采集GIS内高压断路器电流和振动信号的系统及方法与流程

本公开属于电力设备在线监测及故障诊断领域，具体涉及一种采集gis内高压断路器电流和振动信号的系统及方法。

背景技术：

gis内高压断路器的安全可靠性关系到整个电力系统的稳定运行，随着电力系统以及智能电网的快速发展，对gis高压断路器等电力设备的可靠性要求更加严格。据统计，机械故障占gis高压断路器的80％。因此，对gis内高压断路器的机械状态进行检测，提前给出状态预警，对电力系统的稳定运行具有重大意义。

目前，国内外针对gis内高压断路器的机械特性在线监测较成熟的是对分合闸线圈电流、动触头位移、操动机构振动、储能电机电流、触头温度等信号的测量，其中，操动机构的振动信号以及分合闸线圈电流信号为主要监测信号。振动信号可以反映gis内高压断路器在整个分合闸过程中机械结构的动作信息；分合闸线圈电流可以判断控制回路的运行状态。现有的商用振动采集系统价格高昂，体积较大，而且采集系统难以对分合闸线圈电流信号、振动信号进行同步采集并进行数据处理分析。

对于三相分箱式布置、既可以分相操作又可以三相电气联动的gis断路器，需采集三相单独的电流及振动信号来判断其运行状态，而目前市场上更是缺少具有针对性的状态信号采集装置。

因此，研制开发针对既可以分相操作又可以电气联动的用于gis内高压断路器的信号采集系统是必要的，将有助于提早发现该类型断路器潜在的故障隐患，提高断路器寿命，提升电网运行的稳定性。

技术实现要素：

针对上述不足，本公开的目的在于提供一种采集gis内高压断路器电流和振动信号的系统及方法，能够既测量单相的电流及振动信号，又能够测量三相的电流及振动信号，以此提高gis内高压断路器的可靠性。

本公开的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采集gis内高压断路器电流和振动信号的系统，包括：

采集模块，用于采集gis内高压断路器的电流和振动信号；

信号调理模块，用于将所述采集模块采集的电流信号转换为电压信号并放大，以及对放大后的电压信号和所采集的振动信号滤波后输出；

a/d转换及数字隔离模块，用于将所述信号调理模块滤波后输出的电压信号和振动信号转化为数字信号并为数字信号的传输提供隔离通道；

中央处理模块，用于实时读取经所述a/d转换及数字隔离模块隔离的数字信号并进行存储；

通信模块，用于传输所述中央处理模块存储的数字信号；

上位机，用于实时显示所述通信模块传输的数字信号。

优选的，所述采集模块包括：

霍尔电流传感器，用于采集断路器中分合闸线圈的电流信号；

振动传感器，用于采集断路器的振动信号。

优选的，所述信号调理模块包括：

电流-电压转换及放大电路，用于将电流信号转化为电压信号，并对转换后的电压信号进行放大；

电压信号四阶巴特沃斯低通滤波电路，用于滤除由电流信号转化的电压信号中的高频信号干扰；

振动信号四阶巴特沃斯低通滤波电路，用于滤除所采集的振动信号中的高频信号干扰。

优选的，所述a/d转换及数字隔离模块包括：

采样adc，用于将经信号调理模块滤波后输出的电压信号和振动信号转化为数字信号；

数字隔离芯片，用于为数字信号提供传输隔离通道。

优选的，所述中央处理模块包括单片机，用于采样程序的下载、信号采样条件的判断及信号的采集、存储和发送。

优选的，所述通信模块包括：

串口转485芯片sp3485，用于将信号的输出方式由串口输出转化为rs485总线输出并抑制共模干扰；

匹配电阻，用于阻抗匹配和提高rs485总线的抗干扰能力、稳定性。

本公开还提供一种采集gis内高压断路器电流和振动信号的方法，包括如下步骤：

s1：采集gis内高压断路器的电流和振动信号；

s2：将所采集的电流信号转换为电压信号并放大，对放大后的电压信号和所采集的振动信号滤波后输出；

s3：将滤波后输出的电压信号和振动信号转化为数字信号；

s4：读取所述数字信号并进行存储；

s5：传输所存储的数字信号并实时显示。

优选的，步骤s1中，所述电流和振动信号分别通过霍尔电流传感器和振动传感器采集。

优选的，步骤s2中，所述放大后的电压信号和所采集的振动信号分别通过电压信号四阶巴特沃斯低通滤波电路和振动信号四阶巴特沃斯低通滤波电路滤波。

优选的，步骤s5中，所述数字信号通过上位机实时显示。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开适用于三相分箱式布置、既可以分相操作又可以电气联动的gis断路器；

2、本公开能够在线检测断路器每一相的分合闸线圈电流及每一相的振动信号，并实时输出数据至上位机，满足智能电网的需求；

3、本公开中只要有一路电流信号满足触发阈值条件即可实时同步采集三路电流信号和振动信号，无论是分相操作，还是电气联动操作，均可采集到所需要的电流及振动信号，为数据分析与故障诊断系统提供有效的数据。

附图说明

图1是本公开的一种采集gis内高压断路器电流和振动信号的系统结构示意图；

图2是图1中信号调理模块中的电流-电压转换及电压放大电路原理图；

图3是图1中信号调理模块的电流转换成的电压信号及振动信号的4阶巴特沃斯低通滤波电路原理图；

图4是图1中a/d转换及数字隔离模块电路原理图；

图5是图1中通信模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图1至图5对本公开的技术方案做进一步的详细说明，所述实施例仅是部分实施例，不作为对本公开的限定。

参见图1，一种用于采集gis内高压断路器电流和振动信号的系统，包括：

采集模块，用于采集gis内高压断路器的电流和振动信号；

信号调理模块，用于将所述采集模块采集的电流信号转换为电压信号并放大，以及对所述电压信号和所采集的振动信号进行滤波后输出；

a/d转换及数字隔离模块，用于将所述信号调理模块滤波后输出的电压信号和振动信号转化为数字信号并为数字信号的传输提供隔离通道；

中央处理模块，用于实时读取经所述a/d转换及数字隔离模块隔离的数字信号并存储及发送；

通信模块，用于传输所述中央处理模块存储的数字信号；

上位机，用于实时显示所述通信模块传输的数字信号。

至此，上述实施例完整的公开了本发明的技术方案。本实施例既能够在线实时采集断路器分合闸时刻的单相线圈电流及振动信号，也能够采集三相线圈电流及三相振动信号，具有通用性；适用于三相分箱式布置、既可以分相操作又可以电气联动的gis断路器，具有专用性；本实施例采集的信号经过滤波处理，能够高效滤除现场噪声干扰，提高信号的信噪比；采集的数据能够实时传输给上位机，为数据分析及断路器故障诊断提供实时数据，具有实时性。

另一个实施例中，所述采集模块包括：

霍尔电流传感器，用于采集断路器中分合闸线圈的电流信号；

振动传感器，用于采集断路器的振动信号。

该实施例中，在断路器三相中的每一相(可记为a相、b相、c相)的外壳上分别安装振动传感器和霍尔电流传感器，分别用于采集断路器的振动信号和采集每一相操作机构线圈的电流。

另一个实施例中，所述信号调理模块包括：

电流-电压转换及放大电路，用于将电流信号转化为电压信号，并对转换后的电压信号进行放大；

电压信号滤波电路，用于滤除由电流信号转化的电压信号中的高频信号干扰；

振动信号滤波电路，用于滤除所采集的振动信号中的高频信号干扰。

该实施例中，振动信号输出本就是0-5v的电压信号，故不需要对其进行转化及放大。电流转化为电压信号后为0-1.5v，通过精密仪表放大器ina114au将其放大三倍变成0-4.5v，有利于提高采样精度。电流转化成的电压信号及振动信号的滤波电路均为四阶巴特沃斯滤波电路，能够有效滤波高频信号的干扰。两者工作原理相同只是滤波的截止频率不同，电流转化成的电压信号滤波的频率为60hz，振动信号的低通滤波根据实际断路器的振动频率可设置为15khz或20khz。

另一个实施例中，所述a/d转换及数字隔离模块包括：

采样adc，用于将经信号调理模块滤波后输出的电压信号和振动信号转化为数字信号；

数字隔离芯片，用于为数字信号提供传输隔离通道。

该实施例中，adc采集芯片adc128s102的输入端分别与经滤波后的三相电流转化的电压信号及三相振动信号连接，共计6路输入。采样adc的输出为spi总线方式，adc的输出接入数字隔离芯片max14850，为adc的输出信号接入单片机提供隔离通道。

另一个实施例中，所述中央处理模块包括：

单片机最小系统，用于采样程序的下载、信号采样条件的判断及信号的采集、存储和发送。

该实施例中，单片机选用stm32f407，其最小系统还包含晶振电路、下载器电路、电源、复位电路等部分。单片机接收经数字隔离芯片max14850隔离后的数字信号，当采集的电流信号满足阈值时，对满足阈值要求后200ms内的6路通道数据进行存储并通过通信模块实时发送给上位机。

另一个实施例中，所述通信模块包括：

串口转485芯片sp3485，用于将信号的输出方式由串口输出转化为rs485总线输出并抑制共模干扰；

匹配电阻，用于阻抗匹配和提高rs485总线的抗干扰能力、稳定性。

该实施例中，单片机通过串口输出的信号线接在通信方式转化芯片sp3485的输入端，由单片机的引脚pg8控制485的收发模式；在485总线的输出两端接入阻抗匹配电阻，提高485总线的抗干扰能力、稳定性。

图2是信号调理模块中的电流-电压转换及电压放大电路的结构示意图。如图2所示，霍尔电流传感器采集的电流信号经过采样电阻r17转化为电压信号，该采样电阻r17连接至精密仪表放大器ina114au的引脚4和引脚5，且引脚4接地；电容c26为去耦电容；tvs管用于抑制可能出现的浪涌脉冲功率；电阻r12连接至ina114au的引脚2和引脚15，用于调整放大增益。ina114au的参考端接地，输出检测反馈接口引脚12连接至输出口引脚11上。

图3是信号调理模块中的电压信号及振动信号的四阶巴特沃斯低通滤波电路的结构图。如图3所示，4阶巴特沃斯低通滤波电路由2个2阶低通滤波器级联组成。opa2227ua芯片内有两个运算放大器。电阻r13、r14，电容c24、c27以及运算放大器u3a构成一个二阶低通滤波器。电阻r13一端与被放大的电流转换电压相连，另一端与电阻r14和电容c24相连，电容c24另一端与运算放大器u3a的反向输入端引脚2和运算放大器的输出端引脚1相连，电阻r14的另一端与电容c27的一端以及u3a的正向输入端引脚3相连，电容c27的另一端接地。电阻r15、r16，电容c25、c28以及运算放大器u3b构成另一个二阶低通滤波器，电阻r15一端与前级滤波电路的输出端相连，另一端与电阻r16和电容c25相连，电容c25另一端与运算放大器u3b的反向输入端引脚6和运算放大器的输出端引脚7相连，电阻r16的另一端与电容c28的一端以及u3b的正向输入端引脚3相连，电容c28的另一端接地。两个2阶低通滤波器级联组成的4阶巴特沃斯低通滤波电路能够有效的抑制高频信号的干扰，通过调整电阻值和电容值可以调整低通滤波的频率范围，振动信号和电流信号的滤波电路采用不同的电阻值和电容值。

图4是a/d转换及数字隔离模块的电路结构图。如图4所示，三路电流转化的电压信号经过滤波电路输出连接在adc芯片adc128s102的引脚4、5、6；三路振动信号经过滤波电路输出连接在adc芯片adc128s102的引脚7、8、9；adc128s102的另两路采样引脚10、11接地；adc128s102的2和13引脚接+5v电源，3和12分别接模拟地和数字地。max14850芯片作为数字隔离芯片，引脚16接+5v电源，引脚1接与+5v隔离的3.3v电压，引脚9和引脚8接隔离的数字地。adc128s102采用spi输出，中央处理模块stm32f407的pa4接max14850引脚7，经过数字隔离后，max14850的引脚10接入从器件使能信号adc128s102引脚1，在本公开里这些引脚均拉高；中央处理模块stm32f407的pa5接max14850引脚2，经过数字隔离后，时钟信号由max14850的引脚15接入adc128s102的引脚16；中央处理单元stm32f407的pa7接max14850引脚3，经过数字隔离后，主器件数据输出，从器件数据输入由max14850的引脚14接入adc128s102的引脚14；中央处理模块stm32f407的pa6接max14850引脚4，经过数字隔离后，主器件数据输入，从器件数据输出由adc128s102的引脚15接入max14850的引脚13。

图5是通信模块的电路结构图。如图5所示，通过串口转rs485，三路电流及三路振动信号数据以485总线的方式传输给上位机进行数据存储、图形显示、特征提取以及故障诊断。中央处理模块stm32f407的串口接受端pa3接sp3485芯片的引脚1，stm32f407的pg8引脚接sp3485的引脚2、3控制收发，stm32f407的串口发送端pa3接sp3485芯片的引脚4；sp3485的引脚8接3.3v电源，引脚5接地，c201为电源旁路电容跨接在电源和地之间；r201为上拉电阻，接在3.3v电源和引脚6之间；r200为下拉电阻，接在地和引脚7之间；电阻r202为匹配电阻，接在引脚6、7之间，提高485总线的抗干扰能力、稳定性。

另一个实施例中，本公开还提供了一种采集gis内高压断路器电流和振动信号的方法，包括如下步骤：

s1：采集gis内高压断路器的电流和振动信号；

该步骤中，在每一相安装振动传感器，将每一相的分合闸操作机构线圈电流穿入各自对应的霍尔电流传感器；分合闸线圈电流信号通过采样电阻转化为0-1.5v电压信号。

s2：将所采集的电流信号转换为电压信号并放大，对放大后的电压信号和所采集的振动信号滤波后输出；

该步骤中，将该电压信号接入放大电路，将对应的电压信号放大3倍，即0-4.5v，提高数据采样精度。将电压信号放大后，通过四阶巴特沃斯低通滤波电路滤除电压和振动信号中的高频干扰信号。

s3：将滤波后输出的电压信号和振动信号转化为数字信号；

该步骤中，将电流转化的电压信号及振动电压信号送入a/d转换模块，转化为数字信号，数字信号经过数字隔离芯片进入单片机；

s4：读取所述数字信号并进行存储；

该步骤中，当三相电流中有一相电流达到设置的阈值触发条件时，单片机采集并存储200ms内的6路信号数据，并通过串口或485总线的方式与上位机完成通信，完成线圈电流及振动信号的数据传输功能。

s5：传输所存储的数字信号并实时显示。

尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。