专利名称：中压开关设备智能状态监测方法
技术领域：
本发明涉及中压电网变电领域，特别涉及中压电网开关设备技术领域，具体是指一种中 压开关设备智能状态监测方法。
背景技术：
现代社会中，随着变电站综合自动化系统和配电自动化系统的发展与应用，开关设备的 智能化成为必然趋势。现有技术中的开关设备均缺乏智能监控功能，无法实现微机测量、微 机保护、与监控系统主机通信以及对开关设备运行状态在线监测等功能，从而给中压电网的 安全可靠运行带来了很大的障碍和影响。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够有效进行中压电网运行状 态智能监控、实现过程简单、工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛的中压开关设备智能状 态监测方法。
为了实现上述的目的，本发明的中压开关设备智能状态监测方法如下 该中压开关设备智能状态监测方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤
U)采集中压电网的电压和电流信号；
(2 )将采集到的电压和电流信号进行隔离变换处理；
(3 )对隔离变换后的电压和电流信号进行交流采样；
(4)根据交流采样得到的信息进行电压和电流有效值的计算处理；
(5 )计算中压电网的三相有功功率和三相总^L在功率；
(6) 计算中压电网的无功功率和功率因数；
(7) 计算中压电网的有功电能和无功电能；
(8 )根据所得到的有功电能和无功电能进行相应的后续监控处理操作。 该中压开关设备智能状态监测方法中的采集中压电网的电压和电流信号，具体为 利用中压电网中电流互感器和电压互感器对两个线电压和两相电流进行交流采样。该中压开关设备智能状态监测方法中的进行隔离变换处理，具体为 利用集成运算放大器进行电压和电流信号的隔离变换处理。
该中压开关设备智能状态监测方法中的交流采样中每周波的采样点数为12、 16、 20或 24 ，采样间隔为0.8 - 1.8毫秒之间。
该中压开关设备智能状态监测方法中的进行电压和电流有效值的计算处理，具体为 根据以下公式计算电压有效值t/和电流有效值/:
其中，N为每周波采样点数，取值为12、 16、 20、 24, %、 ！^为电压、电流的第/t次离 散采样值。
该中压开关设备智能状态监测方法中的计算中压电网的三相有功功率和三相总视在功 率，包括以下步骤
(11 )根据以下公式计算中压电网的三相有功功率尸
(12)根据以下公式计算中压电网的三相总视在功率S:
该中压开关设备智能状态监测方法中的计算中压电网的无功功率和功率因数，包括以下
步骤
(21 )根据以下公式计算中压电网的无功功率g:
(22 )根据以下公式计算中压电网的功率因数cos ^ :
cos—P/S 。
该中压开关设备智能状态监测方法中的计算中压电网的有功电能和无功电能，包括以下 步骤
(31 )根据以下公式计算中压电网的有功电能P^:(32 )根据以下公式计算中压电网的无功电能:
采用了该发明的中压开关设备智能状态监测方法，由于其能对电网三相电压、三相电流、
有功功率、无功功率、功率因数和电能等电力参数进行测量；具有带时限过电流、电流速断 和单相接地保护功能，并有故障录波功能，记录电网故障前后IO个周期的电流波形；具有在 线监测与诊断功能，能对监测到的数据进行分析和处理，判断开关设备的剩余使用寿命和计 算出維修期限；同时还可以与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信，从而具有通信 功能和简单的开关设备状态监测功能，而且实现过程简单，运行成本较低，工作性能稳定可 靠，适用范围较为广泛。
图1为本发明的中压开关设备智能状态监测方法的工作流程图。
具体实施例方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。 请参阅图l所示，该中压开关设备智能状态监测方法，其中包括以下步骤
(1) 采集中压电网的电压和电流信号，具体为
利用中压电网中电流互感器和电压互感器对两个线电压和两相电流进行交流采样；
(2) 将采集到的电压和电流信号进行隔离变换处理，具体为 利用集成运算放大器进行电压和电流信号的隔离变换处理；
(3) 对隔离变换后的电压和电流信号进行交流采样，相应的采样点数为12、 16、 20或 24,采样间隔为0.8 ~ 1.8毫秒之间；
(4 )根据交流采样得到的信息进行电压和电流有效值的计算处理，具体为 根据以下公式计算电压有效值t/和电流有效值/:<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，N为每周波采样点数，取值为12、 16、 20、 24, ^、 ！、为电压、电流的第/c次 离散采样值；
(5)计算中压电网的三相有功功率和三相总视在功率，包括以下步骤
(a )根据以下公式计算中压电网的三相有功功率P:
<formula>formula see original document page 7</formula>(b)根据以下公式计算中压电网的三相总视在功率&
<formula>formula see original document page 7</formula>
(6) 计算中压电网的无功功率和功率因数，包括以下步骤 (a)根据以下公式计算中压电网的无功功率2:<formula>formula see original document page 7</formula>
(b )根据以下公式计算中压电网的功率因数cos 0:
(7) 计算中压电网的有功电能和无功电能，包括以下步骤
(a) 根据以下公式计算中压电网的有功电能:
(b) 根据以下公式计算中压电网的无功电能P^,:
(8 )根据所得到的有功电能和无功电能进行相应的后续监控处理操作。 在实际使用当中，所迷的智能单元以Intel 87C196KC单片机为核心，由单片机基本系统、 模拟量采集电路、开关量输入/输出电路、RS-485串行通信接口、键盘与LCD显示电路、电 源等部分组成。各单元电路采用模块式插件结构，所有插件封装在一个金属外壳内，通过防 震緩冲装置安装在开关设备上(开关拒原有的仪表继电器室或断路器外壳的小间隔内)。 单片机基本系统如下
单片机基本系统由CPU及扩展的存储器组成。CPU选用高性能的Intel 87C196KC芯片。 87C196KC是16位单片机，其运算速度快(主频可运行到20 MHz );片内有512 B数据存储 器RAM和16kB程序存储器，后者可用于固化应用程序；具有4个高速输入通道(HSI)和 4个高速输出通道(HSO),可用于开关量的输入与输出，而且HSO能产生和输出宽度与周 期均可调的PWM (脉宽调制)信号；片内有8个才莫拟量输入通道(P0: ACHO-ACH7)以及多路转换器、采样保持器和1个10位A/D转换器。
系统在CPU外扩1片6264A ( 8kB ) RAM,用于记录故障发生前后电流波形^l丈据。尽管 87C196KC片内有16 kB的程序存储器，但由于应用程序较大，容量不敷使用，所以外扩1 片2764A ( 8 kB ) EPROM程序存储器。另外扩展1片串行E2PROM存储器X25043芯片， 其内部集成了 Watchdog定时器、上电复位控制器和512 B容量的E2PROM。 E2PROM用于 存储保护整定值等运行参数，可以重新写入。
模拟量采集电路如下
测量和保护功能的实现要采集电网的电压和电流信号。模拟量采用交流采样方式，信号 来自电网的电流互感器(CT)和电压互感器(PT)。在中压电网，测量和保护一般只需采集 两个线电压和两相电流，每相电流又分为测量信号和保护信号。为实现小电流接地电网的单 相接地保护，需从零序电流互感器耳又得零序电流或/人Y0/Y0/开口 A4矣线的电压互感器的开口 △两端取得零序电压信号。
来自标准CT和PT的电流和电压信号不能适应单片机A/D转换器的输入范围要求，需 进行变换。同时，智能单元还要与强电系统隔离。本发明的具体实施方案中采用市售的微型 互感器完成模拟信号的隔离变换和电压形成工作。
这种微型互感器小巧轻便，能直接焊接在印刷电路板上，全树脂密封，隔离度高。输入 端接标准CT或PT 二次侧。二次侧加一级运算放大器(OP07型)将电流量变换成电压量， 通过调节运算放大器的反馈电阻Rl,在输出端得到所要求的电压输出。
模拟量输入电路的采样保持、多路开关和模数转换环节采用一块Maxim公司的MAX197 芯片，它是单电源、多量程、8路输入带内部采样/保持和多路开关、时钟、基准电压的12位 信号采集系统，转换时间为6.0ps。
对于开关量输入/输出电路
输入的开关量包括两类 一类是断路器、隔离开关等设备的辅助触点和有关继电器的接 点，以检测这些设备的工作状态(开还是合)；另一类是智能单元装置的一些接点，例如开关 量输出回路的继电器接点和装置面板上的切换开关。输出的开关量包括断路器跳闸脉冲和信
开关量的输入/输出通过87C196KC单片机的高速输入通道(HSI)和高速输出通道 (HSO),但必须利用光电耦合器使弱电与强电隔离。跳闸脉冲信号应有一定的宽度，这可以 方便地由87C196KC单片机的PWM信号形成。跳闸信号由CPU输出锁存器控制驱动电路， 使相应的中间继电器动作。通信接口电路如下
开关设备的智能单元与变电站综合自动化系统的主机之间的通信采用RS-485串行通信 方式。RS-485为半双工通信，最大通信距离为1200m,此时的数据传输速率为100kb/s;如 果通信距离为120m，则数据传输速率可达1 Mb/s。为了简化通信机制，采用只有2条信号 线的最简型连接。其中，单片机TXD (串行输出)端口输出的TTL逻辑电平信号通过光电隔 离(6N137)，由MAX485芯片转换为RS-485电平信号，发送给监控系统主机。反之亦然。 具体电路及原理可参考现有技术的如下相关文献
黄绍平，秦祖泽.智能化电器RS-485通信设计[J].低压电器，2003, (3 ): 24-26。
算法过程如下
智能单元采用交流采样方式，每周波的采样点数可选12、 16、 20或24,即采样间隔在 0.8 1.8ms之间。 测量算法如下 电压、电流有效值为
<formula>formula see original document page 9</formula>
(1)
<formula>formula see original document page 9</formula>(2)
式中N为每周波采样点数，取值为12、 16、 20、 24, ^、 ^为电压、电流的第次离 散采样值。
中压电网为小电流接地系统，功率可用两瓦计法计算。三相总有功功率离散化后的计算 式为
<formula>formula see original document page 9</formula>
三相总视在功率如下
<formula>formula see original document page 9</formula>
据此可计算出无功功率和功率因数
<formula>formula see original document page 9</formula>
(3)
<formula>formula see original document page 9</formula>(4)<formula>formula see original document page 10</formula> ……(5) <formula>formula see original document page 10</formula>...... (6)
有功电能和无功电能按下式计算
<formula>formula see original document page 10</formula> ……(8)
须指出，以上方法计算的电能量，精度可能满足不了电能计量的要求，只适于内部考核
使用。测量误差主要包括两方面测量中的截断误差和采样不同步误差。由于电压、电流、 功率的测量值均采用离^t化处理，因而有截断误差。采样不同步误差是由于电网频率波动， 采样频率不能严格保持与电网频率同步产生的。如果采取硬件测量电网频率，以此频率决定
采样的时间间隔，可以提高测量精度。
对于开关设备的状态监测来说，需要监测的项目较多，如机械性能、载流导体温度、凝 露、电气绝缘性能等。这些监测经济代价大，实现也困难，有无必要值得商榷。不过，中压 开关设备的状态监测仍可考虑以下几项
① 断路器操作次数统计一监测断路器是否达到规定机械寿命次数或达到需要进行维修 的次凄t;
② 开断电流加权值一间接监测断路器触头的电磨损，预测其剩余电寿命；
③ 母线连接处温度。前两项根据电流采样值和软件处理就可以做到，母线温度监测采用 数字温度传感器不难实现。
智能单元的软件由调试程序和运行程序构成。执行哪一程序由面板上的工作方式选择开 关或LCD显示屏上的菜单决定。调试程序的主要任务是对智能单元各插件调试和设置保护动 作值，通过键盘命令来实现。运行程序包括以下功能模块
① 对智能单元的各部分初始化；
② 对交流电压和电流定时采样和数据处理；
③ 保护逻辑判断和跳闸处理；
对开关量进行采集，并对跳闸命令执行情况反馈；
⑤ 串行通信中断服务程序；
⑥ 键盘中断服务程序；
⑦ 自检循环并发报警信号；
⑧ 显示。
采用了上述的中压开关设备智能状态监测方法，由于其能对电网三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数和电能等电力参数进行测量；具有带时限过电流、电流速断 和单相接地保护功能，并有故障录波功能，记录电网故障前后IO个周期的电流波形；具有在 线监测与诊断功能，能对监测到的数据进行分析和处理，判断开关设备的剩余使用寿命和计 算出维修期限；同时还可以与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信，从而具有通信 功能和简单的开关设备状态监测功能，而且实现过程简单，运行成本较低，工作性能稳定可 靠，适用范围较为广泛。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种 修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限 制性的。
权利要求
1、一种中压开关设备智能状态监测方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤(1)采集中压电网的电压和电流信号；(2)将采集到的电压和电流信号进行隔离变换处理；(3)对隔离变换后的电压和电流信号进行交流采样；(4)根据交流采样得到的信息进行电压和电流有效值的计算处理；(5)计算中压电网的三相有功功率和三相总视在功率；(6)计算中压电网的无功功率和功率因数；(7)计算中压电网的有功电能和无功电能；(8)根据所得到的有功电能和无功电能进行相应的后续监控处理操作。
2、 根据权利要求1所述的中压开关设备智能状态监测方法，其特征在于，所述的采集中 压电网的电压和电流信号，具体为利用中压电网中电流互感器和电压互感器对两个线电压和两相电流进行交流采样。
3、 根据权利要求1所述的中压开关设备智能状态监测方法，其特征在于，所述的进行隔 离变换处理，具体为利用集成运算放大器进行电压和电流信号的隔离变换处理。
4、 根据权利要求1所述的中压开关设备智能状态监测方法，其特征在于，所述的交流采 样中每周波的采样点数为12、 16、 20或24，采样间隔为0.8 ~ 1.8毫秒之间。
5、 根据权利要求1所述的中压开关设备智能状态监测方法，其特征在于，所述的进行电 压和电流有效值的计算处理，具体为才艮据以下公式计算电压有效值"和电流有效值/:其中，N为每周波采样点数，取值为12、 16、 20、 24， ^、 ^为电压、电流的第A:次离 散采样值。
6、根据权利要求5所述的中压开关设备智能状态监测方法，其特征在于，所述的计算中 压电网的三相有功功率和三相总碎见在功率，包括以下步骤 (11 )才艮据以下公式计算中压电网的三相有功功率户<formula>formula see original document page 3</formula> (12)根据以下公式计算中压电网的三相总视在功率&
7、根据权利要求6所述的中压开关设备智能状态监测方法，其特征在于，所述的计算中 压电网的无功功率和功率因数，包括以下步骤(21 )根据以下公式计算中压电网的无功功率g:d2-P2 ; (22)根据以下公式计算中压电网的功率因数cos^ :cos—i3/51 。
8、根据权利要求7所述的中压开关设备智能状态监测方法，其特征在于，所述的计算中 压电网的有功电能和无功电能，包括以下步骤(31 )根据以下公式计算中压电网的有功电能^:(32 )根据以下公式计算中压电网的无功电能砂:,
全文摘要
本发明涉及一种中压开关设备智能状态监测方法，包括采集中压电网的电压和电流信号、进行隔离变换处理、进行交流采样、进行电压和电流有效值的计算处理、计算三相有功功率、三相总视在功率、无功功率、功率因数、有功电能和无功电能、进行相应的后续监控处理操作。采用该种中压开关设备智能状态监测方法，具有带时限过电流、电流速断和单相接地保护功能，并有故障录波功能，具有在线监测与诊断功能，能对监测到的数据进行分析和处理，判断开关设备的剩余使用寿命和计算出维修期限；还与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信，具有通信功能和简单开关设备状态监测功能，而且实现过程简单，运行成本较低，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。
文档编号G01R31/00GK101441240SQ20081020763
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者煜 凌, 刘永辉, 王道宏, 芦定军 申请人:上海德力西集团有限公司