SF₆气体密度与微水综合在线监控装置的制作方法

专利名称：SF₆气体密度与微水综合在线监控装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种SF6气体密度与微水综合在线监控装置，尤其涉及一种用于电 力系统SF6开关站状态检修的SF6气体密度与微水综合在线监控装置。该装置特别 适合于以SF6气体为介质的室内组合电器(GIS)或室外SF6断路器及其配套设备(GCB) 的在线监控。
背景技术：
SF6气体具有良好的绝缘性能和灭弧性能，现阶段被广泛应用于高压电气设备 中，在正常工况下，是较为理想的绝缘及灭弧介质。虽然装有该气体的设备工作状 况比较稳定可靠，但随着工作年限的延长，如果SF6气体泄漏导致密度下降或气 体中微水含量超标，高压电气设备就会存在安全隐患甚至直接导致电力事故。 有资料统计表明，SF6电力设备故障中，本体SF6气体泄漏引起的故障占38%, 因此对SF6高压电气设备气体密度和微水含量的监控一直是行业内对设备维 护、监控管理的一个重要的组成部分。为了使对SF6气体的监控变得有章可循， 有关部门相继制定了 DL/T596 — 1996《电力设备预防性试验规程》、 GB/T8905-1996《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》等相关行业规程 对SR气体密度、特别是微水含量进行严格控制。传统的SF6气体密度继电器普遍应用的有指针式和密罐式两种，其中指针 式密度继电器因为可以直接指示SF6气体密度，比较直观方便，因而得到了更 为广泛的应用。但早期的这两种密度继电器因采用机械装置进行温度补偿的原 理，以及用指针的形式在现场进行指示，因而存在以下不足1) 机械装置检测粗糙，难以保证检测与接点动作的准确性，密度继电器 中的防震油产生的油膜容易使接点不能可靠接通，影响可靠性。2) 指针式指示，所检测的数据不能远传，无法实现数字化、网络化综合 管理以及远程监控，维护技术水平低下。3) 定期的现场抄表方式引入的人为误差大，维护效率低下，维护不科学。
4 )指针式密度继电器如存在偏差，不能现场标定，需返厂维修，用户只 能通过备品来保障，加上不同的工作值、报警值、闭锁值的指针式密度继电器 分别定制，不能通用，使密度继电器实际选型和维护过程非常麻烦。
5)密罐式密度继电器更因为其不能现场指示，而在早期就逐渐被淘汰。
另外，当前电力系统离线检测GIS微水时将测量仪器通过管路接入设备的 SF6取气口，减压后控制一定的气流量在大气压下测量，因而存在以下不足
1) 这样忽视了 GIS内外压力的变化，测量结果容易偏差而且测量结果受 人为因素影响。
2) 测前操作烦瑣，维护使用不便。
3) 测试时需要连接SF6气体设备上取气，因而有较大程度的气体消耗，测 试后有需要对设备进行补气。
4) 测试时所消耗的气体，直接排放到大气，对现场人员带来危害，对大 气环境造成污染。
5) 多次测试容易使接口因人为检修而导致泄漏，甚至有在测试时在接口 处引入微量水分的可能。
而目前国内外极少数的SF6气体密度在线检测装置，采用的单片机技术只 实现单一密度或单一微水在线检测，测量功能单一，精度不高，只能实现变电 站现场监视，无法实现主控制室和远程调度中心的综合监控与管理，更无法根 据历史数据输出设备内密度和微水的变化趋势曲线和对设备故障的预诊断功 能，不符合国家电力系统关于开关站状态检修而形成的数字化、智能化管理系 统。

发明内容
本发明的目的在于改进传统密度继电器和检测装置的上述不足，实现就地 采样、数字量化处理与传输，现场就地数字式显示SF6气体密度和微水数值。 并在密度和微水超限时控制监控单元内部的报警和闭锁继电器，以输出开关接 点信号实现二次继保对密度和微水在超标时的报警和闭锁动作。输出的密度和 微水数据接入主控制室网络控制器，并由网络控制器分析处理，之后中转接入 远程调度中心的主控机以实现在主控制室和远程调度中心进行同步实时监控， 对开关内密度和微水的分层动态液晶显示与管理。并在网络控制器和远程调度 中心的计算机上经过分析，输出设备内在气体质量变化曲线，输出趋势分析与 状态诊断报告。另外，针对不同设备的具体情况，可以灵活配置测控终端的数 量和功能种类，实现多点、多检修项目的在线监控。监控数据和报警信号通过 总线定义还可接入变电站其他综合自动化系统中。该发明专利综合了密度与微 水的数据监控，实现了数据远传，且能与哈德公司专业于电力系统SR开关站 智能化综合监控系统的其他产品实现兼容与互联，克服了传统定期检修的盲目 性，提高了检测的精度和时效性，提高了 SF6设备的安全稳定运行水平，为SF6断路器状态检修提供了技术手段。为此，本发明提供了一种SF6气体密度与微水综合在线监控装置，它包括 至少一个监控单元，用于采集SF6气体的压力、温度和湿度信息；主控机，用于根 据来自监控单元的压力、温度和湿度信息计算出微水积分分数和20。 C的SR气体 密度值，生成并显示趋势曲线，以及提供预警；网络控制器，用于控制监控单元与 主控机之间的网络连接。此外，上述监控单元包括 一报警和闭锁继电器； 一信号调理模块，它包括 压力传感器、温度传感器、湿度传感器、驱动放大及通道选择组件以及模数转 换组件，其中各传感器釆集到的SF6气体的压力值、温度值和湿度值信号经驱 动放大及通道选择组件滤波和放大后在模数转换组件中进行模数转换；以及一 主控模块，它至少包括一 MPU,并用于控制报警和闭锁继电器以及接收从信号 调理模块输出的信号。此外，根据一个实施例，监控单元通过一 CAN总线与网络控制器的一个通道 相连；网络控制器以串行接口与主控才几相连。此外，根据一个实施例，网络控制器可将从监控单元获得的数据直接进行显 示，同时将该数据传输至主控机。在上述SF6气体密度与微水综合在线监控装置中，主控机提供预警包括当微 水积分分数和20。 C的SF6气体密度值超过预设值时，控制报警和闭锁继电器实施 报警和闭锁动作。此外，在一个实施例中，上述CAN总线采用四芯双绞线形成两对通信链路以 组成一CAN传输网络，在该网络的各个节点上都保存有本节点数据，同时在网络控 制器上保存有所有节点数据，以防止数据丢失。此外，在一个实施例中，监控单元采用嵌入式操作系统。本发明主要用于电力系统中电厂、供电局等单位为SF6开关站实现分布式
测控系统。为开展高压SR电器设备中SF6气体状态的预期诊断和趋势分析提供支持。
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明 性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。


包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一 部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的
作用。附图中
图1是本发明的系统结构框图。
图2是监控单元中的信号调理模块的内部结构框图。
图3是监控单元中的主控模块的结构框图。
图4是主控机的结构框图。
图5是网络控制器的结构框图。
图6是诸监控单元的电气连接图。
具体实施例方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。
如图1所示，本发明的SF6气体密度与微水综合在线监控装置主要由主控机 3、网络控制器6和多个监控单元8组成。其它还可以包括以太网连接1、备份 机2、多个客户机4和CAN总线子网7等。其中，CAN总线子网7内的监控单 元8通过网络控制器6将采集并处理后的信号传到主控机3。主控机3可通过 接入的以太网连接1与其他客户方设备(例如图1中的客户机4)共享各监控 点的SF6气体密度值和微水含量数据。
此外，如图l所示，监控单元8的内部可以包括主控模块以及用于采集并 处理压力、温度、湿度数据的信号调理模块。
图2进一步示出了监控单元的信号调理模块的内部结构，它包括压力传感 器9、温度传感器10、湿度传感器11、驱动放大及通道选择组件12以及模数 转换组件13。该监控单元8能够输出报警与闭锁开关信号，并能够通过CAN总 线网络与网络控制器6通讯。该信号调理模块采用数字采样量化技术，通过压 力、温度、湿度传感器9~11采集断路器中SF6气体的压力值、温度值和湿度
值，采集信号经滤波和放大后进行A/ D变换，将数字量传送至主控模块中的 嵌入式微处理器(MPU 17)。
图3进一步示出了监控单元的主控模块的结构，其可以包括存储器14、锁 存与译码组件15、电源监控EEPR0M 16、 MPU 17、键盘及显示接口 18、通信接 口 19以及实时时钟20。根据一个实施例，MPU 17可以将3路信号经数字运算 并进行温度补偿，换算为微水体积分数和2(TC的SF6气体密度值，控制并输出 到液晶显示屏实时显示所得各时刻的数据，或历史数据到当前数据的变化趋势 曲线。并将其存入EEPROM,以及控制输出到CAN总线子网，以便远传至位于 主控制室的网络控制器。该主控模块实现了计算与屏幕显示温度压力和露点数 据，并控制报警及闭锁继电器输出开关接点信号以及用于CAN总线通讯的数字 信号。
如图5所示，网络控制器由MPU28、电源30、 RS-2 32通信才莫块27和CAN 通信模块29组成。该网络控制器负责控制权力的分配，同时负责由上而下控 制命令的传输以及传感器信息由下而上的传递。该网络控制器负责接收与加工 就地监控传来的数据，同步显示并进行中转传输至远程调度中心的主控机。与 就地监控单元的通信包括传输命令和监控单元传感器信号的返回。网络控制器 与主控机和备份机之间的通信可采用RS-232串口、RS485或CAN总线接口实现。
图4示出主控机的结构。如图4所示，主控机主要由PC/104系统23,键 盘25和液晶显示器26组成。PC/104系统23的CPU模块集成了网卡功能，因 此可接入因特网，实现远程监控21。此外，由于可接入以太网，因而也可以直 接使用嵌入式微机的硬件而无需另行开发硬件，从而降低了开发难度。此外， 该主控机与网络控制器相连，由于其CPU模块集成了以太网网卡的功能，故可 通过以太网或Internet与远程的其他客户设备相连。CAN通信网将测得的SF6气 体密度、温度等数据及报警、闭锁信号传送到网络控制器，网络控制器通过串 行线将这些数据转送到主控机。主控机实时存储和显示各监控点密度值和微水 含量，并可供客户要求生成趋势曲线，实现SF6气体密度和微水含量的在线监 控，并能够对SF6气体质量作出分析，提供问题预警。
图6是诸监控单元的电气连接图。如图6所示，现场众多监控单元之间不 区分属于何种功能或某种功能里配置的编号，它们之间的电气连接均采用实质 上并联的方式，监控单元的接线端包括电源入32、电源出33、信号入34、信 号出35共四个接点以及主板。主控机以CAN总线与就近的测控终端信号入接
点相连，信号入和信号出在主板上是可靠连通的；第一个测控终端信号出接点与第二个测控终端信号入接点相连，最后一个测控终端信号入接点与前一个测控终端信号出接点相连。各测控终端的电源从现场动力箱引入220V/50Hz的市 电交流电源。与最近的测控终端电源入32接点连接。电源入32与电源出33 接点在主板上可靠连接。第一个测控终端电源出33与第二个测控终端电源入 32接点相连，最后一个测控终端电源入32接点与前一个测控终端电源出33接 点相连。内部电源统一采用隔离电源，减少各测控终端之间的相互干扰。测控 终端信号电缆采用四芯带屏蔽包络层的双绞线，组成两个通道，两个通道通常 状态下以光藕隔离，互不影响。这种基于CAN总线技术设计的分布式自诊断数 据链路既保证了信道的可靠性，提高了传输速度，还可节省导线的投入量和降 低投入成本。
此外，在硬件电路的设计中，为了进一步提高测量的精度和系统的抗干扰 能力，各芯片的电源和地之间均布有去耦电容器，通信线路接口加接了暂态电 压抑制器，硬件布局和电路板布线时严格区分了模拟信号区域和数字信号区 域，二者分开布线并在电源处单点相连。通过计算电子元器件发热分布，将温 度传感器置于发热影响较低的地方，在不使装置尺寸过于庞大的前提下保证了 温度测量的精度。
此外，本发明的进一步技术方案是对GIS最易发生故障的断路器和隔离 开关的各种变量进行综合监控，(如断路器分合闸线圈工作电流、分合闸线圏 工作电压、回3各断线、三相开断电流、油泵启动次凄t、分合闸朽-程、液压油温 度、液压油压力、普通隔离开关、普通接地开关、快速接地开关、气室温度、 压力、电压互感器上线路电压等)。将这些变量分为监控压力与温度，电流与 电压以及开关量三大类，选定上位主机为一台高性能微机，下位机为PC/104嵌 入式微机系统(包括A/D采样模块、网络模块和CPU模块三部分组成)。网 络连接部分采用Ethernet ,从而建立一个整体的基于以太网的GIS分布式控 制系统。
综上所述，本发明的SF6气体密度与微水综合在线监控装置具有以下特点 1)提供了可远程察看的SF6气体状态趋势曲线与数据图表； 2 )采用CANBUS现场总线构成通讯网络，整个DSA系统采用CANBUS现场 总线构成通讯网络，传输距离远、无瓶颈，抗干扰能力强，整个系统的通讯可靠性高；
3) 完整的事件记录，汉字大屏幕液晶显示，调试、显示方便；
4) 开发难度低，首先本监控系统的主控机为PC/104嵌入式微机，其CPU 模块集成了以太网网卡的功能，因此采用以太网可以直接使用嵌入式微机的硬 件而无需另行开发硬件，从而降低了开发难度，使开发人员将更多的精力放到 软件和算法的设计上。
SF6密度与微水综合在线监控装置克服了现有设备的不足，有利于SR气体 的监控，实现了 SF6气体密度和微水变化的在线监控，为SF6断路器开展状态 检修提供了技术保证。该在线监控装置的应用缩短了停电检修、补气的时间， 节约了检修费用，在线实时监控，可及时发现设备中SF6气体漏气现象，减少 了 SF6气体的排放量，有利于环境保护和工作人员的身心健康，经济效益和社会 效益均十分明显。对提高系统的安全运行和运行管理水平，开展预期诊断和趋 势分析，减少无计划停电检修具有现实意义。
本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和 变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要 求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。
权利要求
L一种SF6气体密度与微水综合在线监控装置，包括 监控单元，用于采集所述SF6气体的压力、温度和湿度信息； 主控机，用于根据来自所述监控单元的压力、温度和湿度信息计算出微水积 分分数和20。 C的SF6气体密度值，生成并显示趋势曲线；网络控制器，用于控制所述监控单元与主控机之间的网络连接。
2. 如权利要求1所述的SF6气体密度与微水综合在线监控装置，其特征在于， 所述监控单元包括一信号调理模块，它包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器、驱动放 大及通道选择组件以及模数转换组件，其中所述各传感器采集到的SF6气体的 压力值、温度值和湿度值信号经所述驱动放大及通道选择组件滤波和放大后在 所述模数转换组件中进行模数转换。
3. 如权利要求2所述的SF6气体密度与微水综合在线监控装置，其特征在于， 所述监控单元还用于执行报警和闭锁操作，并进一步包括一报警和闭锁继电器；以及一主控模块，它至少包括一MPU,并用于控制所述报警和闭锁继电器以及 接收从所述信号调理模块输出的信号。
4. 如权利要求1所述的SF6气体密度与微水综合在线监控装置，其特征在于， 所述监控单元通过一 CAN总线与所述网络控制器的一个通道相连；所述网络控制器 以串行接口与所述主控才几相连。
5. 如权利要求1所述的SF6气体密度与微水综合在线监控装置，其特征在于， 所述网络控制器可将从所述监控单元获得的数据直接进行显示，同时将所述数据传输至主控机。
6. 如权利要求3所述的SF6气体密度与微水综合在线监控装置，其特征在于，所述主控机还可以提供预警，当所述微水积分分数和20° C的SF6气体密度值 超过预设值时，控制所述监控单元的报警和闭锁继电器实施报警和闭锁操作。
7. 如权利要求4所述的SF6气体密度与微水综合在线监控装置，其特征在于， 所述CAN总线采用四芯双绞线形成两对通信链路以组成一 CAN传输网络，在该网络 的各个节点上都保存有本节点数据，同时在所述网络控制器上保存有所有节点数 据，以防止数据丢失。
8. 如权利要求1所述的SF6气体密度与微水综合在线监控装置，其特征在于， 所述监控单元采用嵌入式操作系统。
全文摘要
本发明提供了一种SF₆气体密度与微水综合在线监控装置，它包括至少一个监控单元，用于采集SF₆气体的压力、温度和湿度信息；主控机，用于根据来自监控单元的压力、温度和湿度信息计算出微水积分分数和20℃的SF₆气体密度值，生成并显示趋势曲线，以及提供预警；网络控制器，用于控制监控单元与主控机之间的网络连接。本发明有利于SF₆气体的监控，实现了SF₆气体密度和微水变化的在线监控，为SF₆断路器开展状态检修提供了技术保证。
文档编号G01R31/00GK101122554SQ20071004576
公开日2008年2月13日 申请日期2007年9月11日 优先权日2007年9月11日
发明者周学生, 葛竞天, 邓科平 申请人:上海哈德电气技术有限公司