一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置的制作方法

专利名称：一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型提供一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置，该装置属 于信号处理与监测类技术领域。
背景技术：
SF6高压断路器作为电力系统中一种重要的电力设备，SF6高压断路器以优异的绝 缘和灭弧性能使它在高压电力网络得到广泛的应用，在我国SF6断路器的使用量也在逐年 增加。对系统的安全运行异常重要，其健康状况近年来逐渐成为电网公司关注的焦点。在 电力系统一次设备当中，高压断路器是仅次于发电机和变压器的大型电力设备，而需要的 数量与安装投资的规模排在二者之前。高压断路器自身的健康状况、运行的可靠性直接关 系到电力系统的安全与稳定，许多重大的设备损坏、停电等事故很多都是由于高压断路器 的运行失常所致。国际大电网会议分别在197Γ1977年和1988 1991年两次在世界范围内 对63KV及以上的SF6高压断路器的可靠性做了世界性大范围的调查，调查结果均表明，SF6 高压断路器操作机构的机械故障和SF6气体绝缘故障在所有故障中占有相当大的比重，这 两种故障的发生概率的总和在主要故障中占51.2%，在次要故障中更是占到了 79%。国内对 SF6高压断路器中各个部件的故障概率进行的很多调查中，结果显示机械故障和SF6气体绝 缘故障在所有的故障之中占有相当大的比重。目前，动作时间特性参数测试是电力运行部 门在定期检修时进行的一项重要参数测试，这种定期预防性试验的方法来了解断路器的运 行特性，不仅耗费巨大的人力和财力，增加了设备的寿命周期费用。为了保障断路器的安全 运行，对断路器动作时间特性进行在线监控有着非常重要的意义。随着通信技术的发展，目前可选用的通信手段很多。根据所实施的配电网自动化 系统的具体情况，国内外各电力公司选用了不同的通信方式，其效果和效益各不相同。在国 外，日本是配电网自动化发展得比较快的国家，其通信方式主要是利用通信电缆和配电线 载波来传送配电网自动化信号，而在欧美等国家，却广泛采用有线通信方式。国内，上海、 石家庄、大连、南京、郑州、武汉、广州等供电局都进行了一定规模的建设配电网自动化项目 尝试，采用的通信方式有配网载波、一点多址扩频微波、光纤通信、电缆通信、无线数传电台 等，但效果并不理想。针对SF6高压断路器监控点分布情况，采用传统有线网络的远程监控 十分困难，即使实现，成本、维护费用也相当高。因此断路器监控系统的革新势在必行。2009年中国国家电网公司以奉献清洁能源、促进经济发展、服务社会和谐为基本 使命，提出了立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有 信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网的发展目标。因此，对SF6高压 断路器的状态实行智能监测及实施健康管理，对于提高电力系统自动化水平及可靠性，及 时解决故障问题，避免出现电力事故，挽救财产损失具有重大的意义。目前，动作时间特性 参数测试是电力运行部门在定期检修时进行的一项重要参数测试，这种定期预防性试验的 方法来了解断路器的运行特性，不仅耗费巨大的人力和财力，还增加了设备的寿命周期费 用。为了保障断路器的安全运行，对断路器动作时间特性进行在线监控有着非常重要的意义。目前，在断路器定期检修时，国内外大多使用断路器开关动作特性测试仪在离线 状态下测试开关的动作时间特性参数。这种预防性试验的方法来测试断路器的运行特性， 不仅耗费巨大的人力和财力，增加了设备的寿命周期费用，而且频繁的操作会降低断路器 的动作可靠性，带来一定的负面影响。同时，断路器检修记录数据每次由现场操作和维修人 员手工记录完成，不利于数据的保存及对断路器动作特性历史状态的分析。
发明内容发明目的本实用新型的目的是解决以往断路器定期检修方法中存在的以下技术 问题耗费巨大的人力和财力，增加了设备的寿命周期费用，而且频繁的操作会降低断路器 的动作可靠性，带来一定的负面影响。同时，断路器检修记录数据每次由现场操作和维修人 员手工记录完成，不利于数据的保存及对断路器动作特性历史状态的分析。技术方案本发明是通过以下技术方案实现的一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置，其特征在于所述装置包 括下位机和上位机两部分；所述下位机包括控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单 元及下位机Zigbee无线网络通讯单元，数据采集单元、数据存储单元及下位机Zigbee无 线网络通讯单元均连接控制及处理单元；所述上位机包括监控中心服务器单元和上位机 Zigbee无线网络通讯单元，监控中心服务器单元与上位机Zigbee无线网络通讯单元进 行通讯连接；所述下位机和上位机两部分通过下位机Zigbee无线网络通讯单元和上位机 Zigbee无线网络通讯单元进行通讯连接。所述下位机内还设置有接口以及通讯方式选取单元和RS485通信单元，下位机 Zigbee无线网络通讯单元通过接口以及通讯方式选取单元连接至控制及处理单元，RS485 通信单元也通过接口以及通讯方式选取单元连接至控制及处理单元。监控中心服务器单元与上位机Zigbee无线网络通讯单元通过RS232串口进行通 讯连接。所述数据采集单元为时间测量电路单元。所述下位机还包括控制输出单元、数码显示单元和报警指示单元；所述控制输出 单元、数码显示单元和报警指示单元均连接至控制及处理单元。优点及效果本实用新型提供一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控 装置，其特征在于所述装置包括下位机和上位机两部分；所述下位机包括控制及处理单 元、数据采集单元、数据存储单元及下位机Zigbee无线网络通讯单元，数据采集单元、数 据存储单元及下位机Zigbee无线网络通讯单元均连接控制及处理单元；所述上位机包括 监控中心服务器单元和上位机Zigbee无线网络通讯单元，监控中心服务器单元与上位机 Zigbee无线网络通讯单元进行通讯连接。电子技术与计算机技术的发展使实现断路器动作时间特性参数数字式在线监测 成为可能。本实用新型提供一种SF6高压断路器动作时间特性在线监控装置。该装置采用多 接口选通方式完成对不同接口 SF6高压断路器的连接工作，利用双接口选择通讯方式完成 数据的传输工作，实时监测开关的状态，实现在开关分、合操作时准确测量合分时间参数，对于开关动作时间参数不合格状态，用LED指示并发出报警信号，同时将故障信息传递到 上位机。集采集、存储、查询、通讯、健康管理功能于一体，实时监测现场多台SF6高压断路 器的开关动作时间，采用Zigbee无线网络通讯技术将监测结果快速准确传送到监控网络 中心。该装置能够实时监测SF6高压断路器动作时间特性，并能对SF6高压断路器状态及 性能进行综合评估，实现设备的健康管理，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高压断路器本体故障所引起的灾害。其中涉及数据采集技术、信号处 理技术、先进控制技术和Zigbee无线网络通讯技术。Zigbee无线网络通讯技术在系统硬件 结构中对应Zigbee无线网络通讯模块，采用星型网络，利用Zigbee协议自组网技术完成装 置通讯工作。本实用新型是针对以上问题，提出的一种SF6高压断路器动作时间特性的在线 监控网络装置。下位机监控中心对整个断路器监控点实时监控。并将监控数据实时通过 Zigbee无线网络通讯或者RS485有线网络通讯方式将数据发送至上位机监控中心，在上位 机实现设备的健康综合管理。本实用新型的具体优点和有益效果如下1.系统采用多接口选通方式技术实现对SF6高压断路器动作时间特性的在线监 控，系统通用性好；2.系统采用Zigbee无线网络通讯和RS485通讯两种接口方式进行通讯，可选择性 通讯接口方式，灵活性高。3.通过接口以及通讯方式选取单元采用的多路拨动开关、Zigbee无线网络通讯 和RS485通讯等实现了该系统的低成本要求。4.系统通Zigbee无线网络模块组网，可以实现免费频段的自组网通讯方式，并且 本身的低功耗等特点使该装置拥有低功耗、可靠性高等特点。5.系统接线简单，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。


图1本发明硬件结构方框示意图；图2 CPU与Zigbee无线通讯模块连接图；图3多路开关选通控制结构图；图4方式选通流程图；图5主程序流程图；图6系统中断流程图；图7上位机软件结构示意图。
具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明如图1所示，本实用新型涉及一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控 装置，其特征在于所述装置包括下位机和上位机两部分；所述下位机包括控制及处理单 元、数据采集单元、数据存储单元及下位机Zigbee无线网络通讯单元，数据采集单元、数 据存储单元及下位机Zigbee无线网络通讯单元均连接控制及处理单元；所述上位机包括 监控中心服务器单元和上位机Zigbee无线网络通讯单元，监控中心服务器单元与上位机Zigbee无线网络通讯单元进行通讯连接；所述下位机和上位机两部分通过下位机Zigbee 无线网络通讯单元和上位机Zigbee无线网络通讯单元进行通讯连接。其中，下位机硬件负 责接口和通讯方式的选通、数据的采集、处理及传输，也就是说接口以及通讯方式选取单元 完成接口连接方式和通讯方式的选通工作，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，调用数据存储单元的数据进行处理及推理，将处 理后的数据通过Zigbee无线网络通讯单元传送到上位机。相应的，软件结构也分为下位 机和上位机两部分。下位机软件负责驱动下位机的硬件完成开关状态和动作时间的数据 采集，对采集的数据采用数据提取及结合时间修正算法，实现动作特性时间参数的监控；最 后，下位机软件通过Zigbee无线网络通讯单元将监测处理结果发送到上位机监控中心。上 位机软件负责与下位机的数据通讯，并建立人机交互界面和实现监测信息的管理，建立开 关动作时间特性参数数据库，实现显示、存储、查询、打印等功能。所述下位机内还设置有接口以及通讯方式选取单元和RS485通信单元，下位机 Zigbee无线网络通讯单元通过接口以及通讯方式选取单元连接至控制及处理单元，RS485 通信单元也通过接口以及通讯方式选取单元连接至控制及处理单元。监控中心服务器单元与上位机Zigbee无线网络通讯单元通过RS232串口进行通 讯连接。所述数据采集单元为时间测量电路单元。所述下位机还包括控制输出单元、数码显示单元和报警指示单元；所述控制输出 单元、数码显示单元和报警指示单元均连接至控制及处理单元。该方案可以在不破坏断路器本体的情况下用于SF6高压断路器动作时间特性的在 线监测。该装置由硬件结构和软件结构两大部分构成。该硬件结构分为下位机和上位机两 部分，其之间的关系是下位机安装在现场SF6高压断路器机构柜台下，上位机安装在主控 室电力测量柜台上，它们之间通过Zigbee无线通讯模块实现通讯；本实用新型是实现断路器实时监控网络的关键设备，采用低成本的8位AVR单片 机系统，整体硬件电路结构图如图1所示。该装置以ATMEGAU8单片机为主控CPU，它负责 完成整体信号的采集、处理、存储和各种接口控制。信号采集模块完成合分间开关动作的 在线监测，通过主控CPU对状态的采集和存储芯片对状态的存储完成合分间时间的计量工 作，利用SF6高压断路器辅助常开和常闭接点监测开关的状态及动作时间参数，在单片机程 序中通过软件算法求取开关动作的时间，然后用数码管实时显示该值并将数据发送至上位 机。通过设定阈值，当检测仪检测到的时间特征参数超过预设阀值时会报警提示通知相关 技术人员进行处理。而在通讯接口方面，监测装置可以选择下位机Zigbee无线网络通讯单 元和RS485通讯两种方式和上位机服务器完成通讯工作，主控CPU和Zigbee无线网络通讯 模块通过串口连接，连接图如图2所示。当选择Zigbee无线网络通讯传输数据时，采用星 型结构组网，在下位机和上位机同时安装Zigbee无线网络通讯模块实现数据的收发，上位 机Zigbee无线网络通讯模块以串口形式实现与监控管理机的链接。当采用RS485通信实 现组网时，网络采用环形网络组建，监控中心采用RS485转RS232转换器实现与上位机的链 接。该装置是多功能监测装置，它可以完成与多种不同接口装置的连接，而接口的选择则是 通过多路拨动开关来控制的。通过对多路拨动开关的控制完成多种接口方式的选通控制。 同时，通讯方式也是通过多路拨动开关来选择的，利用多路开关实现了多功能装置通讯方式和连接方式的选取工作，实现了此设备的经济、高效以及实用性等特点。下面就对各个功 能单元进行详细介绍。所述接口以及通讯方式选取单元是由多路拨动开关来来完成测量装置接口方式 和监测装置通讯方式的选取工作的，其选通工作示意图如图3所示。通常，三相电线路合分 线圈和监测仪的连接方式有整体是连接、分散式连接和单独式连接。在此监测装置中利用 三路拨动开关完成三相电线路合分线圈三种连接方式的控制，当这三位中某一位是高电平 的时候就代表选取对应的连接方式。例如，当拨动开关设置为100时则表示选取整体式连 接方式，即三路电力线由一路开关控制，当拨动开关设置为001时则表示选取单独式连接 方式测量，即三路电力线由三路开关分别进行控制。同理，第四路开关控制通讯方式的选取 工作，如果置1，则表示选用Zigbee无线网络通讯方式，否则选用RS485通讯方式。合分闸 动作时会产生220V触发电压，+12V电源接入辅助常开和常闭接点的一端，同时，将另一端 的输出经过光耦和滤波电路接入单片机输入引脚实现对开关状态的监测。当合分闸动作时 会触发ATMEGAU8中断。响应状态采集由一组常开常闭开关控制并接入主控CPU，当合分闸 产生合分动作时，常闭开关断开，此时产生中断，开始读取常闭开关状态并且存入存储芯片 中。最后，通过读取存储芯片中的状态变量就可以计算出合分闸时间特征参数。所述接口控制方式选通单元电路是一个四路拨动开关，其结构控制图如图3所 示，所控制量分别对应接口选通种类和通讯方式选取接口。时间测量单元电路由常闭开 关、合闸电阻测量电路、线圈电流测量电路及数字信号调理电路组成，负责采集合分闸的动 作信号。通过对触电状态的测量来判断合分闸的状态，如果合分闸动作则会带动此电路的 一系列动作从而会触发ATMEGA128的中断信号。数据存储单元由AT45DB642D存储芯片 和ATMEGAU8通过SPI 口连接组成。AT45DB642D存储器容量为64Mbit，存储器配置8192 页，时钟频率66MHz，电源电压范围为2. 7V到3. 6V，工作最低温度为-40° C，最高温度为 85° C。AT45DB642D还包含两个SRAM，缓冲区允许接收数据，而会在主存储器页重新规 划，并且可读写连续数据流。此存储芯片对数据的处理包含的三个方面读取、修改、写操 作，该芯片在商业和工业方面都有很重要的应用。所述基于ATmegaUS的控制及处理单元具有如下特点128K字节的系统内可编程 Flash(具有在写的过程中还可以读的能力，S卩Rffff)、4K字节的EEPR0M、4K字节的SRAM、 53个通用I/O 口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和 PWM功能的定时器/计数器(T/C)、两个USART、面向字节的两线接口 TWI、8通道10位 ADC(具有可选的可编程增益)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、 与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口(此接口同时还可以用于片上调试)，以及 六种可以通过软件选择的省电模式。所述存储单元完成对常闭开关状态的存取工作，本装置中采用的是AT45DB642D 存储芯片，其完成功能主要是对常闭开关开合状态的存取工作，数据按照标准存储格式进 行存储以便进行数据的查询和处理工作。利用断路器辅助常开和常闭接点监测开关的状态 及延时的控制，在单片机程序中通过状态提取计算开关动作的时间参数，用数码管实时显 示并将其发送至上位机处理，如果监测到动作时间参数超过预设阀值时会报警，监控仪通 过LED指示报警状态，并将结果在上位机进行显示且输出报警信息。使用Zigbee无线网络 通讯和RS485通讯方式进行数据传输，费用比较低，可靠性高、接线方式灵活、能实现数据的高速传输，满足系统的要求。根据现场情况，可以选择两种通信方式中的一种。所述Zigbee无线网络通讯单元由上位机通信线程和下位机通信组成，Zigbee和 下位机的连接是通过串口连接方式实现，而上位机服务器和Zigbee之间是通过232连接接 口实现数据的接收工作。它们之间通过Zigbee无线网络相连，下位机通信负责下位机数据 的发送和接受。上位机负责接受下位机传来的数据及发送上位机控制命令；上位机和下位 机通信线程间采用Zigbee无线网络通信协议实现数据的高速可靠传输。整个装置的工作过程是下位机中的基于ATMEGA128的控制及处理单元控制数据 采集单元，并将常闭开关开合状态存储在数据存储单元中，控制单元调用数据存储单元的 状态参数进行信号特征采集并完成时间特征参数的计算，同时，通过对时间特征参数预设 阀值的控制实现对SF6高压断路器工作情况的判断，再将最后所得到的数据信息传送到上 位机，进行推理与控制，综合评估设备性能及寿命。本发明是一种SF6高压断路器动作时间特性在线监控多功能装置，软件设计分为 下位机和上位机两个部分。下位机软件是基于ATMEGAU8芯片的控制及处理程序，负责控制下位机开关状态 信号参数的采集，当合分间合分状态或者分合状态时都会控制常闭开关产生跳变电平，而 跳变电平端口用光耦将其与主控CPU信号隔离从而保护CPU工作在正常模式下。程序通过 硬件中断完成合分间状态数据的读取和存储工作，即当合分间开光状态改变时会触发电平 跳变从而使主控CPU触发中断。主程序流程图如图5所示，程序初始化并且设置中断标识 位Temp为0，此时程序处于循环等待状态，通过中断标识位是否置位反复判断是否完成状 态的采集存储工作，当状态采集工作完成时中断标识位Temp会置1，此时主程序会读取存 储器中的状态数据并计算求取时间特征参数，并且进行相应处理和判断，发送至上位机进 行相应处理。一旦超出阀值就进入报警模式。此装置完成时间特征参数测试的方式主要是 通过硬件中断触发，当合分闸开关动作时会带动此装置中常闭开关的相应动作，而开关和 主控CPU之间的连接选通方式为中断触发，当合分闸动作时会触发中断，从而进入中断处 理程序，中断触发程序流程图如图6所示，在中断触发程序中主要通过定时器完成开关状 态数据的读取和存储工作。动作时间时间特性的监测所选用通讯方式可以为Zigbee无线网络通讯和485通 讯两种，485是电力工业中一种通用接口，这里便不作介绍，下面主要讨论Zigbee无线网络 通讯方式的特点和实现。选用Zigbee无线网络通讯模块可以达到低功耗、低成本和自组网 等方面的优点。它工作的主要流程为首先设置基本的网络参数，由于考虑到降低功耗的目 的，我们要使节点能够在空闲时进入带内存休眠模式，这需要设置相应的参数。网络参数设 置完毕后要开始一系列的初始化工作，初始化系统、初始化指示灯、初始化传感器，最后启 动BOS —个小型的任务系统，然后我们的程序就在这个小型系统的调度下开始工作，进入 不同的事件处理函数，在这里主要完成时间特征参数的传送工作。根据Zigbee协议栈，任 何Zigbee网络节点都必须是Co-dinator，Router和End Device之一，这是一种网络层概 念，决定了网络的拓扑形式，根据三种节点类型的特点，以及我们的实际需要，我们设置该 装置中的Zigbee无线网络通讯模块为Co-dinator类型，与上位机服务器相连接的模块为 End Device 类型。所述上位机软件，采用VC++6. 0编写，并利用SQL Server 2000开发后台数据库，它包括人机交互、Zigbee无线网络通讯和数据库三部分；其之间的关系是=Zigbee无线网 络通讯模块接受下位机数据，并将结果保存至数据库，数据保存完毕后，系统调用数据库数 据进行智能推理，对故障结果进行报警提示，从而实现人机交互。人机交互功能允许操作人 员查看数据库中设备运行的历史数据及通过Zigbee无线线通讯模块向下位机传递控制参 数实现对设备进行控制。上位机软件结构如图7所示。该人机交互部分采用大液晶屏显 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 现工作人员和系统的交互，Zigbee无线网络通讯模块实现数据的发送和接收。该数据库部 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下位机进行连接，并向下位机发送管理人员设定的控制参数，对下位 机进行远程配置；当断路器不动作时，下位机将按照控制参数定时采集开关状态信息，通过 Zigbee无线网络将时间特征参数发送到上位机，上位机将接收到的信息进行显示并将信息 保存入数据库。当断路器动作时，下位机实时采集SF6高压断路器时间特征信息并将数据 在ATMEGA128中进行处理并存储，最后通过Zigbee无线网络发送到上位机，上位机将接收 到的参数计算结果和智能推理结果进行显示并将信息保存入数据库，同时，结合SF6高压断 路器历史信息，采用设备评估理论，估算设备性能。断路器动作时，下位机能实时智能监测 设备的机械状态和电气状态信息，并结合系统信息进行推理，从而实现对SF6高压断路器的 监测与健康管理。
权利要求1.一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置，其特征在于所述装置包括 下位机和上位机两部分；所述下位机包括控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元及 下位机Zigbee无线网络通讯单元，数据采集单元、数据存储单元及下位机Zigbee无线网络 通讯单元均连接控制及处理单元；所述上位机包括监控中心服务器单元和上位机Zigbee 无线网络通讯单元，监控中心服务器单元与上位机Zigbee无线网络通讯单元进行通讯连 接；所述下位机和上位机两部分通过下位机Zigbee无线网络通讯单元和上位机Zigbee无 线网络通讯单元进行通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置，其 特征在于所述下位机内还设置有接口以及通讯方式选取单元和RS485通信单元，下位机 Zigbee无线网络通讯单元通过接口以及通讯方式选取单元连接至控制及处理单元，RS485 通信单元也通过接口以及通讯方式选取单元连接至控制及处理单元。
3.根据权利要求1所述的一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置，其特 征在于监控中心服务器单元与上位机Zigbee无线网络通讯单元通过RS232串口进行通讯 连接。
4.根据权利要求1所述的一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置，其特 征在于所述数据采集单元为时间测量电路单元。
5.根据权利要求1所述的一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置，其特 征在于所述下位机还包括控制输出单元、数码显示单元和报警指示单元；所述控制输出 单元、数码显示单元和报警指示单元均连接至控制及处理单元。
专利摘要本实用新型提供一种六氟化硫高压断路器动作时间特性在线监控装置，所述装置包括下位机和上位机两部分；下位机包括控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元及下位机Zigbee无线网络通讯单元，数据采集单元、数据存储单元及下位机Zigbee无线网络通讯单元均连接控制及处理单元；上位机包括监控中心服务器单元和上位机Zigbee无线网络通讯单元，监控中心服务器单元与上位机Zigbee无线网络通讯单元进行通讯连接；下位机和上位机两部分通过下位机Zigbee无线网络通讯单元和上位机Zigbee无线网络通讯单元进行通讯连接。该装置能够实现设备的健康管理。
文档编号G01R31/327GK201852918SQ20102061251
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者刘志宇, 吴怀诚, 孙艳鹤, 张云鹏, 李文震, 赵新, 郭春志 申请人:东北电网有限公司沈阳超高压局