基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统的制作方法
【专利摘要】基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，包括：安装于GIS外壳上的多个振动检测模块、数据汇集中心模块、监控电脑，多个振动检测模块通过无线网络连接数据汇集中心模块，数据汇集中心模块连接监控电脑，每一个振动检测模块包括加速度传感器，加速度传感器连接前置放大电路，前置放大电路分别通过三个不同频带的带通滤波电路。每一个带通滤波电路均对应连接一个二级放大电路，二级放大电路连接第一单片机模块。所述数据汇集中心模块包括第二单片机模块，第二单片机模块通过RS-485总线连接监控电脑。本实用新型在线检测系统，达到提前预警、提前维护、延长GIS使用寿命、防止事故发生的目的。
【专利说明】基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型一种基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，涉及气体绝缘电气设备检测领域。
【背景技术】
[0002]气体绝缘电气设备由于具有高的运行可靠性已经越来越广泛的被采纳。随着电网的电压等级不断提高，要求电气设备体积小、运行可靠、便于维护。气体绝缘组合电气因具有这些优点，而深受广大用户的欢迎。为了保证气体绝缘组合电气安全运行，尽可能延长检修周期，研究预测GIS内部潜伏性故障的方法是很有必要。GIS内部潜伏性故障常会伴随振动的发生，主要振动源是:导电杂质，如:金属屑、线、以及毛刺等。这些杂质在高电场作用下会漂浮跳动或发生电晕，从而导致外壳的振动。振动还有机械故障导致振动，如GIS内部螺丝等连接部件松动，开关异常分合等都会导致振动。
[0003]现有技术中，检测GIS柜内振动故障的检测方法有:
[0004]I)、用埋入GIS柜内部的光纤传感器检测电弧光强度；
[0005]2)、通过电气量检测来测量GIS柜局部放电；
[0006]3)、用化学分析法分析放电引起的气体分解成份。
[0007]方法I)是通过光纤传感器检测电弧，可以直接判断电弧发生的位置以及强度，但是这种方法使用非常不方便，需要将检测传感器安装到GIS柜内部。并且光纤传感器价格昂贵，以及无法提前检测潜在故障，往往是在电弧发生同时，才能检测到故障，但为时已晚。该方法只能检测电弧故障。
[0008]方法2)是通过电气法来检测局部放电，主要是通过检测GIS内部电流、电压、磁场等电气量来检测，这种方法使用相对方便。可以直接使用电流互感器、电压互感器、磁场传感器来检测。但是由于潜在故障时，电流、电压、磁场变化量非常微小，导致检测不准确，只能检测电气故障。
[0009]方法3)是用化学分析法分析放电产生的气体，此方法检测比较灵敏，能够在很微弱的放电情况下就可以检测，能够达到提前预警的能力，但是化学法需要将接受器放置在GIS内部，并且分析方法比较复杂，而且不能判断准确的潜在故障位置，该方法只能检测放电故障。
【发明内容】
[0010]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，通过在GIS柜外壳上固定多个振动检测模块，组成一个ZigBee无线传输网络，感应GIS外壳上所产生的振动，各个振动检测模块将振动信息以无线传输方式传送到数据汇集中心模块，数据汇集中心模块将会所有振动检测模块传输到电脑监控中心上。电脑监控中心观察GIS正常振动波形，以及潜在的机械和电气故障导致的振动。从而达到提前预警、提前维护、延长GIS使用寿命、防止事故发生的目的。
[0011]本实用新型采取的技术方案为:
[0012]基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，包括:安装于GIS外壳上的多个振动检测模块、数据汇集中心模块、监控电脑，多个振动检测模块通过无线网络连接数据汇集中心模块，数据汇集中心模块连接监控电脑，每一个振动检测模块包括加速度传感器，加速度传感器连接前置放大电路，前置放大电路分别通过三个不同频带的带通滤波电路。2?10KHZ带通滤波电路、5?17KHZ带通滤波电路、0.25^1.5KHZ带通滤波电路，每一个带通滤波电路均对应连接一个二级放大电路，二级放大电路连接第一单片机模块。
[0013]所述数据汇集中心模块包括第二单片机模块，第二单片机模块通过RS-485总线连接监控电脑，所述第二单片机模块连接LED指示灯，每一个LED指示灯对应一个振动检测模块。
[0014]所述第一单片机模块为Atmegal6单片机，Atmegal6单片机连接第一无线传输模块。所述第二单片机模块为Atmegal28单片机,Atmegal28单片机连接第二无线传输模块。
[0015]所述加速度传感器为FUS-40BT/BR振动加速度传感器。
[0016]所述第一无线传输模块包括nRF24L01无线收发芯片。所述第二无线传输模块包括nRF24L01无线收发芯片。
[0017]所述前置放大电路包括AD620仪表放大器。
[0018]每一个带通滤波电路由两个运放0P37A、电阻、电容连接组成，包括一个高通滤波电路和一个低通滤波电路。
[0019]每一个二级放大电路由一个运放0P37A、可调电阻、滤波电容连接组成。
[0020]所述数据汇集中心模块包括:按键电路、指示灯电路,按键电路由按键B1、按键B2、电阻R1、电阻R2组成，第二单片机模块分别连接电阻Rl —端、电阻R2 —端，电阻Rl另一端、电阻R2另一端接地，电阻Rl —端、电阻R2 —端分别连接按键BI —端、按键B2 —端，按键BI另一端、按键B2另一端连接电源；指示灯电路包括排型LED灯U2，第二单片机模块连接排型LED灯U2 —侧，排型LED灯U2另一侧分别通过电阻R3?Rl2接地。
[0021]本实用新型一种基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，有益效果如下:
[0022]I)、使用方便，多个振动检测模块可以直接安装在GIS外壳上，不需要改变GIS本身结构。
[0023]2 )、检测功能全面，不仅可以检测电气故障，还可以检测机械故障，而且还可以通过振动频率判断故障是有何种原因引起。
[0024]3 )、采用多个振动检测模块、一个数据汇集中心模块模式,使各个振动检测模块相互独立，并且振动检测模块与数据汇集中心模块之间采用无线方式通讯连接，杜绝电磁场对信息的干扰；去除了振动信号检测和数据传输之间的耦合关联；提高振动信号检测的准确性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型系统数据传输结构示意图。
[0026]图2为本实用新型系统振动检测模块内部结构示意图。
[0027]图3为本实用新型系统数据汇集中心模块内部结构示意图。
[0028]图4为本实用新型系统振动信号前置放大电路图。
[0029]图5为本实用新型系统振动信号滤波电路图。
[0030]图6为本实用新型系统振动信号二级放大电路图。
[0031]图7为本实用新型系统无线传输电路图。
[0032]图8为本实用新型系统数据汇集中心模块内部电路图。
【具体实施方式】
[0033]原理分析:
[0034]自由导电粒子为金属杂质时，在GIS柜内电场中运动碰撞外壳所弓I起振动主要频率集中在2kHz?10kHz。自由导电粒子为导线型杂质时，在GIS柜内电场中运动所引起的振动频率主要集中在6kHz?1kHz。由自由导电粒子的运动引起的振动强度可达千分之一个重力加速度甚至千分之几个重力加速度。固定杂质(如GIS中电极表面不平整出现的毛刺、绝缘子中有气穴)的局部放电引起外壳振动频谱范围集中在5kHz?17kHz，区别于自由导电粒子的振动频谱，局部放电主要有I IkHz、16kHz。这种放电产生的电磁波引起的外壳振动加速度一般10_5至10_3个重力加速度。开关操作或变压器铁磁振荡引起的振动频谱，这种机械振动的频率比较低，一般在250HC1.5kHz。但振动强度超过上面两种强度的数倍。
[0035]上述所述“自由导电粒子”、“固定杂质”振动频谱2kHz?1kHz、5kHz?17kHz都是属于潜在故障振动频谱内。“自由导电粒子”在金属柜内是属于有危险的杂质，这些“自由导电粒子”在振动过程中，可能会引发短路，或者局部放电。“固定杂质”是指GIS中电极表面不平整出现的毛刺、绝缘子中有气穴在电场作用下造成局部电场集中而引发局部放电，局部放电产生电磁波引起外壳振动。上述这两种都属于潜在故障范畴。开关操作或变压器铁磁振荡引起的振动频谱250HC1.5kHz属于正常振动。自由导电粒子是指可以移动的小型金属物体。其可分为两类:金属杂质(如:GIS柜内的金属屑，金属片、松动的螺丝等)；导线型杂质(如GIS柜内松动或脱落的导线)。这两类杂质都有可能会在GIS柜内高电场作用下发生振动，从而会引起GIS外壳发生振动。这些振动形式是GIS柜内潜在故障的一种表现形式。当这种振动幅值达到一定程度，就可以判断有潜在故障。
[0036]本实用新型一种基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，结构示意图如图1所示。一个数据汇集中心模块可以最多支持10个振动检测模块，每个振动检测模块内部都有完整的信号处理电路。振动检测模块感应到GIS外壳振动信息后，将振动信息已无线数据形式传送到数据汇集中心模块，数据汇集中心模块然后将汇集到的数据通过RS-485串口送到监控电脑。振动加速度传感器检测到振动信号，将振动信号转换成电信号，然后电信号再通过前置放大电路进行放大，转换成一定幅值的电压信号，电压信号分别通过三个不同频带的带通滤波电路:从上到下，频带分别为2?10kHZ、5?17kHZ、0.25^1.5k进行滤波，各个带通滤波电路出来的信号经过对应的二级放大电路，将信号放大到幅值大小在Atmegal6的AD范围的电压信号。然后Atmegal6通过AD高速采样,得到当前振动信号在哪个频带内，以及当前信号的频率和强度大小。最后Atmegaie单片机将得到的数据通过无线传输到数据汇集中心模块。
[0037]数据汇集中心模块内部结构示意图如图3所示。无线传输部分接受到各个振动检测模块传送多来的数据，并将数据传送给Atmegal28单片机中，Atmegagal28将数据通过RS-485上传到监控电脑上。图3中LED指示灯分别对应一个振动检测模块，通过LED状态来显示振动检测模块是否通讯正常。
[0038]图4是振动信号前置放大电路。该电路的功能有，去除信号中的直流分量，放大信号中的振动交流分量。该电路的运放芯片是有AD系列的AD620仪表放大器，该芯片具有高共模抑制比，能够很好去除振动信号中的共模干扰信号，该芯片还有低噪声，高带宽的特点，能够在放大接近1000倍的条件下，对10kHz以下的交流信号不衰减。该电路由AD620仪表放大器UAl，FUS-40BT/BR振动加速度传感器VSl，电容Cl、C2、C3、C4，电阻Rl、R2、R3、R4组成。FUS-40BT/BR的I号引脚串接一个电容C2 (该电容是用于去除直流分量)连接到AD620仪表放大器UAl的3号引脚，FUS-40BT/BR的2号引脚直接接入AD620仪表放大器UAl的2号引脚。AD620仪表放大器UAl的1、8号引脚之间接一个电阻,该电阻用于调节放大倍数。AD620仪表放大器UAl的4、7号引脚分别接_5V、+5V电源。电容C3、C4分别作为+5V、-5V电源滤波电容。FUS-40BT/BR振动传感器感应到振动后，产生振动电流信号，信号通过电容C2，被去除直流分量后传入仪表放大器，然后交流信号被放大，通过6号引脚输出，被放大的信号会传送到滤波电路中。
[0039]图5振动信号滤波电路。该电路的作用是将放大后的振动信号，分别经过三种不同频带的带通滤波电路滤波，然后得到对应频带的振动信号。在此滤波电路设置了三个带通滤波电路:从上而下分别是2?1kHz、5?17kHz和0.25?1.5kHz。2?1kHz滤波电路对应的是自由导电粒子振动频谱；5?17kHz滤波电路对应的是固定杂质的局部放电引起的振动频谱；0.25^1.5kHz滤波电路对应的是开关操作或变压器铁磁振动频谱。滤波电路中使用的运放全部采用0P37A。每个带通滤波电路由2片0P37A组成。由于3个带通滤波电路的电路形式是一样的，只是元件参数不同。所以接下只对疒1kHz的带通滤波电路做详细介绍。
[0040]带通滤波电路由一个10KHZ低通滤波和一个2KHZ高通滤波组成。
[0041]I)、如图5中0P37A运放UB1、电阻R5?R8，电容R3?R4组成一个1kHz低通滤波电路，“前置放大电路”出来的振动信号，通过电阻R5接入低通滤波电路，通过UBl的6号输出引脚输出频率小于1kHz的振动信号。然后振动信号再传输到高通滤波。
[0042]2)、如图5中0P37A运放UC1、电阻R9?R12、电容C5?C6组成一个2kHz的高通滤波。低通滤波出来的信号通过电容C5接入高通滤波电路，通过UCl的I号引脚输出频带为2kHz^l0kHz的振动信号。该振动信号传输到二级放大电路中。
[0043]图6为振动信号二级放大电路图。.
[0044]I)、信号二级放大电路的功能是对滤波后的信号再进行放大，因为滤波过程除了滤除不需要的频率信号外，或多或少会对需要的振动信号有一定幅值衰减。所以加一个反向放大电路，调节信号幅值，使其满足Atmegal6的AD采样的输入范围。该电路由3片0P37A，电阻R1?R9，电容C1、C6组成。在该电路中有三个放大电路，分别对应滤波电路中的三个不同带通频率的滤波电路，三个放大电路的电路形式是一致的，只是元件参数不同。在此，只对与2?10kHz带通滤波对应的放大电路进行详细介绍。
[0045]该放大电路由图6中0P37A运放UB1、电阻Rf R3，电容Cl、C3组成。在这个电路中通过调节Rl，R2的电阻比值，就可以调节电路放大倍数。电容C1、C3分别是+5V、-5V电源的滤波电容。2?10kHz带通滤波后出来的信号通过电阻Rl进入放大电路，再通过UBl的6号引脚输出。输出的信号连接到Atmegal6单片机的PAO号引脚。另外两个放大电路的放大信号分别输出至Atmegal6单片机的PA1、PA2。
[0046]2)、Atmegal6单片机的PB3?PB8引脚与无线传输模块nRF24L01相连，之间通过SPI协议进行数据交流。Atmegal6单片机的PCO引脚接到一个LED显示灯路，PCO通过电阻RlO接到三极管Ql的基极，三极管Ql的射极接到发光LED灯Dl上，三极管Ql的集电极通过一个电阻Rll接到+5V电源，当Atmegal6单片机的PCO输出为高电平时，三极管Ql导通，LED灯被点亮，反之PCO输出为0，LED灯熄灭。
[0047]图7为无线传输电路。该电路的功能用于振动检测模块和数据汇集中心模块之间的无线传输。传输距离可以达到25m。无线传输电路采用NORDIC公司生产的nRF24L01无线收发芯片，该芯片工作在2.4GHz^2.5GHz的ISM频段。该芯片功耗极低，主要有4种工作模式:接收模式、发送模式、待机模式、掉电模式，当工作在发射模式下发射功率为OdBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗小于1mA。由图 7 可知，该电路由 nRF24L01,电容 Cl、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，电阻 R1、R2，电感 L1、L2、L3，晶振XI，天线组成，各元件参数详见电路图。对于“振动检测模块”一侧的无线，nRF24L01的Γ6号引脚分别与ATMEGA16的PB2、PB3、PB7、PB6、PB5、PB4引脚相连，之间通过SPI协议进行数据传输，ATMEGA16通过SPI对nRF24L01进行收发数据、待机等控制。对于“数据汇集中心” 一侧的无线，nRF24L01的I?6号引脚分别与ATMEGA128的PB5、PB4、PB1、PB3、PB2、PB0引脚相连，之间通过SPI协议进行数据传输，ATMEGA128通过SPI对nRF24L01进行收发数据、待机等控制。
[0048]图8为数据汇集中心模块内部电路。该电路由4个部分组成:按键电路、指示灯电路和485传输电路。
[0049]按键电路有两个控制按键，电路由按键B1、B2、电阻Rl、R2组成。Atmegal28单片机Ul的PF7号引脚通过按键BI与+5V电源相接，并且还通过Rl电阻接地；Atmegal28单片机Ul的PF6号引脚通过按键B2与+5V电源相接，并且还通过R2电阻接地。按键BI功能是在新增加或减少“振动检测模块”后，用于对模块重新搜索。按键B2功能是用于开通或关闭数据采集功能。当BI按下后，+5V电源导通，Atmegal28单片机Ul的PF7号引脚上为5V，表示按键按下；当按键BI弹开后，5V电源断开，电阻Rl作为下拉电阻使Atmegal28单片机Ul上的PF7号引脚为0V，表示BI断开。按键B2原理与BI —致
[0050]指示灯电路主要功能是通过LED来显示哪个振动检测模块连接成功。该电路由排型LED灯U2，电阻R3?R12组成。排型LED灯U2的I?10号引脚分别与Atmegal28单片机Ul的PB6、PB7、PC(TPC7号引脚相连，排型LED灯U2的11?20号引脚分别通过R3?R12接到地。U2从右至左LED灯，分别标号为Dl?DlO，其中D1?D9分别对应振动检测模块01?09。数据汇集中心模块与哪个振动检测模块连接成功，Atmegal28单片机Ul就会驱动那个LED灯变亮，从而达到一种的提示效果。DlO是采集中心工作的指示灯。
[0051]485传输电路主要功能是将单片机自带的USART串行协议转换成485半双工的协议，并将采集到的数据传送至电脑上。该电路由SP3485协议转换芯片U3，非门U4组成。SP3485是协议转换芯片，将USART串行协议转换成RS485半双工协议。U3的1、4号引脚(发送、接收)分别接到Atmegal28单片机Ul的PE0、PE1号引脚(对应单片机的USART串行端口的TXD、RXD)。Atmegal28单片机Ul的PE2号引脚直接连接到U3的3号引脚，还通过非门U4连接到SP3485协议转换芯片U3的2号引脚，SP3485协议转换芯片U3的2、3号引脚分别是U3的1、4号引脚的使能端，2号引脚是低电平使能，3号引脚是高电平使能。由于RS485是半双工通讯，收、发数据不能同时进行。采用非门电路，可使单片机Ul通过一个引脚就可以控制U3的接收和发送功能切换使能，优化资源利用。U3的6、7号引脚通过电阻R15、R16与9针串口 Pl连接，通过串口 Pl就可以与电脑之间通过485协议通讯。其中电路二极管的Dl、D2、D3是线路防止电流冲击。电阻R15、R16是传输线路匹配阻抗。
[0052]单片机Atmegaie通过AD，对振动波形进行连续采样，采样周期为5us，得到各个时间的幅值，并在通过一段时间内采样值来计算出振动波形频率和最大幅值。再将采样值、频率、最大幅值等数据上传到监控电脑并保存在电脑上。使用人员通过调取数据，在通过数学软件MATLAB绘制波形，并结合频率和最大幅值，判断潜在故障是那种类型，以及潜在故障的危险程度。
【权利要求】
1.基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，包括:安装于GIS外壳上的多个振动检测模块、数据汇集中心模块、监控电脑，多个振动检测模块通过无线网络连接数据汇集中心模块，数据汇集中心模块连接监控电脑，其特征在于， 每一个振动检测模块包括加速度传感器，加速度传感器连接前置放大电路，前置放大电路分别通过三个不同频带的带通滤波电路:2?10KHZ带通滤波电路、5?17KHZ带通滤波电路、0.25^1.5KHZ带通滤波电路，每一个带通滤波电路均对应连接一个二级放大电路，二级放大电路连接第一单片机模块； 所述数据汇集中心模块包括第二单片机模块，第二单片机模块通过RS-485总线连接监控电脑，所述第二单片机模块连接LED指示灯，每一个LED指示灯对应一个振动检测模块。
2.根据权利要求1所述基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，其特征在于，所述第一单片机模块为Atmegal6单片机，Atmegal6单片机连接第一无线传输模块。
3.根据权利要求1所述基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，其特征在于，所述第二单片机模块为Atmegal28单片机,Atmegal28单片机连接第二无线传输模块。
4.根据权利要求1所述基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，其特征在于，所述加速度传感器为FUS-40BT/BR振动加速度传感器。
5.根据权利要求2所述基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，其特征在于，所述第一无线传输模块包括nRF24L01无线收发芯片。
6.根据权利要求3所述基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，其特征在于，所述第二无线传输模块包括nRF24L01无线收发芯片。
7.根据权利要求1所述基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，其特征在于，所述前置放大电路包括AD620仪表放大器。
8.根据权利要求1所述基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，其特征在于，每一个带通滤波电路由两个运放0P37A、电阻、电容连接组成，包括一个高通滤波电路和一个低通滤波电路。
9.根据权利要求1所述基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，其特征在于，每一个二级放大电路由一个运放0P37A、可调电阻、滤波电容连接组成。
10.根据权利要求1所述基于振动传感器、ZigBee无线模块的GIS柜在线检测系统，其特征在于，所述数据汇集中心模块包括:按键电路、指示灯电路，按键电路由按键B1、按键B2、电阻R1、电阻R2组成，第二单片机模块分别连接电阻Rl —端、电阻R2 —端，电阻Rl另一端、电阻R2另一端接地，电阻Rl —端、电阻R2 —端分别连接按键BI —端、按键B2 —端，按键BI另一端、按键B2另一端连接电源；指示灯电路包括排型LED灯U2，第二单片机模块连接排型LED灯U2 —侧，排型LED灯U2另一侧分别通过电阻R3?Rl2接地。
【文档编号】G01H17/00GK204007861SQ201420445076
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】关小芳 申请人:三峡大学