CN202013408U - 一种断路器在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种断路器在线监测系统，包括若干个断路器监测装置和监测处理器，与所述若干个断路器监测装置电连接的集线器、与所述集线器电连接的第一光电转换器，以及通过光纤与所述第一光电转换器连接的第二光电转换器，所述第二光电转换器电连接至所述监测处理器。本实用新型的断路器在线监测系统通过光纤传输数据，大大提高数据传输速度，由于舍弃以往所惯用的工业现场总线的通信方式，而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。

Description

一种断路器在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统检测技术领域，尤其涉及一种断路器在线监测系统。

背景技术

断路器状态监测系统主要用于监测变电站、开闭所、电厂的高压断路器的机械性能、电气绝缘性能、触头电寿命及操作回路工作状态等。通过综合分析在线监测的数据和相关历史数据，可诊断出高压断路器当前的工作状态，为电气设备状态检修提供决策依据。

断路器在线状态监测系统能及时反映断路器的工作状态、缺陷的部位，减少过早或不必要的停电试验和检修，减少维护工作量，降低维修费用，提高检修的针对性，可显著提高电力系统可靠性和经济性。通常为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。

IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准。此标准参考和吸收了已有的许多相关标准，其中主要有：IEC870-5-101远动通信协议标准；IEC870-5-103继电保护信息接口标准；由美国电科院制定的变电站和馈线设备通信协议体系UCA2.0(Utility Communication Architecture2.0)；ISO/IEC9506制造商信息规范MMS(Manufacturing Message Specification)。其为电力网络的断路器在线监测提供了统一通信标准的可能。

变电站通信体系IEC61850将变电站通信体系分为3层：变电站层、间隔层、过程层。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤网。在间隔层和过程层之间的网络采用单点向多点的单向传输以太网。变电站内的智能电子设备(IED，Intelligent Electronic Device)实现测控单元和继电保护均采用统一的协议；通过网络进行信息交换。IEC61850的特点是1)面向对象建模；2)抽象通信服务接口；3)面向实时的服务；4)配置语言；5)整个电力系统统一建模。IEC61850建模了大多数公共实际设备和设备组件。这些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制；例如变电站和馈线设备(诸如断路器、电压调节器和继电保护等)。采用该标准还可使变电站自动化设备具有自描述、自诊断和即插即用(Plug and Play)的特性，极大的方便了系统的集成，降低了变电站自动化系统的工程费用。其自我描述能显著降低数据管理费用、简化数据维护、减少由于配置错误而引起的系统停机时间。IEC61850标准作为制定电力系统远动无缝通信系统的基础能大幅度改善信息技术和自动化技术的设备数据集成；减少工程量、现场验收、运行、监视、诊断和维护等费用；节约大量时间；增加了自动化系统使用期间的灵活性。它解决了变电站自动化系统产品的互操作性和协议转换问题。在我国采用该标准系列将大大提高变电站自动化系统的技术水平、提高变电站自动化系统安全稳定运行水平、节约开发验收维护的人力物力、实现完全的互操作性。

关于断路器监测的论述有很多，如《电气的Optimizer+断路器监测装置》(许继)；《基于DSP的高压断路器综合在线监测装置》(易慧《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。

上述提到的各种于断路器监测技术中都使用传输速率较慢的工业现场总线进行数据传输，具有很大的局限性：其一，在传输波形等大数据量的应用中，总线的数据传输速率较低，数据传输时间常以分钟计，容易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。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种数据传输速度较高的、监测全面的断路器在线监测系统。

一种断路器在线监测系统，包括若干个断路器监测装置和监测处理器，与所述若干个断路器监测装置电连接的集线器、与所述集线器电连接的第一光电转换器，以及通过光纤与所述第一光电转换器连接的第二光电转换器，所述第二光电转换器电连接至所述监测处理器。

与现有技术相比较，本实用新型的断路器在线监测系统中，各个断路器监测装置都通过集线器向所述监测处理器传输监测数据和接受监测指令，能够实现全面的统筹监测管理；所述监测处理器与所述集线器之间通过设置所述第一、第二光电转换器，因此可以通过光纤传输数据，大大提高数据传输速度，由于舍弃以往所惯用的工业现场总线的通信方式，而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。

附图说明

图1是本实用新型断路器在线监测系统的结构示意图；

图2是本实用新型断路器在线监测系统一种优选实施方式的结构示意图；

图3是本实用新型断路器在线监测系统中监测处理器的功能结构示意图；

图4是本实用新型断路器在线监测系统中监测处理器一种优选实施方式的硬件结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1是本实用新型断路器在线监测系统的结构示意图。

所述断路器在线监测系统(虚线内)包括若干个断路器监测装置11和监测处理器12，与所述若干个断路器监测装置11电连接的集线器13、与所述集线器13电连接的第一光电转换器14，以及通过光纤与所述第一光电转换器14连接的第二光电转换器15，所述第二光电转换器15电连接至所述监测处理器12。所述监测处理器12处理的数据再传输至后台的用户端供用户调用。

请参阅图2，图2是本实用新型断路器在线监测系统一种优选实施方式的结构示意图。在本实施方式中，所述断路器在线监测系统还包括数据服务器16，所述数据服务器16通过交换机17连接至以太网与所述监测处理器12通信。通过所述数据服务器16可以对所述监测处理器12处理的数据进行储存，整理，再传输至后台的用户端，供用户调用。

所述断路器监测装置11可以采用智能电子设备(IED，Intelligent Electronic Device)实现，每一所述断路器监测装置11都连接至对应的断路器，对所述断路器的工作状态进行监测，并将接收到的控制指令转发至对应的断路器。

本实用新型的断路器在线监测系统采用IEC61850协议作为通信标准。所述断路器监测装置11位于过程层，所述监测处理器12位于间隔层，而所述数据服务器16则位于变电站层。本实用新型的断路器在线监测系统在过程层和间隔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，数据传输具有高可靠性；进一步使用以太网作为数据传输方式，可具有高达100Mbps的数据传输速率，使得波形数据传输时间缩减到毫秒级，有效防止传输过程中的录波缺失。

又因为采用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，可以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。

在本实施方式中，所述断路器在线监测系统的工作方式如下：所述断路器监测装置11位于过程层，为过程层的数据采集单元，其完成对断路器的负荷电流的测量，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，并接受所述监测处理器12的通讯控制；

所述监测处理器12起到承上启下的作用，实现通讯控制和数据转发、处理监测数据，其完成并对外发布IEC61850标准的IED模型。实现对过程层断路器监测装置11的通讯控制，解析所述断路器监测装置11发回的监测数据，并将所述监测数据处理后转发给所述数据服务器16；

所述数据服务器16在接收到所述监测处理器12发送的各个所述断路器监测装置11的监测数据后，对所述监测数据进行还原、入库。所述数据服务器16包括数据库、诊断模块和Web模块(图未示)。所述数据服务器包括数据库、诊断模块和Web模块，所述诊断模块从所述数据库中读取监测数据记录(可以是最新入库的一次监测数据记录)，通过提取所述监测数据的特征参数对相应的所述断路器的工作状态进行分析评定，给出相应的检修策略，并储存所得诊断评定结果和检修策略；所述Web模块从数据库提取所述数据库中的历史记录(包括本次和以往的)，并以网页形式向用户展示。

所述数据服务器16与所述监测处理器12之间采用以太网的架构连接，可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监测处理器只需2.4毫秒，不存在录波盲区，可有效防止录波缺失情况的发生。

所述监测处理器12的功能可以根据本领域技术人员的具体操作要求作相应的设置，一般对所述断路器监测装置11的监测数据进行处理的设置为本领域的习知技术，在本实用新型中不作详述。

请参阅图3，图3是本实用新型断路器在线监测系统中监测处理器的功能结构示意图。

在本实施方式中，所述监测处理器12包括：通信设备驱动模块101、与安装有所述断路器监测装置11的各个子系统进行通信的第一通信协议模块102、与后台的控制中心进行通信的第二通信协议模块103、实时数据访问接口104、实时数据库105、106及模型数据库107。

所述通信设备驱动模块101用于驱动对应的所述断路器监测装置11，提供了包括串口、终端服务器、TCP/UDP等服务。

所述第一通信协议模块102的通信协议包括IEC61850、IEC60870-5系列(如IEC60870-5-101、IEC60870-5-104等)、DNP3.0等。其以动态库的方式提供，可以方便地增加、删除、加载、卸载，以适应变电站内子系统的未来发展变化。所述第一通信协议模块解释出来的数据通过调用实时数据访问接口104，输入到所述实时数据库105、106。

所述第二通信协议模块103同样以动态库的方式提供，可以方便地增加、删除、加载、卸载，以适应控制中心的未来发展变化。其规约通过调用所述实时数据访问接口104，从所述实时数据库中取得数据，并发送到所述后台控制中心。

所述实时数据访问接口104即用于提供所述实时数据库的访问接口，供所述第一、第二通信协议模块102、103使用。

所述实时数据库为了保留对传统断路器监测系统的兼容，实现平稳过渡，保留了传统的面向点表实时库105。如果控制中心要求采用基于IEC61850的面向对象的信息模型和通信，则可以再启动IEC61850服务，从XML文件中读入信息模型，建立起基于面向对象的IEC61850实时库106。所述IEC61850实时库106的数据刷新由映射模块108来完成，从所述面向点表实时库105中取出，放入所述IEC61850实时库106。

所述模型数据库107由IEC61850配置工具产生，描述了所有的经过整合的数据模型的配置。该模型数据库107的文件完全符合XML语法规范，并能通过IEC61850的XML Schema验证。

本实施方式的所述监测处理器12可以与各个子系统以及后台的控制中心实时通信，通过所述实时数据库，可以及时存取相应的监测数据，提高数据处理速度。

作为另一种优选实施方式，所述监测处理器12的硬件结构包括主处理芯片，以及分别与所述主处理芯片电连接的RAM、闪存(Flash)、电子盘和网络芯片，如图4所示。

所述主处理芯片采用Atmel公司AT91RM9200ARM处理器，扩展128M字节RAM空间，1GB字节程序空间。所述网络芯片使用Realtek公司的RTL8139D网络芯片，扩展为4路以太网接口。

所述监测处理器12以上述ARM9处理器为基础，嵌入Linux操作系统的数据处理平台，其内嵌软件包括通信管理模块和数据处理模块。所述通信管理模块分为两层：其一是与所述断路器监测装置11之间通过IEC61850通信协议进行数据交换；其二与所述数据服务器16之间通过TCP/IP协议相互传送数据和文件。所述数据处理模块的功能为对各个所述断路器监测装置11回送的监测数据进行解析，并存入数据库和文件。

在本实用新型的断路器在线监测系统正常工作时，所述断路器监测装置11定时接收所述检测处理器12的命令，通过其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，其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。

根据IEC61850通信标准要求，所述断路器监测装置11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IEC61850通信标准所要求的互操作性，下表为其逻辑节点(LN)类型的定义：

上述逻辑节点类型定义并不唯一，只是本实施方式的一种较优的逻辑节点类型定义的举例，本领域技术人员可以根据IEC61850通信标准和实际监测需要将上述逻辑节点类型定义为其他形式。

本实用新型的断路器在线监测系统的工作过程描述如下：

所述断路器监测装置11在工作时处于等待命令状态，一是等待通讯命令；二是等待储能电机数据记录命令；三是等待录波命令。当有通讯命令时，则执行负荷电流采集、计算、发送数据的操作；当储能电机动作时，所述断路器监测装置11的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，上述两者的时间差即为储能电机的动作时间；当有分/合闸操作时，所述断路器监测装置11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，然后将分/合闸数加1，等待所述监测处理器12请求波形数据。

所述监测处理器12每隔1分钟对各个所述断路器监测装置11发送一次负荷电流请求命令，所述断路器监测装置11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11当前的储能数、分闸数、合闸数一并发回给所述监测处理器12，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；若当前储能数、分闸数或合闸数不为零，则所述监测处理器12发送相应的取数据命令，将储能信息或分/合闸波形取回监测处理器12。对于负荷电流数据和储能电机动作数据，所述监测处理器12经解析后直接转发给所述数据服务器16；而对于分/合闸波形数据，所述监测处理器12将其转换成文件的形式存储，并转发给所述数据服务器16，所述数据服务器16在接收到所述监测处理器12转发来的数据后，将数据存入相应的数据库。

与现有技术相比较，本实用新型的断路器在线监测系统中，各个所述断路器监测装置都通过集线器向所述监测处理器传输监测数据和接受监测指令，能够实现全面的统筹监测管理；所述监测处理器与所述集线器之间通过设置所述第一、第二光电转换器，因此可以通过光纤传输数据，大大提高数据传输速度，由于舍弃以往所惯用的工业现场总线的通信方式，而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。

在过程层与间隔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。

本实用新型的断路器在线监测系统采用嵌入式ARM技术，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。

通过本实用新型的断路器在线监测系统可以对高压断路器实现在线监测和故障诊断，可以及时发现故障，为设备的状态维修提供依据，从而提高其运行可靠性，增大设备的维修保养周期，提高设备的利用率，减少维修保养费用，因而具有重要的经济意义。本实用新型的断路器在线监测系统使用IEC61850通信标准，可以提高通信传输的数据量及通信质量，尤其是波形文件，从而增强所述断路器在线监测系统的工作特性。

采用IEC61850协议作为通信标准，由于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，可使本实用新型的断路器在线监测系统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。

本实用新型中，对所述断路器在线监测系统的实施方式并不限于上述列举的情形，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案，可以对所述断路器监测装置、所述检测处理器和所述数据服务器进行设置，使其具有本领域中的其他习知功能。例如本实用新型中涉及的硬件芯片可由其他型号芯片代替，如DSP芯片、其他ARM型号芯片等。

以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种断路器在线监测系统，包括若干个断路器监测装置和监测处理器，其特征在于，还包括：

与所述若干个断路器监测装置电连接的集线器、与所述集线器电连接的第一光电转换器，以及通过光纤与所述第一光电转换器连接的第二光电转换器，所述第二光电转换器电连接至所述监测处理器。

2.如权利要求1所述的断路器在线监测系统，其特征在于，还包括数据服务器，所述数据服务器通过交换机连接至以太网，与所述监测处理器通信。

3.如权利要求2所述的断路器在线监测系统，其特征在于，所述数据服务器包括：

数据库；

用于从所述数据库中读取监测数据记录，提取所述监测数据的特征参数，根据所述特征参数作出检修策略的诊断模块；

以及，用于从所述数据库提取监测数据的历史记录，并以网页形式向用户展示的Web模块。

4.如权利要求1所述的断路器在线监测系统，其特征在于，所述监测处理器包括主处理芯片，以及分别与所述主处理芯片电连接的RAM、闪存、电子盘和网络芯片。

5.如权利要求1至4所述的断路器在线监测系统，其特征在于，所述断路器监测装置和所述监测处理器之间的通信协议采用IEC61850协议。

6.如权利要求5所述的断路器在线监测系统，其特征在于，所述监测处理器包括：

实时数据访问接口；

用于驱动对应的所述断路器监测装置的通信设备驱动模块；

用于调用所述实时数据访问接口，将所述断路器监测装置的监测数据输入到所述实时数据库的第一通信协议模块；

用于调用所述实时数据访问接口，从所述实时数据库中取得数据，并发送到所述后台控制中心的第二通信协议模块；

以及，用于以XML文件格式储存数据模型配置的模型数据库。

7.如权利要求6所述的断路器在线监测系统，其特征在于，所述实时数据库包括面向点表实时库和IEC61850实时库，所述IEC61850实时库通过映射所述面向点表实时库中的数据实现数据刷新。

8.如权利要求5所述的断路器在线监测系统，其特征在于，所述断路器监测装置为IED设备。

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