一种智能化配电终端设备的制作方法

1.本发明涉及电力监测技术领域，具体的，涉及一种智能化配电终端设备。


背景技术：

2.随着我国电力行业的不断发展，高压开关柜被广泛应用在电力项目中，发挥着不可替代的作用。由于高压开关柜的老化等因素引起高压开关的误动作会给电力系统的安全稳定运行带来影响。因此迫切需要高压开关柜具有高可靠性，并能在线监测故障，以便采取预防措施，避免停电事故发生。
3.配电终端设备用于高压开关柜的故障监测，绝缘故障是导致智能高压开关柜故障或事故的主要原因之一，严重影响了电力系统安全运行。对电力设备进行局部放电在线监测能够及时发现设备的绝缘故障，防止事故进一步扩大，有效的减少了电力事故的发生。
4.局部放电分析是判断绝缘状况的重要手段，电晕放电作为一种特殊的局部放电现象，电晕放电会对整个电力系统的性能产生较大影响，电晕现象会导致元件变质、老化，从而导致高压开关柜的整体性能下降，严重时可能引发安全事故。
5.现有常用的电晕放电监测手段有红外热成像监测和超声波监测。红外热成像技术是一种波长转换技术，即把红外辐射图像转换为可视图像的技术。它是利用目标内有较大的温度梯度或背景与目标有较大热对比度的特点，使得低可视目标很容易在红外图像中看到。对于电晕放电，如果看到红外图像，此时电气设备放电已经很严重。超声波监测可用来帮助查找高压开关柜中的电晕放电点，但超声波监测的灵敏度不高，难于体现电晕放电的强弱。


技术实现要素：

6.本发明提出一种智能化配电终端设备，解决了现有技术中电晕放电监测效果差的问题。
7.本发明的技术方案如下：一种智能化配电终端设备，用于开关柜的实时监测，包括主控单元、无线通信单元、电晕放电监测电路和开关量控制电路，所述电晕放电监测电路和所述开关量控制电路均与所述主控单元连接，所述开关量控制电路用于断开开关柜的进线电源，所述主控单元借助所述无线通信单元与远程终端通讯连接，所述电晕放电监测电路包括电阻r1、三极管q1、变压器t1、二极管d2、电阻r22、紫外线传感器uv1、电阻r2、电阻r3、三极管q2、电阻r4和定时器u3，所述电阻r1的第一端连接所述主控单元，所述电阻r1的第二端连接所述三极管q1的基极，所述三极管q1的发射极接地，所述三极管q1的集电极连接所述变压器t1的第一输入端，所述变压器t1的第二输入端连接5v电源，所述变压器t1的第一输出端连接所述二极管d2的阳极，所述变压器t1的第二输出端接地，所述二极管d2的阴极通过所述电阻r22连接所述紫外线传感器uv1的第一端，所述紫外线传感器uv1的第二端通过所述电阻r2连接所述
电阻r3的第一端，所述电阻r3的第二端连接所述三极管q2的基极，所述三极管q2的发射极接地，所述三极管q2的集电极通过所述电阻r4连接5v电源，所述三极管q2的集电极连接所述定时器u3的输入端，所述定时器u3的输出端连接所述主控单元。
8.进一步，本发明中开关量控制电路包括电阻r14、电阻r15、电阻r16、运放u5、电阻r13、三极管q3、和继电器k1，所述运放u5的反相输入端通过所述电阻r15连接所述电阻r14的第一端，所述电阻r14的第二端连接5v电源，所述运放u5的反相输入端通过所述电阻r16接地，所述运放u5的同相输入端连接所述主控单元，所述运放u5的输出端通过所述电阻r13连接所述三极管q3的基极，所述三极管q3的发射极接地，所述三极管q3的集电极连接所述继电器k1的第一输入端，所述继电器k1的第二输入端连接24v电源，所述继电器k1的常开端连接24v电源，所述继电器k1的公共端连接断路器fu的第一输入端，断路器fu的第二输入端接地。
9.进一步，本发明中所述开关量控制电路还包括光耦u4、与门u6和电阻r12，所述与门u6的第一输入端、所述与门u6的第二输入端和所述与门u6的第三输入端均与所述主控单元连接，所述与门u6的输出端连接所述光耦u4的第一输入端，所述光耦u4的第二输入端通过所述电阻r12接地，所述光耦u4的第一输出端连接所述运放u5的同相输入端，所述光耦u4的第二输出端连接5v电源，所述光耦u4的第二输出端连接所述电阻r14的第二端。
10.进一步，本发明中还包括开关量反馈电路，所述开关量反馈电路包括电阻r17、电容c11、电阻r18、电阻r19、二极管d4、二极管d5、光耦u7和电阻r20，所述电阻r17的第一端连接所述断路器fu开关触点的第一端，所述断路器fu开关触点的第二端连接vcc电源，所述电阻r17的第二端通过所述电阻r18连接所述二极管d5的阳极，所述电容c11的第一端连接所述电阻r17的第二端，所述电容c11的第二端接地，所二极管d4的阴极连接所述二极管d5的阳极，所述二极管d4的阳极接地，所述电阻r19并联在所述二极管d4的两端，所述二极管d5的阴极连接所述光耦u7的第一输入端，所述光耦u7的第二输入端接地，所述光耦u7的第一输出端通过所述电阻r20连接5v电源，所述光耦u7的第一输出端连接所述主控单元，所述光耦u7的第二输出端接地。
11.进一步，本发明中还包括触头温度监测电路，所述触头温度监测电路包括红外传感器、电阻r7、电阻r8、电容c6、电容c7、电容c8、电阻r9、运放u1、电阻r6和变阻器rp1，所述电阻r7的第一端连接所述红外传感器，所述电阻r7的第二端通过所述电阻r8连接所述运放u1的同相输入端，所述电容c6的第一端连接所述红外传感器，所述电容c6的第二端通过所述电容c7连接所述运放u1的同相输入端，所述电容c8的第一端连接所述电阻r7的第二端，所述电容c78的第二端接地，所述电阻r9的第一端连接所述电容c6的第二端，所述电阻r9的第二端接地，所述运放u1的反相输入端通过所述电阻r6接地，所述运放u1的输出端连接所述变阻器rp1的第一端，所述变阻器rp1的第二端连接所述运放u1的反相输入端，所述运放u1的输出端连接所述主控单元。
12.进一步，本发明中所述触头温度监测电路还包括电阻r10、电阻r11、电容c9、电容c10和运放u2，所述电阻r10的第一端连接所述运放u1的输出端，所述电阻r10的第二端通过所述电阻r11连接所述运放u2的同相输入端，所述电容c9的第一端连接所述电阻r10的第二端，所述电容c9的第二端接地，所述电容c10的第一端连接所述运放u2的同相输入端，所述
电容c10的第二端接地，所述运放u2的输出端连接所述运放u2的反相输入端，所述运放u2的输出端连接所述主控单元。
13.本发明的工作原理及有益效果为：本发明中，通过监测紫外光的强度来监测高压开关柜中的电晕放电，并将监测结果送至主控单元，当高压开关柜中的电晕放电强度超过设定值时，主控单元向开关量控制电路发送指令，待开关量控制电路接收到指令后，断开该高压开关柜的进线电源，以免对整个电力系统的性能造成影响或引发安全事故。电晕放电监测结果会通过无线通信单元送至远程终端；具体的，电晕放电监测电路的工作原理为：工作时，主控单元发送pwm脉冲信号，经电阻r1后加至三极管q1的基极，pwm信号为高电平时，三极管q1导通，变压器t1的初级线圈通电，变压器t1的次级线圈感应电压极性为上负下正，二极管d2反向截止，变压器t1无能量输出，变压器t1的初级线圈储能；pwm信号为低电平时，三极管q1截止，变压器t1的初级线圈无法与三极管q1形成回路，变压器t1的初级线圈所存储的磁能以互感方式被耦合到变压器t1的次级线圈，此时，变压器t1的次级线圈电压极性为上正下负，二极管d2导通输出电能。如此反复，在二极管d2的阴极输出240v的尖脉冲电压，驱动紫外线传感器uv1。其中电阻r22和电容c2构成低通滤波电路，用于滤除尖脉冲电压中的杂波脉冲信号。
14.紫外线传感器uv1采用的是r2868紫外线传感器，紫外线传感器uv1用于监测电晕放电现象，它可以探测185到260个不同的狭窄光谱敏感源，紫外线传感器uv1对可见光完全没有感应，因此不需要过滤任何可见光。高压开关柜发生电晕故障时会使空气中的分子电离而发出紫外线，当紫外光波照射到紫外线传感器uv1上时，紫外线传感器uv1根据光波强度的不同，有一个不同的输出电流。
15.当高压开关柜发生电晕放电时，紫外线传感器uv1输出电流经电阻r2转为电压，然后通过电阻r3加至三极管q2的基极，三极管q2构成开关电路，当电晕放电电压超过设定时，三极管q2导通，电晕不放电或放电电压过低时，三极管q2截止，紫外线传感器uv1输出的电信号经三极管q2形成幅值为5v的窄脉冲信号，该信号送至定时器u3，定时器u3构成单稳态触发电路，通过单稳态触发电路形成宽脉冲信号，送入主控单元。送入主控单元的脉冲信号与紫外线光强成正比，单位时间内，送入主控单元的脉冲数越多，紫外线越强，则表明电晕放电越严重。通过紫外线监测电晕放电现象，相比其它监测方法，有监测灵敏度高、监测精度高的效果。
16.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
17.图1为本发明中电晕放电监测电路的电路图；图2为本发明中开关量控制电路的电路图；图3为本发明中开关量反馈电路的电路图；图4为本发明中触头温度监测电路的电路图；图5为本发明中滤波电路的电路图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例，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他实施例，都涉及本发明保护的范围。
19.实施例1如图1所示，本实施例提出了一种智能化配电终端设备，用于开关柜的实时监测，包括主控单元、无线通信单元、电晕放电监测电路和开关量控制电路，电晕放电监测电路和开关量控制电路均与主控单元连接，开关量控制电路用于断开开关柜的进线电源，主控单元借助无线通信单元与远程终端通讯连接，电晕放电监测电路包括电阻r1、三极管q1、变压器t1、二极管d2、电阻r22、紫外线传感器uv1、电阻r2、电阻r3、三极管q2、电阻r4和定时器u3，电阻r1的第一端连接主控单元，电阻r1的第二端连接三极管q1的基极，三极管q1的发射极接地，三极管q1的集电极连接变压器t1的第一输入端，变压器t1的第二输入端连接5v电源，变压器t1的第一输出端连接二极管d2的阳极，变压器t1的第二输出端接地，二极管d2的阴极通过电阻r22连接紫外线传感器uv1的第一端，紫外线传感器uv1的第二端通过电阻r2连接电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接三极管q2的基极，三极管q2的发射极接地，三极管q2的集电极通过电阻r4连接5v电源，三极管q2的集电极连接定时器u3的输入端，定时器u3的输出端连接主控单元。
20.高压开关柜在电晕放电时，辐射出光波和声波，还有臭氧、微量的硝酸等，大气压下高压开关柜的放电光谱包括近紫外、可见光、红外3个谱段，随着外加电压的增加，电晕放电光谱的紫外区辐射也增加；当气隙变长时，则紫外辐射减弱。红外光谱则相反，外加电压低、气隙较长时红外光谱更强；可见光区域对外加电压和气隙长度较不敏感。交流高压放电的光谱主要在紫外区，可见光和红外光区都很微弱。可见，对于特高压设备表面的气体放电监测，紫外光作为监测信号比可见光和红外线更加灵敏。
21.本实施例中，电晕放电监测电路通过监测紫外光的强度来监测高压开关柜中的电晕放电，并将监测结果送至主控单元，当高压开关柜中的电晕放电强度超过设定值时，主控单元向开关量控制测电路发送指令，待开关量控制电路接收到指令后，断开该高压开关柜的进线电源，以免对整个电力系统的性能造成影响或引发安全事故。电晕放电监测结果会通过无线通信单元送至远程终端。
22.具体的，电晕放电监测电路的工作原理为：工作时，主控单元发送pwm脉冲信号，经电阻r1后加至三极管q1的基极，pwm信号为高电平时，三极管q1导通，变压器t1的初级线圈通电，变压器t1的次级线圈感应电压极性为上负下正，二极管d2反向截止，变压器t1无能量输出，变压器t1的初级线圈储能；pwm信号为低电平时，三极管q1截止，变压器t1的初级线圈无法与三极管q1形成回路，变压器t1的初级线圈所存储的磁能以互感方式被耦合到变压器t1的次级线圈，此时，变压器t1的次级线圈电压极性为上正下负，二极管d2导通输出电能。如此反复，在二极管d2的阴极输出240v的尖脉冲电压，驱动紫外线传感器uv1。其中电阻r22和电容c2构成低通滤波电路，用于滤除尖脉冲电压中的杂波脉冲信号。
23.本实施例中，紫外线传感器uv1采用的是r2868紫外线传感器，紫外线传感器uv1用于监测电晕放电现象，它可以探测185到260个不同的狭窄光谱敏感源，紫外线传感器uv1对
可见光完全没有感应，因此不需要过滤任何可见光。高压开关柜发生电晕故障时会使空气中的分子电离而发出紫外线，当紫外光波照射到紫外线传感器uv1上时，紫外线传感器uv1根据光波强度的不同，有一个不同的输出电流。
24.当高压开关柜发生电晕放电时，紫外线传感器uv1输出电流经电阻r2转为电压，然后通过电阻r3加至三极管q2的基极，其中电阻r2和电容c3构成滤波电路，由于在紫外线传感器uv1对电晕放电时所产生的紫外光吸收时，还包括一些自然光中的紫外光参入进去，为了电晕放电的监测更加精准，通过电阻r2和电容c3构成滤波电路将自然光中的紫外光滤除。三极管q2构成开关电路，当电晕放电电压超过设定时，三极管q2导通，电晕不放电或放电电压过低时，三极管q2截止，紫外线传感器uv1输出的电信号经三极管q2形成幅值为5v的窄脉冲信号，该信号送至定时器u3，本实施例中，定时器u3为ts555芯片，定时器u3构成单稳态触发电路，通过单稳态触发电路形成宽脉冲信号，送入主控单元。送入主控单元的脉冲信号与紫外线光强成正比，单位时间内，送入主控单元的脉冲数越多，紫外线越强，则表明电晕放电越严重。通过紫外线监测电晕放电现象，相比其它监测方法，有监测灵敏度高、监测精度高的效果。
25.如图2所示，本实施例中开关量控制电路包括电阻r14、电阻r15、电阻r16、运放u5、电阻r13、三极管q3、和继电器k1，运放u5的反相输入端通过电阻r15连接电阻r14的第一端，电阻r14的第二端连接5v电源，运放u5的反相输入端通过电阻r16接地，运放u5的同相输入端连接主控单元，运放u5的输出端通过电阻r13连接三极管q3的基极，三极管q3的发射极接地，三极管q3的集电极连接继电器k1的第一输入端，继电器k1的第二输入端连接24v电源，继电器k1的常开端连接24v电源，继电器k1的公共端连接断路器fu的第一输入端，断路器fu的第二输入端接地。
26.当高压开关柜发生电晕放电故障，主控单元便会发出跳闸指令，通过开关量控制电路作用于断路器fu，使断路器fu跳闸。因此开关量控制电路的可靠性直接影响整个高压开关柜内用电设备的可靠保护。
27.本实施例中，开关量控制电路用于控制高压开关柜中断路器fu断开。当高压开关柜中不存在电晕放电现象时，运放u5的同相输入端为低电平，运放u5输出低电平信号，三极管截止，继电器k1不动作。
28.电阻r14、电阻r15和电阻r16构成分压电路，5v电源经电阻r14、电阻r15和电阻r16分压后生成vref基准电压加至运放u5的反相输入端，当高压开关柜中电晕放电强度超过设定值时，主控单元向运放u5的同相输入端发送高电平信号，该高电平信号大于运放u5反相输入端的基准电源vref，运放u5输出高电平信号，加至三极管q3的基极，三极管q3导通，则继电器k1得电吸合，继电器k1的公共端与继电器k1的常开端接通，此时断路器fu得电，即断路器fu的常闭触点断开。此时高压开关柜与电网断开，即断路器fu跳闸。
29.如图2所示，本实施例中开关量控制电路还包括光耦u4、与门u6和电阻r12，与门u6的第一输入端、与门u6的第二输入端和与门u6的第三输入端均与主控单元连接，与门u6的输出端连接光耦u4的第一输入端，光耦u4的第二输入端通过电阻r12接地，光耦u4的第一输出端连接运放u5的同相输入端，光耦u4的第二输出端连接5v电源，光耦u4的第二输出端连接电阻r14的第二端。
30.本实施例中，主控单元输出的信号较小，断路器fu端的跳闸电信号较大，为了防止
高电压信号对主控单元造成干扰，在运放u5和主控单元之间加入隔离电路。光耦u4起到隔离作用。
31.如果是受到干扰导致断路器fu跳闸，对整个电力系统的影响将会很大。为了防止干扰信号影响主控单元，主控单元输出三路控制信号，三路控制信号进行逻辑“与”运算后，接入光耦u4的第一输入端，这样，即使有一路控制信号在外界的干扰下状态发生变化时，也不会造成断路器fu跳闸，从而提高了电路的可靠性。
32.如图3所示，本实施例还包括开关量反馈电路，开关量反馈电路包括电阻r17、电容c11、电阻r18、电阻r19、二极管d4、二极管d5、光耦u7和电阻r20，电阻r17的第一端连接断路器fu开关触点的第一端，断路器fu开关触点的第二端连接vcc电源，电阻r17的第二端通过电阻r18连接二极管d5的阳极，电容c11的第一端连接电阻r17的第二端，电容c11的第二端接地，所二极管d4的阴极连接二极管d5的阳极，二极管d4的阳极接地，电阻r19并联在二极管d4的两端，二极管d5的阴极连接光耦u7的第一输入端，光耦u7的第二输入端接地，光耦u7的第一输出端通过电阻r20连接5v电源，光耦u7的第一输出端连接主控单元，光耦u7的第二输出端接地。
33.本实施例中，开关量反馈电路用于将高压开关柜的断电信号送至主控单元，主控单元通过无线通信单元将该断电信号送至远程终端，以便远程终端的工作人员收到该信号后采取相应的维护措施。
34.具体为：当高压开关柜中没有电晕放电时，断路器fu开关为闭合状态，即光耦u7导通，光耦u7输出低电平信号至主控单元；当高压开关柜中出现电晕放电时，断路器fu开关断开，此时光耦u7断电，光耦u7输出高电平至主控单元。光耦u7输出的信号由低电平转为高电平，则表明断路器fu跳闸，该跳闸信号将通过无线通信单元发送至远程终端。
35.其中，电阻r17和电容c11构成滤波电路，用来滤掉信号中的高频干扰。电阻r17和电阻r18有限流的作用，使进入光耦u7的电流限制在毫安级。二极管d4和二极管d5起保护光耦的作用。光耦u7可以实现现场开关量主控单元之间的完全隔离，防止信号相互干扰。
36.如图4所示，本实施例中还包括触头温度监测电路，触头温度监测电路包括红外传感器、电阻r7、电阻r8、电容c6、电容c7、电容c8、电阻r9、运放u1、电阻r6和变阻器rp1，电阻r7的第一端连接红外传感器，电阻r7的第二端通过电阻r8连接运放u1的同相输入端，电容c6的第一端连接红外传感器，电容c6的第二端通过电容c7连接运放u1的同相输入端，电容c8的第一端连接电阻r7的第二端，电容c78的第二端接地，电阻r9的第一端连接电容c6的第二端，电阻r9的第二端接地，运放u1的反相输入端通过电阻r6接地，运放u1的输出端连接变阻器rp1的第一端，变阻器rp1的第二端连接运放u1的反相输入端，运放u1的输出端连接主控单元。
37.由于高压开关柜在运行的过程中，元件之间存在机械振动，使得触头接触面的电阻增大，触头温度过高，容易发生安全事故，所以，对高压开关柜的触头进行温度监测非常关键。
38.高压开关柜中的触头所处的环境电压值较高，同时电磁场也较强，不能使用常规的接触式温度测量技术监测触头温度，综合考虑，使用热电堆红外传感测温技术，温度监测稳定可靠，对触头温度进行监测时不会对设备运行产生影响，及时地排查了设备故障，很好地保障了系统运行的安全可靠性。
39.具体的，触头温度监测电路的工作原理为：红外传感器用于对高压开关柜触头进行温度监测，并将监测到的温度信号转为电信号，红外传感器转成的电信号比较微弱，因此需要对其进行放大处理，但该电信号中包括部分干扰信号，直接对红外传感器输出的电信号进行放大的话，干扰信号的放大程度可能会高于有用信号，因此在对红外传感器输出信号放大之前进行滤波处理。电阻r7、电阻r8、电容c6、电容c7、电容c8和电阻r9构成二阶带阻滤波器电路，阻止干扰信号通过。滤波后的信号送至运放u1的同相输入端，运放u1构成放大电路，对滤波后的信号进行放大。最后将放大后的信号送至主控单元。
40.如图5所示，本实施例中触头温度监测电路还包括电阻r10、电阻r11、电容c9、电容c10和运放u2，电阻r10的第一端连接运放u1的输出端，电阻r10的第二端通过电阻r11连接运放u2的同相输入端，电容c9的第一端连接电阻r10的第二端，电容c9的第二端接地，电容c10的第一端连接运放u2的同相输入端，电容c10的第二端接地，运放u2的输出端连接运放u2的反相输入端，运放u2的输出端连接主控单元。
41.放大后的信号中可能还会存在少量的干扰信号，为了提高温度的检测精度，在运放u1的输出端和主控单元之间加入滤波电路。电阻r10、电阻r11、电容c9和电容c10构成二阶低通滤波电路，用于滤除运放u1放大后的高频杂波信号，滤波后的信号经运放u2构成的电压跟随器后加至主控单元。其中运放u2构成的电压跟随器可以起到信号隔离的作用。
42.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。