一種高壓斷路器在線監測系統及其數據處理方法
【專利摘要】本發明涉及一種高壓斷路器在線監測系統及其數據處理方法，其技術特點是：該在線監測系統包括數據采集單元、主控單元和上位機；該數據采集單元、主控單元和上位機連接在一起；所述數據采集單元包括：位移傳感器、電流互感器、霍爾電流傳感器和信號調理單元；所述主控單元包括：DSP主控器和ARM處理器；所述位移傳感器、電流互感器和霍爾電流傳感器的輸出端與信號調理單元的輸入端相連接，所述信號調理單元的輸出端與DSP主控器的輸入端相連接，該DSP主控器與ARM處理器相連接并通過ARM處理器與上位機相連接。本發明采用位移傳感器解決了不易使用傳感器監測高壓斷路器一次線路電流電壓的技術問題。
【專利說明】
一種高壓斷路器在線監測系統及其數據處理方法
技術領域
[0001]本發明屬于高壓斷路器技術領域，特別涉及一種高壓斷路器在線監測系統及其數據處理方法。
【背景技術】
[0002]目前，在電力系統的一次設備中，斷路器是僅次于發電機和變壓器的大型電力設備，3kV及以上電力系統中使用的斷路器稱為高壓斷路器，它是電力系統中最重要的控制和保護設備，同時又是數量最多、檢修量最大、費用高的設備。
[0003]因此，對高壓斷路器的在線監測越來越引起人們的注意，高壓斷路器在線監測是指對運行過程中的高壓斷路器的狀態量進行不間斷的實時監測，將采集到的信號量進行加工處理獲取有用的信息，并通過信號識別判斷出高壓斷路器故障和異常部位、原因和程度，預測高壓斷路器故障或異常可能發展的速度和后果，制定出維修計劃和項目。
[0004]但現有的高壓斷路器在線監測系統普遍存在如下問題:(I)監測結果準確性低，監測手段單一且容易受到電磁干擾的影響；(2)監測結果只包含高壓斷路器機械參數的計算結果，而缺乏對其機械運動過程細節監測的計算結果；(3)通常使用的監測儀器壽命過短，精度不夠高;數據分析功能、數據整理、狀態特征量的提取分析不夠完善等。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種設計合理、監測信號清晰、監測結果可靠性高且方便實用的高壓斷路器在線監測系統及其數據處理方法。
[0006]本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的:
[0007]—種高壓斷路器在線監測系統，包括:數據采集單元、主控單元和上位機;該數據采集單元、主控單元和上位機連接在一起;所述數據采集單元包括:位移傳感器、電流互感器、霍爾電流傳感器和信號調理單元;所述主控單元包括:DSP主控器和ARM處理器;所述位移傳感器、電流互感器和霍爾電流傳感器的輸出端與信號調理單元的輸入端相連接，所述信號調理單元的輸出端與DSP主控器的輸入端相連接，該DSP主控器與ARM處理器相連接并通過ARM處理器與上位機相連接。
[0008]而且，所述主控單元還包括:復位電路、手動復位開關、外擴存儲器和IXD觸摸顯示屏，所述手動復位開關通過復位電路與DSP主控器相連接，所述外擴存儲器與DSP主控器相連接;所述IXD觸摸顯示屏通過RS232接口和ARM處理器相連接。
[0009]而且，所述信號調理單元包括:行程信號濾波放大電路、電流-電壓變換器、分合閘線圈電流信號預處理電路和A/D轉換模塊;該行程信號濾波放大電路連接在所述位移傳感器與所述DSP主控器之間；該電流-電壓變換器連接在所述電流互感器與A/D轉換模塊之間用于將電流互感器采集的開端電流信號經電流-電壓變換后輸出至A/D轉換模塊;該分合閘線圈電流信號預處理電路連接在所述霍爾電流傳感器與A/D轉換模塊之間用于將經濾波處理后的分合閘線圈電流信號輸出至A/D轉換模塊，所述A/D轉換模塊的輸出端與DSP主控器的輸入端相連接。
[0010]而且，所述電流-電壓變換器為連接在電流互感器二次側的繼電保護電流-電壓變換器，該電流-電壓變換器前置有模擬低通濾波器;所述分合閘線圈電流信號預處理電路為二階有源低通濾波電路。
[0011]而且，所述模擬低通濾波器為二階RC濾波器。
[0012]而且，所述DSP主控器通過RS485接口與所述ARM處理器相連接。
[0013]而且，所述DSP主控制器采用型號為TMS320F2812DSP的芯片;所述信號調理單元采用型號為0PA4227的芯片;所述A/D轉換模塊采用型號為A/D7705的芯片;所述復位電路采用型號為TPS3823的復位芯片。
[0014]一種高壓斷路器在線監測系統的數據處理方法，包括以下步驟:
[0015]步驟1、利用與斷路器動觸頭直接連接的位移傳感器采集斷路器動觸頭的行程信號，得到高壓斷路器動觸頭位移一時間曲線；
[0016]步驟2、采用有限沖擊響應濾波器對初始高壓斷路器動觸頭行程信號進行濾波；
[0017]步驟3、對濾波數據進行修正，去除濾波器引入的相位誤差；
[0018]步驟4、基于濾波修正后的位移一時間曲線，利用雙極值法計算得出合閘換位點和分閘換位點，并對分閘換位點進行修正；
[0019]步驟5、根據步驟4中得到的換位點數據，計算所需關鍵參數。
[0020]本發明的優點和積極效果是:
[0021]1、本發明的數據采集單元分別利用位移傳感器采集高壓斷路器動觸頭行程信號、電流互感器采集開端電流信號、霍爾電流傳感器采集分(合)閘線圈電流信號，通過對三種數據信號的監測與分析，使對高壓斷路器狀態的監測結果更加可靠。而且，傳統監測高壓斷路器一次線路電流電壓時，只能采用離線測量接觸電阻的方法，采用位移傳感器解決了不易使用傳感器監測高壓斷路器一次線路電流電壓的技術問題。
[0022]2、本發明采用電流互感器采集開端電流信號經電流一電壓變換器進行濾波放大處理后輸出至A/D轉換模塊，所述電流一電壓變換器連接于斷路器電流互感器的二次側，先將大電流轉換為小電流，再經取樣電阻可得到-5V—+5V的電壓信號。特別選用繼電保護專用的電流-電壓變換器，是因其一次側與二次側間有良好的屏蔽隔離，鐵心不易飽和。
[0023]3、本發明采用霍爾電流傳感器采集分(合)閘線圈電流，選用對信號反應迅速的磁平衡式霍爾電流傳感器，將高壓斷路器分、合閘線圈引線穿過霍爾電流傳感器測量孔徑，很方便地取得電流信號，既可以克服電磁式互感器的非理想性缺點，又解決了直流電參量測量時的隔尚問題。
[0024]4、本發明通過與DSP主控器相連接的信號調理單元，對數據采集單元采集的各種監測數據信號進行濾波放大處理，使接收到的監測信號更加清晰。
[0025]5、本發明通過與DSP主控器相連接的ARM模塊，使對高壓斷路器的監測以及監測數據顯示更加方便快捷。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的電路框圖；
[0027]圖2是本發明的前置有模擬低通濾波器的電流-電壓變換器原理圖；
[0028]圖3是分閘線圈電流信號預處理電路圖；
[0029]圖4是本發明的信號調理單元的行程信號濾波放大電路原理圖；
[0030]圖5是本發明的外擴存儲器電路原理圖；
[0031]圖6是本發明的復位電路原理圖；
[0032]圖7是本發明的RS232接口電路圖；
[0033]圖8是本發明的RS485接口電路圖。
【具體實施方式】
[0034]以下結合附圖對本發明實施例做進一步詳述:
[0035]—種高壓斷路器在線監測系統，如圖1所示，包括:數據采集單元、主控單元和上位機;該數據采集單元、主控單元和上位機連接在一起;所述數據采集單元包括:位移傳感器、電流互感器、霍爾電流傳感器和信號調理單元;所述主控單元包括:DSP主控器、ARM處理器、復位電路、手動復位開關、外擴存儲器和LCD觸摸顯示屏;所述位移傳感器、電流互感器和霍爾電流傳感器的輸出端與信號調理單元的輸入端相連接，所述信號調理單元的輸出端與所述DSP主控器的輸入端相連接，該DSP主控器通過RS485接口與ARM處理器相連接并通過ARM處理器與上位機相連接;所述DSP主控器還分別與復位電路和外擴存儲器相連接;所述手動復位開關通過復位電路與DSP主控器相連接，所述ARM處理器通過RS232接口和LCD觸摸顯示屏相連接。
[0036]本發明的數據采集單元分別利用位移傳感器采集高壓斷路器動觸頭行程信號、電流互感器采集開端電流信號、霍爾電流傳感器采集分(合)閘線圈電流信號后經過信號調理單元進行整形濾波處理后傳輸至DSP主控器。所述信號調理單元包括:行程信號濾波放大電路、電流-電壓變換器和分合閘線圈電流信號預處理電路和A/D轉換模塊;該行程信號濾波放大電路連接在所述位移傳感器與DSP主控器之間；該電流-電壓變換器連接在所述電流互感器與A/D轉換模塊之間用于將電流互感器采集的開端電流信號經電流-電壓變換后輸出至A/D轉換模塊;該分合閘線圈電流信號預處理電路連接在所述霍爾電流傳感器與A/D轉換模塊之間用于將經濾波處理后的分合閘線圈電流信號輸出至A/D轉換模塊，該A/D轉換模塊的輸出端與DSP主控器的輸入端相連接。
[0037]下面分別對信號調理單元的行程信號濾波放大電路、電流-電壓變換器和分合閘線圈電流信號預處理電路的電路原理進行說明:
[0038](I)行程信號濾波放大電路
[0039]所述行程信號濾波放大電路，如圖4所示，由電阻1?8、1?9、1?10、1?11、1?12和運算放大器0PA227組成，所述電阻RlO分別與運算放大器0PA227的負極輸入端和所述電阻R8的一端相連接，所述電阻R8的另一端及運算放大器0PA227的輸出端相連接并共同連接到電阻R12的一端，該電阻Rl 2的另一端與ADCIN端口相連接;所述Rl I的一端與電壓輸入端相連接，另一端分別與所述運算放大器0PA227的正極輸入端和電阻R9的一端相連接，所述電阻R9的另一端與REFout端相連接;所述運算放大器0PA227的兩個供電端口分別連接+15V電源和-15電源。
[0040]在本實施例中，取R8= 100Q，R9 = 4k，R10 = 4k，Rll = 20k，R12 = 1.2k，REFout = IV(DSP的A/DC電壓參考輸出)，電源選擇± 15V的雙電源供電。[0041 ] (2)電流-電壓變換器
[0042]所述電流-電壓變換器為連接在電流互感器二次側的繼電保護專用電流-電壓變換器且該電流-電壓變換器前置有模擬低通濾波器，所述模擬低通濾波器為二階RC濾波器。其電路原理圖如圖2所示，由電阻R1、電阻R2、電容Cl、電容C2、運算放大器LM2901構成;其中所述的電阻R1、電阻R2相互串聯，與運算放大器LM2901的負極輸入端連接;所述電容Cl 一端連接在電阻R1、電阻R2之間，其另一端接地;所述電容C2—端與運算放大器LM2901的負極輸入端連接，其另一端接地;所述運算放大器LM2901的正極輸入端與輸出端連接;所述電流一電壓變換器的輸入端接收高壓斷路器的電流信號，其輸出端輸出信號給A/D轉換模塊。
[0043]為滿足測量范圍的需要，本實施例中，將電流-電壓變換器的變比選為100A/5V，精確工作電流為0.4A至100A。
[0044](3)分合閘線圈電流信號預處理電路
[0045]所述分閘線圈電流信號預處理電路為二階有源低通濾波電路，其電路原理圖如圖3所示，由電阻R3、電阻R4、電阻R5以及二極管Dl、電容C3、電容C4和單電源CMOS低功耗運算放大器LM324構成；電阻R3、電阻R4、電阻R5相互串聯，且連接在運算放大器LM324的負極輸入端;所述二極管Dl的正極端連接在電阻R3和電阻R4之間，負極端連接+5V電源;所述電容C3的一端連接在電阻R4和電阻R5之間，另一端與運算放大器LM324的輸出端連接；電容C4一端與運算放大器LM324的負極端連接，另一端接地;所述運算放大器LM324的正極端與輸出端短接;所述運算放大器LM324的輸出端輸出信號給A/D轉換模塊。所述合閘線圈電流信號的處理與分閘線圈電流的調理電路基本一致，不同的是進入另一個模擬輸入通道。
[0046]在本實施例中，霍爾電流傳感器采用型號為SP03的霍爾電流傳感器;DSP主控制器采用型號為TMS320F2812DSP的芯片;信號調理單元采用型號為0PA4227的芯片;A/D轉換模塊采用A/D轉換模塊采用16位且帶有Σ — ΔΑ/D技術的信號為A/D7705的高精度芯片;復位電路采用型號為TPS3823的復位芯片。
[0047]下面分別對ARM處理器、外擴存儲器、復位電路、RS232接口電路和RS485接口電路的功能和原理進行說明:
[0048](I)ARM 處理器
[0049]ARM處理器接口電路中通過RS485接口與DSP模塊相連，通過RS232接口用于調試及與IXD觸摸顯示屏相連接，JTAG接口用于在線仿真，其硬件電路與DSP主控器相似，除此之外，還設有太網接口和液晶顯示接口。
[0050](2)對外擴存儲器
[0051 ]外擴存儲器擴展了一片EEPROM，其電路原理如圖5所示，在本實施例中，它的存儲容量為1Kbit。同時，在片外擴展了SRAM，它具有16位的數據總線和19根地址線，使用了DSP的片外存儲區，存儲容量為512K*16S卩8MB。
[0052](3)復位電路
[0053]復位電路如圖6所示，選擇復位芯片TPS3823和14pin的JTAG接口。使用JTAG接口對硬件電路進行仿真調試，14pin的JTAG接口每個引腳都按照標準配置與DSP主控器相應引腳連接，部分引腳上拉或接地。在電路工作時需要有相對穩定的工作電壓，復位芯片TPS3823具有電壓檢測的復位功能，能夠在電壓過低時產生復位信號，且可通過手動復位開關實現手動復位功能。
[0054](4)RS232接口電路
[0055]RS232接口電路如圖7所示，采用DSP主控器的SCIB接口，通過MAX3222進行電平轉換，將TTL電平轉換成232電平。
[0056](5)RS485接口電路
[0057]RS485接口電路如圖8所示，采用SN65HVD12芯片進行485電平和TTL電平直接的轉換，并通過DSP主控器的GP1 口控制芯片收發的方向。
[0058]為了得到相對準確的監測數據曲線，必須對數據采集單元得到監測數據進行濾波及分析，本實施例中以高壓斷路器動觸頭行程信號數據處理方法為例進行說明:
[0059]—種高壓斷路器在線監測系統的高壓斷路器動觸頭行程信號的數據處理方法，包括以下步驟:
[0060]步驟1、利用與斷路器動觸頭直接連接的位移傳感器采集斷路器動觸頭的行程信號，得到高壓斷路器動觸頭位移一時間曲線；
[0061]步驟2、采用有限沖擊響應濾波器對初始高壓斷路器動觸頭行程信號進行濾波；
[0062]步驟3、對濾波數據進行修正，去除濾波器引入的相位誤差；
[0063]步驟4、基于濾波修正后的位移一時間曲線，利用雙極值法計算得出合閘換位點和分閘換位點，并對分閘換位點進行修正；
[0064]步驟5、根據步驟4中得到的換位點數據，計算所需關鍵參數。
[0065]本發明的工作原理是:首先由數據采集單元的位移傳感器、電流互感器以及霍爾電流傳感器分別采集動觸頭的行程信號、開端電流信號、分(合)閘線圈電流信號，然后經過信號調理單元進行整形濾波后進入DSP主控器，由DSP主控器將動觸頭的行程信號和經A/D轉換模塊進行數模轉換后的開端電流數字信號和分(合)閘線圈電流數字信號進行處理，得到最終所需要的參數。該參數通過RS485接口傳給ARM處理器中，然后通過ARM處理器將該參數顯示在IXD觸摸顯示屏上。
[0066]需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發明包括并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發明保護的范圍。
【主權項】
1.一種高壓斷路器在線監測系統，其特征在于:包括數據采集單元、主控單元和上位機;該數據采集單元、主控單元和上位機連接在一起;所述數據采集單元包括:位移傳感器、電流互感器、霍爾電流傳感器和信號調理單元;所述主控單元包括:DSP主控器和ARM處理器;所述位移傳感器、電流互感器和霍爾電流傳感器的輸出端與信號調理單元的輸入端相連接，所述信號調理單元的輸出端與DSP主控器的輸入端相連接，該DSP主控器與ARM處理器相連接并通過ARM處理器與上位機相連接。2.根據權利要求1所述的一種高壓斷路器在線監測系統，其特征在于:所述主控單元還包括:復位電路、手動復位開關、外擴存儲器和LCD觸摸顯示屏，所述手動復位開關通過復位電路與DSP主控器相連接，所述外擴存儲器與DSP主控器相連接;所述LCD觸摸顯示屏通過RS232接口和ARM處理器相連接。3.根據權利要求2所述的一種高壓斷路器在線監測系統，其特征在于:所述信號調理單元包括:行程信號濾波放大電路、電流-電壓變換器、分合閘線圈電流信號預處理電路和A/D轉換模塊；該行程信號濾波放大電路連接在所述位移傳感器與所述DSP主控器之間；該電流-電壓變換器連接在所述電流互感器與A/D轉換模塊之間用于將電流互感器采集的開端電流信號經電流-電壓變換后輸出至A/D轉換模塊;該分合閘線圈電流信號預處理電路連接在所述霍爾電流傳感器與A/D轉換模塊之間用于將經濾波處理后的分合閘線圈電流信號輸出至A/D轉換模塊，所述A/D轉換模塊的輸出端與DSP主控器的輸入端相連接。4.根據權利要求3所述的一種高壓斷路器在線監測系統，其特征在于:所述電流-電壓變換器為連接在電流互感器二次側的繼電保護電流-電壓變換器，該電流-電壓變換器前置有模擬低通濾波器;所述分合閘線圈電流信號預處理電路為二階有源低通濾波電路。5.根據權利要求4所述的一種高壓斷路器在線監測系統，其特征在于:所述模擬低通濾波器為二階RC濾波器。6.根據權利要求1所述的一種高壓斷路器在線監測系統，其特征在于:所述DSP主控器通過RS485接口與所述ARM處理器相連接。7.根據權利要求3所述的一種高壓斷路器在線監測系統，其特征在于:所述DSP主控制器采用型號為TMS320F2812DSP的芯片;所述信號調理單元采用型號為0PA4227的芯片;所述A/D轉換模塊采用型號為A/D7705的芯片;所述復位電路采用型號為TPS3823的復位芯片。8.—種如權利要求1至7任一項所述高壓斷路器在線監測系統的數據處理方法，包括以下步驟: 步驟1、利用與斷路器動觸頭直接連接的位移傳感器采集斷路器動觸頭的行程信號，得到高壓斷路器動觸頭位移一時間曲線； 步驟2、采用有限沖擊響應濾波器對初始高壓斷路器動觸頭行程信號進行濾波； 步驟3、對濾波數據進行修正，去除濾波器引入的相位誤差； 步驟4、基于濾波修正后的位移一時間曲線，利用雙極值法計算得出合閘換位點和分閘換位點，并對分閘換位點進行修正； 步驟5、根據步驟4中得到的換位點數據，計算所需關鍵參數。
【文檔編號】G01R31/327GK105823981SQ201610139184
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月11日
【發明人】劉偉, 劉春玲, 姚宗強, 宗燁琛, 張亞娜
【申請人】國網天津市電力公司, 國家電網公司