微机直流系统故障监测装置及其监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种微机直流系统故障监测装置及其监测方法，负载连接在每一直流线路中，直流线路的进线始端与出线末端之间串接有电阻R1和R2，每一直流线路的进线和出线都穿过一个霍尔传感器的穿芯孔，霍尔传感器的输出信号经A/D转换器输入CPU，键盘与集成接收处理器连接，集成接收处理器与CPU连接，报警器以及液晶显示屏分别与CPU连接；CPU经485接口与上位机连接，上位机经RS232或485与系统网络连接。本装置既能直观显示直流电源故障类型，又能报警提示，具有实时、在线智能监测变电站用直流电源故障的优点。
【专利说明】微机直流系统故障监测装置及其监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及直流电源故障监测装置及方法，特别是电力系统用直流电源的电子故障监测装置及方法。
【背景技术】
[0002]在电力系统，通讯、继保、中央信号、开关跳合闸等，都广泛应用直流电源来完成相关任务。故该系统分支线路多，网络复杂，而受潮、接地、冲击、短路等故障常有发生。过去，在无自动故障监测装置时，出了故障，是靠人工手动拉闸，采用逐条停电的方式寻找故障线路，这样既繁琐，又造成正常线路受到停电影响。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种微机直流系统故障监测装置，以实时智能监测直流电源故障，既能直观显示又能报警提示。
[0004]本发明的目的是这样实现的:一种微机直流系统故障监测装置，包括多个直流线路中的每一直流线路的进线与出线之间连接有负载L，所述多个直流线路中每一直流线路上以相同方式设置有一个霍尔传感器:每一直流线路的进线始端与出线末端之间串接有两个相同的电阻Rl、R2，且每一直流线路的进线和出线穿过该霍尔传感器的穿芯孔，两个电阻R1、R2的结点经导线与该霍尔传感器的接线端子排中的电源地连接；上述霍尔传感器的输出信号顺 次传输至A/D转换器和CPU ;键盘与集成接收处理器连接，集成接收处理器与CPU连接，报警器以及液晶显示屏分别与CPU连接；CPU经485接口与上位机连接，上位机经RS232或485与系统网络连接。
[0005]还具有用于霍尔传感器的±15V电源以及用于CPU的±5V电源:所述直流线路的母线连接降压器，或者，所述直流线路的母线连接降压器以及分压器。
[0006]所述CPU型号为MCS-96，所述A/D转换器型号为AD0804 ;所述报警器为蜂鸣器。
[0007]本发明的又一目的是提供一种电力系统用直流电源的电子故障监测装置及方法。
[0008]本发明的又一目的是这样实现的:一种微机直流系统故障监测方法，按以下步骤进行:
1)、首先进行人机对话，从键盘输入被监测直流线路数N和电压等级V，V为48VU10V或220V，以确定比较判断值；
2)、再设置每条线路采集时间间隔t，t取为5秒；
3)、由多个霍尔传感器HRl-n—一对应各被监测直流线路FZl-n进行采样，上述霍尔传感器的输出信号经A/D转换为数字信号送给单片机进行比较判断:当Vw < Vn时，或者当Vw-≥Vn-时,返回单片机作循环处理，当Vw > Vn,贝U判断为正接地故障，当Vw- < Vn-时，则判断为负接地故障为从电源U +到负载L的一段接地时，经霍尔传感器采样后输出的信号电压；Vw-为从负载L回到电源U -的一段接地时，经霍尔传感器采样后输出的信号电压；Vn和Vn-分别为Vw和Vw-在本装置内部对应设置的基准电压比较值； 4)、上述步骤3)中发现故障时，在液晶显示屏上显示出线路号以及故障时间。
[0009]还具有以下步骤:当单片机处理后的信号通过485串口输出至上位机，上位机的信号输出至系统网络。
[0010]针对电力直流系统线路多，故障较为频繁，但线路号和故障性质难于查找的问题，我们研制设计了本装置，装置有如下突出要点:
1、运用先进的霍尔采样技术，解决直流采样难的问题。并不改变网络主接线，不注入任何信号，对直流系统无任何附加影响。
[0011]2、引入微机技术，增强智能化水平，能在线实时监测，能自动判断欠压、过压、正接地、负接地、线路号及故障时间等相关事故信息，以便于及时、准确处理，从而减少事故的进一步扩大，有效提高电力系统的安全稳定性。
[0012]3、传感器与主机采用485接口作数字信号传输，接线少，每一组采用4芯屏蔽电缆即可、连接使用方便，抗干扰能力强。
[0013]4、直接从直流电网中索取工作电源，避免了工频干扰。
[0014]5、可记忆接地故障及报警信号，装置掉电后信息不丢失。
[0015]6、显示屏汉化处理，操作简便，用户在无电脑知识的情况下也能使用本装置。
[0016]7、装置设有RS232、422、485通讯接口 ；波特率、通讯参数可软件设定。
[0017]8、可用于主、分屏直流系统，装置可作为主机或分机扩展使用。
[0018]本装置技术先进完善，使用方便灵活，在电力系统中可在线监测正接地、负接地等多种故障类型，有利于大力推广，将为电力系统的稳定运行产生有效作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是霍尔传感器穿线采样图。
[0020]图2是霍尔传感器采样电路图。
[0021]图3是霍尔传感器件故障采样电路。
[0022]图4是传感器并联相接图。
[0023]图5是微机直流故障监测装置结构框图。
[0024]图6是直流线路故障监测程序流程图。
[0025]图7是本发明微机直流故障监测装置面板图。
【具体实施方式】
[0026]信号采集原理
直流电不像交流电，电磁场很弱，采样困难。为此，本装置运用了先进的霍尔技术，解决了这样的问题。霍尔传感器是一种半导体器件，在无电流通过时，处于固定状态；当直流系统出现接地现象，产生不平衡电流，在霍尔传感器中将激活电荷，送出对应变化的电信号。我们再将这些信号传送给主机，经软、硬件处理，完成比较、判断、显示、报警等工作。本装置的采样接线如图1所示，霍尔电流传感器型号是CS1000EK2。
[0027]在图1中，被测直流线路I穿过霍尔传感器2的穿芯孔3，4是接线端子排，其中a为+15V、b为-15V、c为采样信号输出端、d是公共地(即电源地)，5为器件基座，6是横竖固定孔(安装用)，可根据现场位置做选用。在本图中只要被测线穿过穿芯孔3，接上工作电源，即可进入被监测状态。
[0028]一种电力系统直流电源故障监测装置，多个直流线路中的每一直流线路的进线与出线之间连接有负载L，所述多个直流线路中每一直流线路上以相同方式设置有一个霍尔传感器2:每一直流线路的进线始端与出线末端之间串接有两个相同的电阻Rl、R2，且每一直流线路的进线和出线穿过该霍尔传感器2的穿芯孔3，两个电阻Rl、R2的结点经导线与该霍尔传感器的接线端子排中的电源地连接；上述霍尔传感器的输出信号顺次传输至A/D转换器和CPU ;键盘与集成接收处理器连接，集成接收处理器与CPU连接，报警器以及液晶显示屏分别与CPU连接；CPU经485接口与上位机连接，上位机经RS232或485与系统网络连接。
[0029]图2是霍尔传感器采样电路图，其中相同电阻Rl、R2 (R1=R2)与负载L的前端和后端形成平衡桥作用，正常时无差异电量，则无信号输出。当有故障时，平衡桥被破坏，霍尔传感器采集到信号，经转换处理，在图1的c端子送出相关电信号。通过电桥作用，更提高了采样灵敏度。
[0030]在采样装置内部，当直流系统没有接地故障时，穿过霍尔器件的电流i +和i _大小相等，方向相反。
[0031]故:i+ + i _=0
因为i +和1-的合成电流为O,合成磁场亦为O,故传感器中无信号输出。
[0032]当系统中出现接地故障时，产生接地电流i C1, i。经大地形成回路，电桥平衡被打破，霍尔传感器A内因增加了 i。触动，因此在副边输出感应电信号，传送给主机作分析处理。整个过程如图3所示。
[0033]在图3中，其电流关系如以下计算式:
i + = i ο + i+'
i +' + i —= O
i + — i+': = i ο
由图3和计算推导可见，当出现接地故障时，会产生接地电流i C1，正常工作电流i /和i —仍然互相抵消，剩下i C1，将由霍尔器件采集到，转化成监测电信号，在c端输出，达到采样目的。
[0034]经现场使用证明，本装置霍尔采样器分辨率可达UA级。并且选线速度快、准确率高，达到98%以上。
[0035]直流系统有小母线，小母线带有多条分支线路，所以，往往要用到数十个传感器。若这些传感器都和主机相连，则无疑线路太多，太庞杂，不仅占据空间大，而且连接检查极不方便，还容易出现错误等。为此，我们选用了适合485接口的通讯传输格式，使每只传感器c端输出信号线都并联相接，如图4所示:
在图4中，有多条被监测直流线路，故配置了多个霍尔传感器，每个传感器的±15V电源和采集到的电信号并联传送给主机，再由主机完成后续的比较、判别、显示、报警等工作。
[0036]主机工作原理
本微机直流故障监测装置结构请见图5:
从图5可以看到，装置由虚线分开，分内外两部分，我们将在后面作分别介绍。
[0037]霍尔采样部分 本监测装置外部主要由负载线和传感器组成。各支路负载FZl-n在直流小母线(此以I段为例)u+、u-上引接工作电源，正负线都穿过穿入霍尔采传感器HRl-n的中心孔。在负载线路中，不论是正常还是故障，主要以电流形式体现，正常时，因电源与负载是闭环工作，正负电流相等，所以，磁场也是相等并反向抵消，由此，霍尔器件副边端子无信号输出。而当发生接地故障时，不论是正接地还是负接地，将多出接地电流，平衡被破坏，这样，便会产生出额外磁场，该磁场将被敏感的霍尔传感器扑捉采集，转变为电信号，传送给虚线框内的主机。
[0038]霍尔传感器和内部电路都需要直流工作电源，为减少设备投资和工频干扰，故，本装置未采用常规交直流变换方式，而是采取了直接从直流电网中索取电源，经降压、分压等处理，得到±15V和±5V工作电压，供与霍尔器件和内部集成块使用。传感器采集到的信号用485接口方式传送，加上电源线，采用了四芯屏蔽电缆，如图5中双向连接所示。
[0039]智能处理部分
在直流故障监测中，霍尔传感器采集到并转换了的电信号，经485接口接入到图5的主机中，将进行一系列的技术处理。
[0040]A/D 转换
因霍尔传感器采集并转换成的电压是模拟信号，而MCS-96型16位CPU芯片响应的是数字信号，所以，首先，装置前端要经放大、整形以及A/D转换等处理。本装置具体采用的是AD0804型A/D转换器，将采集到的模拟信号转变成数字信号，再由数据总线传送给CPU，进行比较判断等工作。
[0041]装置硬件
除A/D转换器外，装置内部还有石英晶体振荡器，分频、计数器等，以产生年、月、日、时、分、秒走时信号，其用途是既确定扫描间隔、循环周期，又记录故障发生时间，便于分析处理。
[0042]在图5的右侧，设有键盘和IOP (I/O Processor)集成接收处理器，该处理器是RAID控制器的指令中心，实现包括命令处理，PCI和SCSI总线数据传输等，在与键盘相互配合中，完成人机对话，可作被测支路、传感器号、电压门槛值、报警启动值、时间校正、通讯规约等设置；又可结合液晶显示屏作故障线路号、接地电阻值、故障时间等调看和查询。
[0043]而CPU智能芯片MCS-96型通过地址总线和数据总线，接收霍尔传感器和键盘人工设置的双重信号，开始工作，既按周期循环选线，采集每条支路的信号，进行比较、判断、计算、存储等处理。随后，将处理结果送液晶屏显示、蜂鸣器(报警器一种)报警，还将信号传送给上位机，作更宽范围、更大功效的判别、编排、制表、存储等处理，还按现场适应的通讯规约，经232、485接口等将信号传递到系统网络上，使领导和生产安全管理人员在远方也能了解和掌握情况，及时作出事故分析、排查处理，保证直流系统的安全运行。
[0044]软件流程
据前面所述，在直流故障监测中，将霍尔采集信号和键盘输入指令送给主机作比较判断，并将结果进行显示和远传网络系统，对此，我们绘制出相关软件流程图，如图6。
[0045]一种微机直流系统故障监测方法，按以下步骤进行:
I)、首先进行人机对话，从键盘输入被监测直流线路数N和电压等级V，V为48VU10V或220V，以确定比较判断值；2)、再设置每条线路采集时间间隔t，t取为5秒；
3)、由多个霍尔传感器HRl-n—一对应各被监测直流线路FZl-n进行采样，上述霍尔传感器的输出信号经A/D转换为数字信号送给单片机进行比较判断:当Vw < Vn时，或者当Vw-≤Vn-时,返回单片机作循环处理，当Vw > Vn,贝U判断为正接地故障，当Vw- < Vn-时，则判断为负接地故障为从电源U +到负载L的一段接地时，经霍尔传感器采样后输出的信号电压；Vw-为从负载L回到电源U -的一段接地时，经霍尔传感器采样后输出的信号电压；Vn和Vn-分别为Vw和Vw-在本装置内部对应设置的基准电压比较值；
4)、上述步骤3)中发现故障时，在液晶显示屏上显示出线路号以及故障时间。
[0046]还具有以下步骤:当单片机处理后的信号通过485串口输出至上位机，上位机的信号输出至系统网络。
[0047]从图6可见，装置首先进行人机对话，从键盘中输入被监测线路数N和电压等级V(含48V、110V、220V)，以确定比较判断值；再设置每条支路采集时间间隔t，这是做延时处理，以避免瞬时冲击，确认故障的真实性和延续性，本装置取t为5秒。
[0048]当内部参数设置完成，便进行数据转换处理，形成单片机能识别的二进制码，输送给CPU作比较用。
[0049]另一侧，由HRl-n霍尔传感器对应各被监测支路FZl-n进行采样，并经A/D转换为数字信号，送给单片机进行比较判别。因外部线路较长，会出现从电源U+到负载的一段接地，经霍尔采集转换后，输出电压信号为正，我们将其命名为Vw ;也有从负载回到电源U-的一段接地，经霍尔采集转换后，输出电压信号为负，我们将其命名为Vw-。而装置内部对应设置的基准比较值，我们则命 名为Vn和Vn-(脚标字母W、η分别代表外和内)。
[0050]正常时，外部采集信号Vw接近于0，必然小于内部基准信号Vn，即Vw < Vn，所以从比较器的N端输出，继续“循环访问”。
[0051]当某支路出现接地故障后，平衡被打破，霍尔传感器采集到的信号，经A/D转换后，传送给单片微机进行比较判别，当出现Vw > Vn或Vw- < Vn-时，信号从比较器的Y端输出。
[0052]在“循环访问”中，是按程序逐线进行，时间也是跟随的，所以，当发现故障时，装置内部已经将其记录和储存，在Y端输出信号中，将作为“线路号”和“故障时间”两项主要内容，提供给液晶显示屏。
[0053]Y端输出的信号还根据内部比较结果的不同，传送的信息和走向有别，分别启动“正接地”或“负接地”阀门，提供给液晶屏做不同故障类型显示。
[0054]当CPU处理完毕后，相关信号又经485串口送到上位机，进行多段监视线路的整合与归类等处理，使之更加规范化、系列化。随后再经RS232或485接口，采用现在最常用的TCP/IP通讯协议，传送给系统网络，使相关领导和安全技术管理部门在远方也能了解直流系统工作情况，对监测到的故障做出进一步检查、维修处理，以免事故的蔓延，由此，提高安全系数。
[0055]面板图示本直流故障监测装置的外部涉及观测查看和键盘操作等，故需合理布局，为此，我们将面板设计如图7所示。
[0056]在图7中，各器件功能是:
液晶显示屏:每屏可显示汉字4行，每行8个汉字，英文为8行，各行16个文字符；相同内容一个屏，不同内容做翻屏处理；采用汉字为主显示，以便于观察识别，尤其在现场，对于普通工作人员都易于操作掌握。
[0057]按键:在图7右侧，设有九个按键，它们的功用分别是:
重新选线键:此键担负复位功能，接通电源的后，无论什么时候按下此键，程序都将重新开始运行。
[0058]—、一键:此两键为菜单的切换用、也是光标左右移动的操作键。按下向右一键，表示进入下级子菜单；按下向左一键回归至上级菜单。
[0059]丨、丨键:此两键为同级菜单中不同选项间的上下移动键，亦可翻页。选中当前屏最下端选项时，继续按下丨键，屏幕转至同级菜单的下一屏；丨键同理进入同级菜单
的上一屏。
[0060]确认键:此键为确认当前操作或参数设置等。
[0061]放弃键:此键为放弃当前操作或参数设置等。
[0062]+、一键:此两键分别为加I或减I操作.主要在设置被测线路号和不同参数时使用。
[0063]综上可见，在本面板中，结合显示屏与操作键的相互配合，即可作人机对话的设置，又可作故障类型的查询，即功能齐全，又简易明了，操作方便，是很好的设计。
【权利要求】
1.一种微机直流系统故障监测装置，包括，多个直流线路中的每一直流线路的进线与出线之间连接有负载L，其特征是，所述多个直流线路中每一直流线路上以相同方式设置有一个霍尔传感器(2):每一直流线路的进线始端与出线末端之间串接有两个相同的电阻R1、R2，且每一直流线路的进线和出线穿过该霍尔传感器(2)的穿芯孔(3)，两个电阻Rl、R2的结点经导线与该霍尔传感器的接线端子排中的电源地连接；上述霍尔传感器的输出信号顺次传输至A/D转换器和CPU ;键盘与集成接收处理器连接，集成接收处理器与CPU连接，报警器以及液晶显示屏分别与CPU连接；CPU经485接口与上位机连接，上位机经RS232或485与系统网络连接。
2.根据权利要求1所述的一种微机直流系统故障监测装置，其特征是，还具有用于霍尔传感器(2)的±15V电源以及用于CPU的±5V电源:所述直流线路的母线连接降压器，或者，所述直流线路的母线连接降压器以及分压器。
3.根据权利要求1或2所述的一种微机直流系统故障监测装置，其特征是，所述CPU型号为MCS-96，所述A/D转换器型号为AD0804 ;所述报警器为蜂鸣器。
4.一种如权利要求1所述的一种微机直流系统故障监测方法，按以下步骤进行: 1)、首先进行人机对话，从键盘输入被监测直流线路数N和电压等级V，V为48VU10V或220V，以确定比较判断值； 2)、再设置每条线路采集时间间隔t，t取为5秒； 3)、由多个霍尔传感器HRl-n—一对应各被监测直流线路FZl-n进行采样，上述霍尔传感器的输出信号经A/D转换为数字信号送给单片机进行比较判断:当Vw < Vn时，或者当Vw-≥Vn-时,返回单片机作循环处理，当Vw > Vn,贝U判断为正接地故障，当Vw- < Vn-时，则判断为负接地故障为从电源U +到负载L的一段接地时，经霍尔传感器采样后输出的信号电压；Vw-为从负载L回到电源U -的一段接地时，经霍尔传感器采样后输出的信号电压；Vn和Vn-分别为Vw和Vw-在本装置内部对应设置的基准电压比较值； 4)、上述步骤3)中发现故障时，在液晶显示屏上显示出线路号以及故障时间。
5.根据权利要求4所述的一种微机直流系统故障监测方法，其特征是，还具有以下步骤:当单片机处理后的信号通过485串口输出至上位机，上位机的信号输出至系统网络。
【文档编号】G01R31/40GK103901356SQ201410099818
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】宋洪彬, 殷铭轩, 肖波 申请人:国家电网公司, 国网四川省电力公司内江供电公司