一种控制回路智能监视及故障诊断的方法和装置与流程

1.本发明涉及检修技术领域，具体涉及一种控制回路智能监视及故障诊断的方法和装置。


背景技术：

2.采用高压脉冲直流控制技术实现被测电磁铁线圈的v/a特性曲线的绘制及结果对比输出。装置采用高压脉冲时间控制输出技术，每次测试高压脉冲输出都控制在毫秒级，保证了输出总功率不会超过被测试线圈能够承受的抗短路能力，进而保证测试过程安全，保证被测试控制线圈状态不受检测影响。断路器的控制线圈匝间绝缘故障检测装置包括高压信号输出装置，控制检测输出装置及连接导线。其中控制检测输出装置是系统的核心控制部件，负责检测信号的输入控制和测量结果的检测输出。断路器控制线圈匝间绝缘故障检测系统原理如图1所示。
3.采用高压脉冲控制技术实现被测电磁铁线圈的v/a特性曲线的绘制；通过与标准规格的电磁铁线圈的v/a特性曲线进行对比，当所测量线圈在相同频率、电压下的v/a特性曲线与标准电磁铁线圈的v/a特性曲线进行对比出现异常时，进而判断出被测电磁铁线圈整体磁通、磁阻变小，即存在匝间绝缘故障。
4.利用实际工作现场常用的标准线圈数据，绘制成标准线圈波形，并且以此为根据判断其他线圈的优劣。最终设定装置根据现场标准线圈，预先存储了多种标准波形，并进行了测试实验经测验可知，现有技术不足：
5.1)采用上述方法需结合检修试验将线圈从机构中拆下进行检测，操作繁琐，可实施性不足；
6.2)采用上述方法不能对运行中的开关进行监测；
7.3)控制回路组成部分很多，故障类型也很多，此方法只针对分合闸线圈绝缘情况情况进行检测，无法检测控制回路所有的元器件，并根据故障情况判断故障原因；针对检修试验过程中发生故障的情况，无相关技术手段进行处理，将故障影响降到最低。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种减小因线圈烧毁对开关机构造成的不良影响，因控制回路故障而导致的设备检修工期增加或设备被迫停电的现象的控制回路智能监视及故障诊断的方法和装置。
9.本发明的技术方案：
10.一种控制回路智能监视及故障诊断的方法，包括对于110kv及以下电压等级开关的非接触式监视和对于220kv及以上电压等级开关的多模拟量监视；
11.对于110kv及以下电压等级开关的监视及故障诊断包括以下步骤：分合闸操作；电流采集；波形记录并分析；结束；
12.对于220kv及以上电压等级开关的监视及故障诊断包括以下步骤：分合闸操作；电
流和电压采集；波形记录并分析；断开控制电源；结束。优选的，对于110kv及以下电压等级开关的监视及故障诊断具体包括以下步骤：采用电流采集装置和智能录波装置进行长期监测，并将采集到的电流量通过无线传输的形式传递给智能录波装置，智能录波装置对于每次开关的分合闸电流波形进行监测，并与标准波形进行比对，随着电流波形的变化情况，判断控制回路元器件的隐患，并设置告警阀值，一旦电流越限，则智能录波装置自动告警，提醒检修人员安排时间进行隐患处理。
13.优选的，对于220kv及以上电压等级开关仅在停电检修期间装设智能监视及故障诊断装置。
14.优选的，对于220kv及以上电压等级开关的监视及故障诊断具体包括以下步骤：电流采集装置卡在保护屏后分合闸回路上，用于分合闸过程中进行电流非接触式采集，电压采集装置采集分合闸过程中开关辅助触点两端的电压，采集到的电压、电流量通过无线传输手段传送至智能录波装置，智能录波装置对采集到的模拟量信息进行记录，并设定过流过时阀值，一旦电流越限，可以迅速发出告警指令，通过无线传输至控制电源切断装置，控制电源切断装置卡在空开上，一旦切断装置接收到告警指令，则迅速拉开空开，切断控制电源。
15.优选的，线圈烧毁一般大于10s，且电流持续0.1s即可发告警信息，通过无线传输指令，控制开关拉控制电源在3s以内完成；拉开控制电源后，智能录波装置结合采集到的电压、电流量，智能分析判定故障原因，根据分析结果，检修人员采取措施进行处置。
16.一种控制回路智能监视及故障诊断的装置，包括电流采集单元、电压采集单元、智能录波单元、控制单元切断单元和无线通信单元；
17.所述电流采集单元和电压采集单元通过无线通信单元将信号传输给智能录波单元；所述智能录波单元通过无线通信单元将信号传输给控制单元切断单元。
18.优选的，所述电流采集单元采用无源式磁光玻璃型电子式电流互感器，结合法拉第磁光感应定律，计算出控制回路电流；
19.所述电压采集单元采用在回路中串联200v直流电压表的形式实现，经过电压表测量出的电压模拟量经过a/d转换成数字量，通过电子计数器技术，最后把结果分别就地储存和无线传输至智能录波单元，就地储存的数字量可通过就地显示屏直接调阅显示。
20.优选的，智能录波单元通过无线传输技术手段实现电压、电流量的采集；智能录波单元对标准波形进行存储，并与测试波形自动进行比对，智能分析控制回路的隐患；
21.智能录波单元在装置告警的同时可发送控制单元切断的指令。
22.优选的，控制单元切断单元将过流信息量改变为无线指令接收控制辅助元件动作，通过机械卡扣的方式同步带动控制开关分闸。
23.优选的，无线通信单元采用5g技术；
24.或将sim卡放置于各个单元内，并将5g通讯所需的网卡进行集成，实现设备之间的无线通讯。
25.本发明的有益效果：
26.本发明变电站内控制回路缺乏完善的监测机制，通过增加控制回路监视功能，可以在不改变原控制回路的前提下实现控制回路更完善的监视。可以提前对控制回路隐患进行预判，并在故障发生过程中自动快速响应处置，有效降低分合闸过程中“线圈烧毁”、“分
合闸电阻烧毁”等事故的发生次数，减小因线圈烧毁对开关机构造成的不良影响，大大减少因控制回路故障而导致的设备检修工期增加或设备被迫停电的现象。
27.1)可实施性强。在继电保护小室内，采用光电式电流互感器进行电流监测，不仅不影响原控制回路的正常运行，而且具有安装方便，抗干扰能力强，测量精度高，安全，不受开关震动等环境的影响的特点；
28.2)在线监测。针对110kv及其以下开关自动分合的特点，可以实现设备不停电的情况下非接触式持续监测，并能对分合闸过程中的电流波形进行记录，与标准波形比对，提前预判控制回路故障；
29.3)处理方法及时。针对220kv及其以上开关的特点，在检修预试过程中对多模拟量进行监测，一旦发现控制回路过流过时，立即取处理措施，避免控制回路长期励磁带来的不良影响；
30.4)智能分析故障原因。通过对分合闸过程中电流波形的监测以及 500kv以及220kv开关控制回路中几个重要节点电压的监测，可以快速判断故障原因。
附图说明
31.图1为背景技术中断路器控制线圈匝间绝缘故障检测系统原理图；
32.图2为本发明方案总体实施图；
33.图3为本发明实施例110kv及以下电压等级开关实施流程简图；
34.图4为本发明实施例220kv及以上电压等级开关实施流程简图；
35.图5为本发明实施例无源式磁光玻璃型电子式电流互感器原理示意图；
36.图6为本发明实施例法拉第磁光感应定律示意图；
37.图7为本发明实施例电压采集单元示意图；
38.图8为本发明实施例电压测量方法采用与万用表相似的测量原理图；
39.图9为本发明实施例一组合闸控制回路和两组分闸控制回路；
40.图10为本发明实施例获取td的方法图；
41.图11为本发明实施例校正采样时刻同步的方法图；
42.图12为本发明实施例控制电源切断单元原理图；
43.图13为5g控制回路模拟量报文结构。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
45.针对分合闸线圈绝缘情况情况进行检测，目前采用的主要方法有三种：
46.1)在检修预试过程中，拆下分合闸线圈，对分合闸线圈进行绝缘试验，检查线圈绝缘状态是否良好；
47.2)为在机构内添加温度传感器，通过分合闸线圈温度监测，侧面识别线圈的励磁状态；
48.3)修改分合闸控制回路，通过时间继电器切断控制回路，避免线圈长时间励磁。
49.但上述方法1和2，并未解决线圈烧毁问题的症结，而且实施难度较大，方法3修改控制回路违反继电保护规程规范要求，因此目前变电站内未针对烧毁事故采取上述解决方法。
50.本发明主要结合超特高压变电站内设备的运行情况，针对性的采取处理方法，降低线圈或分合闸电阻烧毁次数。具体解决的问题如下，
51.1)针对站内110kv及其以下低压侧只是负责调压，并根据负荷情况自动投切，因此低压侧开关分合闸次数较多而且短时故障对整体变电站运行影响不大，结合上述特点，本专利采用光电式电流互感器实现对分合闸控制回路的长期监测，通过对分合闸瞬间电流波形的记录与分析，提前预判控制回路隐患；
52.2)针对站内220kv及其以上开关正常运行时不分合闸，仅在满足检修年限后才进行分合闸操作，检修年限一般6年，结合上述特点，决定仅在检修试验过程进行监测，而且随着年限的增加设备的元器件存在老化的风险，控制回路元器件的故障可能会突然发生，仅仅靠预判难以满足需求，因此需要在故障时自动采取措施，避免事故发生，同时通过监测自动判断故障原因，采取相应措施处置。
53.如图2所示，本实施例进行改进，制备了一种控制回路智能监视及故障诊断的装置，包括电流采集单元、电压采集单元、智能录波单元、控制单元切断单元和无线通信单元；所述电流采集单元和电压采集单元通过无线通信单元将信号传输给智能录波单元；所述智能录波单元通过无线通信单元将信号传输给控制单元切断单元。
54.一、电流采集单元
55.无源式磁光玻璃型电子式电流互感器具有无需电源供电、抗干扰能力强、安装方便、测量精确度高等优点，因此采用无源式磁光玻璃型电子式电流互感器，如图5所示，结合法拉第磁光感应定律，可计算出控制回路电流，法拉第磁光效应如图6所示。
56.二、电压采集单元
57.控制回路直流电压单元采用与万用表相似的直流电压测量原理，并结合实际使用要求进行改装，其示意图如图7所示，
58.如图所示，该装置可同时满足4组电压的同步测量与记录，并可以通过显示屏就地显示测量结果。根据控制回路电压特点，可选用220v的电压量程。
59.三、智能录波单元
60.智能录波单元与传统的故障录波器相似，并进一步改进。
61.主要存在以下不同，
62.1)传统录波器通过光纤或电缆连接，采集信息，而智能录波单元通过无线传输技术手段实现电压、电流量的采集；
63.2)传统录波器智能通过人工手段将两个波形进行比对，而智能录波单元对标准波形进行存储，并与测试波形自动进行比对，智能分析控制回路的隐患；
64.3)传统录波器只是接受信息并告警，不能发送指令，智能录波单元在装置告警的同时可发送控制单元切断的指令。
65.其它对于电压、电流量的记录、存储、展示、报警等原理基本相同。
66.四、控制单元切断单元
67.借鉴漏电空气开关或限流控制开关的原理，并进一步改进，将原来的过流等信息量改变为无线指令接收控制辅助元件动作，通过机械卡扣的方式同步带动控制开关分闸。
68.五、无线通信单元
69.上述4个单元均需要无线通信单元进行联系，随着变电站技术的不断发展，未来的变电站将实现5g技术的全覆盖，因此采用5g通讯将更加适应未来变电站的发展需求。
70.可以将sim卡放置于各个单元内，并将5g通讯所需的网卡进行集成，可实现设备之间的无线通讯。
71.线圈烧毁的根本原因是分合闸线圈长时间励磁所致，但针对控制回路电流大小和电流持续时间缺乏有效监测手段，但是运行设备的控制回路一般不允许更改或添加与控制回路直接接触的仪器进行监测，若能采用监测手段完成对控制回路的监测，可以优化控制回路监测手段，具有较高的可实施性。
72.结合超、特高压变电站设备的运行情况，可以将开关分为两类：
73.1)110kv及以下电压等级开关一般用于连接站内的无功设备，无功设备随着负荷变化自动投切，开关分合较为频繁，但开关短时故障对电网运行影响较小；
74.2)220kv及以上电压等级开关一般仅在检修试验中才会分合开关，一般检修工期为6年，构成控制回路元器件存在老化风险，往往控制回路故障发生比较突然，并非缓慢变化的过程，而开关分合过程中控制回路才有电流，仅靠电流监测与分析难以解决相应问题，但开关故障对电网影响较大，检修试验过程中也常常因此而影响设备正常投运。
75.实施例1
76.如图3所示，结合开关的运行情况，采取措施如下：
77.1)针对110kv及以下电压开关，由于分合次数较多，且均为自动投切，长期电流的监测具有一定的意义，通过对电流波形的记录分析，可以提前预测控制回路的隐患，并结合停电工作进行处理。
78.对于110kv及以下电压等级开关，采用电流采集装置和智能录波装置进行长期监测，并将采集到的电流量通过无线传输的形式传递给智能录波装置，智能录波装置对于每次开关的分合闸电流波形进行监测，并与标准波形进行比对，随着电流波形的变化情况，判断控制回路元器件的隐患，并设置告警阀值，一旦电流越限，则智能录波装置自动告警，提醒检修人员安排时间进行隐患处理。
79.通过研制控制回路智能监视及故障诊断装置，能在不改变原控制回路且不动任何机构器件的前提下持续跟踪监测并记录跳合闸回路电流，有效避免线圈和插件烧毁。
80.实施例2
81.如图4所示，结合开关的运行情况，采取措施如下：
82.针对220kv及以上电压等级开关，在检修预试过程中，进行电流监测，并对电流波形的记录分析，同时采用机械卡扣装置，一旦控制回路存在电流过流过时异常情况，瞬间断开控制电源，可以使控制回路瞬间电流变成零，避免烧毁事故发生，同时在控制回路增加电压监测装置，并将采集数据进行记录，结合电压电流数据，可以快速分析出故障点，现场可立即采取针对性的措施处理。
83.对于220kv及以上电压等级开关仅在停电检修期间装设上述装置，其中电流采集装置卡在保护屏后分合闸回路上，用于分合闸过程中进行电流采集，电压采集装置采集分
合闸过程中开关辅助触点两端的电压，采集到的电压、电流量通过无线传输手段传送至智能录波装置，智能录波装置对采集到的模拟量信息进行记录，并设定过流过时阀值，一旦电流越限，可以迅速发出告警指令，通过无线传输至控制电源切断装置，控制电源切断装置卡在空开上，一旦切断装置接收到告警指令，则迅速拉开空开，切断控制电源。一般线圈烧毁一般大于10s，且电流持续0.1s即可发告警信息，通过无线传输指令，控制开关拉控制电源可以在3s以内完成。拉开控制电源后，智能录波装置结合采集到的电压、电流量，智能分析判定故障原因，根据分析结果，检修人员可以快速采取措施进行处置。
84.通过研制控制回路智能在线监视装置，能在不改变原控制回路且不动任何机构器件的前提下持续跟踪监测并记录跳合闸回路电流，有效避免线圈和插件烧毁。
85.实施例3
86.本发明中的硬件包括如下：
87.一、电流采集单元
88.110kv及以下电压等级共涉及一组合闸和一组分闸控制回路，对应的线芯号为7、37；220kv及以上电压等级开关共涉及涉及一组合闸控制回路和两组分闸控制回路，对应的线芯号分别为107a、107b、107c、137a、 137b、137c、237a、237b、237c。
89.电流采集单元共包含磁光玻璃、光纤、光源、处理系统组成，其中处理系统由光电转换模块将输出的光信号转换为电信号，经过数据处理将电信号转换为数据量，最终通过无线输出。
90.当一束平面偏振光通过置于磁场中的磁光介质时，平面偏振光的偏振面就会随着平行于光线方向的磁场发生旋转。这个出现的旋转角度被称之为法拉第旋转角，后来人们就将这种现象称为法拉第效应。磁光效应即为处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象。这种效应其实起源于物质的磁化，深刻反映了光与物质磁性之间的密切联系。当光源发出的一束线偏振光通过放于设定磁场中的磁光玻璃时，线偏振光的偏振面就会线性的随着平行于光线方向的磁场大小发生旋转，这时只要用合适的检偏器将角度信息转化为光强信息，通过光电转换模块将光强信号转换为电信号，经过数据处理就可以计算出通过导体的一次电流。
91.二、电压采集单元
92.220kv及以上电压等级开关共涉及涉及一组合闸控制回路和两组分闸控制回路，对应的线芯号分别为107a、107b、107c、137a、137b、 137c、237a、237b、237c。以开关a相分闸控制回路为例，如下图9所示：
93.图中，52a为开关的辅助触点，当开关分位时，其常开辅助触点为分位，合闸后，52a常开触点闭合。若开关合位52a导通，当操作箱接收保护或测控装置的合闸指令后，操作箱内合闸结点闭合，控制回路导通，操作机构内分闸线圈励磁，开关分闸后开关辅助触点52a分开，切断控制回路。
94.若在分闸过程中52a结点不能实现由合至分的操作或者机构卡涩等原因，导致控制回路一直导通，当回路流过电流大于20s，则操作机构的分闸线圈可能会烧毁。
95.开关合位时，52a结点闭合，此时137a和137a电位均应为-110v，分闸瞬间137a和137a电位应为 110v，分闸操作结束后137a电位应为0v或 110v而137a电位应为-110v，通过监测137a和137a的电位可以分闸通过监测137a和137a的电压，可以判断控制回路故障以及
辅助判定故障点位置。
96.合闸控制回路线圈烧毁原理以及故障点判别方法与分闸控制回路相似。由于开关辅助接点两侧均需进行电压监测，因此共需18个接线端子和1个接地端子，如图7所示，电压测量方法采用与万用表相似的测量原理，通过电路测量各个回路的直流电压，并经过数模变化器将测量的电压模拟量转化成数字量然后进行记录，并通过显示屏显示如图8。
97.三、智能录波单元
98.装置的硬件系统主要由无线采集模块、处理器、后台分析模块组成。
99.无线采集单元分别采集电压以及电流量，并将采集的数据通过内部总线输出到处理器，由于电压、电流量取自不同的位置，而向量采集工作要求所采集电流和的电压数据必须是同一时刻数据。数据在无线传输过程中必然产生延时，根据工频量特点，1ms的延时误差对应18
°
的相位误差，处理器在利用过零点检测法计算相位差前，需要将延时消除；
100.数据的同步功能在同步调制模块中实现，主表和副表之间实现无线传输和数据对比的先决条件是两表相对时间为零、主副表采样频率相同且每一个采样点对应的采样时刻也相同，这样两表采样的数据才有对比的意义，主表和副表之间的相位同步与继电保护中的光纤差动保护的同步原理类似。
101.电流、电压采集单元和智能录波单元通过无线传输数据，只要采集单元与录波单元连接稳定，其传输延时td就是固定的常数，对时同步就是准确求取td并在主副表采样数据比较时进行补偿。图10是获取td的方法，图11是校正采样时刻同步的方法。
102.图10中的黑点表示采样时刻，相邻两点的间隔可表征采样频率，纵向相邻的两个黑点间则表示主副表的采样时间差δts。主副表采样频率虽一致，鉴于两表开机时间不定，不可能做到采样时刻的同步，采样时刻同步的意义就是将图11中的δts调整为零。主表端为参考端，副表端为调整端。
103.在同步过程中先要测定通道传输延时td。副表以本装置的相对时钟为基准在tss时刻向主表发送一帧报文，主表按照本装置的相对时钟为基准记录到该报文的接收时刻tmr，随后在下一个采样时刻tms将时间差tms －tmr作为报文内容传输给副表。副表再记录收到主表报文的时刻tsr，副表可求得无线传输延时td。测得td后，副表端可以结合时刻tsr求得δts。随后副表对采样时刻作多次小步幅的调整，经过一段时间调整直到采样时间差δts至零，两端同步采样。
104.处理器用于对采集模块数据的接收、解析、存储、故障录波、报警信号发送等功能。采用64位mips64架构高性能四核网络处理器，通过多核的无缝协作，使数据的接收、解析和存储能力达到1gbps-2gbps的速率，确保装置具备了突出的性能和可靠性。该单元内置高速硬件压缩模块，采用lz77和huffman编码相结合的压缩算法，压缩效率可达3-6倍，压缩速率高达2.5gbps。
105.后台分析模块
106.该模块用于完成系统的人机接口，提供现场实时显示功能，具有录波波形分析、参数设置、运行状态监视、与标准波形自动比对分析的功能。
107.选择的显示屏应具备以下条件：
108.(1)能够直观显示电压电流波形、分析结果以及参数设定等数据；
109.(2)具备较高的人机互动性能，便于波形收放以及不同波形的相对对比操作。
110.采用dmt80480t070型触摸屏作为显示屏，其安装过程如下：
111.(1)根据业务需求，确定界面内容，用photoshop制作各个界面；
112.(2)组装触摸屏，搭建触摸屏工作电路。触屏由液晶屏 单片机 存储器三部分构成，由计算机将各个界面存储在触屏的存储器中；
113.(3)使用dgus编写触屏图文显示程序。
114.触屏显示信息主要包含装置首页、波形实时监测、告警波形选择、与标准波形比对和参数设置界面。
115.四、无线通讯单元
116.第五代移动通信技术(5th generation mobile communicationtechnology，简称5g)是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。在电力领域，能源电力生产包括发电、输电、变电、配电、用电五个环节，目前5g在电力领域的应用主要面向输电、变电、配电、用电四个环节开展，应用场景主要涵盖了采集监控类业务及实时控制类业务。
117.采用一种基于可路由采样值机制传输5g模拟量数据的方法。在传统的sv报文的结构上，增加传输层和网络层信息，使报文能够通过5g 网络传输；实现差动保护数据传输。报文格式如下图13所示。
118.五、控制电源切断单元
119.如图12，受控触点为常开触点，当接收到告警指令后，受控触点闭合，电磁脱扣器下杆上移，杠杆推动搭钩顺时针旋转，脱钩后锁链受弹簧拉力驱动，使主触头分开，从而断开控制电源。
120.实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。