密度控制器、密度监视器)来反映。一台密封性能良好的SF6电气设备内部产生的有毒物质含量较少、湿度较小、密度值稳定不变。
SF6断路器密度继电器是近几年来在SF6电气设备中广泛应用的一种新型安全保护自动装置，是一种带温度补偿的压力控制器，目前主要以机械式断路器密度继电器为主，机械式断路器密度继电器原理如图1所示。它的主要作用是检测电气设备本体中SF6气体密度的变化。如果SF6气体发生泄漏或液化，断路器密度继电器会通过保护回路发出报警信号。如果密度进一步下降，闭锁开关将发生动作，以保护设备、防止事故的发生。因此断路器密度继电器的准确性和可靠性是关系到电气设备及电网安全的重要保障，检验其工作的可靠性和准确性都是十分必要的。因为SF6断路器密度继电器失灵或失准造成的事故或事故隐患广泛的存在。1997年1月开始实施的电力行业标准《电力设备预防性试验规程》也已明确要求“SF6气体密度监视器(包括整定值)、压力表检验”在大修后、必要时或1-3年内必须进行检验。正因如此，研制高精度、使用方便的SF6断路器密度继电器校验仪势在必行。
SF6气体中的水分含量也是SF6气体的一个重要指标。SF6气体经电弧分解后会产生粉末状的沉淀物。这些沉淀的固体受潮后呈半导体的特性，使绝缘性能大幅下降。曾有三台220kV的SF6断路器因SF6含水较多而导致40kA开断失败，断口间因绝缘能力不足在恢复电压峰值附近击穿。同是这三台设备，未更新其它任何部件，仅换了干燥的气体之后，就顺利地通过了40kA开断实验。这说明了SF6气体的水分含量同样严重影响着电气设备的性能。在实际运行中，水分进入断路器设备的途径很多。例如，新充入的SF6气体本身含有微量水分，设备部件在工作过程中吸附的水分，设备安装时从大气带入的水分以及设备密封圈中渗入的水分等等。这些因素都可能导致SF6气体含水量超标。运行过程中SF6断路器(GCB)在额定气压为0.3～0.5MPa时的水分体积分数允许值为600×10-6。由此可见，SF6设备中的水分含量一般是很少的(微量的)，所以对其含水量的测量称为微水测量。SF6气体微水量同样是SF6气体状态的重要参数。
基于上述原因，本实用新型设计了一种SF6断路器密度继电器综合校验仪。该综合校验仪自动化程度高、气密性好、功能多样，填补了相关领域的空白。它集采集、计量、智能推理、通讯功能于一体，实时智能监测现场SF6断路器密度继电器的状态参数，采用先进信号处理技术及算法提取特征量，并结合系统信息实现智能推理及智能控制功能。为提高该综合校验仪的实时性和抗干扰能力，采用CAN总线通讯技术与上位机通信，在上位机实现设备的健康综合管理。
(三)发明内容：
1、目的：本实用新型的目的是提供一种六氟化硫(SF6)断路器密度继电器综合校验仪。该综合校验仪采用了ATMEL公司的8位高档微处理器ATmega128的体系结构，集采集、计量、智能推理、通讯、健康管理功能于一体，实时智能监测现场SF6断路器密度继电器运行状态，采用先进信号处理技术及算法提取特征量，并结合系统信息实现智能推理及智能控制功能，并采用CAN总线通讯技术将监测结果及智能推理结果实时传送到上位机。
2、技术方案：本实用新型一种SF6断路器密度继电器校验仪，它由硬件结构和软件结构两大部分及外接的气动单元构成。三者之间的关系是：硬件结构在软件结构的控制下驱动外接的气动单元动作，进行数据采集和分析，并与硬件结构的监控中心服务器单元进行通讯。该硬件结构分为下位机硬件结构和上位机硬件结构两部分，其之间的关系是：下位机硬件结构安装在现场SF6断路器机构柜台下，上位机硬件结构安装在主控室电力测量柜台上，它们之间通过CAN总线网络实现通讯。其中，该下位机硬件结构负责数据的采集、处理及传输，它包括基于AVR单片机智能控制及处理单元、数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元及CAN总线通讯单元；它们之间的逻辑关系是：基于AVR单片机智能控制及处理单元控制数据采集单元采集数据，并将数据存入数据存储单元，存储完毕后，基于AVR的智能控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行处理及智能推理，并将智能推理结果输出至智能控制输出单元，同时，将处理后的数据通过CAN总线通讯单元传送到上位机硬件结构。
该上位机硬件结构由监控中心服务器单元和CAN总线通讯单元(即PCI1680U板卡)组成，其之间的关系是：PCI1680U板卡插入监控中心服务器单元PCI插槽中，实现与下位机硬件结构的通信。该监控中心服务器单元是工控机；该CAN总线通讯单元是PCI1680U板卡。上位机硬件结构负责监测数据的接受、控制命令的发送及人机接口界面显示。相应的，软件结构也分为下位机软件结构和上位机软件结构两部分。下位机软件结构负责驱动下位机的硬件结构完成状态数据采集，对采集的数据采用小波分析、包络分析、经验模态分解技术、模糊推理技术等先进的信号处理技术及算法进行特征提取，计算出SF6断路器密度继电器的运行状态，并结合系统状态信息执行智能推理功能实现对SF6断路器密度继电器的智能控制及诊断；最后，下位机软件结构通过CAN总线通讯单元将监测处理结果发送到上位机硬件结构的监控中心服务器单元。上位机软件结构负责驱动上位机硬件结构的CAN总线通讯单元完成与下位机硬件结构的数据通讯，并建立人机交互界面和实现监测信息的管理，为检修人员提供信息来源，同时结合设备历史运行信息，进行智能推理，实现对设备性能状态评估。下面分别具体阐述：
(1)硬件结构：
下位机硬件结构由基于AVR单片机智能控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元、智能控制输出单元及CAN总线通讯单元。其之间关系是：数据采集单元对本体设备的相关状态参数进行采集，传输给基于AVR单片机智能控制及处理单元进行处理，并送基于AVR单片机智能控制输出单元对本体设备进行控制，相关测试数据及推理结果存入数据存储单元，上位机硬件结构的监控中心服务器单元通过CAN总线通讯单元对下位机硬件结构进行控制，下位机硬件结构的将测试数据通过CAN总线通讯单元上传至上位机硬件结构的监控中心服务器单元，供监控中心服务器单元进行存储及分析。
所述基于AVR单片机智能控制及处理单元选择了ATMEL公司的ATmega128单片机作为主控制器，该单片机是整个控制电路的核心。ATMEL公司和第三方公司也提供了功能强大的程序编译和调试软件，可以大大地减少系统开发的时间。
所述数据采集单元由AD7490模数转换器、模拟传感器、开关量采集模块、数字信号调理电路及模拟信号调理电路组成，其之间的关系是：模拟传感器输出信号经过模拟信号调理电路进行信号调理和滤波，并将结果输出至AD7490模数转换器进行电压转换；模拟量采集和开关量采集同时进行。该AD7490模数转换器是16通道、12位、低功耗的高速模数转换芯片；该模拟传感器包括PT100温度传感器、GEMS3100压力传感器、DMP248湿度传感器，其之间的关系是：PT100温度传感器采集现场温度，GEMS3100压力传感器采集气路中的气体压力，DMP248湿度传感器采集现场湿度；该开关量采集模块采用光耦TLP521-4，它与AVR单片机相连；该数字信号调理电路是由光藕、贴片电阻、退耦电容、滤波电容及普通稳压二极管组成；其之间关系是通过光耦实现数字信号的传递、隔离以及电平转换；该光藕是采用TLP521-4芯片；该贴片电阻是4.7K、1K阻值电阻，它与光耦芯片共同构成数字量采集电路；该退耦电容是16uF贴片电容，消除采样电阻产生的耦合作用；该滤波电容是4.7uF贴片电容，它接在信号输出端，滤除电路中的交流成分，使输出的直流更平滑；该普通稳压二极管是IN4733，它并联在电路的输出端，用于稳定输出端电压；该模拟信号调理电路由取样电阻、退耦电容、滤波电容及电压跟随器组成；其之间关系是：取样电阻对模拟传感器的电流信号进行采样；该取样电阻是250欧贴片电阻，它对电流信号进行采样，将电流信号转变为电压信号；该退耦电容是16uF贴片电容，它并接于放大电路的电源正负极之间，防止由电源内阻形成的正反馈而引起的寄生振荡；该滤波电容是4.7uF贴片电容，它接在信号输出端，滤除电路中的交流成分，使输出的直流更平滑；该电压跟随器由放大器LM358构成，其输入阻抗很大，输出阻抗很小，可以分离出采样电阻的影响。
所述数据存储单元由EEPROM存储器构成。数据存储功能是将用户的测试数据进行保存便于用户后续的查询，因此设计中选用了24LC512作为外部EEPROM芯片，该芯片容量为512千位，即64K，24LC512为单电源供电，工作电压低至1.8V，采用低功耗CMOS技术，典型工作电流为1mA，典型待机电流(工业级温度)为1μA。应用中用ATmega128单片机的I/O端口模拟I2C总线时序与芯片进行通信，完成读写操作。
所述智能控制输出单元包括液晶显示模块、键盘、微型打印机和驱动电路单元。其之间关系是：液晶显示模块为用户提示操作信息，用户通过键盘输入相应指令，驱动电路单元改变气路内的压力值。该液晶显示模块选用点阵为240*128、控制器为T6963C的液晶显示模块，它自带负压生成电路。该键盘采用了4行4列的矩阵式键盘，键盘8个引脚分别通过限流电阻与单片机的I/O端口相连。该微型打印机是热敏微型打印机，它同时具有并口和串口通讯功能，并行接口与CENTRONICS标准兼容，接口连接器选用26线双排针插座；串行接口与RS-232C标准兼容或TTL电平。打印控制命令与IBM和EPSON打印机兼容。在应用中采用串口TTL电平通讯方式，即用单片机的串口1与微型打印机直接连接，采用TTL电平进行通讯。在使用前，首先利用随机字模生成软件生成所需汉字的字模，然后通过并口线下载到微型打印机中。该驱动电路单元由步进电机的驱动电路和电磁阀门的驱动组成，其之间关系是：步进电机驱动电路驱动步进电机带动气缸活塞动作，电磁阀门的驱动在智能控制输出单元的控制下通断，进行气路控制。该步进电机驱动电路是和利时公司的56BYG25C-SASSBL-0241型两相混合式步进电机，该型号电机静态相电流为2.4A，保持转矩1.04N，重量0.6kg；该电磁阀门的驱动采用ULN2003驱动芯片，它是ST公司生产的高电压、大电流驱动芯片。
所述CAN总线通讯单元由上位机通信模块和下位机通信模块组成，它们之间通过CAN总线网络相连。下位机通信模块由MCP2515控制器和MCP2551发送器组成，其之间的关系是MCP2515控制器与基于AVR单片机智能控制及处理单元相连受其控制，并且对MCP2551发送器进行控制；它负责下位机硬件结构的数据采集单元采集数据的发送和接收。上位机通信模块采用PCI 1680U板卡，它直接插入工控机PCI插槽中，负责接受下位机通信模块传来的数据及发送上位机通信模块的控制命令。CAN总线网络采用星型连接组网，分别对位于不同地点多台SF6断路器密度继电器进行监测，下位机硬件结构的各个单元分别向监控中心服务器单元发送监测数据。监控中心服务器单元可实现对下位机硬件结构的各个单元的远程配置和数据接收。
该下位机硬件结构的总体方案框图，如图3所示。
上位机硬件结构由监控中心服务器单元和CAN总线通讯单元(PCI1680U板卡)组成，其之间的关系是：PCI1680U板卡插入监控中心服务器单元PCI插槽中，实现与下位机硬件结构的通信。该监控中心服务器单元是工控机；该CAN总线通讯单元是PCI1680U板卡。上位机硬件结构负责监测数据的接受、控制命令的发送及人机接口界面显示。
(2)软件结构
本实用新型的软件结构也分为下位机软件结构和上位机软件结构两个部分；其之间的关系是下位机软件结构控制下位机硬件结构对校验现场进行监测，并将相关数据传送至上位机硬件结构，上位机软件结构控制上位机硬件结构对数据进行接收和处理；
所述下位机软件结构分为密度测试、湿度测量、数据查询和系统时间设定四个程序。其之间关系是：密度测试程序控制校验仪对SF6断路器密度继电器进行校验，测量相关状态参数值，湿度测量程序控制校验仪对气路的湿度值进行测量，并对测量结果进行存储，数据查询程序通过一定的算法对已存储的历史数据进行查询，系统时间设定程序对校验仪的时间进行设定，为校验结果提供时间信息。
所述密度测试程序是SF6断路器密度继电器综合校验仪的主要功能。不同的断路器密度继电器所需测量的点是不同的，需要根据被测表的类型进行判断，进入相应的测试流程。为了防止用户在未连接好管路的情况下进行校验而造成校验仪气路漏气，特设计了漏气检查程序。当气压下降至报警或闭锁压力值时，断路器密度继电器的报警或闭锁开关闭合，控制电路通过光耦采集开关量进入中断程序，压力传感器采集报警或闭锁压力值，中断返回后，程序根据全局变量标志位来判断中断的类型，在测量完最后一个校验值后，电机正转进行返回值的测量。全部返回值测量完后，电机自动调整管路气压使之恢复到额定值，一次测量过程完成。该密度测试程序流程图见图4.
所述湿度测试程序是SF6断路器密度继电器综合校验仪的附加功能。测试时首先将测试管路与湿度测试口连接好。打开测试口，关闭气缸阀门，湿度测试阀打开。由于湿度测试时本体阀门是打开的，这时由于本体的气压远大于校验仪测试管路的气压，本体气体将向测试气路流动，由于湿度测试阀打开，管路中的残余气体被排除，一定延时后，关闭湿度测试阀，通过AD采集湿度传感器的输出信号，得到本体气体的湿度值。该湿度测试程序流程图见图5.
所述数据存储程序是断路器密度继电器综合校验仪的一个重要功能，测试数据全部记录在外置的EEPROM 24LC512中。根据需求，综合校验仪具备按设备编号和测试日期查询测试记录的功能。在程序设计的关键是设计合理的数据存储方式，加快查询的速度。对于一次测试，它是由设备编号、测试日期以及同一天内的操作次数等信息唯一确定的，其中的测试值记录包括被测仪表额定值、动作值、返回值等数据，这些数据信息共同构成了某设备某一次测试的记录。假设不采取特殊的数据存储方式，仅仅按照测试顺序将记录顺序写入存储单元中，则在查询过程中，不论是按设备编号查询还是按日期查询都只能按记录顺序逐次比较查询，即使采用对分法等查询方法效率也不很高，因此在数据的存储上采取了分块的方法，以提高查询的速度。数据存储程序流程图见图6，按设备编号查询流程图见图7，按日期查询流程图见图8。
所述系统时间设定程序是SF6断路器密度继电器综合校验仪的重要功能。综合校验仪的日历时钟芯片为每次测量结果提供准确的时间信息，时间设定程序使用户可以方便的更改当前时间。时间设定时，用户需在主菜单选择参数设定选项进入系统时间设定的界面。在界面中用户输入时间(包括年、月、日、时、分)，确定后，控制电路通过I2C总线将时间信息写入日历时钟芯片PCF8563，完成时间的设定。系统时间设定流程图见图9。芯片PCF8563的主要特性如下：四种报警功能和定时器功能；40KHz I2C总线；内部含有复位电路，振荡器电路和内部低压检测电路；具有中断输出和可编程时钟输出；超低功耗和宽电压范围，可在1.0V和5.5V电压下工作。
所述上位机软件结构在Windows操作系统环境下，采用VC++6.0编写并利用SQL Server2000开发后台数据库，上位机软件结构如图10所示。该人机交互部分采用大液晶显示，支持键盘、鼠标及触摸屏输入，它负责数据及波形的显示并提供控制参数设置窗口，实现工作人员和装置的交互。工控机负责驱动CAN通讯单元工作，实现数据的发送和接收。数据库部分存储监测信息，并实现管理与查询等功能。上位机软件的工作流程是：在管理人员登陆后首先和指定编号的现场监测单元进行连接，并向现场监测单元发送管理人员设定的控制参数，对现场监测单元进行远程配置；在断路器不动作时，现场监测单元根据控制参数设定对绝缘状态进行监测，定时通过CAN总线网络向上位机发送数据。在默认设置情况下，现场监测单元每隔6小时向监控中心服务器单元发送一次现场数据，数据超过设定阈值，产生报警信息，提示值班人员进行处理，同时监控中心服务器单元把数据保存到数据库，为以后查看数据及波形曲线提供数据来源。当SF6断路器密度继电器动作时，现场监测单元实时采集状态信息并将数据在AVR处理器中进行快速处理并执行智能推理功能，最后通过CAN总线网络发送到上位机。监控中心服务器单元将接收到的计算结果进行显示并将信息保存入数据库，同时，结合断路器的历史信息，执行智能推理功能，估算设备性能及寿命，从而实现对设备的智能监测。
(3)外接的气动单元
所述外接的气动单元由气缸和管道组成，其之间关系是：气缸里的活塞阀门在步进电机带动下进行拉伸和推进，改变气路中的气体压力值。它在智能控制输出单元的控制下，增大或减小气路内的压力值。该气缸的型号是SC630100型标准气缸及其配套X-ASL603型接头；该管道的规格是直径4mm-6mm，壁厚1mm，通过转换接头进行对接。
本实用新型SF6气体断路器密度继电器校验仪的气动单元示意图如图2所示。该综合校验仪通过控制电路驱动步进电机旋转来带动活塞气缸运动，从而实现断路器密度继电器自动充气和放气，在充放气的过程中采样电路采集传感器信号，经过处理器处理后得到闭锁和报警压力值，将该值与被测断路器密度继电器的额定值比较即可判断断路器密度继电器是否工作正常，整个测试过程完全在控制电路的控制下自动进行。
本实用新型的六氟化硫(SF6)断路器密度继电器综合校验仪，其工作过程是：当登陆上位机的软件系统后，监控中心服务器单元首先根据默认配置或工作人员的设定向指定编号的现场监测单元(下位机)发送控制参数，完成对现场监测单元的远程配置。然后，下位机硬件结构中的基于AVR单片机智能控制及处理单元控制数据采集单元，并将数据存储在数据存储单元中，最后，基于AVR单片机智能控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行信号特征提取和参数计算，同时，结合系统信息进行智能推理与智能控制，综合评估设备性能。
3、优点及功效：
本实用新型一种六氟化硫断路器密度继电器综合校验仪，其优点和有益效果如下：
(1)采用高性能的单片机进行检测与控制，机电一体化设计，具有结构合理、运行稳定的气动平台，气动元件采用高性能的进口元件，性能稳定可靠。
(2)校验过程中无需恒温室，可以在任意有效温度范围内对SF6气体断路器密度继电器进行校验，自动完成压力测量和20℃值转换，从而完成了压力、温度间的动态自动补偿。
(3)配有多种型号气路接头，方便校验仪气路的连接，校验时无需拆卸断路器密度继电器，可以对其进行在线校验；采用进口接口装置，保证了气路密闭性，大大提高了测量精度；具有广泛的适用性，可以根据待校验的断路器密度继电器参数进行设定，适用于不同型号的断路器密度继电器校验。
(4)带有高精度时钟芯片，为测量结果提供准确的时间信息，采用可涓流充电纽扣电池，设备上电时自动充电，无需更换电池；能同时存储32个设备的测试数据，可以为每个设备存储35次测试结果，并具有掉电数据保护功能；具备多样化、人性化的数据查询方式，有利于快速准确地查询所需历史数据；具有方便快捷的打印设备，可以根据需要任意选择要打印的历史数据，数据以报表式进行打印，清晰明了。
(5)该综合校验仪通过CAN总线网络组网，可以实现多对一的通讯方式，CAN总线通讯方式数据传输速率高，传输距离远，比较适合于电厂、电站等电磁辐射、干扰比较强的场合。
(6)该综合校验仪接线简单，安装方便，占地空间小，具有高可靠、长寿命、强抗电磁干扰功能。
(四)附图说明：
图1机械式断路器密度继电器原理图
图2本实用新型SF6气体断路器密度继电器校验装置气路原理示意图
图3本实用新型下位机硬件结构的总体方案框图
图4本实用新型密度测试程序流程图
图5本实用新型湿度测试软件流程图
图6本实用新型数据存储程序流程图
图7本实用新型按设备编号查询程序流程图
图8本实用新型按日期查询程序流程图
图9本实用新型系统时间设定流程图
图10本实用新型上位机软件结构示意图
图11本实用新型的综合校验仪之结构框图
图中符号说明如下：
1连接被测气室，2预充气室，3金属波纹管，4双金属片，5微动开关。
(五)具体实施方式
见图11所示，本实用新型一种六氟化硫断路器密度继电器综合校验仪，它包括硬件结构和软件结构及外接的气动单元三部分。三者之间的关系是：硬件结构在软件结构的控制下驱动外接的气动单元动作，进行数据采集和分析，并与硬件结构的监控中心服务器单元进行通讯。该硬件结构分为下位机硬件结构和上位机硬件结构两部分，其之间的关系是：下位机硬件结构安装在现场SF6断路器机构柜台下，上位机硬件结构安装在主控室电力测量柜台上，它们之间通过CAN总线网络实现通讯。其中，该下位机硬件结构负责数据的采集、处理及传输，由基于AVR单片机智能控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元、智能控制输出单元及CAN总线通讯单元组成。其之间关系是：数据采集单元对本体设备的相关状态参数进行采集，传输给智能控制及处理单元进行处理，并送智能控制输出单元对本体设备进行控制，相关测试数据及推理结果存入数据存储单元，该上位机硬件结构通过CAN总线通讯单元对下位机硬件结构进行控制，下位机硬件结构将测试数据通过CAN总线通讯单元上传至上位机硬件结构，供上位机硬件结构进行存储及分析。上位机硬件结构由监控中心服务器单元和CAN总线通讯单元(即PCI1680U板卡)组成，其之间的关系是：PCI1680U板卡插入监控中心服务器单元PCI插槽中，实现与下位机硬件结构的通信。该监控中心服务器单元是工控机；该CAN总线通讯单元是PCI1680U板卡。该软件结构由下位机软件结构和上位机软件结构两个部分组成；其之间的关系是下位机软件结构控制下位机硬件结构对校验现场进行监测，并将相关数据传送至上位机硬件结构，上位机软件结构控制上位机硬件结构对数据进行接收和处理。
所述基于AVR单片机智能控制及处理单元选择了ATMEL公司的ATmega128单片机作为主控制器，该单片机是整个控制电路的核心。ATmega128是ATMEL公司的8位高档微处理器，它基于AVR RISC结构和Harward体系，具有高性能、低功耗的特点。片内自带128Kbytes的FLASH和4K的eeprom，同时自带SPI、TWI(I2C)等接口，这些资源为系统硬件设计带来了很大的方便，减少了外围电路的设计，节约了硬件成本。利用片内的8位或16位定时器，可以很好地完成对步进电机地控制。ATMEL公司和第三方公司也提供了功能强大的程序编译和调试软件，可以大大地减少系统开发的时间。
所述数据采集单元由AD7490模数转换器、模拟传感器、开关量采集模块、数字信号调理电路及模拟信号调理电路组成，其之间的关系是：模拟传感器输出信号经过模拟信号调理电路进行信号调理和滤波，并将结果输出至AD7490模数转换器进行电压转换；模拟量采集和开关量采集同时进行。该AD7490模数转换器是16通道、12位、低功耗的高速模数转换芯片；该开关量采集模块与AVR单片机相连，对AD7490模数转换器进行控制；该模拟传感器包括PT100温度传感器、GEMS3100压力传感器、DMP248湿度传感器；该开关采集模块采用光耦TLP521-4，它与AVR单片机相连；该数字信号调理电路是由光藕、贴片电阻、退耦电容、滤波电容及普通稳压二极管组成；其之间关系是通过光耦实现数字信号的传递、隔离以及电平转换；该光藕是采用TLP521-4芯片；该贴片电阻是4.7K、1K阻值电阻，它与光耦芯片共同构成数字量采集电路；该退耦电容是16uF贴片电容，消除采样电阻产生的耦合作用；该滤波电容是4.7uF贴片电容，它接在信号输出端，滤除电路中的交流成分，使输出的直流更平滑；该普通稳压二极管是IN4733，它并联在电路的输出端，用于稳定输出端电压；该模拟信号调理电路由取样电阻、退耦电容、滤波电容及电压跟随器组成；其之间关系是：取样电阻对模拟传感器的电流信号进行采样；该取样电阻是250欧贴片电阻，它对电流信号进行采样，将电流信号转变为电压信号；该该退耦电容是16uF贴片电容，它并接于放大电路的电源正负极之间，防止由电源内阻形成的正反馈而引起的寄生振荡；该滤波电容是4.7uF贴片电容，它接在信号输出端，滤除电路中的交流成分，使输出的直流更平滑；该电压跟随器由放大器LM358构成，其输入阻抗很大，输出阻抗很小，可以分离出采样电阻的影响。
所述数据存储单元由EEPROM存储器构成。数据存储功能是将用户的测试数据进行保存便于用户后续的查询，因此设计中选用了24LC512作为外部EEPROM芯片，该芯片容量为512千位，即64K，24LC512为单电源供电，工作电压低至1.8V，采用低功耗CMOS技术，典型工作电流为1mA，典型待机电流(工业级温度)为1μA。24LC512具有写保护功能，读写次数高达1000000次，4LC512采用I2C总线通信，具有单字节写入、整页写入、单字节读取、整页读取等多种读写模式，写操作时间小于5ms，读单字节操作时间经实际使用测试一般在几十微秒。应用中用单片机的I/O端口模拟I2C总线时序与芯片进行通信，完成读写操作。
所述智能控制输出单元包括液晶显示模块、键盘、微型打印机和驱动电路单元，其之间关系是：液晶显示模块为用户提示操作信息，用户通过键盘输入相应指令，驱动电路单元改变气路内的压力值。该液晶显示模块选用点阵为240*128、控制器为T6963C的液晶显示模块，它自带负压生成电路，因此不用额外设计负压生成电路。T6963C液晶显示模块控制器多用于中小规模的液晶显示器件，常被装配在图形液晶显示模块上，以内藏控制器型图形液晶显示模块的形式出现。该键盘设计采用了4行4列的矩阵式键盘，键盘8个引脚分别通过限流电阻与单片机的I/O端口相连。键盘是同仪器面板的面膜一同设计的。各个按键的含义如下：0～9位数字键，同时2、8、4、6分别具有上、下、左、右选择菜单的功能；ENT键即Enter键，表示确认，ESC键表示退出，PRT键表示打印；此外还具有光标左移位和右移位键，以及关闭蜂鸣器的静音键。为了便于用户将测试记录输出保存，设计了微型打印机模块。该微型打印机选用沈阳新荣达电子有限公司的RD-E型热敏微型打印机。该微型打印机专为仪器仪表面板安装打印机而设计，采用独特的面板式嵌入结构，可将整个打印机固定在仪表面板上。换纸方式为前面板换纸，十分方便。其中，E型为超薄紧凑设计，面板安装开孔尺寸仅为76mm×76mm，深度仅45mm，可容纳直径为33mm的打印纸卷。控制板为防尘设计安装，采用原装进口打印头，有效确保打印效果与打印机的使用寿命。RD-E微型打印机同时具有并口和串口通讯功能，并行接口与CENTRONICS标准兼容，接口连接器选用26线双排针插座；串行接口与RS-232C标准兼容或TTL电平，接口连接器选用DB-9孔座或5线单排针型插座。打印控制命令与IBM和EPSON打印机兼容。在应用中采用串口TTL电平通讯方式，即用单片机的串口1与微型打印机直接连接，采用TTL电平进行通讯。在使用前，首先利用随机字模生成软件生成所需汉字的字模，然后通过并口线下在到微型打印机中。该驱动电路单元由步进电机的驱动和电磁阀门的驱动组成。其之间关系是：步进电机驱动电路驱动步进电机带动气缸活塞动作，电磁阀门的驱动在智能控制输出单元的控制下通断，进行气路控制。该步进电机驱动电路是和利时公司的56BYG25C-SASSBL-0241型两相混合式步进电机，该型号电机静态相电流为2.4A，保持转矩1.04N，重量0.6kg；该电磁阀门的驱动采用ULN2003驱动芯片，它是ST公司生产的高电压、大电流驱动芯片。为了使气路气压在测试过程中缓慢改变，步进电机处在低转速的工作状态。由于步进电机在低速运行时存在较大振动和噪声，因此必须有专门的细分电路来改善步进电机低频性能。步进电机的选择与校验仪机械平台的设计密切相关。
所述上位机硬件结构由监控中心服务器单元和CAN总线通讯单元(PCI1680U板卡)组成，其之间的关系是：PCI1680U板卡插入监控中心服务器单元PCI插槽中，实现与下位机硬件结构的通信。该监控中心服务器单元是工控机；该CAN总线通讯单元是PCI1680U板卡。上位机硬件结构负责监测数据的接受、控制命令的发送及人机接口界面显示。
该上位机监控中心服务器单元采用工控机实现，工控机选用4U机架式一体化工作机(AWS-4U-084)，放置于控制室电力配电采集柜台上，负责存储、显示和管理监测数据。监控中心工作人员可以通过上位机软件进行人机交互实现对监测参数的分析和管理。
该CAN总线通讯单元由上位机通信模块和下位机通信模块组成，它们之间通过CAN总线网络相连。下位机通信模块是采用MCP2515控制器和MCP2551发送器，负责下位机硬件结构的数据采集单元采集数据的发送和接受。上位机通信模块采用研华科技公司产品PCI1680U板卡，该板卡直接插入工控机PCI插槽中，它负责接受下位机通信模块传来的数据及发送上位机通信模块控制命令；上位机通信模块和下位机通信模块间采用CAN总线通信协议实现数据的高速可靠传输。CAN总线网络采用星型连接组网，数据传输线采用双绞线。在现场各需要检测状态的断路器机构柜下，安装下位机硬件结构，利用CAN总线网络组网，可分别对位于不同地点的多个SF6高压断路器进行监测，各个下位机硬件结构分别向监控中心服务器单元发送监测数据。
本实用新型的软件结构也分为下位机软件结构和上位机软件结构两个部分；其之间的关系是下位机软件结构控制下位机硬件结构对校验现场进行监测，并将相关数据传送至上位机硬件结构，上位机软件结构控制上位机硬件结构对数据进行接收和处理；
所述下位机软件结构分为密度测试、湿度测量、数据查询和系统时间设定四个程序部分。其之间关系是：密度测试程序控制校验仪对SF6断路器密度继电器进行校验，测量相关状态参数值，湿度测量程序控制校验仪对气路的湿度值进行测量，并对测量结果进行存储，数据查询程序通过一定的算法对已存储的历史数据进行查询，系统时间设定程序对校验仪的时间进行设定，为校验结果提供时间信息。
所述密度测试程序实现了SF6断路器密度继电器校验仪的主要功能。密度测试的工作流程是首先输入被测设备的设备编号和被测仪表的额定压力值和闭锁、报警压力值，并输入测试表的类型。不同的断路器密度继电器所需测量的点是不同的，有些仪表包含报警与闭锁点，有些则有两组报警闭锁点，有些仪表还含有超压点，因此需要根据被测表的类型进行判断，进入相应的测试流程。不同的仪表类型在测试过程中的流程是类似的，在测试气路连接好的情况下按ENT键开始校验。为了防止用户在未连接好管路的情况下进行校验而造成校验仪漏气，特设计了漏气检查程序。在该程序中首先打开测试接口的电磁阀而关闭气缸电磁阀，压力传感器采集气路压力。若气路没有连接好则会迅速漏气，这时管路中的气压下降。在程序中将采集到的压力值与预先设定的数值相比较，若小于设定值表明管路漏气，在液晶界面上不断提示用户连接好管路；若大于预定值则提示用户可以继续进行测量。在校验过程中，首先打开气缸阀门，压力传感器采集管路压力值，若小于被测仪表额定压力值则电机正转，气缸压缩使管路气压增至额定值(对于需要测超压值的仪表需要加压至超压值)。然后，气缸反转使管路的气压减小。当气压下降至报警或闭锁压力值时，断路器密度继电器的报警或闭锁开关闭合，控制电路通过光耦采集开关量进入中断程序，在中程序中电机停转，压力传感器采集报警或闭锁压力值并根据中断的类型——报警中断、闭锁1中断、闭锁2中断、超压中断来置位全局变量标志位。中断返回后，程序根据全局变量标志位来判断中断的类型，在测量完最后一个校验值后(压力值最低的中断类型)电机正转进行返回值的测量。全部返回值测量完后(压力值最高的中断发生后)，电机自动调整管路气压使之恢复到额定值，从而完成一次校验过程。测量报警值和闭锁值的密度测试的程序流程如图5所示，对于含有两个闭锁值和超压值的仪表，测试流程图基本类似，这里不再重复。
所述湿度测试程序实现了SF6断路器密度继电器校验仪的附加功能。其工作程序是测试时首先将测试管路与湿度测试口连接好。打开测试口，关闭气缸阀门，湿度测试阀打开。由于湿度测试时本体阀门是打开的，这时由于本体的气压远大于校验仪测试管路的气压，本体气体将向测试气路流动，由于湿度测试阀打开，管路中的残余气体被排除，一定延时后，关闭湿度测试阀，通过AD采集湿度传感器的输出信号，得到本体气体的湿度值。根据以上流程，湿度测试部分的流程图如图6所示。
所述数据查询程序实现了断路器密度继电器校验仪的一个重要功能，测试数据全部记录在外置的EEPROM 24LC512中。根据需求，校验仪具备按设备编号和测试日期查询测试记录的功能。该程序设计的关键是设计合理的数据存储方式，加快查询的速度。对于一次测试，它是由设备编号、测试日期以及同一天内的操作次数等信息唯一确定的，其中的测试值记录包括被测仪表额定值、动作值、返回值等数据，这些数据信息共同构成了某设备某一次测试的记录。在数据的存储上采取了分块的方法，以提高查询的速度。对于一次测试记录，共用56个字节来存储测试相关信息。其中，第一位为标志位0xFF，以下依次是年月日、操作次数、设备编号、测试值等相关信息。由于按设备编号查询是较为常用的，因此把24LC51264K的存储空间按设备编号进行了分配，并假定可以测试32个设备，即将存储空间分成了32块，这样每一个设备存储块就有2000个字节可以使用。由于一次测试记录占56个字，因此每一个设备存储块可以存储35个记录。实际中，电厂一年中对一台断路器密度继电器的测试一般不多于两次，因此一个存储块的存储量(35个记录)可容纳多年年的测试结果，因此采用分块的数据存储方法不会对实际应用造成影响。由于按照设备编号进行分块，可以迅速地进行设备编号查询。下面针对数据的存储、按设备编号查询、按日期查询进行详细的介绍。
数据存储：在密度或湿度测试完成后，都需要将测试数据及其它相关信息进行存储。由于存储区按设备编号进行了分块，存储信息前首先根据被测设备的编号找到相应的块地址。然后，在该块中寻找此次记录应当存储的位置，这一功能可利用第一位的标志位0xFF来实现，在循环中不断比较存储块中每56个字节的第一位是否为0xFF，如果不是则找到本次记录应当写入的位置。如果出现存储块已经写满的情况则对用户进行提示，询问是否将以前的测试记录全部打印，然后清空存储块并将本次测试记录写入该块的前56个字节。数据存储的程序流程如图7所示。
按设备编号查询：由于存储区采用按设备编号分块，按设备编号查询具有很快的速度。按设备编号查询时，首先键入设备号，程序根据设备号找到相应的块地址，在该块中存储着同一设备号、不同测试日期的测试记录。如果输入的设备号不存在，进入提示界面并请用户重新输入编号。用户选择相应的日期，查询该日期下的测试记录，并可以选择是否打印。由于具有密度测试，湿度测试和密度湿度综合测试三种测试可能，查询结果的显示界面是根据测试类型的不同而不同的，因此在一次测试记录的56个字节中用的第54个字节作为标志位来表示测试类型。其中，1表示密度测试，2表示湿度测试，3表示密度湿度综合测试。按设备编号查询的程序流程图如图7所示。
按日期查询：进行日期查询时，首先输入年月日的日期信息。如果输入有误或输入的日期不存在，软件返回到日期输入界面请用户重新输入。输入日期后，程序从整个存储空间的首地址开始查询，将各条记录中的日期信息与输入的日期逐次比较，并将日期匹配的记录的地址存入全局数组global_temp_address，直到查询完整个存储空间为止。由于每个存储块在绝大多数情况下并未存储满，因此匹配日期时首先判断该存储块当前56个字节的第一位是否为0xFF，如果是则继续查询，如果不是，表明该存储块已经查询完，直接跳入下一个存储块进行查询，这样可以大大提高日期查询的速度。全部查询完后，程序将日期匹配的记录的设备编号列出，用户选择希望查询的设备编号，查询记录的详细内容，并根据需要决定是否打印。按日期查询的程序流程图如图8所示。
所述系统时间设定程序实现了断路器密度继电器校验仪的重要功能。该功能为每一次测量的结果提供了准确的时间信息；时间设定时，用户需在主菜单选择参数设定选项进入系统时间设定的界面。在界面中用户输入时间(包括年、月、日、时、分)，确定后，控制电路通过I2C总线将时间信息写入日历时钟芯片PCF8563，完成时间的设定。时间输入界面中，用户通过向上和向下按键实现数据的加减，通过左移和右移按键移动光标，完成时间的输入。由于一个月天数不同，因此输入月份的限制是不同的，对1、3、5、7、8、10、12月，月份增加的上限为31，对于4、6、9、11月，月份增加的上限为30，对于闰年，2月有29天，非闰年2月有28天。闰年的判定条件为：能被4整除而不能被100整除的年份是闰年；能被100整除又能被400整除的年份是闰年；不满足上述两个条件的年份不是闰年。输入的月份和天数在达到上限值后再增加则恢复初值1。系统时间设定的流程图如图9所示。
所述上位机软件结构在Windows操作系统环境下，采用VC++6.0编写并利用SQL Server2000开发后台数据库，上位机软件结构如图10所示。该人机交互部分采用大液晶显示，支持键盘、鼠标及触摸屏输入，它负责数据及波形的显示并提供控制参数设置窗口，实现工作人员和装置的交互。工控机负责驱动CAN通讯单元工作，实现数据的发送和接收。数据库部分存储监测信息，并实现管理与查询等功能。上位机软件结构的工作流程是：在管理人员登陆后首先和指定编号的现场监测单元进行连接，并向现场监测单元发送管理人员设定的控制参数，对现场监测单元进行远程配置；在断路器不动作时，现场监测单元根据控制参数设定对绝缘状态进行监测，定时通过CAN总线网络向上位机发送数据。在默认设置情况下，现场监测单元每隔6小时向监控中心服务器单元发送一次现场数据，数据超过设定阈值，产生报警信息，提示值班人员进行处理，同时监控中心服务器单元把数据保存到数据库，为以后查看数据及波形曲线提供数据来源。当SF6断路器密度继电器动作时，现场监测单元实时采集状态信息并将数据在基于AVR单片机智能控制及处理单元中进行快速处理并执行智能推理功能，最后通过CAN总线网络发送到上位机。监控中心服务器单元将接收到的计算结果进行显示并将信息保存入数据库，同时，结合断路器的历史信息，执行智能推理功能，估算设备性能及寿命，从而实现对设备的智能监测。
所述外接的气动单元由气缸和管道组成，其之间关系是：气缸里的活塞阀门在步进电机带动下进行拉伸和推进，改变气路中的气体压力值。它在智能控制输出单元的控制下，增大或减小气路内的压力值。该气缸的型号是SC630100型标准气缸及其配套X-ASL603型接头；该管道的规格是4mm和6mm，通过转换接头进行对接。
本实用新型的六氟化硫(SF6)断路器密度继电器综合校验仪，其气路原理如图2所示。该综合校验仪通过控制电路驱动步进电机旋转来带动活塞气缸运动，从而实现断路器密度继电器自动充气和放气，在充放气的过程中采样电路采集传感器信号，经过处理器处理后得到闭锁和报警压力值，将该值与被测断路器密度继电器的额定值比较即可判断断路器密度继电器是否工作正常，整个测试过程完全在控制电路的控制下自动进行。
综合校验仪的工作过程是：当登陆上位机的软件系统后，监控中心服务器单元首先根据默认配置或工作人员的设定向指定编号的现场监测单元(下位机)发送控制参数，完成对现场监测单元的远程配置。然后，下位机硬件结构中的基于AVR单片机智能控制及处理单元控制数据采集单元，并将数据存储在数据存储单元中，最后，基于AVR单片机智能控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行信号特征提取和参数计算，同时，结合系统信息进行智能推理与智能控制，综合评估设备性能。
Claims (4)
1.一种SF6断路器密度继电器综合校验仪，其特征在于：它由硬件结构、软件结构及外接的气动单元构成；三者之间的关系是：硬件结构在软件结构的控制下驱动外接的气动单元动作，进行数据采集和分析，并与硬件结构的监控中心服务器单元进行通讯；
所述硬件结构分为下位机硬件结构和上位机硬件结构两部分，下位机硬件结构安装在现场SF6断路器机构柜台下，上位机硬件结构安装在主控室电力测量柜台上，它们之间通过CAN总线网络实现通讯；该下位机硬件结构包括基于AVR单片机智能控制及处理单元、数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元及CAN总线通讯单元；它们之间的关系是：基于AVR单片机智能控制及处理单元控制数据采集单元采集数据，并将数据存入数据存储单元，存储完毕后，基于AVR的智能控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行处理及智能推理，并将智能推理结果输出至智能控制输出单元，同时，将处理后的数据通过CAN总线通讯单元传送到上位机硬件结构；
该基于AVR单片机智能控制及处理单元选择ATMEL公司的ATmega128单片机作为主控制器；
该数据采集单元由AD7490模数转换器、模拟传感器、开关量采集模块、数字信号调理电路及模拟信号调理电路组成，其之间的关系是：模拟传感器输出信号经过模拟信号调理电路进行信号调理和滤波，并将结果输出至AD7490模数转换器进行电压转换；模拟量采集和开关量采集同时进行；该AD7490模数转换器是16通道、12位、低功耗的高速模数转换芯片；该模拟传感器包括PT100温度传感器、GEMS3100压力传感器、DMP248湿度传感器，其之间的关系是：PT100温度传感器采集现场温度，GEMS3100压力传感器采集气路中的气体压力，DMP248湿度传感器采集现场湿度；该开关量采集模块采用光耦TLP521-4，它与基于AVR单片机智能控制及处理单元相连；该数字信号调理电路是由光藕、贴片电阻、退耦电容、滤波电容及普通稳压二极管组成；其之间关系是：通过光耦实现数字信号的传递、隔离以及电平转换；该光藕是采用TLP521-4芯片；该贴片电阻是4.7K、1K阻值电阻，它与光耦芯片共同构成数字量采集电路；该退耦电容是16uF贴片电容；该滤波电容是4.7uF贴片电容，它接在信号输出端；该普通稳压二极管是IN4733，它并联在电路的输出端；该模拟信号调理电路由取样电阻、退耦电容、滤波电容及电压跟随器组成；其之间关系是：取样电阻对模拟传感器的电流信号进行采样；该取样电阻是250欧贴片电阻；该退耦电容是16uF贴片电容，它并接于放大电路的电源正负极之间；该滤波电容是4.7uF贴片电容，它接在信号输出端；该电压跟随器由放大器LM358构成；
该数据存储单元由EEPROM存储器构成；选用24LC512作为外部EEPROM芯片，应用中用ATmega128单片机的I/O端口模拟I2C总线时序与芯片进行通信，完成读写操作；
该智能控制输出单元包括液晶显示模块、键盘、微型打印机和驱动电路单元，其之间关系是：液晶显示模块为用户提示操作信息，用户通过键盘输入相应指令，驱动电路单元改变气路内的压力值；该液晶显示模块是点阵为240*128、控制器为T6963C的液晶显示模块，它自带负压生成电路；该键盘是4行4列的矩阵式键盘，键盘8个引脚分别通过限流电阻与单片机的I/O端口相连；该微型打印机是热敏微型打印机；该驱动电路单元由步进电机的驱动电路和电磁阀门的驱动组成，其之间关系是：步进电机驱动电路驱动步进电机带动气缸活塞动作，电磁阀门的驱动在智能控制输出单元的控制下通断；
该CAN总线通讯单元由上位机通信模块和下位机通信模块组成，它们之间通过CAN总线网络相连；下位机通信模块由MCP2515控制器和MCP2551发送器组成，其之间的关系是MCP2515控制器与AVR单片机相连受其控制，并且对MCP2551发送器进行控制；上位机通信模块采用PCI 1680U板卡，它直接插入工控机PCI插槽中；
该上位机硬件结构由监控中心服务器单元和CAN总线通讯单元即PCI1680U板卡组成，其之间的关系是：PCI1680U板卡插入监控中心服务器单元PCI插槽中，实现与下位机硬件结构的通信；该监控中心服务器单元是工控机；该CAN总线通讯单元是PCI1680U板卡；
所述软件结构分为下位机软件结构和上位机软件结构两个部分；其之间的关系是下位机软件结构控制下位机硬件结构对校验现场进行监测，并将相关数据传送至上位机硬件结构，上位机软件结构控制上位机硬件结构对数据进行接收和处理；
所述外接的气动单元由气缸和管道组成，其之间关系是：气缸里的活塞阀门在步进电机带动下进行拉伸和推进。
2.根据权利要求1所述的一种SF6断路器密度继电器综合校验仪，其特征在于：该热敏微型打印机的型号是RD-E型。
3.根据权利要求1所述的一种SF6断路器密度继电器综合校验仪，其特征在于：该外接的气动单元的气缸的型号是SC630100型，配套接头的型号是X-ASL603型，管道的规格是直径4-6mm，壁厚1mm。
4.根据权利要求1所述的一种SF6断路器密度继电器综合校验仪，其特征在于：该步进电机驱动电路是和利时公司的56BYG25C-SASSBL-0241型两相混合式步进电机，该电磁阀门的驱动是ST公司生产的ULN2003驱动芯片。
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