城市市区三相真空断路器状态实时监测和传输系统的设计

田世通　梁勇

摘 要：介绍了一种用在城市市区的三相真空断路器的实时监测和传输的系统。该系统以STC90C516RD+单片机为下位机，为了提高监测端的准确性，减少误报率，采用了多种传感器进行加权判断。考虑到断路器为国家的公共设施，对安全有较高的要求，此系统采用光纤作为下位机到上位机之间的传输媒介。上位机软件负责分析处理数据，出错时立刻发出警报。

关键词：断路器；监测；单片机；物联网

1 概述

高压真空断路器是开关电器中最为重要的一种电器，在电力系统中肩负着控制和保护设备的双重作用。其运行的可靠性直接关系到电力系统的安全运行。国际大电网会议（CIGRE）对高压真空断路器可靠性所做的两次世界范围的调查，以及国家电力科学研究院对高压开关事故的统计分析表明，80%的高压断路器故障是由于机械特性不良造成的，且大多数故障是操动机构的问题。加强高压断路器机械特性的在线监测对保证高压断路器的安全运行具有重要的现实意义。近年来，高压断路器因其适合频繁操作，灭弧能力强、电气寿命长、检修维护工作量小、运行可靠性高等优点在实际中得到了广泛的应用。因此对于高压真空断路器机械特性的在线监测对保证高压断路器的安全运行尤为重要[1]。

当断路器出现问题时，常常是人工申报，再由维修人员到现场维修。这样花费了很多时间，因为不能及时的抢修，很可能会造成严重经济损失和安全事故。这时在线的实时监测系统就显得尤为重要。高压断路器常常安放在户外，特别是在市区，由于车辆等所产生的杂乱的环境因素对传感器的影响巨大，尤其是对声音和震动传感器。

作者所设计的监测系统采用震动传感器，声音传感器对整个断路器机身进行监控。对于最重要的分合指针的监测使用角度传感器和笔者自己设计的指针检测开关装置。这样在上位机会收到多种传感器返回的状态信息。避免了单一变量监测带来的误报。市区的真空断路器的数量很多，上位机采用服务器的解决方案。

2 真空断路器实时监测和传输系统的总体结构

总体结构：真空断路器系统的总体图如图1所示，下位机主要采用STC的STC90C516RD+单片机做控制器、MAX232作为RS232串口的转换芯片。MAX813为外接看门狗芯片，芯片跑飞或出现故障，可以自动重新启动。由于考虑到断路器信息的安全性要求高，并没有采用常规物联网所使用的3G、4G无线接入互联网的方式作为传输手段，而是采用光纤作为传输方式。光纤传输具有抗干扰的优点，并且经过几十年的发展现在的光纤设备的价格并不是非常的昂贵。传输部分所使用的设备有：RS232串口光纤转换器、RS232-TCP/IP转换器，以太网交换机。信息处理端由服务器接收数据，并有软件端处理数据，实时显示市区各断路器的开合状态。

3 数据采集

3.1 下位机原理

数据采集端采用宏晶STC90C516RD+单片机做主控制器，图2中的BANK2是MCU的部分管脚，S1，S2，S3，S4分别是震动传感器、声音传感器、角度传感器、指针状态检测开关，分别接单片机的P1.3，P1.2.P1.1，P1.0四个管脚。原理图下面部分为MAX232电平转换芯片，负责把单片机产生的信号转换为RS232电平。CPU在执行某条指令时，受干扰的冲击，会使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时，CPU执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，本系統采用MAX813作为外接硬件看门狗芯片，MCU的P1.7管脚作为喂狗管脚与MAX813的/WDI管脚相连接，MCU的RST管脚和MAX813的RST管脚相连接。在MAX813的电路部分装有手动重新启动的开关S5。下位机的程序工作流程图如图2所示。

下位机的传感器直接选用自带模块的传感器，S1振动传感器采用磁阻式振动传感器。磁阻式振动传感器的工作原理是当振动体在传感器敏感的测量方向上振动时，传感器的敏感元件产生相应的强制振动。振动产生的振动信号使磁敏元件产生电阻变化。导致输出电压产生相应变化。与一般压电式振动传感器相比，磁阻式振动传感器的分辨率和灵敏度更高，对环境要求较低，频率响应较宽[2]。S2为声音传感器，当真空断路器跳闸时，内部的机械运动会产生巨大的声响，并且所发出的声音会明显的高于附近环境所产生的声音，在使用声音传感器时应将输出调节电阻调至较大、合适的位置，以免因为环境噪音产生误判。S3位角度传感器模块，采用滚珠式，分辨率可调，15度到45度。开合指针的活动范围大于45度，足够滚珠式倾斜传感器识别。传感器固定于开合指针上，固定的位置应在闭合时保持模块输出“0”，在断开时模块输出“1”。最后S4在3.3节详细介绍。

3.2 输出数据结构

下位机的输出数据共17位。[7：0]位为编号位，用以区分真空断路器在市区的位置；[9：8]位为震动传感器的信号位；[11：10]位为声音传感器信号位；[13：12]为角度传感器信号位；[15：14]为指针检测开关信号位；[16：16]为奇偶校验位。

3.3 指针监测开关设计

真空断路器的分合指针是断路器状态最主要的判据，所以对分合指针状态的监测在所有监测变量中就显的尤为重要，因此，对分合指针的单独设计了扫压式的通断监测开关。

如图3所示，蓝色部分为装置内部开关元件，当真空断路器的开合指针扫动时，会按压弹簧片，使内部开关闭合向外输出高电平。

4 传输方式和信息处理

4.1 传输方式

考虑到真空断路器信息的重要性，此系统使用了光纤传输，光纤传输具有衰减小、频带宽、抗干扰性强、安全性能高、体积小、重量轻等优点，所以在长距离传输和特殊环境等方面具有无法比拟的优势。图1中所使用的RS232串口光纤转换器，使用多模光纤传输距离为4km，如果使用单模光纤传输距离可达20km。这里使用单模光纤。下位机输出的RS232数据经RS232串口光纤转换器后，传输到服务器端的RS232串口光纤转换器，再经RS232-TCP/IP转换器，转换为符合TCP/IP协议的数据进入交换机，最终被服务器接受。

4.2 信息处理

上位机处理过程：下位机传输每帧信号的时间小于0.2秒，所以上位机在超过一定的时间没有收到数据就会发出警告，上位机接收的每个传感器的数据后，只要发现有一个数据的某个传感器项出现异常就会发出警告。上位机的数据将以时间轴加折线图的方式显示每个传感器的状态。

5 结束语

高压真空断路器是电力系统中非常重要成员。保护断路器以及在断路器出现问题时，及时发现就显得尤为重要。本系统就市区或者一片城区的所有高压断路器做实时的监控。该系统的下位机在单片机开发板上做过实际测试，测试时没有采用光纤传输，而是下位机的数据经过TCP/IP模块经路由传至服务器，经实验测试证明，该系统实现了数据的采集，传输，实时报警，可是实现预期功能。

参考文献

[1]赵洋，刘汉宇，曾庆军.高压真空断路器机械特性在线监测系统研制[J].高压电器，2009，45（6）：91-95.

[2]林燕侠，曾庆军.高压真空断路器智能在线监测系统的研制[J].电子设计工程，2009，17（12）：21-23.

作者简介：田世通（1993，3-），男，河南大学，通信工程，本科生。