城市市區(qū)三相真空斷路器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田世通　梁勇

摘 要：介紹了一種用在城市市區(qū)的三相真空斷路器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸?shù)南到y(tǒng)。該系統(tǒng)以STC90C516RD+單片機(jī)為下位機(jī)，為了提高監(jiān)測(cè)端的準(zhǔn)確性，減少誤報(bào)率，采用了多種傳感器進(jìn)行加權(quán)判斷?？紤]到斷路器為國家的公共設(shè)施，對(duì)安全有較高的要求，此系統(tǒng)采用光纖作為下位機(jī)到上位機(jī)之間的傳輸媒介。上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)分析處理數(shù)據(jù)，出錯(cuò)時(shí)立刻發(fā)出警報(bào)。

關(guān)鍵詞：斷路器；監(jiān)測(cè)；單片機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)

1 概述

高壓真空斷路器是開關(guān)電器中最為重要的一種電器，在電力系統(tǒng)中肩負(fù)著控制和保護(hù)設(shè)備的雙重作用。其運(yùn)行的可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）對(duì)高壓真空斷路器可靠性所做的兩次世界范圍的調(diào)查，以及國家電力科學(xué)研究院對(duì)高壓開關(guān)事故的統(tǒng)計(jì)分析表明，80%的高壓斷路器故障是由于機(jī)械特性不良造成的，且大多數(shù)故障是操動(dòng)機(jī)構(gòu)的問題。加強(qiáng)高壓斷路器機(jī)械特性的在線監(jiān)測(cè)對(duì)保證高壓斷路器的安全運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，高壓斷路器因其適合頻繁操作，滅弧能力強(qiáng)、電氣壽命長(zhǎng)、檢修維護(hù)工作量小、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。因此對(duì)于高壓真空斷路器機(jī)械特性的在線監(jiān)測(cè)對(duì)保證高壓斷路器的安全運(yùn)行尤為重要[1]。

當(dāng)斷路器出現(xiàn)問題時(shí)，常常是人工申報(bào)，再由維修人員到現(xiàn)場(chǎng)維修。這樣花費(fèi)了很多時(shí)間，因?yàn)椴荒芗皶r(shí)的搶修，很可能會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。這時(shí)在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就顯得尤為重要。高壓斷路器常常安放在戶外，特別是在市區(qū)，由于車輛等所產(chǎn)生的雜亂的環(huán)境因素對(duì)傳感器的影響巨大，尤其是對(duì)聲音和震動(dòng)傳感器。

作者所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用震動(dòng)傳感器，聲音傳感器對(duì)整個(gè)斷路器機(jī)身進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于最重要的分合指針的監(jiān)測(cè)使用角度傳感器和筆者自己設(shè)計(jì)的指針檢測(cè)開關(guān)裝置。這樣在上位機(jī)會(huì)收到多種傳感器返回的狀態(tài)信息。避免了單一變量監(jiān)測(cè)帶來的誤報(bào)。市區(qū)的真空斷路器的數(shù)量很多，上位機(jī)采用服務(wù)器的解決方案。

2 真空斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)：真空斷路器系統(tǒng)的總體圖如圖1所示，下位機(jī)主要采用STC的STC90C516RD+單片機(jī)做控制器、MAX232作為RS232串口的轉(zhuǎn)換芯片。MAX813為外接看門狗芯片，芯片跑飛或出現(xiàn)故障，可以自動(dòng)重新啟動(dòng)。由于考慮到斷路器信息的安全性要求高，并沒有采用常規(guī)物聯(lián)網(wǎng)所使用的3G、4G無線接入互聯(lián)網(wǎng)的方式作為傳輸手段，而是采用光纖作為傳輸方式。光纖傳輸具有抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，并且經(jīng)過幾十年的發(fā)展現(xiàn)在的光纖設(shè)備的價(jià)格并不是非常的昂貴。傳輸部分所使用的設(shè)備有：RS232串口光纖轉(zhuǎn)換器、RS232-TCP/IP轉(zhuǎn)換器，以太網(wǎng)交換機(jī)。信息處理端由服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，并有軟件端處理數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示市區(qū)各斷路器的開合狀態(tài)。

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 下位機(jī)原理

數(shù)據(jù)采集端采用宏晶STC90C516RD+單片機(jī)做主控制器，圖2中的BANK2是MCU的部分管腳，S1，S2，S3，S4分別是震動(dòng)傳感器、聲音傳感器、角度傳感器、指針狀態(tài)檢測(cè)開關(guān)，分別接單片機(jī)的P1.3，P1.2.P1.1，P1.0四個(gè)管腳。原理圖下面部分為MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)把單片機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232電平。CPU在執(zhí)行某條指令時(shí)，受干擾的沖擊，會(huì)使它的操作碼或地址碼發(fā)生改變，致使該條指令出錯(cuò)。這時(shí)，CPU執(zhí)行隨機(jī)拼寫的指令，甚至將操作數(shù)作為操作碼執(zhí)行，導(dǎo)致程序“跑飛”或進(jìn)入“死循環(huán)”。為使這種“跑飛”或進(jìn)入“死循環(huán)”的程序自動(dòng)恢復(fù)，重新正常工作，本系統(tǒng)采用MAX813作為外接硬件看門狗芯片，MCU的P1.7管腳作為喂狗管腳與MAX813的/WDI管腳相連接，MCU的RST管腳和MAX813的RST管腳相連接。在MAX813的電路部分裝有手動(dòng)重新啟動(dòng)的開關(guān)S5。下位機(jī)的程序工作流程圖如圖2所示。

下位機(jī)的傳感器直接選用自帶模塊的傳感器，S1振動(dòng)傳感器采用磁阻式振動(dòng)傳感器。磁阻式振動(dòng)傳感器的工作原理是當(dāng)振動(dòng)體在傳感器敏感的測(cè)量方向上振動(dòng)時(shí)，傳感器的敏感元件產(chǎn)生相應(yīng)的強(qiáng)制振動(dòng)。振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)使磁敏元件產(chǎn)生電阻變化。導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生相應(yīng)變化。與一般壓電式振動(dòng)傳感器相比，磁阻式振動(dòng)傳感器的分辨率和靈敏度更高，對(duì)環(huán)境要求較低，頻率響應(yīng)較寬[2]。S2為聲音傳感器，當(dāng)真空斷路器跳閘時(shí)，內(nèi)部的機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生巨大的聲響，并且所發(fā)出的聲音會(huì)明顯的高于附近環(huán)境所產(chǎn)生的聲音，在使用聲音傳感器時(shí)應(yīng)將輸出調(diào)節(jié)電阻調(diào)至較大、合適的位置，以免因?yàn)榄h(huán)境噪音產(chǎn)生誤判。S3位角度傳感器模塊，采用滾珠式，分辨率可調(diào)，15度到45度。開合指針的活動(dòng)范圍大于45度，足夠滾珠式傾斜傳感器識(shí)別。傳感器固定于開合指針上，固定的位置應(yīng)在閉合時(shí)保持模塊輸出“0”，在斷開時(shí)模塊輸出“1”。最后S4在3.3節(jié)詳細(xì)介紹。

3.2 輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

下位機(jī)的輸出數(shù)據(jù)共17位。[7：0]位為編號(hào)位，用以區(qū)分真空斷路器在市區(qū)的位置；[9：8]位為震動(dòng)傳感器的信號(hào)位；[11：10]位為聲音傳感器信號(hào)位；[13：12]為角度傳感器信號(hào)位；[15：14]為指針檢測(cè)開關(guān)信號(hào)位；[16：16]為奇偶校驗(yàn)位。

3.3 指針監(jiān)測(cè)開關(guān)設(shè)計(jì)

真空斷路器的分合指針是斷路器狀態(tài)最主要的判據(jù)，所以對(duì)分合指針狀態(tài)的監(jiān)測(cè)在所有監(jiān)測(cè)變量中就顯的尤為重要，因此，對(duì)分合指針的單獨(dú)設(shè)計(jì)了掃壓式的通斷監(jiān)測(cè)開關(guān)。

如圖3所示，藍(lán)色部分為裝置內(nèi)部開關(guān)元件，當(dāng)真空斷路器的開合指針掃動(dòng)時(shí)，會(huì)按壓彈簧片，使內(nèi)部開關(guān)閉合向外輸出高電平。

4 傳輸方式和信息處理

4.1 傳輸方式

考慮到真空斷路器信息的重要性，此系統(tǒng)使用了光纖傳輸，光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、抗干擾性強(qiáng)、安全性能高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，所以在長(zhǎng)距離傳輸和特殊環(huán)境等方面具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)。圖1中所使用的RS232串口光纖轉(zhuǎn)換器，使用多模光纖傳輸距離為4km，如果使用單模光纖傳輸距離可達(dá)20km。這里使用單模光纖。下位機(jī)輸出的RS232數(shù)據(jù)經(jīng)RS232串口光纖轉(zhuǎn)換器后，傳輸?shù)椒?wù)器端的RS232串口光纖轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)RS232-TCP/IP轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為符合TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)入交換機(jī)，最終被服務(wù)器接受。

4.2 信息處理

上位機(jī)處理過程：下位機(jī)傳輸每幀信號(hào)的時(shí)間小于0.2秒，所以上位機(jī)在超過一定的時(shí)間沒有收到數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)出警告，上位機(jī)接收的每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)后，只要發(fā)現(xiàn)有一個(gè)數(shù)據(jù)的某個(gè)傳感器項(xiàng)出現(xiàn)異常就會(huì)發(fā)出警告。上位機(jī)的數(shù)據(jù)將以時(shí)間軸加折線圖的方式顯示每個(gè)傳感器的狀態(tài)。

5 結(jié)束語

高壓真空斷路器是電力系統(tǒng)中非常重要成員。保護(hù)斷路器以及在斷路器出現(xiàn)問題時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)就顯得尤為重要。本系統(tǒng)就市區(qū)或者一片城區(qū)的所有高壓斷路器做實(shí)時(shí)的監(jiān)控。該系統(tǒng)的下位機(jī)在單片機(jī)開發(fā)板上做過實(shí)際測(cè)試，測(cè)試時(shí)沒有采用光纖傳輸，而是下位機(jī)的數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP/IP模塊經(jīng)路由傳至服務(wù)器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集，傳輸，實(shí)時(shí)報(bào)警，可是實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

參考文獻(xiàn)

[1]趙洋，劉漢宇，曾慶軍.高壓真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制[J].高壓電器，2009，45（6）：91-95.

[2]林燕俠，曾慶軍.高壓真空斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（12）：21-23.

作者簡(jiǎn)介：田世通（1993，3-），男，河南大學(xué)，通信工程，本科生。