基于物聯網的高壓真空斷路器智能數字化監控系統解析

馬曉娟，潘亞培，楊昭

(河南森源電氣股份有限公司，河南 長葛 461500)

基于物聯網的高壓真空斷路器智能數字化監控系統解析

馬曉娟，潘亞培，楊昭

(河南森源電氣股份有限公司，河南 長葛 461500)

提出了一種基于物聯網技術對一定變電站區域內高壓真空斷路器的運行狀況在線監測的智能數字化監控系統，該系統的真空斷路器數據采集處理中心是以DSP為核心的真空斷路器在線監測裝置，利用霍爾電流傳感器、壓力傳感器和位移傳感器等機械特性傳感器以及無線測溫模塊完成對高壓真空斷路器機械動作數據信息的采集和處理，既可實現本地顯示又可利用無線通信方式將處理后的數據信息送至真空斷路器智能數字化監控中心。該智能數字化監控中心的核心是以VB為開發平臺，以Access為后臺數據庫的后臺數據庫管理系統，用于存儲各種監控信息，從而便于監控人員對高壓真空斷路器的運行參數進行查詢顯示及故障分析。經現場測試，該系統工作穩定，準確度比較好。

變電站；高壓真空斷路器；在線監測裝置；智能數字化監控系統；物聯網；DSP；VB；Access；機械特性

0 引言

隨著智能變電站[1]概念的提出及相關技術的快速發展，對變電站設備的運行狀態進行全面監控、故障信息綜合分析是當前智能變電站技術亟待解決的問題之一，而高壓真空斷路器作為變電站的核心元件，其安全可靠運行是保證變電站乃至整個電力系統穩定可靠運行的關鍵。據已有的調查統計結果可知，絕大多數斷路器故障是由機械特性不良造成的，且主要是因斷路器操動機構的問題引起的[2]。因此，通過對高壓真空斷路器的運行狀態和機械特性參數進行在線監測，進一步合理地進行故障分析，對電力系統的安全、可靠、經濟運行具有實際的指導意義。

目前，國內外在此方面的研究已取得了一定的成果：國內，如南京某公司生產的NS600斷路器在線監測裝置，許昌某公司研發的CBS-2000電氣設備在線監測及分析系統等；國外，如瑞士某公司的F系列、法國某公司的STR系列、德國某公司的3WN6系列等[3]。然而，隨著傳感器技術、電子技術、無線網絡傳輸和物聯網等技術的逐漸成熟，為高壓真空斷路器的狀態監測奠定了更加堅實的技術基礎。如何利用這些技術對一定變電站區域內的高壓真空斷路器實施全面的狀態監控是本文主要研究的問題。

本文以河南某公司生產的Intel V3-12P型戶內高壓交流真空斷路器為研究對象，提出了一種基于物聯網技術對高壓真空斷路器運行狀況進行全面監測的智能數字化監控系統。該系統的真空斷路器數據采集處理中心是以數字信號處理(DSP)為核心的真空斷路器在線監測裝置，由其完成對高壓真空斷路器三相觸頭溫度、分合閘過程數據、儲能過程數據的采集和處理，并利用無線通信方式將處理后的數據信息送真空斷路器智能數字化監控中心，實現數據信息的綜合管理。

1 物聯網技術概述

物聯網是指通過傳感器、傳感節點組網、射頻識別、無線接入等感知層技術，實時采集任何需要被監控對象的聲、光、電、熱、力等各種數據信息，通過任何可利用的網絡層技術，實現物與物、物與人之間的泛在鏈接，進而實現對物理世界的智能感知、識別、傳輸和處理[4-5]。簡而言之，所謂的物聯網即是對物理世界進行信息的感知、獲取、傳輸和處理，并將處理結果以服務的形式發布給用戶。

2 高壓真空斷路器智能數字化監控系統

2.1 系統總體結構

基于物聯網的高壓真空斷路器智能數字化監控系統的總體結構如圖1所示。該系統主要由多個真空斷路器數據采集處理中心和真空斷路器智能數字化監控中心兩大部分組成。其中，真空斷路器數據采集處理中心的核心是以DSP芯片為微處理器及相關外圍硬件電路組成的真空斷路器在線監測裝置。該裝置用于對來自無線測溫模塊的高壓真空斷路器三相觸頭溫度數據、來自機械特性傳感器的高壓真空斷路器分合閘過程數據及斷路器儲能過程數據進行采集、分析、處理，以得到高壓真空斷路器的機械特性數據。上述機械特性數據既可通過本地人機交互接口供用戶查看，又可通過無線通信方式送至真空斷路器智能數字化監控中心進行存儲管理，以便于監控人員及時掌握高壓真空斷路器的運行狀況，并對其進行故障預測、故障排查和管理維護。該真空斷路器智能數字化監控中心內設有無線網關和后臺數據監控管理系統，利用無線網關可與前端真空斷路器數據采集中心中的無線通信模塊實現一對一的雙向無線通信，從而將來自真空斷路器數據采集中心的所有監控數據信息送至后臺數據庫管理系統進行分類存儲管理。

圖1 系統結構

2.2 真空斷路器數據采集處理中心

2.2.1 主要檢測元件的選型

對高壓真空斷路器實施機械動作特性在線監測，旨在監測真空斷路器的行程、分合閘線圈電流、儲能電機電流、觸頭溫度等參數。因此，合理地選擇檢測元件是確保檢測數據精準度的關鍵。本系統采用的主要檢測元器件包括無線測溫模塊、霍爾電流傳感器、壓力傳感器及位移傳感器。

為了檢測高壓真空斷路器三相觸頭上下位置共6路溫度信號，本文選用了南京某公司的無線通信測溫模塊。該無線通信測溫模塊采用插拔式設計，可以采集6～18個無線測溫點的溫度數據，測溫范圍為-40～+125 ℃，精確度為1 ℃，可滿足實際使用的要求。

檢測高壓真空斷路器分合閘線圈電流信號和儲能電機電流信號采用的是型號為HNC-05SYB的霍爾電流傳感器，其應用了霍爾原理的閉環補償，具備了高精度、良好的線性度、低溫漂、寬頻帶和抗干擾能力強等優點，滿足實際高壓真空斷路器機械動作特性在線監測的需求。

選用了LTF-2壓力傳感器并配套選擇型號為BS-1Y的壓力變送器，其靈敏度為2.0×(1±10%)mV/V，綜合誤差為±0.1%F.S，符合實際檢測高壓真空斷路器三相分合閘壓力的要求。

由于本文研究對象為12 kV電壓等級的高壓真空斷路器，故檢測其動觸頭的行程-時間特性參數采用直線位移傳感器[6]即可。所用直線位移傳感器型號為KFM-15，其采用最小型化結構設計，特別適合安裝在空間狹小、安裝長度有限的場合。

2.2.2 真空斷路器在線監測裝置硬件設計

真空斷路器在線監測裝置的硬件平臺采用的是TMS320F2812數字信號處理器，其是針對數字控制所設計的DSP，整合了DSP和微控制器的最佳特性。該處理器芯片的主頻可達150 MHz，具有高速運算能力，擁有16個高速A/D采樣通道。真空斷路器在線監測裝置的硬件結構如圖2所示，圖中：LED為發光二極管；LCD為液晶顯示器；RTC為實時時鐘；WDT為看門狗；RAM為隨機存儲器；FLASH為閃存。

圖2 裝置硬件結構

無線測溫模塊將采集到的高壓真空斷路器三相觸頭的溫度信號直接送TMS320F2812的A/D通道，霍爾電流傳感器、壓力傳感器和位移傳感器將采集到的高壓真空斷路器機械動作數據經濾波放大電路送TMS320F2812的A/D通道，利用TMS320F2812的高速運算能力完成對高壓真空斷路器機械動作數據的運算處理，處理后的數據一路可通過本地人機交互模塊送LCD顯示，一路利用該裝置提供的無線通信接口通過無線通信模塊以無線傳輸方式送真空斷路器智能數字化監控中心。

該裝置的開入量接口連接高壓真空斷路器的分合閘輔助節點、儲能電機輔助節點，以監測高壓真空斷路器的分合閘狀態或儲能狀態。當監測的分合閘線圈電流、儲能電機電流及觸頭溫度等機械特征數據超過其各自所設置的限值時，裝置發出報警信號并記錄下對應的報警事件。

圖4 后臺數據庫管理系統的總體方案

高壓真空斷路器的機械動作狀態、裝置能否正常運行及是否報警均可通過LED指示燈顯示。而高壓真空斷路器的機械特性參數值、機械特征曲線、分合閘動作事件、報警事件等信息均可由LCD顯示，并可通過按鍵實現操作控制查看相關數據信息。該裝置還提供了2路常開、2路常閉的繼電器輸出，可控制高壓真空斷路器的分合閘動作。

2.2.3 真空斷路器在線監測裝置軟件設計

真空斷路器在線監測裝置的軟件主要采用C語言進行編寫，在滿足2.2.2裝置功能的前提下，其主程序流程如圖3所示。系統上電后，首先對各個模塊進行初始化，然后開中斷等待中斷事件。當高壓真空斷路器分合閘機械動作時，TMS320F2812利用中斷方式對高壓真空斷路器的三相觸頭溫度信號、分合閘過程數據信號及儲能過程數據信號進行采集、分析及處理。然后，所有數據信號既可通過LCD進行本地顯示，也可通過無線傳輸方式送真空斷路器智能數字化監控中心。

圖3 裝置軟件流程

2.3 真空斷路器智能數字化監控中心

真空斷路器智能數字化監控中心內設有無線網關和后臺數據監控管理系統，主要用于對接收的相關監控數據信息進行存儲、分析和管理，以便監控人員及時掌握真空斷路器的運行狀況并對真空斷路器進行故障預測、排查和管理維護。

后臺數據庫管理系統作為真空斷路器智能數字化監控中心的核心，以VB為開發平臺，以Access為后臺數據庫進行開發設計[7-10]。

后臺數據庫管理系統的總體設計方案如圖4所示。該系統包括系統功能模塊、斷路器數據庫模塊、斷路器運行狀態模塊、斷路器信息查詢模塊和斷路器故障報警模塊5個子模塊。該管理系統可實現對用戶不同權限的管理操作，接收并分類存儲真空斷路器的動作數據信息和機械特性數據信息，顯示真空斷路器的實時運行狀態和歷史運行狀態，支持用戶查詢各真空斷路器的各種數據信息，并可通過在斷路器故障報警模塊設置斷路器機械特性數據的標準值、低級警告閾值和高級警告閾值，以提高對高壓真空斷路器的運行狀況的故障預測能力，降低高壓真空斷路器事故的發生率。

本文采用多窗體程序界面顯示的形式來開發此系統。其中，多窗體中包括一個主窗體并設置主窗體名稱為后臺數據監控管理系統，在主窗體內可設置分別標志5個子模塊名稱的控件，監控人員可通過點擊功能標志名稱不同的控件進入其他窗體，以實現斷路器后臺數據庫管理系統的功能需求。

3 現場監測

本文以河南某公司生產的Intel V3-12P型戶內高壓交流真空斷路器為研究對象，進行現場試驗驗證。本文研發的真空斷路器在線監測裝置經過安裝調試，該裝置運行情況良好，能夠實時、準確地采集和處理高壓真空斷路器的機械動作數據，可將處理結果送至真空斷路器智能數字化監控中心。高壓真空斷路器在線監測裝置如圖5a、圖5b所示，現場監測實景如圖5c所示。

圖5 真空斷路器在線監測裝置及現場監測實景

4 結束語

本文設計了一種基于物聯網技術對高壓真空斷路器的運行狀況進行監測的智能數字化監控系統。該系統集成了先進的傳感器技術、物聯網技術，采用無線網絡傳輸的方式，可對高壓真空斷路器進行實時的、全面的在線監控并匯總各種監控數據信息以建構后臺數據管理系統，進而便于用戶通過真空斷路器智能數字化監控中心對高壓真空斷路器的運行參數進行存儲管理、查詢顯示及故障報警。經現場測試，該系統工作穩定，準確度比較好，對進一步研究變電站設備在線監測系統有一定的借鑒意義。

[1]智能變電站技術導則：Q/GDW 383—2009[S].

[2]李琦.高壓斷路器機械特性在線監測研究[D].北京：華北電力大學, 2011.

[3]羅勇強.智能斷路器性能參數在線監測裝置的設計[D].西安：西安工業大學，2013.

[4]寧煥生,徐群玉.全球物聯網發展及中國物聯網建設若干思考[J].電子學報,2010, 38(11):2590-2599.

[5]黃新波,趙陽,廖志軍,等.基于物聯網的高壓開關柜綜合在線監測裝置設計[J].高壓電器，2015,51(5):1-7.

[6]陳建平,胡占強,蘇曉東.智能化斷路器機械特性在線監測關鍵技術設計[J].高壓電器,2014,50(4):108-112，119.

[7]黃新波,王霄寬,方壽賢,等.智能變電站斷路器狀態監測IED設計[J].電力系統自動化,2012,36(22):95-99.

[8]趙洋,劉漢宇,曾慶軍,等.基于DSP和LabVIEW的高壓真空斷路器機械特性在線監測系統的研制[J].工礦自動化,2009,35(4):81-82.

[9]熊小伏,孫鑫,蔡偉賢,等.基于DSP及ARM的分布式高壓斷路器機械特性監測系統[J].電力系統保護與控制，2009，37(6):64-68.

[10]羅世棟.真空斷路器在線監測系統的研究[D].北京：華北電力大學,2012.

(本文責編：白銀雷)

2017-01-17；

2017-02-10

TM 561.2

A

1674-1951(2017)02-0012-04

馬曉娟(1986—)，女，河南平頂山人，助理工程師，工學碩士，從事低壓成套電器設計以及微電網優化與控制的研究工作(E-mail:lovema2006juan@163.com)。