一种六氟化硫高压断路器状态智能监测与健康管理系统技术方案

一种ＳＦ６高压断路器智能监测与健康管理系统由硬件和软件两部分构成：该硬件分为下位机和上位机；下位机硬件包括基于ＦＰＧＡ和ＡＲＭ的智能控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元、智能控制输出单元、ＣＡＮ总线通讯单元；上位机硬件由监控中心服务器单元和ＰＣＩ?１６８０Ｕ板卡组成，上位机和下位机通过ＣＡＮ总线网络实现通讯。该软件也分为下位机和上位机；下位机软件负责驱动下位机硬件完成机械、电气、绝缘状态数据采集和特征提取，结合系统信息实现智能推理及智能控制，驱动ＣＡＮ总线通讯单元将处理后的结果一起发送到上位机；上位机软件负责驱动上位机ＰＣＩ?１６８０Ｕ板卡完成通讯，并实现人机交互界面和智能化监测信息管理。它实现了对ＳＦ６高压断路器状态及性能的全面监测。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种六氟化硫(SF6)高压断路器状态智能监测与健康管理系统。 该系统能够实时智能监测SF6高压断路器电气状态参数、机械状态参数以及绝缘状态参数， 并能对SF6高压断路器状态及性能进行综合评估，实现设备的健康管理，从而提高电力系统 自动化水平及可靠性，有效预防电力系统由于SF6高压断路器本体故障所引起的灾害。其中 涉及数据采集技术、信号处理技术、智能推理技术、先进控制技术和CAN总线通讯技术。CAN 总线通讯技术在系统硬件结构中对应CAN总线控制器MCP2515和PCI1680U板卡，在系统软 件结构中对应CAN总线通信线程。该系统属于信号处理与监测类

技术介绍
SF6高压断路器作为电力系统中一种重要的电力设备，对系统的安全运行异常 重要，其健康状况近年来逐渐成为电网公司关注的焦点。国际大电网会议分别在1974 1977年和1988 1991年两次在世界范围内对63KV及以上的SF6高压断路器的可靠性做 了世界性大范围的调查，调查结果均表明，SF6高压断路器操作机构的机械故障和SF6气体 绝缘故障在所有故障中占有相当大的比重，这两种故障的发生概率的总和在主要故障中占 51.2%，在次要故障中更是占到了 79%。国内对SF6高压断路器中各个部件的故障概率的很 多调查结果也显示机械故障和SF6气体绝缘故障在所有的故障之中占有相当大的比重，同 时，通过状态监测分析了解SF6高压断路器触头磨损情况对及时更换元件有着重要的意义。 在对SF6高压断路器的诊断与检修中，以往国内都采用离线例行试验与操作对SF6高压断路 器进行定期检修，这种计划性的预防检修盲目性大，不仅费时和费力，而且频繁的操作及过 度的拆卸检修会降低SF6高压断路器工作的可靠性，甚至在检修时会引入一些新的故障。2009年中国国家电网公司以奉献清洁能源、促进经济发展、服务社会和谐为基本 使命，提出了立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有 信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网的发展目标。因此，对SF6高压 断路器的状态实行智能监测及实施健康管理，对于提高电力系统自动化水平及可靠性，及 时解决故障问题，避免出现电力事故，挽救财产损失具有重大的意义。目前，SF6高压断路器状态监测主要有以下三种方法。第一种方法是基于单片机的 在线监测装置，这种装置仅仅监测SF6高压断路器的部分状态参数，例如，SF6压力与SFjM 度或合分线圈电流值等；当监测多个状态参数时，需安装较多的监测设备，占地空间大，接 线复杂，且精确度不高，无智能推理及健康管理功能。第二种方法是基于DSP的在线监测系 统，这些芯片处理速度比单片机快，分析参量精确，但监测量仍单一，上位机管理系统仅储 存单一状态参数，无法进行多参量信息融合实现智能诊断。第三种方法是基于工控机的方 法，这种方法在一定程度上弥补了前两种方法监测参量不全的缺点，能存储大部分参量信 息数据，但无法进行多参量信息融合实现智能诊断及健康管理，且占地空间大。针对以上问题，提出一种SF6高压断路器智能监测与健康管理系统。该系统采用 了 ARM+FPGA+IPC的体系结构，集采集、计量、智能推理、通讯、健康管理功能于一体，实时智能监测现场多台SF6高压断路器的电气状态、机械状态、绝缘状态参数，采用先进信号处理 技术及算法提取特征量，并结合系统信息实现智能推理及智能控制功能。为提高系统的实 时性和抗干扰能力，采用CAN总线通讯技术与上位机通信，在上位机实现设备的健康综合管理。(三)
技术实现思路
1、目的本技术的目的是提供一种SF6高压断路器状态智能监测与健康管理 系统。该系统采用了 ARM+FPGA+IPC (先进RISC机器+可编程逻辑门阵列+工业控制计算 机)的体系结构，集采集、计量、智能推理、通讯、健康管理功能于一体，实时智能监测现场 多台SF6高压断路器的电气状态、机械状态、绝缘状态参数，采用先进信号处理技术及算法 提取特征量，并结合系统信息实现智能推理及智能控制功能，并采用CAN总线通讯技术将 监测结果及智能推理结果实时传送到上位机。2、技术方案本技术一种SF6高压断路器状态智能监测与健康管理系统，它由 硬件结构和软件结构两大部分构成。该硬件结构分为下位机和上位机两部分，其之间的关 系是下位机安装在现场SF6高压断路器机构柜台下，上位机安装在主控室电力测量柜台 上，它们之间通过CAN总线网络实现通讯；硬件结构示意图如图1所示。其中，下位机硬件 负责数据的采集、处理及传输，下位机硬件部分包括基于FPGA和ARM的智能控制及处理单 元、数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元及CAN总线通讯单元；它们之间的逻 辑关系是基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元控制数据采集单元采集数据，并将数据 存入数据存储单元，存储完毕后，基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元调用数据存储单 元的数据进行处理及智能推理，并将智能推理结果输出至智能控制输出单元，同时，将处理 后的数据通过CAN总线通讯单元传送到上位机。上位机硬件部分由监控中心服务器单元和 CAN总线通讯单元(PCI1680U板卡)组成，其之间的关系是PCI1680U板卡插入监控中心服 务器单元PCI插槽中，实现与下位机的通信。上位机硬件负责监测数据的接受、控制命令的 发送及人机接口界面显示。相应的，软件结构也分为下位机和上位机两部分。下位机软件 负责驱动下位机的硬件完成电气状态、机械状态及绝缘状态数据采集，对采集的数据采用 小波分析、包络分析、经验模态分解技术、模糊推理技术等先进的信号处理技术及算法进行 特征提取，计算出SF6高压断路器机构合分时间、行程、SF6压力、SF6湿度、合分线圈电流、触 头磨损量、振动冲击时间等参数，并结合系统状态信息执行智能推理功能实现对SF6高压断 路器的智能控制及诊断；最后，下位机软件通过CAN总线通讯单元将监测处理结果发送到 上位机监控中心。上位机软件负责驱动上位机CAN总线通讯单元硬件完成与下位机的数据 通讯，并建立人机交互界面和实现监测信息的管理，为检修人员提供信息来源，同时结合设 备历史运行信息，进行智能推理，实现对设备性能状态评估及寿命预测。(1)硬件结构所述基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元是下位机硬件的核心，它控制数据采 集单元采集电气状态、机械状态、绝缘状态信息，并将采集数据存入数据存储单元；然后，该 单元调用数据存储单元中的数据完成电气状态、机械状态、绝缘状态特征参数的计算，并结 合系统信息实现智能推理及智能控制功能，使它具有自动识别SF6高压断路器的工作状态、 自动调整SF6高压断路器的操作信息、自动记录关键信息、自动对SF6高压断路器的元器件和操作进行诊断等能力；最后，所有监测结果通过CAN总线通讯单元向上位机监控服务中 心发送。基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元由EP3C25Q240C8N芯片和S3C2440A芯片 构成。其之间的关系是S3C2440A芯片端口 E (GPE) 16个I/O接口及端口 F (GPF) 4个I/O接 口分别与EP3C25Q240C8N芯片20个I/O接口直连实现通信。EP3C25Q240本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＳＦ６高压断路器状态智能监测与健康管理系统，其特征在于：它由硬件结构和软件结构两大部分构成；该硬件结构分为下位机和上位机两部分，其之间的关系是：下位机安装在现场ＳＦ６高压断路器机构柜台下，上位机安装在主控室电力测量柜台上，它们之间通过ＣＡＮ总线网络实现通讯；下位机硬件部分包括基于ＦＰＧＡ和ＡＲＭ的智能控制及处理单元、数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元及ＣＡＮ总线通讯单元；它们之间的逻辑关系是：基于ＦＰＧＡ和ＡＲＭ的智能控制及处理单元控制数据采集单元采集数据，并将数据存入数据存储单元，存储完毕后，基于ＦＰＧＡ和ＡＲＭ的智能控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行处理及智能推理，并将智能推理结果输出至智能控制输出单元，同时，将处理后的数据通过ＣＡＮ总线通讯单元传送到上位机；上位机硬件部分由监控中心服务器单元和ＣＡＮ总线通讯单元即ＰＣＩ１６８０Ｕ板卡组成，其之间的关系是：ＰＣＩ１６８０Ｕ板卡插入监控中心服务器单元ＰＣＩ插槽中，实现与下位机的通信；所述基于ＦＰＧＡ和ＡＲＭ的智能控制及处理单元是由ＥＰ３Ｃ２５Ｑ２４０Ｃ８Ｎ芯片和Ｓ３Ｃ２４４０Ａ芯片构成，其之间的关系是：Ｓ３Ｃ２４４０Ａ芯片端口Ｅ即ＧＰＥ１６个Ｉ／Ｏ接口及端口Ｆ即ＧＰＦ４个Ｉ／Ｏ接口分别与ＥＰ３Ｃ２５Ｑ２４０Ｃ８Ｎ芯片２０个Ｉ／Ｏ接口直连实现通信；ＥＰ３Ｃ２５Ｑ２４０Ｃ８Ｎ芯片是Ａｌｔｅｒａ公司的Ｃｙｃｌｏｎｅ系列大规模可编程逻辑器件，工作输入时钟频率设定为５０ＭＨｚ，用于对ＡＤ采集进行控制和获取Ｉ／Ｏ接口的数字信息；Ｓ３Ｃ２４４０Ａ是ＡＲＭ　９２０Ｔ内核的３２位ＲＩＳＣ微处理器，工作主频高达４００ＭＨｚ；所述数据采集单元由ＡＤ７４９０模数转换器、数字Ｉ／Ｏ即输入输出接口、数字信号调理电路及模拟信号调理电路组成，其之间的关系是：数字传感器输出信号经过数字信号调理电路实现电平转换，并将结果输出至数字Ｉ／Ｏ接口；模拟传感器输出信号经过模拟信号调理电路进行信号调理和滤波，并将结果输出至ＡＤ７４９０模数转换器进行电压转换；模拟量采集和数字Ｉ／Ｏ量采集同时进行，模拟量数据采集是传感器调理后的模拟信号，它包括行程信号、ＳＦ６压力、ＳＦ６湿度、温度、合分线圈电流、振动信号和一次电流信号；数字量数据采集是传感器调理后的数字信号，它包括开关触头位置、限位开关状态信息；ＡＤ７４９０模数转换器为１６路１２位精度的模数转换芯片，通过ＳＰＩ接口方式与ＦＰＧＡ处理器相连...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓光，黄建，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]