城市市區三相真空斷路器狀態實時監測和傳輸系統的設計

田世通　梁勇

摘 要：介紹了一種用在城市市區的三相真空斷路器的實時監測和傳輸的系統。該系統以STC90C516RD+單片機為下位機，為了提高監測端的準確性，減少誤報率，采用了多種傳感器進行加權判斷。考慮到斷路器為國家的公共設施，對安全有較高的要求，此系統采用光纖作為下位機到上位機之間的傳輸媒介。上位機軟件負責分析處理數據，出錯時立刻發出警報。

關鍵詞：斷路器；監測；單片機；物聯網

1 概述

高壓真空斷路器是開關電器中最為重要的一種電器，在電力系統中肩負著控制和保護設備的雙重作用。其運行的可靠性直接關系到電力系統的安全運行。國際大電網會議（CIGRE）對高壓真空斷路器可靠性所做的兩次世界范圍的調查，以及國家電力科學研究院對高壓開關事故的統計分析表明，80%的高壓斷路器故障是由于機械特性不良造成的，且大多數故障是操動機構的問題。加強高壓斷路器機械特性的在線監測對保證高壓斷路器的安全運行具有重要的現實意義。近年來，高壓斷路器因其適合頻繁操作，滅弧能力強、電氣壽命長、檢修維護工作量小、運行可靠性高等優點在實際中得到了廣泛的應用。因此對于高壓真空斷路器機械特性的在線監測對保證高壓斷路器的安全運行尤為重要[1]。

當斷路器出現問題時，常常是人工申報，再由維修人員到現場維修。這樣花費了很多時間，因為不能及時的搶修，很可能會造成嚴重經濟損失和安全事故。這時在線的實時監測系統就顯得尤為重要。高壓斷路器常常安放在戶外，特別是在市區，由于車輛等所產生的雜亂的環境因素對傳感器的影響巨大，尤其是對聲音和震動傳感器。

作者所設計的監測系統采用震動傳感器，聲音傳感器對整個斷路器機身進行監控。對于最重要的分合指針的監測使用角度傳感器和筆者自己設計的指針檢測開關裝置。這樣在上位機會收到多種傳感器返回的狀態信息。避免了單一變量監測帶來的誤報。市區的真空斷路器的數量很多，上位機采用服務器的解決方案。

2 真空斷路器實時監測和傳輸系統的總體結構

總體結構：真空斷路器系統的總體圖如圖1所示，下位機主要采用STC的STC90C516RD+單片機做控制器、MAX232作為RS232串口的轉換芯片。MAX813為外接看門狗芯片，芯片跑飛或出現故障，可以自動重新啟動。由于考慮到斷路器信息的安全性要求高，并沒有采用常規物聯網所使用的3G、4G無線接入互聯網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點，并且經過幾十年的發展現在的光纖設備的價格并不是非常的昂貴。傳輸部分所使用的設備有：RS232串口光纖轉換器、RS232-TCP/IP轉換器，以太網交換機。信息處理端由服務器接收數據，并有軟件端處理數據，實時顯示市區各斷路器的開合狀態。

3 數據采集

3.1 下位機原理

數據采集端采用宏晶STC90C516RD+單片機做主控制器，圖2中的BANK2是MCU的部分管腳，S1，S2，S3，S4分別是震動傳感器、聲音傳感器、角度傳感器、指針狀態檢測開關，分別接單片機的P1.3，P1.2.P1.1，P1.0四個管腳。原理圖下面部分為MAX232電平轉換芯片，負責把單片機產生的信號轉換為RS232電平。CPU在執行某條指令時，受干擾的沖擊，會使它的操作碼或地址碼發生改變，致使該條指令出錯。這時，CPU執行隨機拼寫的指令，甚至將操作數作為操作碼執行，導致程序“跑飛”或進入“死循環”。為使這種“跑飛”或進入“死循環”的程序自動恢復，重新正常工作，本系統采用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重新啟動的開關S5。下位機的程序工作流程圖如圖2所示。

下位機的傳感器直接選用自帶模塊的傳感器，S1振動傳感器采用磁阻式振動傳感器。磁阻式振動傳感器的工作原理是當振動體在傳感器敏感的測量方向上振動時，傳感器的敏感元件產生相應的強制振動。振動產生的振動信號使磁敏元件產生電阻變化。導致輸出電壓產生相應變化。與一般壓電式振動傳感器相比，磁阻式振動傳感器的分辨率和靈敏度更高，對環境要求較低，頻率響應較寬[2]。S2為聲音傳感器，當真空斷路器跳閘時，內部的機械運動會產生巨大的聲響，并且所發出的聲音會明顯的高于附近環境所產生的聲音，在使用聲音傳感器時應將輸出調節電阻調至較大、合適的位置，以免因為環境噪音產生誤判。S3位角度傳感器模塊，采用滾珠式，分辨率可調，15度到45度。開合指針的活動范圍大于45度，足夠滾珠式傾斜傳感器識別。傳感器固定于開合指針上，固定的位置應在閉合時保持模塊輸出“0”，在斷開時模塊輸出“1”。最后S4在3.3節詳細介紹。

3.2 輸出數據結構

下位機的輸出數據共17位。[7：0]位為編號位，用以區分真空斷路器在市區的位置；[9：8]位為震動傳感器的信號位；[11：10]位為聲音傳感器信號位；[13：12]為角度傳感器信號位；[15：14]為指針檢測開關信號位；[16：16]為奇偶校驗位。

3.3 指針監測開關設計

真空斷路器的分合指針是斷路器狀態最主要的判據，所以對分合指針狀態的監測在所有監測變量中就顯的尤為重要，因此，對分合指針的單獨設計了掃壓式的通斷監測開關。

如圖3所示，藍色部分為裝置內部開關元件，當真空斷路器的開合指針掃動時，會按壓彈簧片，使內部開關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，此系統使用了光纖傳輸，光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、抗干擾性強、安全性能高、體積小、重量輕等優點，所以在長距離傳輸和特殊環境等方面具有無法比擬的優勢。圖1中所使用的RS232串口光纖轉換器，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20km。這里使用單模光纖。下位機輸出的RS232數據經RS232串口光纖轉換器后，傳輸到服務器端的RS232串口光纖轉換器，再經RS232-TCP/IP轉換器，轉換為符合TCP/IP協議的數據進入交換機，最終被服務器接受。

4.2 信息處理

上位機處理過程：下位機傳輸每幀信號的時間小于0.2秒，所以上位機在超過一定的時間沒有收到數據就會發出警告，上位機接收的每個傳感器的數據后，只要發現有一個數據的某個傳感器項出現異常就會發出警告。上位機的數據將以時間軸加折線圖的方式顯示每個傳感器的狀態。

5 結束語

高壓真空斷路器是電力系統中非常重要成員。保護斷路器以及在斷路器出現問題時，及時發現就顯得尤為重要。本系統就市區或者一片城區的所有高壓斷路器做實時的監控。該系統的下位機在單片機開發板上做過實際測試，測試時沒有采用光纖傳輸，而是下位機的數據經過TCP/IP模塊經路由傳至服務器，經實驗測試證明，該系統實現了數據的采集，傳輸，實時報警，可是實現預期功能。

參考文獻

[1]趙洋，劉漢宇，曾慶軍.高壓真空斷路器機械特性在線監測系統研制[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測系統的研制[J].電子設計工程，2009，17（12）：21-23.

作者簡介：田世通（1993，3-），男，河南大學，通信工程，本科生。