SF6断路器气体状态在线监测系统的开发

徐建国，潘玲玲，柏春玲，张 海，裴玉杰

(国网抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113008)

SF6断路器气体状态在线监测系统的开发

徐建国，潘玲玲，柏春玲，张 海，裴玉杰

(国网抚顺供电公司，辽宁 抚顺 113008)

针对目前SF6气体状态监测方法布线复杂、精度不高、数据管理不够科学等缺点，提出了一种新的设计方案。将整个系统分成采集器、集中器、监控软件3个部分，采用ZigBee无线通信、以太网等通信方式，可对多台SF6断路器状态进行实时监测。同时，通过组态软件建立友好的用户界面及数据库，对断路器气体状态数据进行显示及管理，从而对断路器的运行状态进行更加有效评估。

SF6断路器；在线监测；ZigBee；以太网

Abstract:Aiming at the shortcoming of traditional measurement of the state of SF6gas and proposing a novel system design which divide the whole system into three parts: data acquisition unit,data concentrators and monitoring software. ZigBee wireless net and Ethernet communication are used to realizereal-time monitoring of SF6circuit breaker. Meanwhile, by using Configuration Softwarethe system constructs user-friendly interface and database to display and management the data of SF6gas which offer an effective evaluation of the running state of the circuit breaker.

Keywords：SF6circuit breaker; on-line monitoring; ZigBee; Ethernet

SF6气体作为一种良好的绝缘介质，广泛应用于高压断路器。若SF6气体密度降低，会造成断路器耐压强度降低、开断容量下降，同时湿度的超标也会引起SF6气体绝缘性能的大幅降低[1]。有资料表明，SF6电力设备故障中，含水量超标和SF6气体泄漏导致密度降低是造成电力事故的主要原因之一[2]，其中本体SF6气体泄漏引起的故障占38%[3]。为了保障SF6断路器的安全运行，必须对SF6气体的密度和湿度进行严格监控。

目前，SF6气体在线监测主要存在以下几个问题：在线监测系统不完善，多数都是针对单一或几个参数的在线监测，不利于故障的诊断；采用RS485或CAN总线组建有线网络，布线复杂，成本过高，不易维护;数据的保存、处理不系统，缺乏科学管理；用户界面不够友好，不利于断路器日常监测。该监测系统对以上问题都进行了有效改进，更有利于在线监测技术的应用[4-5]。

1 系统总体方案

根据对系统功能的分析，从功能实现和系统设计模块化的角度，将整个系统分成3个部分：数据采样模块、数据集中器和监控中心，如图1所示。采集器安装在断路器上，通过ZigBee网络与集中器通信，减少了布线，缩短了施工周期。监控中心与采集器之间通过以太网通信，采用Modbus/TCP协议，与现场总线相比，它具有开放性好、通信速率高、技术成熟、稳定性和可靠性好等优点。监控软件采用组态软件进行设计开发，充分利用了组态软件人机界面美观、形象的特点，同时通过建立数据库，实现了采集数据历史和横向管理。

将整个系统分成3个部分, 使得系统具有很好的扩展性，当监测目标增多时，只需增加若干个数据采集器，不需要改变软硬件，同时系统具有很好的移植性，只需要改变采集器的功能，就可应用于变电站其他电力设备状态的在线监测。

图1 系统总体结构

1.1数据采集器

数据采集器由AVR128主控芯片和温度、压力、湿度传感器及ZigBee无线通信模块组成，AVR128是Atmel公司提供的8位高性能单片机，它自带有8路10位的AD，可直接对传感器的输出模拟量进行模数转换，ZigBee通信采用英国Jennic公司的JN5139模块，它是一款低功耗、低成本，适合于IEEE802.15.4和ZigBee应用的无线收发协议的无线微控制器，集成了32-bit RISC的处理器和完全兼容2.4 GHz的IEEE802.15.4协议的无线收发装置，内置了64 KB的ROM和96 KB的RAM，为用户提供了便利、低成本的无线传感网络组网解决方案，采集器硬件结构如图2所示。

图2 采集器硬件结构框图

1.2数据集中器

数据集中器的主控芯片采用SamSung公司的高性能ARM920T内核处理器S3C2440，该芯片具有丰富的外设接口，包括LCD、SDRAM、Nand Flash、SPI、UART等，工作主频最高可达535 MHz，能够满足大多数工业现场监控的要求，集中器的主要外设模块如图3所示，其中LCD和按键用来实现人机交互界面，用户可以通过它来修改集中器的IP地址，并对接收到的数据进行显示，这样，即使在现场，工作人员也能了解断路器的SF6气体状态；DM9000是一款10/100 Mbps自适应以太网卡，通过它实现集中器与上位机的网络通信；ZigBee通信模块用来实现与采集器通信；SDRAM作为系统的主存，Nand Flash用来保存程序和数据。

图3 集中器硬件结构框图

2 系统软件设计

2.1ZigBee网络构建

ZigBee通信网络是采集器和集中器之间的数据传输桥梁，通过ZigBee网络集中器可以采集各个 ZigBee节点的数据，集中器与采集器之间是一个星形网络，其中采集器是ZigBee网络中的节点设备，与集中器连接的ZigBee模块是网络中的协调器，所有的节点设备只能通过协调器进行通信。为了方便对断路器的管理，需要对每台断路器进行编号，采用的方案是让协调器管理节点号，当有新的节点设备加入时，协调器给它分配下一个未使用的节点号，协调器和节点设备程序流程如图4、图5所示。

图4 协调器程序流程

图5 节点设备程序流程

因为压力和湿度值跟环境温度相关，采集器利用经验公式，将采集到的压力和湿度转换到20 ℃时的值，这样可以有效提高测量值的精度，从而增大系统准确度。

2.2集中器软件设计

为了更好地发挥硬件性能，在S3C2440上移植了Linux操作系统。集中器软件设计采用了多线程编程技术，根据对集中器功能的分析，将整个程序分为3个线程：主线程、ZigBee线程及Modbus/TCP线程。

主线程对系统进行初始化后，创建ZigBee线程和Modbus/TCP线程，之后进入循环，等待用户按键事件，与用户进行交互。

ZigBee线程读取ZigBee无线模块传来的数据，当有数据时，直接处理数据；当无数据时，线程被阻塞，操作系统调度其他线程运行，直到数据到来时，线程被唤醒，继续执行，程序流程如图6所示。

数据处理部分解析出设备的编号、压力、湿度值，保存到全局数组中，保存数据的同时，保存接收数据的时间，因为ZigBee节点间隔一定的周期传送数据，若超过几个周期都没有新的数据到达，则可以判断出该ZigBee节点出现了故障，主线程中定义了1个定时器，每隔一断时间，它就会对ZigBee线程保存的数据进行检查，对接收时间超过设定周期的节点，将其压力、湿度修改为零，从而标识出现故障的节点。最后设置新数据到达标志，让主线程更新用户界面显示的数据。

图6 ZigBee线程流程图

Modbus/TCP基于TCP协议，通信端口是RFC1700中指定的特殊端口号502。网络程序通常采用客户/服务器模型，Modbus通信线程实现的功能基于1个Modbus应用服务器，它响应监控中心的请求，并为其服务，而且为了应对多个客户的同时到达，要设计成一个并发服务器，比较常用的方法为每当新的客户到来时，创建一个子进程，让它为客户服务，这样程序设计简单，不过创建进程增加了资源的开销，包括内存和用于进程间切换的处理器时间，同时数据的交互也更加麻烦，新创建的子进程要读取ZigBee线程保存的数据，需要通过专门的进程间通信机制。

采用I/O复用设计技巧，通过调用select函数，该函数允许进程指示内核等待多个事件中的任意一个发生，并且在任一事件到来时被唤醒。程序流程如图7所示。

图7 Modbus/TCP流程图

首先调用select(maxfd+1, &fdset, NULL, NULL, NULL)等待客户请求，这里的客户请求包括新的TCP客户要求建立连接及已经建立连接的客户请求通信。当有客户请求时，返回请求个数，没有请求时，进入睡眠状态，等到请求到来时被唤醒，断续执行。其中fdset是文件描述符集合，maxfd是fdset中最大文件描述符的值。初始时，fdset中只有套接口监听描述符，用求监听TCP建立连接请求。

如果套接口监听描述符上有事件发生，表示有新的客户要求建立连接，这时为该客户生成一个已连接描述符，加入到fdset中，更新maxfd，这样下次调用select时，就会监听这个描述符中的事件，从而和客户进行通信。

接下来依次处理已连接描述符上的事件，每个已连接描述符都代表一个已经建立连接的客户，先读取客户发送的请求数据包，解析出地址、功能号、数据偏移、数据长度，得到这些信息之后，就从ZigBee线程保存的数据处获取客户请求的数据，发送给它，处理完所有请求之后，返回select处继续等待下一次请求。

2.3监控软件

上位机监控软件采用紫金桥公司的Realinfo组态软件进行设计，利用Realinfo可以很方便构造自己需要的数据采集与监控系统，其突出特点是实时多任务，可以实现数据采集和存储、数据处理和统计、各类参数波形图形显示、设备异常报警等多个任务同时在1台计算机上运行，监控软件功能结构如图8所示。

图8 监控软件功能结构图

软件的功能包括对接收到的数据进行曲线显示，建立数据库，方便对历史数据进行查询，对密度超过报警值的断路器信息进行保存，从而可以根据历史信息对断路器运行状态进行更加科学的判断。

3 结束语

SF6断路器是电力系统中最重要的设备之一，其可靠运行直接影响电网的安全。该系统是一种基于ZigBee无线通信和以太网的分布式SF6气体在线监测系统，整个系统分成采集器、集中器、监控软件3个部分，可对多台SF6断路器状态进行实时监测。同时，通过组态软件，建立友好的用户界面及数据库，对断路器气体状态数据进行显示及管理，从而对断路器的运行状态进行更加有效评估，目前已进入试运行阶段，运行状态良好，满足了设计要求。该系统为SF6断路器的安全可靠运行提供了保障，从根本上降低了设备的维护费用和事故发生率，经济和社会效益显著。

[1] 王长海,谭 英,于显颖. SF6断路器应用中的维护要点[J]. 工程技术,2009,1(12):103-104.

[2] 刘亚芳. 国内外高压SF6断路器运行状况及维修策略综述[J]. 电力设备,2002,3(1):26-29.

[3] GIGRE. WG13.08.Life Management of Circuit Breakers[R] . Report Number:165,2000.

[4] 张皓阳，蔡志远，张军阳. 变压器油中溶解气体含量在线监测技术综述[J]. 东北电力技术,2006,27(8): 48-50.

[5] 洪 鹤，鲁旭臣，胡大伟.组合电器SF6气体泄漏故障分析[J]. 东北电力技术,2014,35(7): 27-29.

Development of On-Line Monitoring System for SF6Circuit Breaker

XU Jianguo, PAN Lingling,BAI Chunling, ZHANG Hai,PEI Yujie

(State Grid Fushun Power Supply Company，Fushun, Liaoning 113008,China)

TM561

A

1004-7913(2017)07-0014-04

2017-05-11)

徐建国(1971)，男，高级工程师，主要从事电力生产技术管理工作。