CN202204914U - 高压开关状态在线监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属高压开关运行状态在线监测系统领域，尤其涉及一种高压开关状态在线监测仪，包括信号隔离电路、信号调理电路、AD转换电路、CPU、嵌入式处理器、以太网控制器、物理层收发器、以太网接口、隔离电路、存储器模块及电源模块；模拟接口传感器采集的信号经信号隔离电路、信号调理电路及AD转换电路转换后，进入CPU处理；触电开关及机械位移传感器信号经信号隔离电路及信号变换电路转换后，进入CPU处理。本实用新型 数据传输可靠，组网灵活，可靠性、安全性高， 对GIS的机械特性参数、GIS气室中SF6的密度、温度、压力、微水含量、局部放电情况等可进行实时监测并进行录波分析。

Description

高压开关状态在线监测仪

技术领域

本实用新型属高压开关运行状态在线监测系统领域，尤其涉及一种用于变电站GIS设备运行状态在线监测仪，可以对GIS运行参数进行在线实时测量分析，可以指导变电站对开关进行有针对性的状态维修，及时发现故障隐患，避免发生重大供电事故。

背景技术

GIS (gas insulated switchgear) 是输配电和变电领域有着广泛和重要应用的电力设备，作为电力系统中最重要的设备之一，其性能的可靠性关系到电力系统的安全运行。GIS的封闭性结构加大了运行维护的难度，其故障隐患更难发现。为了能够实时地、准确地了解GIS 运行状态，及时发现和消除故障隐患，对GIS 实行在线监测就显得尤为重要。针对高压开关故障的统计调查显示，开关设备的大多数故障发生在机械机构, 主要涉及操动机构、监视装置和辅助装置等。

IEC61850是IECTC57在总结UCA2.0的美国经验和IEC60870系统标准的欧洲经验的基础上提出的关于未来变电站自动化的通信体系标准。其目标是最大限度地利用现有的标准和被广泛接受的通信原理，在不同制造商的智能电子设备（Intelligent  Electric  Device，IED）之间实现良好的互操作，并且能适应通信及应用技术的快速发展。

目前开关机械特性测试设备仅提供开关出厂前机械性能的检测及定期停电检修的功能，不支持IEEE61850标准协议和对GIS参数的全面在线测试。

发明内容

本实用新型旨在克服现有技术的不足而提供一种数据传输可靠，组网灵活，可靠性、安全性高，对GIS的机械特性参数、GIS气室中SF6的密度、温度、压力、微水含量、局部放电情况等进行实时监测并进行录波分析的高压开关状态在线监测仪。

为达到上述目的，本实用新型是这样实现的：一种高压开关状态在线监测仪，它包括信号隔离电路、信号调理电路、AD转换电路、CPU、嵌入式处理器、以太网控制器、物理层收发器、以太网接口、隔离电路、存储器模块及电源模块；模拟接口传感器采集的信号经信号隔离电路、信号调理电路及AD转换电路转换后，进入CPU进行处理；触电开关信号及机械位移传感器输出的脉冲量数字信号经信号隔离电路及信号变换电路转换后，进入CPU进行处理；CPU内部以太网控制器经物理层收发器及以太网接口提供数据交换及调试功能；所述存储器模块的端口接嵌入式处理器的端口；CPU与嵌入式处理器的端口相接，CPU采集处理完成的信息与嵌入式处理器相互交换。

作为一种优选方案，本实用新型所述CPU采用PIC32MX795处理器。

作为另一种优选方案，本实用新型所述嵌入式处理器采用AT91SAM处理器。

进一步地，本实用新型以太网接口可采用RJ45。

本实用新型还设有GPS模块，其通过GPS天线接收时间信息，输入到AT91SAM处理器。

本实用新型还设有RS485接口电路；数字传感器采集的信号经RS485接口电路及隔离电路输入到AT91SAM处理器。

本实用新型主要用于测量断路器机构位移曲线、分\合闸操动线圈电流波形、储能电机电流波形，气室的SF6密度微水，局部放电等重要参数，其支持智能电网国际标准IEC61850，数据传输可靠，组网灵活，可靠性、安全性高。

本实用新型基于嵌入式系统，采用双32位高性能工业级处理器，在32位微控制器中移植嵌入式操作系统，通过安装在高压GIS的各种传感器，实现对GIS的机械特性参数、GIS气室中SF6的密度、微水含量、放电情况的实时监测、录波分析等功能；借助嵌入式网络控制系统可实现GIS数据信息的同步采集、传输及控制命令的执行，完成现场设备与企业信息系统及以太网的可靠连接，解决由于硬件接口差异或通信规约不同而导致的难于联网的问题。针对国家对智能电网的要求，支持国际电工委员会提出的IEC61850 标准和双网络接口冗余设计，提高网络容错能力和运行可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

 图1为本实用新型一种实施方式电路原理框图。

 图2为PIC32MX795处理器部分具体电路图。

 图3为AT91SAM9G20处理器部分具体电路图。

 图4为信号调理电路及同步AD转换部分具体电路图。

 图5为RS485通讯部分具体电路图。

 图6为以太网接口部分具体电路图。

具体实施方式

如图所示，高压开关状态在线监测仪，它包括信号隔离电路、信号调理电路、AD转换电路、CPU、嵌入式处理器、以太网控制器、物理层收发器、以太网接口、隔离电路、存储器模块及电源模块；模拟接口传感器采集的信号经信号隔离电路、信号调理电路及AD转换电路转换后，进入CPU进行处理；触电开关信号及机械位移传感器输出的脉冲量数字信号经信号隔离电路及信号变换电路转换后，进入CPU进行处理；CPU内部以太网控制器经物理层收发器及以太网接口提供数据交换及调试功能；所述存储器模块的端口接嵌入式处理器的端口；CPU与嵌入式处理器的端口相接，CPU采集处理完成的信息与嵌入式处理器相互交换。

本实用新型所述CPU采用PIC32MX795处理器。

本实用新型所述嵌入式处理器采用AT91SAM处理器。

本实用新型以太网接口采用双光纤+RJ45。

本实用新型还设有GPS模块，其通过GPS天线接收时间信息，输入到AT91SAM处理器。

本实用新型还设有RS485接口电路；数字传感器采集的信号经RS485接口电路及隔离电路输入到AT91SAM处理器。

参见图1，本实用新型包括信号隔离电路、信号调理电路、AD转换电路、PIC32MX795处理器、AT91SAM处理器，以太网控制器、光纤物理层收发、RS485接口及隔离电路、电磁干扰抑制（EMC）电路、电源模块电路部分；所述模拟接口传感器经信号隔离电路接信号调理电路转换成合适的信号电压进入AD转换器输入；AD转换结果输入到PIC32MX795处理器进行处理；触电开关信号和机械位移传感器输出的脉冲量数字信号经信号隔离电路和信号变换电路转换成PIC32MX795兼容的电平接入并处理；PIC32MX795内部的以太网控制器经物理层收发电路和RJ45接口提供数据交换和调试功能。PIC32MX795采集处理完成的信息通过高速SPI总线和AT91SAM处理器交换数据；GPS模块通过GPS天线接收时间信息，输入到AT91SAM处理器；另外具有RS485接口的数字传感器信号经过RS485接口电路和隔离电路输入到AT91SAM处理器；2组由LAN91C111以太网控制器+LXT971A物理层收发器+HFBR5103光纤收发器组成的网络接口提供热备式双冗余以太网接口，用于完成IEC61850协议通讯；存储器模块提供AT91SAM的运行必须的SDRAM和FLASH存储需求。

图2所示机构机械参数测量部分采用MicroChip公司的PIC32MX795为核心器件。该器件包含一个基于MIPS32M4K内核的32位高性能RISC CPU，工作频率80MHz，性能达到1.56DMIPS/MHz，2组各32个内核文件寄存器、专用单周期乘法器和高性能除法器及丰富的乘加/减指令等增强型内核架构可以轻松完成DSP计算任务，内置的512K Flash存储器和128K SRAM、96个具有独立可编程优先级中断向量；IC内部还包含10/100M以太网MAC、USB2.0 OTG接口、CAN2.0b、UART、I2C、SPI、定时器、DMA模块、硬件实时时钟RTCC、看门狗等丰富的外设资源，能够很好的满足机构机械特性测试方面的要求。通过采集机构动行程—时间曲线、分（合）闸线圈的电流波形、储能电机的电流波形以及分（合）闸辅助触点的开关量，并结合出厂标准曲线和故障专家诊断库来判断机构机械状态的变化以及发展趋势。包括：行程状态、速度变化、机械及传动部件的磨损情况、卡滞所导致的拒动、脱口器松动、电机故障等可能出现的情况。

图3所示AT91SAM处理器系统硬件结构包括以ATMEL公司基于ARM9核心的AT91SAM9G芯片的CPU，存储器模块、以太网通信模块、串行通信模块、GPS时钟和脉冲同步、硬件看门狗等电路组成。  在嵌入式领域中，ARM处理器凭借高性能、低成本、低功耗等特性成为业界公认优秀的32bit嵌入式处理器体系结构。ARM采用精简指令集架构，指令简单，长度统一，大部分指令可在单周期内完成，运算速度快，采用流水线工作机制，数据和指令的吞吐量大；具有桶形移位寄存器和硬件乘法器；外设单元丰富；开发应用便捷，支持操作系统和高级语言编程等特性适合电力系统的大数据量处理应用。本实用新型选用了ATMEL公司AT91SAM9G20工业级的ARM926内核CPU作为主处理器。存储模块由SDRAM，FLASH和EEPROM组成，为了方便操作系统和协议栈的移植，需要存储器的容量较大。SDRAM使用2片256Mbit的MT48LC16M16A2构成32bit高速数据存储器，用于存放运行时的程序和数据；FLASH存储选用1片2048Mbit的K9F2G08U0A芯片用于固化应用程序、操作系统及协议栈代码，存储录波数据等功能。使用了1片512Kbit的FM24V02铁电串行EEPROM用来配置参数等。

图4所示；4-20mA电流信号经C67滤波、D32限幅、R186过流保护、在R58、R59上转换成电压信号、再经R190、C68滤波后进入隔离放大器ISO122；经隔离的电压信号经U27运算放大器调理电路变成适应AD转换器输入范围的信号送入AD转换器转换；U31A、R181、U27D和D28组成限幅电路保证电压不致过高，避免损坏AD转换器； AD7606为16位同步采样模数数据采集器，最多支持8通道同步采样。片上集成模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、 16 位电荷再分配逐次逼近型 ADC内核、数字滤波器、2.5V基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口。AD7606采用5V单电源供电，不再需要正负双电源，并支持真正±10V 或±5V 的双极性信号输。所有的通道均能以高达 200 kSPS 的速率进行采样，同时输入端箝位保护电路可以承受最高达±16.5V的电压。

每套开关执行机构需要监量4个电流，暨分闸线圈电流2个，合闸线圈电流1个，储能电机电流1个，这四个电流采用非接触的霍尔电流传感器实现测量，电流传感器输出4-20mA标准信号，经过信号调理电路转换成0-5V电压后进入AD转换器进行模数转换，在开关动作时同步记录电流波形。

分（合）闸辅助触点的开关量经电平转换，光电隔离电路后接入PIC32MX795同模拟量一起进行同步采样触点机械位移通过安装在旋转主轴末端的光电角度位移传感器来进行测量，同样经过电平转换，光电隔离后进入PIC32MX795进行处理，计算得出位移曲线，速度曲线等。

如图5所示串行通信部分：使用AT91SAM9G20内部USART提供1组RS232接口,3组RS485接口。其中一组RS232接口连接GPS授时装置；3组RS485接口用于现场总线连接数字传感器，所有串行通信接口均经过光电隔离电路和数字隔离电源，确保外部设备对系统影响最低。每个RS485接口需要3根信号线，RX、TX、RTS，信号线经HDSL0600高速光电耦合器隔离，PTC保护电阻R73、R74可以防止过电流，R80、R82、R81组成匹配电路，D11、D13、D14、R48、C64用于抑制电磁干扰，提供3组RS485接口，每组接口单独使用由L2、L3、C57、C58、1W 3000V隔离电压的DC-DC转换器组成的隔离电源，确保接口的可靠性。

如图6所示以太网通讯部分电路：由3组10M/100M自适应以太网接口构成，2组用于构成双向冗余的IEC61850环网，1组用于连接站级网络。选用LAN91C111以太网控制器+LXT971A物理层芯片+HFBR5103光纤收发器实现，同时提供RJ45双绞线接口和光纤接口。AT91SAM处理器的A[1..15]地址总线、D[0..15]数据总线和控制线连接到LAN91C111的相应总线接口，LAN91C111内部包括双绞线物理层，外接带有隔离变压器RJ45连接器提供双绞线网络接口；通过LXT971A光纤物理层接口芯片和安捷伦的HFBR5103光纤收发器接口来提供光纤介质的网络接口，光纤接口在变电站环境中具有优良的抗干扰性能和隔离特性。U1、R10、R11、R20、R21、S1、U2、R22、X2、C17、C18组成以太网控制器电路；J4、R41、R42、R43、R44、R81、R82组成双绞线介质的RJ45网络接口；U3、J1、R1-R9、R14-R19、C1-C5组成光纤介质的网络接口。 双网冗余是提高通讯网络容错能力和可靠性的重要措施，本实用新型中网络通讯控制器、收发器、连接器等2套完全独立，采用非级联的热备用冗余的方案保证网络通讯的可靠性。

本实用新型软件主要由硬件驱动模块，IEC61850协议模块，数据采集处理模块，专家系统分析模块，嵌入式实时操作系统等组成，实时采集部分通过中断及DMA由硬件自主完成，其他任务由操作系统调度。IEC61850以客户机/服务器 模式运行，针对测量变量进行数据建模，通过对自动化系统或设备进行功能分解后，以功能为主要的建模元素，将其所需要的数据按类型以逻辑节点方式建模，而这些节点可以通过通信协同的方式实现自动化系统或设备的功能。逻辑节点驻留在逻辑设备中，逻辑设备驻留在变电站中的物理设备实体中。物理设备通过网络互联，使得所有的逻辑设备间能建立起通信，逻辑设备通过数据引用方式获取其它逻辑设备中其所需要的数据。本实用新型针对一套GIS设备280个测量变量进行建模。

本实用新型外壳为符合IEC61850-3的标准机箱，具有优异的抗干扰性能，适合标准机柜的安装。

本实用新型的主要技术特征：模拟量采集精度由于0.05%FS、支持8通道、数据采集速率1.6M/s；计时精度0.1us；工作温度-40℃-85℃；供电电压AC 85-265V/50Hz或DC85-265V；支持IEC61850协议；双光纤冗余网络接口和双RJ45双绞线接口。                

本实用新型硬件系统设计采用双CPU协同工作，模块化设计方案，可灵活配置功能。通过各种传感器对开关的工况进行连续检测和自诊断，包括开关的机械故障、真空度、绝缘气体的压力、绝缘状态、载流导体温度等，在缺陷变为故障之前给出报警信息，以便及时采取措施避免事故发生。

高压开关运行状态在线监测仪主要由以PIC32MX795为核心的实时数据的采集处理和以AT91SAM9G为核心的数字传感器通信规约转换、IEC61850协议实现两大部分组成。包括信号隔离电路、信号调理电路、高速AD转换、PIC32MX795处理器、以太网物理层收发器、RJ45接口；GPS授时电路、RS485串行通讯及隔离电路、以太网控制器及接口电路、存储器模块、电源转换电路；组成框图见图1。

来自GIS机构部件上的机械量和电气量传感器实时采集监测对象的特征信号，经隔离电路、信号调理转换电路、同步AD转换电路送入PIC32MX795信号处理芯片进行信号的在线数据处理和状态分析。所述信号处理器采集分析数据并依相应规则经数字滤波、数字补偿后生成每次动作的机构位移曲线、分\合闸操动线圈电流波形、储能电机电流波形；由此分析当前机构的工作状态。

由PIC32MX795实时采集的机构动作机械特性数据由高速总线送给AT91SAM9G20为核心嵌入式系统，和通过RS485/CAN等现场总线接口实时测量气室的SF6密度、微水含量、局放等重要参数进行汇总，进行进一步的分析，然后以符合IEC61850标准报文传输协议与变电站网络通讯，在站控层服务器终端的集成软件平台显示GIS机构SF6保护气体的参数、开关内部放电情况、相应动作的机械特性参数，绘制动触头行程曲线和操作线圈电流波形，出具机构的状态分析报告。

本实用新型对断路器机构操作所监测的项目基本涵盖了停电检修试验的大部分内容，其所监测得到的数据可以替代停电检修试验数据。

本实用新型基于网络化数据采集、传输技术，采用IEC61850标准设计，具有多参数同步采样、开关参数实时在线监测、开关状态分析、双网络冗余设计、数据传输可靠，安全性性高等优点。本实用新型具有分合闸电流、储能电流、触头位移、GIS气室SF6气体压力、温度、密度、微水含量、局部放电等传感器输入，符合4级EMI的标准4U机箱。本实用新型双网口冗余设计，提高网络容错能力和运行可靠性，完全满足电力行业对可靠性的要求。本实用新型可以应用对挂网运行中的断路器及GIS进行机构机械特性在线监测及状态评估，简化了电力系统的定期的设备维护工作，安装运行后可以提前进行故障隐患报警，避免重大电网事故发生。本实用新型可以提供机构状态检测报告，指导变电站对开关进行有针对性的状态维修，不但能节约了定期检修所投入的大量资金和人力，还能减少设备投入的备件数量，避免不必要的材料浪费，同时也起到了延长设备使用寿命和环保的作用。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高压开关状态在线监测仪，其特征在于，包括信号隔离电路、信号调理电路、AD转换电路、CPU、嵌入式处理器、以太网控制器、物理层收发器、以太网接口、隔离电路、存储器模块及电源模块；

模拟接口传感器采集的信号经信号隔离电路、信号调理电路及AD转换电路转换后，进入CPU进行处理；

触电开关信号及机械位移传感器输出的脉冲量数字信号经信号隔离电路及信号变换电路转换后，进入CPU进行处理；

CPU内部以太网控制器经物理层收发器及以太网接口提供数据交换及调试功能；

所述存储器模块的端口接嵌入式处理器的端口；

CPU与嵌入式处理器的端口相接，CPU采集处理完成的信息与嵌入式处理器相互交换。

2.根据权利要求1所述的高压开关状态在线监测仪，其特征在于：所述CPU采用PIC32MX795处理器。

3.根据权利要求2所述的高压开关状态在线监测仪，其特征在于：所述嵌入式处理器采用AT91SAM处理器。

4.根据权利要求3所述的高压开关状态在线监测仪，其特征在于：以太网接口采用热备份冗余的双光纤+RJ45双绞线接口，支持IEC61850标准。

5.根据权利要求4所述的高压开关状态在线监测仪，其特征在于：还设有GPS模块，其通过GPS天线接收时间信息，输入到AT91SAM处理器。

6.根据权利要求5所述的高压开关状态在线监测仪，其特征在于：还设有RS485接口电路；数字传感器采集的信号经RS485接口电路及隔离电路输入到AT91SAM处理器。

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