一种配电开关机械特性在线监测系统及监测方法
一种配电开关机械特性在线监测系统及监测方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及一种配电开关机械特性在线监测系统及监测方法。
【背景技术】
[0002] 配电开关是配电系统中构成网架结构的及其重要的一次设备，是保证配电系统可 靠运行的基础。配电系统通过远方/就地方式电动操作机构的控制实现对配电开关开断状 态的控制，实现线路故障区段隔离与切除W及实现无故障区段投入等线路自动化功能，可 靠动作、不拒动、不误动是配电开关的基本要求。配电开关操作机构作为配电开关与二次设 备的"桥梁"，健康的电动操作机构的机械及电气特性是实现系统配电自动化功能和线路可 靠性的重要保证。
[0003] 配电开关操动机构机械部件特别多，加之运些部件动作频繁，因而造成故障的可 能性就多。通过电力科学研究院对全国6KVW上高压开关故障原因统计分析中看出，在误 动、拒动故障中操动机构原因占41.63% ;国际大电网会议(CIGEI)资料也表明，操动机构故 障占43.5%。由此可见，无论是国内还是国外，操动机构故障是开关故障的主要原因。因此， 对开关操作机构及其操作回路进行在线监测与故障诊断，对配电开关的可靠运行和电力系 统的维护具有重要的意义，可W为维修决策提供判断依据，有效降低系统维护成本。
[0004] 目前应用于配电开关机械特性监测一般采用独立的机械特性监测装置，通过在开 关机械部件上集成各种传感器，位移行程传感器、振动传感器、压力传感器等监测开关机械 部件的特征，通过所述特征量反馈开关操动机构的性能。
[0005] 所述配电开关监测装置较多地使用传感器，且采用独立装置形式具有W下缺点：
[0006] 1)选择合适的传感器W及对不同的配电开关操动机构安装适应性差。随着国家电 网公司对配电开关机配电终端接口的标准化，没有用于一般开关机械特性监测装置的接口 与安装位置；
[0007] 2)-般监测装置模块寿命较短，安装维护困难，且价格过高而精度不够导致无法 推广；
[000引3)现有监测装置不支持主站波形记录与分析系统的波形再现与调取，无法实现远 方的在线监测；
[0009] 配电开关一般都是W电磁体作为合分闽操作的第一级控制件，W电机作为储能操 作的第一级控制件，大多数操动机构均是W直流为其操作电源。直流线圈的电压、电流波形 包含操动机构机械特性的重要信息。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是为了解决所述问题，提供一种配电开关机械特性在线监测系统 及监测方法，它具有能够采集并在线读取、记录配电开关操动机构操作的电压、电流波形， 采集开关位置信号，并通过综合分析上述信息，对配电开关操动机构出现的卡设、堵转、线 圈故障、断线故障进行判断及预警;无需额外增加设备，基本无需额外增加监测成本的优 点。
[0011] 为了实现所述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012] -种配电开关机械特性在线监测系统，包括:依次连接的配电开关、配电终端和主 站波形记录与分析系统；
[0013] 所述配电开关，具有操动机构；是通过操动机构控制配电线路通断，实现故障切 除、隔离W及负荷转供的节点；
[0014] 所述配电终端，具有标准接口，且与配电开关配套使用，采集配电开关操动机构操 作的电压、电流波形、统计开关动作次数、采集开关位置信号，实现上述信息的预处理与初 步判断，并上送给主站波形记录与分析系统；
[0015] 所述主站波形记录与分析系统，设置于配电自动化调度室的后台；接收配电终端 传输过来的波形;主站波形与分析系统调取配电线路上任一配电开关的操动机构的波形及 配电终端对配电开关机械特性判断结果，实现配电开关的操作机构的故障预警、故障定位， W便维护人员进行定位检修。
[0016] 所述配电开关与10忍航空连接器连接。
[0017] 所述配电终端包括:主备交流电双路切换电路，主备交流电双路切换电路与用于 配电开关操动机构操作的AC/DC操作电源连接，AC/DC操作电源与配电开关操动机构控制单 元连接，配电开关操动机构控制单元与配电开关连接，AC/DC操作电源与配电开关操动机构 控制单元连接回路上集成电压电流波形采集隔离变送模块，并将隔离变送后的电压电流模 拟量传输给数据采集与处理存储单元，数据采集与处理存储单元将模拟量转换为数字量， 开关位置信息采集模块将配电开关的开关位置信息传输给数据采集与处理存储单元，数据 采集与处理存储单元通过W太网通信单元与主站波形记录与分析系统连接。
[0018] 所述数据采集与处理存储单元，集成在配电终端内部，用于配电开关电压、电流信 号的转换、处理、与存储。
[0019] 数据采集与处理存储单元包括:滤波回路，滤波回路对电压电流波形采集隔离变 送模块传输过来的电压、电流信号进行滤波处理后，将处理后的模拟量送入高速ADC忍片， 高速ADC忍片处理后的数字量送入CPU核屯、平台，CPU核屯、平台处理后存储到Flash存储忍片 中，CPU核屯、平台还将处理后的数据通过W太网通信单元送入主站波形记录与分析系统。
[0020] 所述主备交流电双路切换电路具备延时，能够避免冲击电流的产生，避免上电瞬 间由大功率容性负载引起冲击电流或拉弧现象，与AC/DC操作电源配套使用。
[0021] 所述AC/DC操作电源，安装于配电终端内部支架上，用于提供配电开关操作机构合 闽、分闽、储能的电源，符合《DL/T 721配电自动化远方终端》要求，具备短时大功率输出能 力，满足配电开关操作功率要求，同时具备短路保护、过载保护功能。
[0022] 所述配电开关操动机构控制单元，用于远程或就地控制配电开关的操动机构进行 合闽、分闽、储能操作，接受数据采集与处理存储单元的CPU核屯、平台或主站波形记录与分 析系统控制，还接受就地手动操作的控制。
[0023] 所述电压电流波形采集隔离变送模块，集成在配电终端内部，包括直流电压传感 电路和直流电流传感电路，直流电压传感电路和直流电流传感电路分别用于采集配电开关 操作机构电压和电流，实现电压和电流的隔离与变送。
[0024] 所述W太网通信单元，集成在配电终端内部，用于与主站波形记录与分析系统通 信。具备双通道lOM/lOOM自适应W太网信道，双通道lOM/lOOM自适应W太网信道具备同时 通信功能，确保配网通信的主备通信热切换的无缝切换。
[0025] W太网通信单元在配电终端内部通过带屏蔽的W太网电缆与W太网航空插座进 行连接。
[0026] W太网通信单元通过网络管理协议与主站波形记录与分析系统进行信息交互，将 开关波形文件上送至主站波形记录与分析系统。
[0027] 所述配电开关操动机构控制单元通过10忍航空连接器与配电开关连接。
[0028] 所述W太网通信单元通过W太网航空插座与主站波形记录与分析系统连接。
[0029] 所述10忍航空连接器用于配电开关操动机构的合闽、分闽、储能控制，用于控制电 源输出与开关位置信息反馈，10忍航空连接器与W太网航空插座具有良好的密封性能，确 保配电终端达到IP67的密封等级。
[0030] 所述开关位置信息采集模块用于采集开关位置辅助触点反馈的位置信息，能够实 时采集配电开关合位、分位、储能位置状态信息，开关位置信息采集模块将开关位置信息输 入CPU核屯、平台。
[0031] -种配电开关机械特性在线监测方法，包括如下步骤：
[0032] 步骤（1):配电终端对配电开关进行录波，配电终端采集到配电开关操动机构电 压、电流波形，将电压、电流波形进行本地存储；
[0033] 步骤(2):配电终端通过W太网通信单元将采集的电压、电流波形主动上送给主站 波形记录与分析系统；
[0034] 步骤(3):主站波形记录与分析系统对配电终端上传的数据进行处理，实现配电开 关的操作机构的故障预警、故障定位，W便维护人员进行定位检修。
[0035] 所述步骤(1)的步骤如下：
[0036] 配电终端检测到手动操作系统或者CPU核屯、平台发出操作指令信号；
[0037] CPU核屯、平台开始记录配电终端所连接的配电开关输出的电压、电流波形；
[0038] 配电开关操动机构控制单元开始执行操作指令；
[0039] AC/DC操作电源输出配电开关操动机构动作的电压电流；
[0040] 数据采集与处理存储 单元开始采集并存储电压、电流波形，直到配电开关完成动 作或配电开关位置状态产生变位。
[0041 ]所述步骤(2)将电压、电流波形转换为标准的comtrade文件格式进行本地存储。
[0042] 所述步骤(3)主站波形记录与分析系统将实际接收到的波形，分解出配电开关操 动机构电流波形各阶段经历的实际时间W及实际电流特征值；
[0043] 同时根据主站波形记录与分析系统建立的配电开关操动机构的模型，设定各阶段 的时间阀值，并将配电开关操动机构电流波形各阶段经历的实际时间与设定各阶段的时间 阀值进行比较，还将实际电流特征值与配电开关操动机构的模型中电流特征值进行比较， 从而根据比较结果判断配电开关操动机构机械特性。
[0044] 所述根据比较结果判断配电开关操动机构机械特性：
[0045] to~tl:电流产生时间，主站波形记录与分析系统设定电流产生时间阀值ΔΤ1，与 主站接收到的实际的配电开关电流波形铁忍触动阶段时间长度T1比较，当Τ1>ΔΤ1，且电 流为0,则判断控制回路断线；
[0046] tl~t2:操动机构铁忍触动历时，主站波形记录与分析系统设定触动历时时间阀 值ΔΤ2,与主站波形记录与分析系统接收到的实际的配电开关电流波形铁忍触动历时时间 长度T2比较，当Τ2> Δ T2时判断配电开关操动机构铁忍有卡设；
[0047] 同时，如果出现t2时刻电流12不符合先下降后上升的特征，判定配电开关操动机 构卡设；
[004引t2~t3:操动机构铁忍运动历时，主站波形记录与分析系统设定铁忍运动时间阀 值ΔΤ3,与主站波形记录与分析系统接收到的实际的配电开关电流波形铁忍运动历时时间 T3比较，当Τ3> Δ T3时判断配电开关操动机构铁忍有卡设；
[0049] t3~t4:电流切断阶段历时，主站波形记录与分析系统设定电流切断时间阀值Δ T4,与主站波形记录与分析系统收到的实际的配电开关电流波形电流切断阶段历时时间T4 比较，当Τ4>ΔΤ4时表示触头间产生电弧并被拉长，操动机构线圈出现损伤，判断操动机构 线圈损伤；
[0050] to~t4:配电开关总动作时间，主站波形记录与分析系统设定总动作时间阀值Δ T5,与主站波形记录与分析系统收到的实际的配电开关总动作时间巧进行比较，且配电开 关位置信号无变化判断操动机构堵转故障。
[0051] 所述步骤(3)主站波形记录与分析系统建立配电开关操动机构的模型，配电开关 操动机构的模型将配电开关操动机构的动作分为4个阶段：
[0052] U是指AC/DC操作电源输出电源，开关K是指配电开关操动机构控制单元，L、R为配 电开关操动机构等效模型。
[0053] 设铁忍不饱和，贝化与i的大小有关，电路中开关K合闽后，得
[0054]
(1)
[0化5] 式（1)中，W为线圈的磁链，w = Li，于是，式（1)变为
2)
[0058] 配电开关操动机构的动作分为4个阶段：
[0059] (1)铁忍触动阶段
[0060] 在t = to~tl的时间段，to为断路器分、合命令到达时刻，是断路器分、合时间计时 起点；tl为线圈中电流、磁通上升到足W驱动铁忍运动，即铁忍开始运动的时刻。在铁忍触 动阶段v = 0，L = Lo为常数，则式(2)改为
[0061 ]
(3)
[0062] 带入起始条件t = t〇时1 = 0,得
[0063]
(4)
[0064]公式(4)是指数上升曲线。
[00化](2)铁忍运动阶段
[0066] 在t = ti~t2间，铁忍在电磁力的作用下，克服了重力、弹黃力等阻力，开始加速运 动，直到铁忍上端面碰撞到支持部分，停止运动为止。
[0067] 此时v〉0，L也不再是常数，i将按照式(3)变化。
7 .
[0068] 通常v〉0: 表现为随时间不断增大的反电势，通常大于1]，故~|为负值， 巧 良Pi在铁忍运动后迅速下降，直到铁忍停止运动，V重新为零为止。
[0069] 根据铁忍运动阶段的电流波形，诊断铁忍的运动状态。所述铁忍的运动状态包括： 铁忍运动有无卡涩W及脱扣、释能机械负载变动。
[0070] (3)触头分、合闽阶段
[0071 ] 在t = t2~t3间，铁忍已停止运动v = 0,但L = Lm(S = Sm时的电感)时有
[0072]
(5)
[0073] 因 Lm>Lo,故电流比铁忍触动阶段上升的慢。触头分、合闽阶段是通过传动系统带 动断路器触头分、合闽的过程。
[0074] t2是铁忍停止运动的时刻，而触头则在t2前后开始运动，t3为断路器辅助接点切 除时刻，t3~to或t3~t2反映操作传动系统运动的情况。
[0075] (4)电流切断阶段
[0076] t = t3时，辅助接点切断后随之开关K断开，在其触头间产生电弧并被拉长，电弧电 流i随之减小至零直至焰灭。
[0077] 上述主站所设定的阀值Δ T1~Δ巧需根据不同配电开关经验值进行设定。
[0078] 本发明的有益效果：
[0079] 1、本发明利用现有配电设备资源，通过配电终端内部集成监测配电终端输出的操 动机构电压、电流波形、开关位置信息，运用现代电子技术，充分对电压、电流信息进行深度 挖掘，实现波形本地储存与分析，并将监测到的波形通过太网通信技术上送至主站，实现开 关机械特性的远方监测。主站可W查看配电线路上任一配电开关的波形进行分析与故障定 位。实现配电开关故障预警、故障定位，W便维护人员进行定位检修。
[0080] 2、本发明通过在标准接口的配电终端基础上集成传感技术对配电开关操动机构 电压、电流波形进行采集，实现配电开关机械特性的在线监测。利用标准化接口终端进行配 电开关进行监测能够有效解决配电开关机械特性监测装置现场安装适应性差的问题;无需 额外增加监测装置，大大降低了开关机械特性监测的实现成本；
[0081] 3、本发明充分利用配电终端与主站的W太网通信技术与主站信息集中的系统优 势，对配电开关操动机机械特性进行远方在线监测与分析，实现配电开关操作机构故障预 警、故障定位，配电系统维护人员通过主站可W调取配电线路上任一配电开关操动机构波 形就终端判断结果信息数据，W便维护人员进行定位检修。
【附图说明】
[0082] 图1为系统构成示意图；
[0083] 图2是本发明的一种实施例的安装示意图；
[0084] 图3是本发明所述的装置原理框图；
[0085] 图4是配电开关操动机构回路模型；
[0086] 图5配电开关操动电流波曲线模型。
[0087] 其中，1、主站波形记录与分析系统，2、配电终端，3、配电开关，4、10忍航空连接器， 5、W太网航空插座，21、主备交流电双路切换电路，22、AC/DC操作电源，23、配电开关操动机 构控制单元，24、电压电流波形采集隔离变送模块，25、数据采集与处理存储单元，26、W太 网通信单元，27、开关位置信息采集模块。
【具体实施方式】
[0088] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0089] 系统构成如图1、2和3所示：
[0090] 一种配电开关机械特性在线监测系统，包括:与配电开关配套使用的标准接口配 电终端(FTU)2,独立安装但通过电缆与10忍航空连接器有电气连接的具有操动机构的配电 开关3,所述配电终端实现开关波形的采集与上送。
[0091] 配电终端2包括具备延时避免冲击电流功能的主备交流电双路切换电路21，用于 配电开关控制的AC/DC操作电源22,配电开关操动机构控制单元23,集成在配电终端内部的 电压电流波形采集隔离变送模块24,集成在配电终端内部的高速高精度数据采集与处理存 储单元25,集成在配电终端内部W太网通信单元26,设置于配电自动化调度室的后台主站 波形记录与分析系统1，集成在终端内部的开关位置信息采集模块27,安装于配电终端底盖 上用于与配电开关连接的具有密封性能的10忍航空连接器4;安装于配电终端底盖上与外 部光纤通信设备连接的W太网航空插座5。
[0092] 所述具备延时避免冲击电流功能的主备交流电双路切换电路21集成配电终端内 部 PCB板上，配套后级率AC/DC操作电源模块22使用。用于避免上电瞬间由大功率容性负载 引起冲击电流、拉弧等现象，导致切换器件损伤与寿命缩短。
[0093] 所述AC/DC操作电源22位于双路切换电路后级，安装于配电终端内部支架上，AC/ DC操作电源22通过引线与双路切换输出端子相连，用于提供配电开关操作机构合闽、分闽、 储能的操作电源。该AC/DC操作电源符合《DL/T 721配电自动化远方终端》要求，具备短时大 功率输出能力，完全满足配电开关操作功率要求，同时具备短路保护、过载保护功能。
[0094] 所述配电开关操动机构控制单元23用于远程或就地控制配电开关操动机构进行 合分闽、储能操作，受系统CPU/主站波形记录与分析系统或者就地手动操作系统控制。
[0095] 所述集成在配电终端内部的电压电流波形采集隔离变送模块24用于配电开关操 作机构电压、电流采集、隔离与变送，包含直流电压传感电路，直流电流传感电流。波形采集 隔离变送模块采用高精度工业级电压电流波形采集隔离变送模块，为确保系统稳定可靠， 电压电流传感器均采用高隔离度变送器。
[0096] 所述集成在配电终端2内部的高速高精度数据采集与处理存储单元25包含高速 ADC忍片，CPU核屯、平台W及Flash存储忍片(波形本地存储器），用于配电开关电压、电流信 号的转换、处理、分析判断与存储。维护人员可W通过维护软件读取波形与开关参数状态信 息，W及配电终端对开关操动机构机械特性的判断结果。波形采集隔离变送模块采集电压、 电流信号经过隔离变送后经过滤波电路的二阶滤波输入到16位高速ADC忍片，大容量Flash 用于配电开关波形文件存储，通过16位总线与CPU核屯、平台进行信息交互。
[0097] 所述集成在配电终端FTU2内部W太网通信单元26用于与主站波形记录与分析系 统1通信，具备双通道10M/100M自适应W太网信道，双W太网具备同时通信功能，确保配网 通信的主备通信热切换的无缝切换。W太网通信单元26在配电终端2内部通过标准带屏蔽 W太网电缆与所述W太网航空插座5进行连接。W太网通信单元26通过网管协议与主站波 形记录与分析系统1进行信息交互，将开关波形文件上送至主站波形记录与分析系统1。
[0098] 所述10忍航空连接器4用于配电开关3操动机构合分闽，储能控制电源输出与开关 辅助触点状态信息采集，该10忍航空连接器4与所述W太网航空插座5具有良好的密封性 能，可W确保配电终端达到IP67的密封等级。
[0099] 所述设置于配电自动化调度室的后台主站波形记录与分析系统1通过网管协议与 配电终端2进行波形传输。配电系统维护人员通过主站波形与分析系统1可W调取配电线路 上任一配电开关3操动机构波形就终端判断结果信息数据，实现配电开关3操作机构故障预 警、故障定位，W便维护人员进行定位检修。
[0100] -种配电开关机械特性在线监测方法，包括如下步骤：
[0101] 步骤（1):配电终端对配电开关进行录波，配电终端采集到配电开关操动机构电 压、电流波形，将电压、电流波形进行本地存储；
[0102] 步骤(2):配电终端通过W太网通信单元将采集的电压、电流波形主动上送给主站 波形记录与分析系统；
[0103] 步骤(3):主站波形记录与分析系统对配电终端上传的数据进行处理，实现配电开 关的操作机构的故障预警、故障定位，W便维护人员进行定位检修。
[0104] 所述步骤(1)的步骤如下：
[0105] 配电终端检测到手动操作系统或者CPU核屯、平台发出操作指令信号；
[0106] CPU核屯、平台开始记录配电终端所连接的配电开关输出的电压、电流波形；
[0107] 配电开关操动机构控制单元开始执行操作指令；
[0108] AC/DC操作电源输出配电开关操动机构动作的电压电流；
[0109] 数据采集与处理存储单元开始采集并存储电压、电流波形，直到配电开关完成动 作或配电开关位置状态产生变位。
[0110]所述步骤(2)将电压、电流波形转换为标准的comtrade文件格式进行本地存储。
[0111] 所述步骤(3)主站波形记录与分析系统建立开关合分闽操动机构的模型，将开关 操动机构动作分为4个阶段：
[0112] 图4中U，是指AC/DC操作电源输出电源，开关K是指配电开关操动机构控制单元，L、 R为配电开关操动机构等效模型。
[0113] 设铁忍不饱和，贝化与i的大小有关，电路中开关K合闽后，由图3电路图得
[0114]
(3-1)
[0115] 式中，W为线圈的磁链，w = Li，于是，上式可变为
[0116]
[0117]
[0118] 配电开关动作可分为4个阶段：
[0119] (1)铁忍触动阶段
[0120] 在t = to~ti的时间段，to为断路器分(合)命令到达时刻，是断路器分、合时间计时 起点；ti为线圈中电流、磁通上升到足W驱动铁忍运动，即铁忍开始运动的时刻。在运一阶 段v = 〇，L = Lo为常数则式（1)可改为
[0121]
C2；
[0122] 带入起始条件t = to时i = 0可得
[012；3] / =知-它咖-昇。] (3) 化 左白
[0124]运是指数上升曲线，对应图1中to~ti的电流波形起始部分。
[01巧](2)铁忍运动阶段
[01%]在t = ti~t2间，铁忍在电磁力的作用下不，克服了重力、弹黃力等阻力，开始加速 运动，知道铁忍上端面碰撞到支持部分停止运动为止。此时v〉0，L也不再是常数，i将按照式 (2)变化。通常v〉0，^>0，L(^)表现为随时间不断增大的反电势，通常大于U，故^为负值， dS cH 泌 良Pi在铁忍运动后迅速下降，直到铁忍停止运动，V重新为零为止。根据运一阶段的电流波 形，可诊断铁忍的运动状态，例如铁忍运动有无卡涩W及脱扣、释能机械负载变动的情况。
[0127] (3)触头分、合闽阶段
[012引在t = t2~t3间，铁忍已停止运动v = 0,但L = Lm(S = Sm时的电感)时有
[0129]
(4)
[0130] 因 Lm>Lo,故电流比第一阶段上升的慢。运一阶段是通过传动系统带动断路器触头 分、合闽的过程。t2是铁忍停止运动的时刻，而触头则在t2前后开始运动，t3为断路器辅助 接点切除时刻，t3~to或t3~t2可W反映操作传动系统运动的情况。
[0131] (4)电流切断阶段
[0132] t = t3时，辅助接点切断后随之开关K断开，在其触头间产生电弧并被拉长，电弧电 流i随之减小至零直至焰灭。
[0133] 配电开关操动机构动作的4个阶段电流可W用图5的曲线描述：
[0134] 主站波形记录与分析系统将接收到的波形，分解出开关动作各阶段时间W及电流 特征值。根据上述模型，通过设定各阶段时间的时间阀值，并与配电开关操动机构波形各阶 段时间及电流特征值进行比较，判断配电开关操动机构机械特性。
[0135] to~tl:电流产生时间，主站波形记录与分析系统设定电流产生时间阀值Δ T1，与 主站接收到的实际的配电开关电流波形铁忍触动阶段时间长度τι比较，当Τ1> Δ τι，且电 流为0,则判断控制回路断线；
[0136] tl~t2:操动机构铁忍触动历时，主站设定触动历时时间阀值Δ Τ2，与主站接收到 的实际的配电开关电流波形铁忍触动历时时间长度T2比较，当Τ2>ΔΤ2时判断配电开关操 动机构铁忍有卡设；
[0137] 同时，如果出现t2时刻电流12特征不符合图1特征，即t2时刻电流不符合先下降后 上升的特征，判定配电开关操动机构卡设；
[0138] t2~t3:铁忍运动历时，主站波形记录与分析系统设定铁忍运动时间阀值Δ T3，与 主站接收到的实际的配电开关电流波形铁忍运动历时时间T3比较，当Τ3>ΔΤ3时判断配电 开关操动机构铁忍有卡设；
[0139] t3~t4:电流切断阶段历时，主站波形记录与分析系统设定电流切断时间阀值Δ T4,与主站收到的实际的配电开关电流波形电流切断阶段历时时间T4比较，当Τ4>ΔΤ4时 表示触头间产生电弧并被拉长，操动机构线圈出现损伤，判断操动机构线圈损 伤；
[0140] to~t4:配电开关总动作时间，主站波形记录与分析系统设定总动作时间阀值Δ T5,与主站收到的实际的配电开关总动作时间T5进行比较，且配电开关位置信号无变化判 断操动机构堵转故障。
[0141 ]上述主站所设定的阀值Δ T1~Δ巧需根据不同配电开关经验值进行设定。
[0142]所述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围W内。
【主权项】
1. 一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是，包括:依次连接的配电开关、配电 终端和主站波形记录与分析系统； 所述配电开关，具有操动机构；是通过操动机构控制配电线路通断，实现故障切除、隔 离以及负荷转供的节点； 所述配电终端，具有标准接口，且与配电开关配套使用，采集配电开关操动机构操作的 电压、电流波形、统计开关动作次数、采集开关位置信号，实现上述信息的预处理与初步判 断，并上送给主站波形记录与分析系统； 所述主站波形记录与分析系统，设置于配电自动化调度室的后台；接收配电终端传输 过来的波形;主站波形与分析系统调取配电线路上任一配电开关的操动机构的波形及配电 终端对配电开关机械特性判断结果，实现配电开关的操作机构的故障预警、故障定位，以便 维护人员进行定位检修。2. 如权利要求1所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是，所述配电终端 包括:主备交流电双路切换电路，主备交流电双路切换电路与用于配电开关操动机构操作 的AC/DC操作电源连接，AC/DC操作电源与配电开关操动机构控制单元连接，配电开关操动 机构控制单元与配电开关连接，AC/DC操作电源与配电开关操动机构控制单元连接回路上 集成电压电流波形采集隔离变送模块，并将隔离变送后的电压电流模拟量传输给数据采集 与处理存储单元，数据采集与处理存储单元将模拟量转换为数字量，开关位置信息采集模 块将配电开关的开关位置信息传输给数据采集与处理存储单元，数据采集与处理存储单元 通过以太网通信单元与主站波形记录与分析系统连接。3. 如权利要求2所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是，数据采集与处 理存储单元包括:滤波回路，滤波回路对电压电流波形采集隔离变送模块传输过来的电压、 电流信号进行滤波处理后，将处理后的模拟量送入高速ADC芯片，高速ADC芯片处理后的数 字量送入CPU核心平台，CPU核心平台处理后存储到Flash存储芯片中，CPU核心平台还将处 理后的数据通过以太网通信单元送入主站波形记录与分析系统。4. 如权利要求2所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是， 所述主备交流电双路切换电路具备延时，能够避免冲击电流的产生，避免上电瞬间由 大功率容性负载引起冲击电流或拉弧现象，与AC/DC操作电源配套使用； 所述AC/DC操作电源，安装于配电终端内部支架上，用于提供配电开关操作机构合闸、 分闸、储能的电源，符合《DL/T721配电自动化远方终端》要求，具备短时大功率输出能力， 满足配电开关操作功率要求，同时具备短路保护、过载保护功能。5. 如权利要求2所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是， 所述配电开关操动机构控制单元，用于远程或就地控制配电开关的操动机构进行合 闸、分闸、储能操作，接受数据采集与处理存储单元的CPU核心平台或主站波形记录与分析 系统控制，还接受就地手动操作的控制； 所述电压电流波形采集隔离变送模块，集成在配电终端内部，包括直流电压传感电路 和直流电流传感电路，直流电压传感电路和直流电流传感电路分别用于采集配电开关操作 机构电压和电流，实现电压和电流的隔离与变送。6. 如权利要求2所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是， 所述以太网通信单元，集成在配电终端内部，用于与主站波形记录与分析系统通信；具 备双通道10M/100M自适应以太网信道，双通道10M/100M自适应以太网信道具备同时通信功 能，确保配网通信的主备通信热切换的无缝切换； 所述开关位置信息采集模块用于采集开关位置辅助触点反馈的位置信息，能够实时采 集配电开关合位、分位、储能位置状态信息，开关位置信息采集模块将开关位置信息输入 CPU核心平台。7. -种配电开关机械特性在线监测方法，其特征是，包括如下步骤： 步骤（1):配电终端对配电开关进行录波，配电终端采集到配电开关操动机构电压、电 流波形，将电压、电流波形进行本地存储； 步骤(2):配电终端通过以太网通信单元将采集的电压、电流波形主动上送给主站波形 记录与分析系统； 步骤(3):主站波形记录与分析系统对配电终端上传的数据进行处理，实现配电开关的 操作机构的故障预警、故障定位，以便维护人员进行定位检修。8. 如权利要求7所述的方法，其特征是，所述步骤(1)的步骤如下： 配电终端检测到手动操作系统或者CPU核心平台发出操作指令信号； CRJ核心平台开始记录配电终端所连接的配电开关输出的电压、电流波形； 配电开关操动机构控制单元开始执行操作指令； AC/DC操作电源输出配电开关操动机构动作的电压电流； 数据采集与处理存储单元开始采集并存储电压、电流波形，直到配电开关完成动作或 配电开关位置状态产生变位。9. 如权利要求7所述的方法，其特征是， 所述步骤(3)主站波形记录与分析系统将实际接收到的波形，分解出配电开关操动机 构电流波形各阶段经历的实际时间以及实际电流特征值； 同时根据主站波形记录与分析系统建立的配电开关操动机构的模型，设定各阶段的时 间阀值，并将配电开关操动机构电流波形各阶段经历的实际时间与设定各阶段的时间阀值 进行比较，还将实际电流特征值与配电开关操动机构的模型中电流特征值进行比较，从而 根据比较结果判断配电开关操动机构机械特性。10. 如权利要求9所述的方法，其特征是，所述根据比较结果判断配电开关操动机构机 械特性： to~tl:电流产生时间，主站波形记录与分析系统设定电流产生时间阀值ΔT1，与主站 接收到的实际的配电开关电流波形铁芯触动阶段时间长度T1比较，当Τ1>ΔΤ1，且电流为 〇,则判断控制回路断线； 11~12:操动机构铁芯触动历时，主站波形记录与分析系统设定触动历时时间阀值Δ T2,与主站波形记录与分析系统接收到的实际的配电开关电流波形铁芯触动历时时间长度 T2比较，当T2> △T2时判断配电开关操动机构铁芯有卡涉； 同时，如果出现t2时刻电流12不符合先下降后上升的特征，判定配电开关操动机构卡 涉； t2~t3:操动机构铁芯运动历时，主站波形记录与分析系统设定铁芯运动时间阀值Δ T3,与主站波形记录与分析系统接收到的实际的配电开关电流波形铁芯运动历时时间T3比 较，当T3> △T3时判断配电开关操动机构铁芯有卡涉； t3~t4:电流切断阶段历时，主站波形记录与分析系统设定电流切断时间阀值△T4,与 主站波形记录与分析系统收到的实际的配电开关电流波形电流切断阶段历时时间Τ4比较， 当Τ4>ΔΤ4时表示触头间产生电弧并被拉长，操动机构线圈出现损伤，判断操动机构线圈 损伤； tO~t4:配电开关总动作时间，主站波形记录与分析系统设定总动作时间阀值ΔΤ5,与 主站波形记录与分析系统收到的实际的配电开关总动作时间T5进行比较，且配电开关位置 信号无变化判断操动机构堵转故障。
【专利摘要】本发明公开了一种配电开关机械特性在线监测系统及监测方法；依次连接的配电开关、配电终端和主站波形记录与分析系统；配电开关，具有操动机构；通过操动机构控制配电线路通断，实现故障切除、隔离以及负荷转供的节点；配电终端，与配电开关配套使用，采集配电开关操动机构操作的电压、电流波形、统计开关动作次数、采集开关位置信号，实现上述信息的预处理与初步判断，并上送给主站波形记录与分析系统；主站波形记录与分析系统，接收配电终端传输过来的波形；调取配电线路上任一配电开关的操动机构的波形及配电终端对配电开关机械特性判断结果，实现配电开关的操作机构的故障预警、故障定位，以便维护人员进行定位检修。
【IPC分类】G01R31/327
【公开号】CN105487006
【申请号】CN201510990361
【发明人】邵志敏, 李建修, 刘合金, 张世栋, 张林利, 孙勇, 李立生, 王进, 刘兴华
【申请人】国网山东省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月25日
【技术领域】
[0001 ]本发明设及一种配电开关机械特性在线监测系统及监测方法。
【背景技术】
[0002] 配电开关是配电系统中构成网架结构的及其重要的一次设备，是保证配电系统可 靠运行的基础。配电系统通过远方/就地方式电动操作机构的控制实现对配电开关开断状 态的控制，实现线路故障区段隔离与切除W及实现无故障区段投入等线路自动化功能，可 靠动作、不拒动、不误动是配电开关的基本要求。配电开关操作机构作为配电开关与二次设 备的"桥梁"，健康的电动操作机构的机械及电气特性是实现系统配电自动化功能和线路可 靠性的重要保证。
[0003] 配电开关操动机构机械部件特别多，加之运些部件动作频繁，因而造成故障的可 能性就多。通过电力科学研究院对全国6KVW上高压开关故障原因统计分析中看出，在误 动、拒动故障中操动机构原因占41.63% ;国际大电网会议(CIGEI)资料也表明，操动机构故 障占43.5%。由此可见，无论是国内还是国外，操动机构故障是开关故障的主要原因。因此， 对开关操作机构及其操作回路进行在线监测与故障诊断，对配电开关的可靠运行和电力系 统的维护具有重要的意义，可W为维修决策提供判断依据，有效降低系统维护成本。
[0004] 目前应用于配电开关机械特性监测一般采用独立的机械特性监测装置，通过在开 关机械部件上集成各种传感器，位移行程传感器、振动传感器、压力传感器等监测开关机械 部件的特征，通过所述特征量反馈开关操动机构的性能。
[0005] 所述配电开关监测装置较多地使用传感器，且采用独立装置形式具有W下缺点：
[0006] 1)选择合适的传感器W及对不同的配电开关操动机构安装适应性差。随着国家电 网公司对配电开关机配电终端接口的标准化，没有用于一般开关机械特性监测装置的接口 与安装位置；
[0007] 2)-般监测装置模块寿命较短，安装维护困难，且价格过高而精度不够导致无法 推广；
[000引3)现有监测装置不支持主站波形记录与分析系统的波形再现与调取，无法实现远 方的在线监测；
[0009] 配电开关一般都是W电磁体作为合分闽操作的第一级控制件，W电机作为储能操 作的第一级控制件，大多数操动机构均是W直流为其操作电源。直流线圈的电压、电流波形 包含操动机构机械特性的重要信息。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是为了解决所述问题，提供一种配电开关机械特性在线监测系统 及监测方法，它具有能够采集并在线读取、记录配电开关操动机构操作的电压、电流波形， 采集开关位置信号，并通过综合分析上述信息，对配电开关操动机构出现的卡设、堵转、线 圈故障、断线故障进行判断及预警;无需额外增加设备，基本无需额外增加监测成本的优 点。
[0011] 为了实现所述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012] -种配电开关机械特性在线监测系统，包括:依次连接的配电开关、配电终端和主 站波形记录与分析系统；
[0013] 所述配电开关，具有操动机构；是通过操动机构控制配电线路通断，实现故障切 除、隔离W及负荷转供的节点；
[0014] 所述配电终端，具有标准接口，且与配电开关配套使用，采集配电开关操动机构操 作的电压、电流波形、统计开关动作次数、采集开关位置信号，实现上述信息的预处理与初 步判断，并上送给主站波形记录与分析系统；
[0015] 所述主站波形记录与分析系统，设置于配电自动化调度室的后台；接收配电终端 传输过来的波形;主站波形与分析系统调取配电线路上任一配电开关的操动机构的波形及 配电终端对配电开关机械特性判断结果，实现配电开关的操作机构的故障预警、故障定位， W便维护人员进行定位检修。
[0016] 所述配电开关与10忍航空连接器连接。
[0017] 所述配电终端包括:主备交流电双路切换电路，主备交流电双路切换电路与用于 配电开关操动机构操作的AC/DC操作电源连接，AC/DC操作电源与配电开关操动机构控制单 元连接，配电开关操动机构控制单元与配电开关连接，AC/DC操作电源与配电开关操动机构 控制单元连接回路上集成电压电流波形采集隔离变送模块，并将隔离变送后的电压电流模 拟量传输给数据采集与处理存储单元，数据采集与处理存储单元将模拟量转换为数字量， 开关位置信息采集模块将配电开关的开关位置信息传输给数据采集与处理存储单元，数据 采集与处理存储单元通过W太网通信单元与主站波形记录与分析系统连接。
[0018] 所述数据采集与处理存储单元，集成在配电终端内部，用于配电开关电压、电流信 号的转换、处理、与存储。
[0019] 数据采集与处理存储单元包括:滤波回路，滤波回路对电压电流波形采集隔离变 送模块传输过来的电压、电流信号进行滤波处理后，将处理后的模拟量送入高速ADC忍片， 高速ADC忍片处理后的数字量送入CPU核屯、平台，CPU核屯、平台处理后存储到Flash存储忍片 中，CPU核屯、平台还将处理后的数据通过W太网通信单元送入主站波形记录与分析系统。
[0020] 所述主备交流电双路切换电路具备延时，能够避免冲击电流的产生，避免上电瞬 间由大功率容性负载引起冲击电流或拉弧现象，与AC/DC操作电源配套使用。
[0021] 所述AC/DC操作电源，安装于配电终端内部支架上，用于提供配电开关操作机构合 闽、分闽、储能的电源，符合《DL/T 721配电自动化远方终端》要求，具备短时大功率输出能 力，满足配电开关操作功率要求，同时具备短路保护、过载保护功能。
[0022] 所述配电开关操动机构控制单元，用于远程或就地控制配电开关的操动机构进行 合闽、分闽、储能操作，接受数据采集与处理存储单元的CPU核屯、平台或主站波形记录与分 析系统控制，还接受就地手动操作的控制。
[0023] 所述电压电流波形采集隔离变送模块，集成在配电终端内部，包括直流电压传感 电路和直流电流传感电路，直流电压传感电路和直流电流传感电路分别用于采集配电开关 操作机构电压和电流，实现电压和电流的隔离与变送。
[0024] 所述W太网通信单元，集成在配电终端内部，用于与主站波形记录与分析系统通 信。具备双通道lOM/lOOM自适应W太网信道，双通道lOM/lOOM自适应W太网信道具备同时 通信功能，确保配网通信的主备通信热切换的无缝切换。
[0025] W太网通信单元在配电终端内部通过带屏蔽的W太网电缆与W太网航空插座进 行连接。
[0026] W太网通信单元通过网络管理协议与主站波形记录与分析系统进行信息交互，将 开关波形文件上送至主站波形记录与分析系统。
[0027] 所述配电开关操动机构控制单元通过10忍航空连接器与配电开关连接。
[0028] 所述W太网通信单元通过W太网航空插座与主站波形记录与分析系统连接。
[0029] 所述10忍航空连接器用于配电开关操动机构的合闽、分闽、储能控制，用于控制电 源输出与开关位置信息反馈，10忍航空连接器与W太网航空插座具有良好的密封性能，确 保配电终端达到IP67的密封等级。
[0030] 所述开关位置信息采集模块用于采集开关位置辅助触点反馈的位置信息，能够实 时采集配电开关合位、分位、储能位置状态信息，开关位置信息采集模块将开关位置信息输 入CPU核屯、平台。
[0031] -种配电开关机械特性在线监测方法，包括如下步骤：
[0032] 步骤（1):配电终端对配电开关进行录波，配电终端采集到配电开关操动机构电 压、电流波形，将电压、电流波形进行本地存储；
[0033] 步骤(2):配电终端通过W太网通信单元将采集的电压、电流波形主动上送给主站 波形记录与分析系统；
[0034] 步骤(3):主站波形记录与分析系统对配电终端上传的数据进行处理，实现配电开 关的操作机构的故障预警、故障定位，W便维护人员进行定位检修。
[0035] 所述步骤(1)的步骤如下：
[0036] 配电终端检测到手动操作系统或者CPU核屯、平台发出操作指令信号；
[0037] CPU核屯、平台开始记录配电终端所连接的配电开关输出的电压、电流波形；
[0038] 配电开关操动机构控制单元开始执行操作指令；
[0039] AC/DC操作电源输出配电开关操动机构动作的电压电流；
[0040] 数据采集与处理存储 单元开始采集并存储电压、电流波形，直到配电开关完成动 作或配电开关位置状态产生变位。
[0041 ]所述步骤(2)将电压、电流波形转换为标准的comtrade文件格式进行本地存储。
[0042] 所述步骤(3)主站波形记录与分析系统将实际接收到的波形，分解出配电开关操 动机构电流波形各阶段经历的实际时间W及实际电流特征值；
[0043] 同时根据主站波形记录与分析系统建立的配电开关操动机构的模型，设定各阶段 的时间阀值，并将配电开关操动机构电流波形各阶段经历的实际时间与设定各阶段的时间 阀值进行比较，还将实际电流特征值与配电开关操动机构的模型中电流特征值进行比较， 从而根据比较结果判断配电开关操动机构机械特性。
[0044] 所述根据比较结果判断配电开关操动机构机械特性：
[0045] to~tl:电流产生时间，主站波形记录与分析系统设定电流产生时间阀值ΔΤ1，与 主站接收到的实际的配电开关电流波形铁忍触动阶段时间长度T1比较，当Τ1>ΔΤ1，且电 流为0,则判断控制回路断线；
[0046] tl~t2:操动机构铁忍触动历时，主站波形记录与分析系统设定触动历时时间阀 值ΔΤ2,与主站波形记录与分析系统接收到的实际的配电开关电流波形铁忍触动历时时间 长度T2比较，当Τ2> Δ T2时判断配电开关操动机构铁忍有卡设；
[0047] 同时，如果出现t2时刻电流12不符合先下降后上升的特征，判定配电开关操动机 构卡设；
[004引t2~t3:操动机构铁忍运动历时，主站波形记录与分析系统设定铁忍运动时间阀 值ΔΤ3,与主站波形记录与分析系统接收到的实际的配电开关电流波形铁忍运动历时时间 T3比较，当Τ3> Δ T3时判断配电开关操动机构铁忍有卡设；
[0049] t3~t4:电流切断阶段历时，主站波形记录与分析系统设定电流切断时间阀值Δ T4,与主站波形记录与分析系统收到的实际的配电开关电流波形电流切断阶段历时时间T4 比较，当Τ4>ΔΤ4时表示触头间产生电弧并被拉长，操动机构线圈出现损伤，判断操动机构 线圈损伤；
[0050] to~t4:配电开关总动作时间，主站波形记录与分析系统设定总动作时间阀值Δ T5,与主站波形记录与分析系统收到的实际的配电开关总动作时间巧进行比较，且配电开 关位置信号无变化判断操动机构堵转故障。
[0051] 所述步骤(3)主站波形记录与分析系统建立配电开关操动机构的模型，配电开关 操动机构的模型将配电开关操动机构的动作分为4个阶段：
[0052] U是指AC/DC操作电源输出电源，开关K是指配电开关操动机构控制单元，L、R为配 电开关操动机构等效模型。
[0053] 设铁忍不饱和，贝化与i的大小有关，电路中开关K合闽后，得
[0054]
(1)
[0化5] 式（1)中，W为线圈的磁链，w = Li，于是，式（1)变为
2)
[0058] 配电开关操动机构的动作分为4个阶段：
[0059] (1)铁忍触动阶段
[0060] 在t = to~tl的时间段，to为断路器分、合命令到达时刻，是断路器分、合时间计时 起点；tl为线圈中电流、磁通上升到足W驱动铁忍运动，即铁忍开始运动的时刻。在铁忍触 动阶段v = 0，L = Lo为常数，则式(2)改为
[0061 ]
(3)
[0062] 带入起始条件t = t〇时1 = 0,得
[0063]
(4)
[0064]公式(4)是指数上升曲线。
[00化](2)铁忍运动阶段
[0066] 在t = ti~t2间，铁忍在电磁力的作用下，克服了重力、弹黃力等阻力，开始加速运 动，直到铁忍上端面碰撞到支持部分，停止运动为止。
[0067] 此时v〉0，L也不再是常数，i将按照式(3)变化。
7 .
[0068] 通常v〉0: 表现为随时间不断增大的反电势，通常大于1]，故~|为负值， 巧 良Pi在铁忍运动后迅速下降，直到铁忍停止运动，V重新为零为止。
[0069] 根据铁忍运动阶段的电流波形，诊断铁忍的运动状态。所述铁忍的运动状态包括： 铁忍运动有无卡涩W及脱扣、释能机械负载变动。
[0070] (3)触头分、合闽阶段
[0071 ] 在t = t2~t3间，铁忍已停止运动v = 0,但L = Lm(S = Sm时的电感)时有
[0072]
(5)
[0073] 因 Lm>Lo,故电流比铁忍触动阶段上升的慢。触头分、合闽阶段是通过传动系统带 动断路器触头分、合闽的过程。
[0074] t2是铁忍停止运动的时刻，而触头则在t2前后开始运动，t3为断路器辅助接点切 除时刻，t3~to或t3~t2反映操作传动系统运动的情况。
[0075] (4)电流切断阶段
[0076] t = t3时，辅助接点切断后随之开关K断开，在其触头间产生电弧并被拉长，电弧电 流i随之减小至零直至焰灭。
[0077] 上述主站所设定的阀值Δ T1~Δ巧需根据不同配电开关经验值进行设定。
[0078] 本发明的有益效果：
[0079] 1、本发明利用现有配电设备资源，通过配电终端内部集成监测配电终端输出的操 动机构电压、电流波形、开关位置信息，运用现代电子技术，充分对电压、电流信息进行深度 挖掘，实现波形本地储存与分析，并将监测到的波形通过太网通信技术上送至主站，实现开 关机械特性的远方监测。主站可W查看配电线路上任一配电开关的波形进行分析与故障定 位。实现配电开关故障预警、故障定位，W便维护人员进行定位检修。
[0080] 2、本发明通过在标准接口的配电终端基础上集成传感技术对配电开关操动机构 电压、电流波形进行采集，实现配电开关机械特性的在线监测。利用标准化接口终端进行配 电开关进行监测能够有效解决配电开关机械特性监测装置现场安装适应性差的问题;无需 额外增加监测装置，大大降低了开关机械特性监测的实现成本；
[0081] 3、本发明充分利用配电终端与主站的W太网通信技术与主站信息集中的系统优 势，对配电开关操动机机械特性进行远方在线监测与分析，实现配电开关操作机构故障预 警、故障定位，配电系统维护人员通过主站可W调取配电线路上任一配电开关操动机构波 形就终端判断结果信息数据，W便维护人员进行定位检修。
【附图说明】
[0082] 图1为系统构成示意图；
[0083] 图2是本发明的一种实施例的安装示意图；
[0084] 图3是本发明所述的装置原理框图；
[0085] 图4是配电开关操动机构回路模型；
[0086] 图5配电开关操动电流波曲线模型。
[0087] 其中，1、主站波形记录与分析系统，2、配电终端，3、配电开关，4、10忍航空连接器， 5、W太网航空插座，21、主备交流电双路切换电路，22、AC/DC操作电源，23、配电开关操动机 构控制单元，24、电压电流波形采集隔离变送模块，25、数据采集与处理存储单元，26、W太 网通信单元，27、开关位置信息采集模块。
【具体实施方式】
[0088] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0089] 系统构成如图1、2和3所示：
[0090] 一种配电开关机械特性在线监测系统，包括:与配电开关配套使用的标准接口配 电终端(FTU)2,独立安装但通过电缆与10忍航空连接器有电气连接的具有操动机构的配电 开关3,所述配电终端实现开关波形的采集与上送。
[0091] 配电终端2包括具备延时避免冲击电流功能的主备交流电双路切换电路21，用于 配电开关控制的AC/DC操作电源22,配电开关操动机构控制单元23,集成在配电终端内部的 电压电流波形采集隔离变送模块24,集成在配电终端内部的高速高精度数据采集与处理存 储单元25,集成在配电终端内部W太网通信单元26,设置于配电自动化调度室的后台主站 波形记录与分析系统1，集成在终端内部的开关位置信息采集模块27,安装于配电终端底盖 上用于与配电开关连接的具有密封性能的10忍航空连接器4;安装于配电终端底盖上与外 部光纤通信设备连接的W太网航空插座5。
[0092] 所述具备延时避免冲击电流功能的主备交流电双路切换电路21集成配电终端内 部 PCB板上，配套后级率AC/DC操作电源模块22使用。用于避免上电瞬间由大功率容性负载 引起冲击电流、拉弧等现象，导致切换器件损伤与寿命缩短。
[0093] 所述AC/DC操作电源22位于双路切换电路后级，安装于配电终端内部支架上，AC/ DC操作电源22通过引线与双路切换输出端子相连，用于提供配电开关操作机构合闽、分闽、 储能的操作电源。该AC/DC操作电源符合《DL/T 721配电自动化远方终端》要求，具备短时大 功率输出能力，完全满足配电开关操作功率要求，同时具备短路保护、过载保护功能。
[0094] 所述配电开关操动机构控制单元23用于远程或就地控制配电开关操动机构进行 合分闽、储能操作，受系统CPU/主站波形记录与分析系统或者就地手动操作系统控制。
[0095] 所述集成在配电终端内部的电压电流波形采集隔离变送模块24用于配电开关操 作机构电压、电流采集、隔离与变送，包含直流电压传感电路，直流电流传感电流。波形采集 隔离变送模块采用高精度工业级电压电流波形采集隔离变送模块，为确保系统稳定可靠， 电压电流传感器均采用高隔离度变送器。
[0096] 所述集成在配电终端2内部的高速高精度数据采集与处理存储单元25包含高速 ADC忍片，CPU核屯、平台W及Flash存储忍片(波形本地存储器），用于配电开关电压、电流信 号的转换、处理、分析判断与存储。维护人员可W通过维护软件读取波形与开关参数状态信 息，W及配电终端对开关操动机构机械特性的判断结果。波形采集隔离变送模块采集电压、 电流信号经过隔离变送后经过滤波电路的二阶滤波输入到16位高速ADC忍片，大容量Flash 用于配电开关波形文件存储，通过16位总线与CPU核屯、平台进行信息交互。
[0097] 所述集成在配电终端FTU2内部W太网通信单元26用于与主站波形记录与分析系 统1通信，具备双通道10M/100M自适应W太网信道，双W太网具备同时通信功能，确保配网 通信的主备通信热切换的无缝切换。W太网通信单元26在配电终端2内部通过标准带屏蔽 W太网电缆与所述W太网航空插座5进行连接。W太网通信单元26通过网管协议与主站波 形记录与分析系统1进行信息交互，将开关波形文件上送至主站波形记录与分析系统1。
[0098] 所述10忍航空连接器4用于配电开关3操动机构合分闽，储能控制电源输出与开关 辅助触点状态信息采集，该10忍航空连接器4与所述W太网航空插座5具有良好的密封性 能，可W确保配电终端达到IP67的密封等级。
[0099] 所述设置于配电自动化调度室的后台主站波形记录与分析系统1通过网管协议与 配电终端2进行波形传输。配电系统维护人员通过主站波形与分析系统1可W调取配电线路 上任一配电开关3操动机构波形就终端判断结果信息数据，实现配电开关3操作机构故障预 警、故障定位，W便维护人员进行定位检修。
[0100] -种配电开关机械特性在线监测方法，包括如下步骤：
[0101] 步骤（1):配电终端对配电开关进行录波，配电终端采集到配电开关操动机构电 压、电流波形，将电压、电流波形进行本地存储；
[0102] 步骤(2):配电终端通过W太网通信单元将采集的电压、电流波形主动上送给主站 波形记录与分析系统；
[0103] 步骤(3):主站波形记录与分析系统对配电终端上传的数据进行处理，实现配电开 关的操作机构的故障预警、故障定位，W便维护人员进行定位检修。
[0104] 所述步骤(1)的步骤如下：
[0105] 配电终端检测到手动操作系统或者CPU核屯、平台发出操作指令信号；
[0106] CPU核屯、平台开始记录配电终端所连接的配电开关输出的电压、电流波形；
[0107] 配电开关操动机构控制单元开始执行操作指令；
[0108] AC/DC操作电源输出配电开关操动机构动作的电压电流；
[0109] 数据采集与处理存储单元开始采集并存储电压、电流波形，直到配电开关完成动 作或配电开关位置状态产生变位。
[0110]所述步骤(2)将电压、电流波形转换为标准的comtrade文件格式进行本地存储。
[0111] 所述步骤(3)主站波形记录与分析系统建立开关合分闽操动机构的模型，将开关 操动机构动作分为4个阶段：
[0112] 图4中U，是指AC/DC操作电源输出电源，开关K是指配电开关操动机构控制单元，L、 R为配电开关操动机构等效模型。
[0113] 设铁忍不饱和，贝化与i的大小有关，电路中开关K合闽后，由图3电路图得
[0114]
(3-1)
[0115] 式中，W为线圈的磁链，w = Li，于是，上式可变为
[0116]
[0117]
[0118] 配电开关动作可分为4个阶段：
[0119] (1)铁忍触动阶段
[0120] 在t = to~ti的时间段，to为断路器分(合)命令到达时刻，是断路器分、合时间计时 起点；ti为线圈中电流、磁通上升到足W驱动铁忍运动，即铁忍开始运动的时刻。在运一阶 段v = 〇，L = Lo为常数则式（1)可改为
[0121]
C2；
[0122] 带入起始条件t = to时i = 0可得
[012；3] / =知-它咖-昇。] (3) 化 左白
[0124]运是指数上升曲线，对应图1中to~ti的电流波形起始部分。
[01巧](2)铁忍运动阶段
[01%]在t = ti~t2间，铁忍在电磁力的作用下不，克服了重力、弹黃力等阻力，开始加速 运动，知道铁忍上端面碰撞到支持部分停止运动为止。此时v〉0，L也不再是常数，i将按照式 (2)变化。通常v〉0，^>0，L(^)表现为随时间不断增大的反电势，通常大于U，故^为负值， dS cH 泌 良Pi在铁忍运动后迅速下降，直到铁忍停止运动，V重新为零为止。根据运一阶段的电流波 形，可诊断铁忍的运动状态，例如铁忍运动有无卡涩W及脱扣、释能机械负载变动的情况。
[0127] (3)触头分、合闽阶段
[012引在t = t2~t3间，铁忍已停止运动v = 0,但L = Lm(S = Sm时的电感)时有
[0129]
(4)
[0130] 因 Lm>Lo,故电流比第一阶段上升的慢。运一阶段是通过传动系统带动断路器触头 分、合闽的过程。t2是铁忍停止运动的时刻，而触头则在t2前后开始运动，t3为断路器辅助 接点切除时刻，t3~to或t3~t2可W反映操作传动系统运动的情况。
[0131] (4)电流切断阶段
[0132] t = t3时，辅助接点切断后随之开关K断开，在其触头间产生电弧并被拉长，电弧电 流i随之减小至零直至焰灭。
[0133] 配电开关操动机构动作的4个阶段电流可W用图5的曲线描述：
[0134] 主站波形记录与分析系统将接收到的波形，分解出开关动作各阶段时间W及电流 特征值。根据上述模型，通过设定各阶段时间的时间阀值，并与配电开关操动机构波形各阶 段时间及电流特征值进行比较，判断配电开关操动机构机械特性。
[0135] to~tl:电流产生时间，主站波形记录与分析系统设定电流产生时间阀值Δ T1，与 主站接收到的实际的配电开关电流波形铁忍触动阶段时间长度τι比较，当Τ1> Δ τι，且电 流为0,则判断控制回路断线；
[0136] tl~t2:操动机构铁忍触动历时，主站设定触动历时时间阀值Δ Τ2，与主站接收到 的实际的配电开关电流波形铁忍触动历时时间长度T2比较，当Τ2>ΔΤ2时判断配电开关操 动机构铁忍有卡设；
[0137] 同时，如果出现t2时刻电流12特征不符合图1特征，即t2时刻电流不符合先下降后 上升的特征，判定配电开关操动机构卡设；
[0138] t2~t3:铁忍运动历时，主站波形记录与分析系统设定铁忍运动时间阀值Δ T3，与 主站接收到的实际的配电开关电流波形铁忍运动历时时间T3比较，当Τ3>ΔΤ3时判断配电 开关操动机构铁忍有卡设；
[0139] t3~t4:电流切断阶段历时，主站波形记录与分析系统设定电流切断时间阀值Δ T4,与主站收到的实际的配电开关电流波形电流切断阶段历时时间T4比较，当Τ4>ΔΤ4时 表示触头间产生电弧并被拉长，操动机构线圈出现损伤，判断操动机构线圈损 伤；
[0140] to~t4:配电开关总动作时间，主站波形记录与分析系统设定总动作时间阀值Δ T5,与主站收到的实际的配电开关总动作时间T5进行比较，且配电开关位置信号无变化判 断操动机构堵转故障。
[0141 ]上述主站所设定的阀值Δ T1~Δ巧需根据不同配电开关经验值进行设定。
[0142]所述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围W内。
【主权项】
1. 一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是，包括:依次连接的配电开关、配电 终端和主站波形记录与分析系统； 所述配电开关，具有操动机构；是通过操动机构控制配电线路通断，实现故障切除、隔 离以及负荷转供的节点； 所述配电终端，具有标准接口，且与配电开关配套使用，采集配电开关操动机构操作的 电压、电流波形、统计开关动作次数、采集开关位置信号，实现上述信息的预处理与初步判 断，并上送给主站波形记录与分析系统； 所述主站波形记录与分析系统，设置于配电自动化调度室的后台；接收配电终端传输 过来的波形;主站波形与分析系统调取配电线路上任一配电开关的操动机构的波形及配电 终端对配电开关机械特性判断结果，实现配电开关的操作机构的故障预警、故障定位，以便 维护人员进行定位检修。2. 如权利要求1所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是，所述配电终端 包括:主备交流电双路切换电路，主备交流电双路切换电路与用于配电开关操动机构操作 的AC/DC操作电源连接，AC/DC操作电源与配电开关操动机构控制单元连接，配电开关操动 机构控制单元与配电开关连接，AC/DC操作电源与配电开关操动机构控制单元连接回路上 集成电压电流波形采集隔离变送模块，并将隔离变送后的电压电流模拟量传输给数据采集 与处理存储单元，数据采集与处理存储单元将模拟量转换为数字量，开关位置信息采集模 块将配电开关的开关位置信息传输给数据采集与处理存储单元，数据采集与处理存储单元 通过以太网通信单元与主站波形记录与分析系统连接。3. 如权利要求2所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是，数据采集与处 理存储单元包括:滤波回路，滤波回路对电压电流波形采集隔离变送模块传输过来的电压、 电流信号进行滤波处理后，将处理后的模拟量送入高速ADC芯片，高速ADC芯片处理后的数 字量送入CPU核心平台，CPU核心平台处理后存储到Flash存储芯片中，CPU核心平台还将处 理后的数据通过以太网通信单元送入主站波形记录与分析系统。4. 如权利要求2所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是， 所述主备交流电双路切换电路具备延时，能够避免冲击电流的产生，避免上电瞬间由 大功率容性负载引起冲击电流或拉弧现象，与AC/DC操作电源配套使用； 所述AC/DC操作电源，安装于配电终端内部支架上，用于提供配电开关操作机构合闸、 分闸、储能的电源，符合《DL/T721配电自动化远方终端》要求，具备短时大功率输出能力， 满足配电开关操作功率要求，同时具备短路保护、过载保护功能。5. 如权利要求2所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是， 所述配电开关操动机构控制单元，用于远程或就地控制配电开关的操动机构进行合 闸、分闸、储能操作，接受数据采集与处理存储单元的CPU核心平台或主站波形记录与分析 系统控制，还接受就地手动操作的控制； 所述电压电流波形采集隔离变送模块，集成在配电终端内部，包括直流电压传感电路 和直流电流传感电路，直流电压传感电路和直流电流传感电路分别用于采集配电开关操作 机构电压和电流，实现电压和电流的隔离与变送。6. 如权利要求2所述的一种配电开关机械特性在线监测系统，其特征是， 所述以太网通信单元，集成在配电终端内部，用于与主站波形记录与分析系统通信；具 备双通道10M/100M自适应以太网信道，双通道10M/100M自适应以太网信道具备同时通信功 能，确保配网通信的主备通信热切换的无缝切换； 所述开关位置信息采集模块用于采集开关位置辅助触点反馈的位置信息，能够实时采 集配电开关合位、分位、储能位置状态信息，开关位置信息采集模块将开关位置信息输入 CPU核心平台。7. -种配电开关机械特性在线监测方法，其特征是，包括如下步骤： 步骤（1):配电终端对配电开关进行录波，配电终端采集到配电开关操动机构电压、电 流波形，将电压、电流波形进行本地存储； 步骤(2):配电终端通过以太网通信单元将采集的电压、电流波形主动上送给主站波形 记录与分析系统； 步骤(3):主站波形记录与分析系统对配电终端上传的数据进行处理，实现配电开关的 操作机构的故障预警、故障定位，以便维护人员进行定位检修。8. 如权利要求7所述的方法，其特征是，所述步骤(1)的步骤如下： 配电终端检测到手动操作系统或者CPU核心平台发出操作指令信号； CRJ核心平台开始记录配电终端所连接的配电开关输出的电压、电流波形； 配电开关操动机构控制单元开始执行操作指令； AC/DC操作电源输出配电开关操动机构动作的电压电流； 数据采集与处理存储单元开始采集并存储电压、电流波形，直到配电开关完成动作或 配电开关位置状态产生变位。9. 如权利要求7所述的方法，其特征是， 所述步骤(3)主站波形记录与分析系统将实际接收到的波形，分解出配电开关操动机 构电流波形各阶段经历的实际时间以及实际电流特征值； 同时根据主站波形记录与分析系统建立的配电开关操动机构的模型，设定各阶段的时 间阀值，并将配电开关操动机构电流波形各阶段经历的实际时间与设定各阶段的时间阀值 进行比较，还将实际电流特征值与配电开关操动机构的模型中电流特征值进行比较，从而 根据比较结果判断配电开关操动机构机械特性。10. 如权利要求9所述的方法，其特征是，所述根据比较结果判断配电开关操动机构机 械特性： to~tl:电流产生时间，主站波形记录与分析系统设定电流产生时间阀值ΔT1，与主站 接收到的实际的配电开关电流波形铁芯触动阶段时间长度T1比较，当Τ1>ΔΤ1，且电流为 〇,则判断控制回路断线； 11~12:操动机构铁芯触动历时，主站波形记录与分析系统设定触动历时时间阀值Δ T2,与主站波形记录与分析系统接收到的实际的配电开关电流波形铁芯触动历时时间长度 T2比较，当T2> △T2时判断配电开关操动机构铁芯有卡涉； 同时，如果出现t2时刻电流12不符合先下降后上升的特征，判定配电开关操动机构卡 涉； t2~t3:操动机构铁芯运动历时，主站波形记录与分析系统设定铁芯运动时间阀值Δ T3,与主站波形记录与分析系统接收到的实际的配电开关电流波形铁芯运动历时时间T3比 较，当T3> △T3时判断配电开关操动机构铁芯有卡涉； t3~t4:电流切断阶段历时，主站波形记录与分析系统设定电流切断时间阀值△T4,与 主站波形记录与分析系统收到的实际的配电开关电流波形电流切断阶段历时时间Τ4比较， 当Τ4>ΔΤ4时表示触头间产生电弧并被拉长，操动机构线圈出现损伤，判断操动机构线圈 损伤； tO~t4:配电开关总动作时间，主站波形记录与分析系统设定总动作时间阀值ΔΤ5,与 主站波形记录与分析系统收到的实际的配电开关总动作时间T5进行比较，且配电开关位置 信号无变化判断操动机构堵转故障。
【专利摘要】本发明公开了一种配电开关机械特性在线监测系统及监测方法；依次连接的配电开关、配电终端和主站波形记录与分析系统；配电开关，具有操动机构；通过操动机构控制配电线路通断，实现故障切除、隔离以及负荷转供的节点；配电终端，与配电开关配套使用，采集配电开关操动机构操作的电压、电流波形、统计开关动作次数、采集开关位置信号，实现上述信息的预处理与初步判断，并上送给主站波形记录与分析系统；主站波形记录与分析系统，接收配电终端传输过来的波形；调取配电线路上任一配电开关的操动机构的波形及配电终端对配电开关机械特性判断结果，实现配电开关的操作机构的故障预警、故障定位，以便维护人员进行定位检修。
【IPC分类】G01R31/327
【公开号】CN105487006
【申请号】CN201510990361
【发明人】邵志敏, 李建修, 刘合金, 张世栋, 张林利, 孙勇, 李立生, 王进, 刘兴华
【申请人】国网山东省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月25日
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