一种高压gis在线监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高压GIS在线监测系统，包括传感器、机械状态采集模块、温度状态采集模块、隔离模块、主控模块、通讯模块及为各个模块进行供电的电源模块；所述传感器包括霍尔电流传感器、光电编码器和红外温度传感器；所述机械状态采集模块包括依次相连的放大电路、滤波电路和AD转换电路；所述温度状态采集模块包括输入保护电路与I?IC总线电路；所述隔离模块包括数字隔离芯片和磁耦隔离芯片；所述主控模块与隔离模块相连，主控模块接收经隔离模块隔离后的信号，所述主控模块通过通讯模块与上位机通信连接；所述电源模块为高压GIS在线监测系统供电。
【专利说明】—种高压GIS在线监测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力开关设备状态监测领域，特别涉及一种高压GIS在线监测系统。【背景技术】
[0002]GIS是气体绝缘金属封闭组合电器，是电力系统的关键设备之一，如果在运行过程中发生故障又得不到及时处理，可能给电网运行带来严重的危害。因此GIS，尤其是高压GIS运行的可靠性直接关系到电力系统的安全运行。因此，增加高压GIS的故障检测手段，对发现潜在故障、降低电力系统运行成本、提高电力系统安全性和可靠性具有非常重要的意义。近年来随着我国经济建设的繁荣发展，电力系统容量与能量的需求随之增加，对电力系统的可靠性和经济性提出了越来越高的要求。以高压GIS为例，近十年的统计数字表明，每次高压开关设备事故平均损失电量达数百万千瓦，它所导致的经济损失为其本身价格的数千倍甚至数万倍。因此，从安全生产的角度来讲，电力系统安全、稳定至关重要。
[0003]对断路器而言，操动机构和传动机构机械性能的失效和电气控制回路、辅助回路的故障往往会引起严重的机械故障。为避免断路器出现拒动和误动等严重机械故障，通常以在线的方式对开关设备的机械性能进行监测。在高压GIS运行过程中，机械振动、触头烧蚀等原因都可能造成母线连接处温度升高引起氧化，使接触电阻进一步增加，温度进一步上升，进而出现局部熔焊或产生火花甚至电弧放电，殃及周围绝缘材料，可能导致设备绝缘出现放大性破坏，设备出现故障。因此，对电力设备的温度特性进行在线监测，是避免重大故障发生以及控制故障恶化的有效手段。
[0004]电力设备机械状态监测产品工作的环境一般都是强电磁干扰环境，监测信号极易受到干扰，导致结果不准确，甚至误报警、误动作的情况发生。本发明所涉及的高压GIS在线监测系统从抗电磁干扰的角度出发，设计了有效的信号调理电路，并采用了数字隔离芯片与磁耦隔离芯片，降低了电磁干扰对在线监测系统的影响。电力系统中电力设备的型号、电压等级、参数种类非常多，不同的设备有不同的监测要求，现在市场上的在线监测产品大多只针对某种型号产品适用，且功能有限。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种高压GIS在线监测系统。
[0006]一种高压GIS在线监测系统，所述系统包括:传感器、机械状态采集模块、温度状态采集模块、隔离模块、主控模块、通讯模块及为各个模块进行供电的电源模块，其特征在于:
[0007](I)所述传感器
[0008]采集高压GIS控制回路分、合闸线圈电流，以及采集储能电机电流的霍尔电流传感器；
[0009]采集高压GIS主轴角位移信号的增量式光电编码器；
[0010]采集高压GIS母线连接处温度信号的红外温度传感器；[0011]所述霍尔电流传感器、光电编码器分别进一步连接所述机械状态采集模块；所述机械状态采集模块包括依次相连的放大电路、滤波电路和AD转换电路，用于将采集的信号经放大、滤波、AD转换后以数字信号的形式通过所述隔离模块以隔离输出的方式输出给所述主控模块；
[0012]所述红外温度传感器进一步连接所述温度状态采集模块；所述温度状态采集模块包括I IC总线电路与输入保护电路，其中红外温度传感器与I IC总线电路相连，用于将温度数据通过所述隔离模块以隔离输出的方式输出给所述主控模块；输入保护模块对进入温度状态采集模块的高电压与干扰脉冲进行吸收，保护后端电路各个模块免受过电压冲击；
[0013](2)所述主控模块
[0014]接收经隔离模块隔离后的信号，并通过通讯模块进一步将采集到的信号发送给上位机和液晶屏。
[0015]优选的，所述主控模块包括定时器，所述主控模块以通过定时器来实现编码器模式以接收隔离后的光电编码器信号。
[0016]优选的，所述放大电路选用仪表运算放大器，通过放大电阻阻值的选择达到不同的放大要求，且在运放的同相输入端和反向输入端之间连接一个瞬态抑制二极管，抑制浪涌，保护后级电路。
[0017]所述滤波电路通过运算放大器构建Sallen-Key结构的四阶巴特沃斯低通滤波器，去除信号频带中的无用部分和噪声，保留有用的信号；。
[0018]所述机械状态采集模块进一步包括绝对值电路，其用于对滤波后的信号进行绝对值处理，所述绝对值电路采用运算放大器来构成绝对值电路。
[0019]优选的，所述输入保护电路包括高压瓷片电容与瞬态电压抑制器。
[0020]优选的，所述主控模块使用基于ARM的STM32F407系列微控制器，运行RT-Thread嵌入式操作系统且所述在线监测系统采用多线程处理多路信号。
[0021 ] 所述通讯模块包括RS485接口、CAN总线接口、FSMC接口。
[0022]优选的，所述隔离模块包括数字隔离芯片与磁耦隔离芯片，数字隔离芯片输入端连接机械状态采集模块，磁耦隔离芯片输入端连接温度状态采集模块。
[0023]本发明的有益效果是:由于采用了非接触测量方法，以及数字隔离与磁耦隔离，使得系统抗干扰能力强，由于采用了滤波电路和高精度AD使得测量精度提高，由于采用了嵌入式系统和多线程技术，使得处理速度提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的一个实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0026]如图1所示，本发明为一种高压GIS在线监测系统，包括传感器、机械状态采集模块、温度状态采集模块、隔离模块、主控模块、通讯模块，以及电源模块。下面分别对其进行详细介绍。
[0027]所述传感器包括霍尔电流传感器，光电编码器，红外温度传感器。[0028]GIS的控制回路通过分、合闸线圈电流来控制断路器的分合，电流的大小、波形能够反映断路器的机械状态是否正常，使用霍尔电流传感器采集电流信号可以实现非接触式测量，响应快，测量精度高。
[0029]光电编码器安装在GIS断路器主轴上，采集主轴转动产生的信号，利用光栅衍射原理实现位移-数字变换，通过光电转换，将主轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量。
[0030]红外温度传感器用于测量GIS母线连接处的温升，是非接触式测量，可实现高低压隔离。
[0031 ] 机械状态采集模块包括依次相连的放大电路、滤波电路和AD转换电路，放大电路选用仪表运算放大器，通过放大电阻阻值的选择达到不同的放大要求。在运放的同相输入端和反向输入端之间连接一个瞬态抑制二极管，抑制浪涌，保护后级电路。滤波电路通过运算放大器构建Sallen-Key结构的四阶巴特沃斯低通滤波器，去除信号频带中的无用部分和噪声，保留有用的信号。滤波后对信号进行绝对值处理，使用运算放大器构成绝对值电路，满足后级电路模数转换器对输入信号的要求。
[0032]AD转换模块将经过放大滤波后的模拟信号转换为数字信号，AD转换模块可以使用多通道模数转换器ADC128S102，ADC128S102的串行数据输出兼容SPI，QSPI，MICROff-1RE等标准。主控芯片支持采用这些标准的数据传输，这样就可以方便的将转换后的数据传输给主控芯片。
[0033]温度状态采集模块包括IIC总线电路与输入保护电路，红外温度传感器与IIC总线电路相连，发送温度数据。输入保护模块对进入模块的高电压与干扰脉冲等进行吸收，保护后端电路各个模块免受过电压冲击，使被保护模块能够安全的、稳定的工作，例如可以采用高压瓷片电容与瞬态电压抑制器，通过高压瓷片电容滤除信号中的干扰脉冲，通过瞬态电压抑制器抑制高电压以保护后续电路。
[0034]隔离模块包括数字隔离芯片与磁耦隔离芯片，数字隔离芯片输入端连接机械状态采集模块，磁耦隔离芯片输入端连接温度状态采集模块，可以破坏干扰途径、切断干扰耦合通道，使信号更加可靠。两个隔离芯片的输出端都连接主控芯片。采取以上抗干扰措施，本发明所涉及的电力设备机械状态在线监测模块电路通过了电磁兼容4级测试。
[0035]主控模块与隔离模块相连，主控模块接收隔离后的信号。主控模块使用基于ARM的STM32F407系列微控制器，运行RT-Thread嵌入式操作系统，采用多线程处理各路信号，系统响应快，实时性好。主控模块包括定时器，配置为编码器模式，接收隔离后的光电编码器信号。
[0036]通讯模块包括RS485接口、CAN总线接口。主控模块通过通讯模块可与上位机通信连接，可上传温度参数、机械参数、录波等信息，上位机也可以通过CAN总线或RS485接口向下位机发送指令，例如可以向主控模块下发参数设置命令、对时或修改主控模块内的程序等。
[0037]可选的，所述主控模块通过通讯模块与液晶屏相连，液晶显示屏可以实时的显示采集到的温度或机械状态信息。可选的，主控模块通过FSMC将监测过程中的各种参数存储于外部的存储器内，例如可以是非易失性存储器，这样当主控模块失电后系统所存储的关键参数或程序也不会丢失。
[0038]综上所述，本发明所述的高压GIS在线监测系统具有以下优点:(I)采用了高精度传感器和完善的信号采集装置，精度高，可靠性好；(2)使用高性能微控制器并运行多线程操作系统，响应快，实时性好；⑶采用霍尔电流传感器，非接触式红外温度传感器，并在电路中增加了隔离芯片，高低压侧没有直接的电气连接，两侧相互独立，高低压侧隔离性好；
(4)抗电磁干扰能力强，采用软硬件相结合的方式消除电磁干扰；(5)丰富的接口，可连接上位机、液晶显示屏；(6) (7)可根据不同需求修改功能，满足不同设备的在线监测需求。总而言之，本发明所述的装置适用性广，测量精确度高，测量范围广，高低压侧隔离性好，抗电磁干扰能力强，容易实现，适合于工程实际应用。
[0039]本文中对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上说明仅用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【权利要求】
1.一种高压Gis在线监测系统，所述系统包括:传感器、机械状态采集模块、温度状态采集模块、隔离模块、主控模块、通讯模块及为各个模块进行供电的电源模块，其特征在于: (1)所述传感器 采集高压Gis控制回路分、合闸线圈电流，以及采集储能电机电流的霍尔电流传感器； 采集高压GIS主轴角位移信号的增量式光电编码器； 采集高压GIS母线连接处温度信号的红外温度传感器； 所述霍尔电流传感器、光电编码器分别进一步连接所述机械状态采集模块；所述机械状态采集模块包括依次相连的放大电路、滤波电路和AD转换电路，用于将采集的信号经放大、滤波、AD转换后以数字信号的形式通过所述隔离模块以隔离输出的方式输出给所述主控模块； 所述红外温度传感器进一步连接所述温度状态采集模块；所述温度状态采集模块包括I IC总线电路与输入保护电路，其中红外温度传感器与I IC总线电路相连，用于将温度数据通过所述隔离模块以隔离输出的方式输出给所述主控模块；输入保护模块对进入温度状态采集模块的高电压与干扰脉冲进行吸收，保护后端电路各个模块免受过电压冲击； (2)所述主控模块 接收经隔离模块隔离后的信号，并通过通讯模块进一步将采集到的信号发送给上位机和液晶屏。
2.根据权利要求1所述的高压GIS在线监测系统，其特征在于: 所述主控模块包括定时器，所述主控模块通过定时器来实现编码器模式接收隔离后的光电编码器信号。
3.根据权利要求1所述的高压GIS在线监测系统，其特征在于: 所述放大电路选用仪表运算放大器，通过放大电阻阻值的选择达到不同的放大要求，且在运放的同相输入端和反向输入端之间连接一个瞬态抑制二极管，抑制浪涌，保护后级电路； 所述滤波电路通过运算放大器构建Sallen-Key结构的四阶巴特沃斯低通滤波器，去除信号频带中的无用部分和噪声，保留有用的信号； 所述机械状态采集模块进一步包括绝对值电路，用于对滤波后的信号进行绝对值处理，所述绝对值电路采用运算放大器来构成绝对值电路。
4.根据权利要求1所述的高压GIS在线监测系统，其特征在于: 优选的，所述输入保护电路包括高压瓷片电容与瞬态电压抑制器。
5.根据权利要求1所述的高压GIS在线监测系统，其特征在于: 所述主控模块使用基于ARM的STM32F407系列型号的微控制器，运行RT-Thread嵌入式操作系统且所述在线监测系统采用多线程处理多路信号； 所述通讯模块包括RS485接口、CAN总线接口、FSMC接口。
6.根据权利要求1所述的高压GIS在线监测系统，其特征在于: 所述隔离模块包括数字隔离芯片与磁耦隔离芯片，数字隔离芯片输入端连接机械状态采集模块，磁耦隔离芯片输入端连接温度状态采集模块。
【文档编号】G01R31/327GK104020411SQ201410264055
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】郝爽, 王小华, 李锡, 荣命哲, 任宏达, 李锐海, 陈晓国, 刘定新 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司, 西安交通大学