CN203249997U - 一种高压开关合分闸时间在线监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种高压开关合分闸时间在线监测仪，由硬件和软件两部分构成：该硬件分为下位机和上位机；下位机硬件包括基于AVR单片机平台的控制及处理单元、传感器单元、数模转换单元、数据存储单元、RS485串行总线收发单元及电源模块；上位机硬件由监控中心工控机单元和RS485串行总线收发单元组成，上位机和下位机通过RS485串行通信网络实现远距离通讯。该软件也分为下位机和上位机，下位机软件负责AVR单片机芯片的控制及处理程序，负责控制下位机的硬件实现数据采集、数据处理以及RS485远程通讯；上位机软件负责驱动上位机硬件完成RS485远程通讯，并实现人机交互界面和监测信息管理。它实现了对高压开关合分闸时间参数的实时在线监测。

Description

一种高压开关合分闸时间在线监测仪

技术领域

本实用新型涉及一种高压开关合分闸时间在线监测仪，它是一种基于电磁互感技术的高压开关合分闸时间在线监测装置。该装置能够实时监测高压开关各相的合闸时间与分闸时间参数，并对时间参数进行判断，从而实现对高压开关实时的监测与预警。其中包括电磁互感原理、数据采集、数据处理和基于RS-485串行总线的远程通讯技术。该装置属于参数测量与监测类装置技术领域。 

背景技术

高压开关作为绝缘和灭弧的装置，是保证电力系统可靠运行的至关重要的设备。其作为发电和用电之间的联系环节，在电力系统中肩负着控制和保护双重任务，开关状态的好坏直接影响着电力系统的安全运行。近十年的统计数字表明，我国每次开关事故平均损失的电量达数百万千瓦时，它所导致的损失为设备本身价格的数千倍甚至数万倍。因此，为了提高开关运行的可靠性，需要在开关发生故障以前，对开关进行必要的检查和维修，避免故障的发生。 

机械故障作为引发高压开关故障的主要原因，检测和提取机械状态信息对于高压开关的故障诊断和工作状态评判具有重要的意义。机械状态主要是通过采集开关在合分闸过程中的数据经过处理之后得到的。分闸速度的降低将使电弧的燃烧时间增加，从而加速开关触头的电磨损，降低开关的使用寿命；分闸速度过高，又会使运动机构承受过大的机械应力和冲击，从而造成个别部件的损坏或者缩短使用寿命；开关分合闸的严重不同期将造成线路和变压器的非全相运行，从而可能出现导致绝缘损坏的操作过电压、继电保护误动作等不利现象。因此对于开关合分闸时间的测试十分必要，是高压开关状态测试的一项重要内容。 

目前，对于开关合分闸时间的检测方式主要是将检测电路连接到开关合闸线圈与分闸线圈回路中，通过自发触发信号，检测合分闸线圈回路以及一次回路内部电流情况得出最终的合分闸时间，因此只能进行断电后离线检测，缺少灵活、高效的在线实时监测装置。 

针对以上问题，在常规检测方法的基础上，提出一种基于电磁互感技术的高压开关合分闸时间在线监测装置。该装置利用高灵敏度的闭环电流传感器，采取引线穿心而非破坏性串入的方式，分别检测合分闸线圈回路与一次回路的电流信息，得出开关每次合分闸的时间参数，并能够及时地提供有效预警。这种方案避免了将检测电路串入开关回路，做到了无需断电的在线实时检测。在保证了检测精度的同时，提高了检测效率。 

实用新型内容

1、目的：本实用新型的目的是提供一种高压开关合分闸时间在线监测仪。该装置采用AVR单片机平台，将数据采集、数据处理和远距离串行功能集成于一体，实现对高压开关合分闸时间参数在线监测以及通过RS485串行总线将监测结果发送到监控中心。 

2、技术方案：本实用新型一种高压开关合分闸时间在线监测仪，它由硬件结构和软件结构两大部分构成：二者之间协同工作以实现总体功能，二者缺一不可。 

硬件部分结构如图1所示。该硬件结构分为下位机和上位机两部分，上位机和下位机通过RS485串行总线收发单元实现无线通讯。其中，下位机硬件部分包括基于AVR单片机平台的控制及处理单元、传感器单元、数模转换单元、数据存储单元、RS485串行总线收发单元及电 源模块；上位机硬件部分由监控中心工控机单元和RS485串行总线收发单元组成。上位机和下位机通过RS485串行总线收发单元实现无线通讯。相应的，软件也分为下位机和上位机两部分。下位机软件负责数据的采集、算法分析、数据存储，并通过RS485串行总线方式将监测结果发送到上位机；下位机软件负责驱动下位机的硬件完成各部分传感器输出数据采集，并根据采集到的数据计算合闸时间与分闸时间。最后下位机软件将三相高压开关合分闸时间汇总，并驱动RS485串行总线收发单元将每相的监测结果一起发送到上位机。上位机软件负责完成与下位机的RS485串行总线的收发并存储下位机发送的监测信息；上位机软件负责驱动上位机硬件完成RS485串行总线的收发，并实现人机交互界面和监测信息的管理。 

(1)硬件结构： 

本实用新型的硬件结构分为下位机和上位机两大部分。上位机和下位机通过RS485串行总线收发单元实现无线通讯。 

其中，下位机由基于AVR单片机平台的控制及处理单元、传感器单元、模数转换单元、数据存储单元、RS485串行总线收发单元及电源模块组成。其之间关系是：基于AVR单片机平台的控制及处理单元是下位机硬件的核心，它控制模数转换单元完成对每相开关合闸线圈、分闸线圈、一次回路传感器输出电流信号的采集，并将数据存入数据存储单元。然后，基于AVR单片机平台的控制及处理单元调用数据存储单元中的数据完成对每相合闸时间、分闸时间的计算。最后，所有监测结果通RS485串行总线收发单元向上位机发送。电源模块将输入的220V交流电压转换为±12V、5V、3.3V的直流电压，分别为传感器单元、基于AVR单片机平台的控制及处理单元、数据存储单元提供电源。 

所述基于AVR单片机平台的控制及处理单元由AVR公司的ATmega128单片机芯片构成。该芯片是一款的高性能、低功耗的8位单片机，内部集成了128K的FLASH存储，两路8位定时器、计数器以及两路16位定时器。工作主频可达16MHz，处理能力可达16MIPS，它是下位机部分的核心，负责控制整个监测流程并处理采集到的数据，计算出合分闸时间参数。 

所述传感器单元，包括合闸线圈传感器、分闸线圈传感器和一次回路传感器，是由北京森杜电子有限公司研发的宇波模块CHB-10A构成。该模块是利用闭环霍尔磁补偿原理设计的高精度电流传感器，用电气隔离的方式测量直流、交流、脉冲电流，原边被测电流与副边输出电流按照1000:1的比例输出。测量电流范围从0A到10A，输出范围从0mA到10mA,测量精度高达0.2%，响应时间小于1us，其结构如图2所示。 

所述模数转换单元由AD公司生产的AD7491芯片、控制接口及信号调理电路组成，负责采集模拟量输出的传感器信号，其结构如图3所示。信号调理电路将传感器单元输出的电流信号转变为电压信号，并进行调理和滤波。基于AVR单片机平台的控制及处理单元通过控制接口完成对AD7491芯片的配置工作。AD7491芯片为逐次逼近型8通道12位高精度、低功耗的模数转换芯片，支持并行和串行接口，转换时间为1.6us，提供片上的参考电压实现对交流电压的采集。 

所述数据存储单元由FLASH（闪存）存储器构成。FLASH存储器采用ATMEL公司的AT45DB642芯片，存储容量达到8兆位，用来缓存由ADC采集到的传感器输出信号。数据存储单元结构如图4所示。AT45DB642FLASH芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接。基于AVR单片机的控制及处理单元通过外部存储器接口实现数据的读写。 

所述RS485串行总线收发单元是MAX485芯片，它负责和上位机实现远距离通讯； 

所述电源模块由两个开关电源模块组成。两个开关电源模块将输入的220V交流电压转换为±12V、5V、3.3V的直流电压，分别为传感器单元、控制及处理单元、数据存储单元提供电源。 

其中，上位机由监控中心工控机单元和RS485串行总线收发单元组成。它们之间采用串口连接。该上位机的RS485串行总线收发单元由MAX485芯片搭建，它用于和下位机的RS485串行总线收发单元进行通讯。该监控中心工控机单元用来接收、存储、显示并管理监测到的信 息。RS485总线串行收发单元采用星型连接组网，即三个下位机位于不同地点分别对三相高压开关进行监测，各个下位机分别向监控中心工控机单元的RS485串行总线收发单元发送监测数据。监控中心工控机单元可实现对多个下位机的远程配置和数据接收。 

整个装置的工作过程是：当登陆上位机的软件系统后，上位机首先根据默认配置或工作人员的设定向指定编号的下位机发送工作起始信号，完成对下位机的远程配置。然后，下位机中的基于AVR单片机平台的控制及处理单元控制模数转换单元分别采集合闸线圈传感器、分闸线圈传感器、一次回路传感器的输出电流信息，并将数据存储在数据存储单元中。当开关合分闸完成之后，基于AVR单片机平台的控制及处理单元调用数据存储单元中的数据进行数据处理和相关参数的计算。最后将处理结果通过RS485串行总线收发单元发送至监控中心工控机单元。 

(2)软件结构： 

本实用新型的软件结构分为下位机软件和上位机软件两个部分。 

下位机软件是AVR单片机芯片的控制及处理程序，负责控制下位机的硬件实现数据采集、数据处理以及RS485串行总线收发单元远程通讯。下位机软件在AVR Studio4编译环境下编写，整个程序架构主要由以下模块组成：时钟管理模块、变量管理模块、延时模块、RS485串行总线收发单元、ADC驱动模块、定时器管理模块、定时中断模块、FLASH存储模块、数据缓存模块、开、合闸时间算法模块以及主程序模块。各模块间的关系如下：RS485串行总线收发单元接收上位机的控制参数以及起始信号，启动ADC驱动模块以及定时器管理模块、定时中断模块，开始对传感器单元的电流进行实时采集，并通过数据缓存模块和FLASH存储模块将采集的数据存入FLASH存储模块中。当开关完成一次开闸或者合闸过程后，主程序模块中的阈值单元被触发，并将FLASH存储模块中的数据调入开、合闸时间算法模块进行处理，处理完成后将数据按照规定的帧格式打包，并通过RS485总线串行收发单元将其发送到监控中心工控机单元。各模块之间的结构关系如图5所示。 

所述时钟管理模块负责完成程序时钟的分频、倍频工作。为整个芯片提供基准时钟。 

所述RS485串行总线收发单元完成对MAX485芯片的配置，使之完成TTL电平与RS485电平的转换。同时通过串行方式接收上位机发出的开启信号，并将最终的开、合闸时间参数发送至上位机。 

所述ADC驱动模块完成对AD7491芯片的配置，控制其转换速率，转换精度，数据传输方式等。并通过数据总线读取芯片输出数据，送入数据缓存模块中。 

所述FLASH存储模块完成对AT45DB642芯片的配置，确定数据写入和读出的方式。并将数据从数据缓存模块中读出，送入指定的FLASH页面地址中。当主程序阈值被触发后，按顺序读出存入的数据，并送入开、合闸时间算法模块进行时间参数的计算。 

所述定时器管理模块、定时中断模块完成对Atmega128单片机片内定时器的初始化，配置定时长度，执行中断程序。 

所述开、合闸时间算法模块是装置的软件核心。当主程序中合分闸阈值被触发后，该模块首先开启对一次回路传感器的数据，再从FLASH中读出采集的数据。装置采集的数据等效于合闸线圈、分闸线圈的电流波形，考虑到运算量的限制，该算法先将数据送入低阶的FIR低通滤波器，滤掉信号的高频分量。在通过逐点逼近算法检测合分闸过程的起始点，计算出时间t1。当主程序中一次回路阈值被触发后，该模块从FLASH中读出一次回路采集的数据，用相似的算法得到一次回路通断电起始点，计算出时间t2。而最终的合分闸时间t=t2-t1，并将得到的时间参数打包送至RS485串行总线收发单元。开、合闸时间算法软件流程如图6所示。 

上位机软件采用LABVIEW编写完成，上位机软件要完成的功能有，能够输入密码进行登录，具有功能选择窗口，具有查看历史数据功能，具有查看当前分合闸时间的功能，具有修改密码的功能，具有退出软件界面的功能，具有返回上级菜单的功能，具有存储历史数据的功能。具有实时监测下位机触发信号的功能，上位机软件结构如图7所示。 

3、优点及功效： 

本实用新型提供一种高压开关合分闸时间在线监测仪，其优点和有益效果如下： 

1.装置采用电磁互感技术，利用开关回路从传感器穿心过而非破坏式串入的方法，实现了在不用断电的情况下对高压开关合分闸时间在线实时的监测，方法简单可靠； 

2.装置采用RS485串行通信网络星型连接组网，可以实现多对一的通讯。多台下位机可以分布于不同地理位置，能够同时完成对多个开关合分闸时间参数的监测； 

3.装置自动化程度高，实现了对高压开关合分闸时间参数24小时在线监测； 

附图说明

图1本实用新型硬件结构方框示意图 

图2高精度电流传感器结构图 

图3数据采集单元结构图 

图4数据存储单元结构图 

图5下位机软件结构示意图 

图6合分闸时间算法软件流程示意图 

图7上位机软件结构示意图 

具体实施方式

本实用新型是一种高压开关合分闸时间在线监测仪，它由硬件和软件两大部分构成：二者之间协同工作以实现总体功能，二者缺一不可。 

硬件部分结构如图1所示。该硬件结构分为下位机和上位机两部分。其中，下位机硬件部分包括基于AVR单片机平台的控制及处理单元、传感器单元、模数转换单元、数据存储单元、RS485串行总线收发单元及电源模块；上位机硬件部分由监控中心工控机单元和RS485串行总线收发单元组成。上位机和下位机通过RS485串行总线收发单元实现无线通讯。相应的，软件也分为下位机和上位机两部分。下位机软件负责数据的采集、算法分析、数据存储，并通过RS485串行总线方式将监测结果发送到上位机；下位机软件负责驱动下位机的硬件完成各部分传感器输出数据采集，并根据采集到的数据计算合闸时间与分闸时间。最后下位机软件将三相高压开关合分闸时间汇总，并驱动RS485串行总线收发单元将每相的监测结果一起发送到上位机。上位机软件负责完成与下位机的RS485串行总线收发并存储下位机发送的监测信息；上位机软件负责驱动上位机硬件完成RS485串行总线收发，并实现人机交互界面和监测信息的管理。 

(1)硬件结构： 

本实用新型的硬件结构分为下位机和上位机两大部分。 

其中，下位机由基于AVR单片机平台的控制及处理单元、传感器单元、数模转换单元、数据存储单元、RS485串行总线收发单元及电源模块组成。其之间关系是：基于AVR单片机平台的控制及处理单元是下位机硬件的核心，它控制模数转换单元完成对每相开关合闸线圈、分闸线圈、一次回路传感器输出电流信号的采集，并将数据存入数据存储单元。然后，基于AVR单片机平台的控制及处理单元调用数据存储单元中的数据完成对每相合闸时间、分闸时间的计算。最后，所有监测结果通RS485串行总线收发单元向上位机发送。电源模块将输入的220V交流电压转换为±12V、5V、3.3V的直流电压，分别为传感器单元、基于AVR单片机平台的控制及处理单元、数据存储单元提供电源。 

所述基于AVR单片机平台的控制及处理单元由AVR公司的ATmega128单片机芯片构成。该芯片是一款的高性能、低功耗的8位单片机，内部集成了128K的FLASH存储，两路8位定 时器、计数器以及两路16位定时器。工作主频可达16MHz，处理能力可达16MIPS，它是下位机部分的核心，负责控制整个监测流程并处理采集到的数据，计算出合分闸时间参数。 

所述传感器单元，包括合闸线圈传感器、分闸线圈传感器和一次回路传感器，是由北京森杜电子有限公司研发的宇波模块CHB-10A构成。该模块是利用闭环霍尔磁补偿原理设计的高精度电流传感器，用电气隔离的方式测量直流、交流、脉冲电流，原边被测电流与副边输出电流按照1000:1的比例输出。测量电流范围从0A到10A，输出范围从0mA到10mA,测量精度高达0.2%，响应时间小于1us，其结构如图2所示。 

所述模数转换单元由AD公司生产的AD7491芯片、控制接口及信号调理电路组成，负责采集模拟量输出的传感器信号，其结构如图3所示。信号调理电路将传感器单元输出的电流信号转变为电压信号，并进行调理和滤波。基于AVR单片机平台的控制及处理单元通过控制接口完成对AD7491芯片的配置工作。AD7491芯片为逐次逼近型8通道12位高精度、低功耗的模数转换芯片，支持并行和串行接口，转换时间为1.6us，提供片上的参考电压实现对交流电压的采集。 

所述数据存储单元由FLASH（闪存）存储器构成。FLASH采用ATMEL公司的AT45DB642芯片，存储容量达到8兆位，用来缓存由ADC采集到的传感器输出信号。数据存储单元结构如图4所示。AT45DB642FLASH芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接。基于AVR单片机的控制及处理单元通过外部存储器接口实现数据的读写。 

所述RS485串行总线收发单元是MAX485芯片，它负责和上位机实现远距离通讯； 

所述电源模块由两个开关电源模块组成。两个开关电源模块将输入的220V交流电压转换为±12V、5V、3.3V的直流电压，分别为传感器单元、控制及处理单元、数据存储单元提供电源。 

其中，上位机由监控中心工控机单元和RS485串行总线收发单元组成。它们之间采用串口连接。该上位机的RS485串行总线收发单元由MAX485芯片搭建，它用于和下位机的RS485串行总线收发单元进行通讯。该监控中心工控机单元用来接收、存储、显示并管理监测到的信息。RS485串行总线收发单元采用星型连接组网，即三个下位机位于不同地点分别对三相高压开关进行监测，各个下位机分别向监控中心的RS485串行总线收发单元发送监测数据。监控中心可实现对多个下位机的远程配置和数据接收。 

整个装置的工作过程是：当登陆上位机的软件系统后，上位机首先根据默认配置或工作人员的设定向指定编号的下位机发送工作起始信号，完成对下位机的远程配置。然后，下位机中的基于AVR单片机平台的控制及处理单元控制模数转换单元分别采集传感器单元输出电流信息，并将数据存储在数据存储单元中。当开关合分闸完成之后，基于AVR单片机平台的控制及处理单元调用数据存储单元中的数据进行数据处理和相关参数的计算。最后将处理结果通过RS485串行总线收发单元发送至监控中心工控机单元。 

(2)软件结构： 

本实用新型的软件结构分为下位机软件和上位机软件两个部分。 

下位机软件是AVR单片机芯片的控制及处理程序，负责控制下位机的硬件实现数据采集、数据处理以及RS485串行总线收发单元远程通讯。下位机软件在AVR Studio4编译环境下编写，整个程序架构主要由以下模块组成：时钟管理模块、变量管理模块、延时模块、RS485串行收发单元、ADC驱动模块、定时器管理模块、定时中断模块、FLASH存储模块、数据缓存模块、开、合闸时间算法模块以及主程序模块。各模块间的关系如下：RS485串行总线收发单元接收上位机的控制参数以及起始信号，启动ADC驱动模块以及定时器管理模块、定时中断模块，开始对传感器单元的电流进行实时采集，并通过数据缓存模块和FLASH存储模块将采集的数据存入FLASH存储模块中。当开关完成一次开闸或者合闸过程后，主程序模块中的阈值单元被触发，并将FLASH存储模块中的数据调入开、合闸时间算法模块进行处理，处理完成后将数据按照规定的帧格式打包，并通过RS485串行总线收发单元将其发送到监控中心工控机单元。各模块之 间的结构关系如图5所示。 

所述时钟管理模块负责完成程序时钟的分频、倍频工作。为整个芯片提供基准时钟。 

所述RS485串行总线收发单元完成对MAX485芯片的配置，使之完成TTL电平与RS485电平的转换。同时通过串行方式接收上位机发出的开启信号，并将最终的开、合闸时间参数发送至上位机。 

所述ADC驱动模块完成对AD7491芯片的配置，控制其转换速率，转换精度，数据传输方式等。并通过数据总线读取芯片输出数据，送入数据缓存模块中。 

所述FLASH存储模块完成对AT45DB642芯片的配置，确定数据写入和读出的方式。并将数据从数据缓存模块中读出，送入指定的FLASH页面地址中。当主程序阈值被触发后，按顺序读出存入的数据，并送入开、合闸时间算法模块进行时间参数的计算。 

所述定时器管理模块、定时中断模块完成对Atmega128单片机片内定时器的初始化，配置定时长度，执行中断程序。 

所述开、合闸时间算法模块是装置的软件核心。当主程序中合分闸阈值被触发后，该模块首先开启传感器单元的数据，再从FLASH中读出采集的数据。装置采集的数据等效于合闸线圈、分闸线圈的电流波形，考虑到运算量的限制，该算法先将数据送入低阶的FIR低通滤波器，滤掉信号的高频分量。在通过逐点逼近算法检测合分闸过程的起始点，计算出时间t1。当主程序中一次回路阈值被触发后，该模块从FLASH中读出一次回路采集的数据，用相似的算法得到一次回路通断电起始点，计算出时间t2。而最终的合分闸时间t=t2-t1，并将得到的时间参数打包送至RS485串行收发单元。开、合闸时间算法软件流程如图6所示。 

上位机软件采用LABVIEW编写完成，上位机软件要完成的功能有，能够输入密码进行登录，具有功能选择窗口，具有查看历史数据功能，具有查看当前分合闸时间的功能，具有修改密码的功能，具有退出软件界面的功能，具有返回上级菜单的功能，具有存储历史数据的功能。具有实时监测下位机触发信号的功能，上位机软件结构如图7所示。 

本实用新型进行了多次实验，实验内容为测试真实高压开关的合分闸时间。实验数据中包括了高压开关A,B,C三相的合闸时间与分闸时间。部分实验数据如表1所示。 

Claims (1)

1.一种高压开关合分闸时间在线监测仪，其特征在于：它由硬件结构和软件结构两大部分构成：二者之间协同工作以实现总体功能； 

所述硬件结构，分为下位机和上位机两部分，上位机和下位机通过RS485串行总线收发单元实现无线通讯； 

其中，该下位机由基于AVR单片机平台的控制及处理单元、传感器单元、模数转换单元、数据存储单元、RS485串行总线收发单元及电源模块组成；基于AVR单片机平台的控制及处理单元控制模数转换单元完成对每相开关合闸线圈、分闸线圈、一次回路传感器输出电流信号的采集，并将数据存入数据存储单元；然后，基于AVR单片机平台的控制及处理单元调用数据存储单元中的数据完成对每相合闸时间、分闸时间的计算，最后，所有监测结果通过RS485串行总线收发单元向上位机发送；电源模块将输入的220V交流电压转换为±12V、5V、3.3V的直流电压，分别为传感器单元、基于AVR单片机平台的控制及处理单元和数据存储单元提供电源；该基于AVR单片机平台的控制及处理单元是ATmega128单片机芯片；该传感器单元，包括合闸线圈传感器、分闸线圈传感器和一次回路传感器，其型号是CHB-10A；该模数转换单元由AD7491芯片、控制接口及信号调理电路组成，负责采集模拟量输出的传感器信号，信号调理电路将传感器单元输出的电流信号转变为电压信号，并进行调理和滤波；该数据存储单元由FLASH存储器构成，采用AT45DB642芯片，用来缓存由ADC采集到的传感器输出信号，AT45DB642H芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接，基于AVR单片机的控制及处理单元通过外部存储器接口实现数据的读写；该RS485串行总线收发单元是MAX485芯片，它负责和上位机实现远距离通讯；该电源模块由两个开关电源模块组成，两个开关电源模块将输入的220V交流电压转换为±12V、5V、3.3V的直流电压，分别为传感器单元、控制及处理单元、数据存储单元提供电源； 

其中，上位机由监控中心工控机单元和RS485串行总线收发单元组成，它们之间采用串口连接；该上位机的RS485串行总线收发单元由MAX485芯片搭建，它用于和下位机的RS485串行总线收发单元进行通讯；该监控中心工控机单元用来接收、存储、显示并管理监测到的信息；RS485总线串行收发单元采用星型连接组网，即三个下位机位于不同地点分别对三相高压开关进行监测，各个下位机分别向监控中心工控机单元的RS485串行总线收发单元发送监测数据，监控中心工控机单元实现对多个下位机的远程配置和数据接收。 

Images