一种断路器异常状态数据记录系统和监控方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，尤其是一种基于传感系统的断路器异常状态数据记录系统，以及基于该记录系统的断路器异常工作状态监控方法。

背景技术

在目前电力系统的高压、中压配电柜后级回路或配电柜本身发生故障时，由于时间短暂、无人值守等原因。在故障发生时无法直接观察到故障现象，且在故障发生后由于现场一般被高温、爆炸机械损坏等因数影响，导致故障原因分析困难。

断路器故障主要有大电流测且接触不良导致的高温触头融化、小电流情况下接触不良导致的高温触头融化、机械损耗导致的分合闸动作失败，机械损耗导致的分合闸储能异常、真空泡行程异常等问题。在故障发生后，一般情况下由于配电柜本身具有继电保护装置的保护，会及时断开A、B、C回路电流，但是由于某些异常原因导致不能正常断开回路电流，这时就会导致比较严重的后果。另外的继电保护装置并不能检测所有的断路器异常状态，如在断路器流过电流在正常范围但由于梅花触头接触不良导致异常温升烧毁断路器的情况也有发生。这些情况均导致故障原因分析困难。因此，需要对断路器的历史运行状态在极端环境下进行完好地记录和保存，以为故障后分析提供有力的数据支撑。

同时，由于故障现场在事发前是无人值守的，因此需要借助可靠的设备，在无人值守的环境下采集数据，并且在高温、爆炸等极端环境下，完好地保存所采集数据。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种断路器异常状态数据记录系统和监控方法。以在断路器发生故障等极端环境下，完好地记录相应的动作数据以为故障分析提供数据支撑。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于传感系统的断路器异常状态数据记录系统，其包括传感器模块、数据记录模块、电源模块、控制模块和数据传输模块，所述传感器模块包括若干传感器；所述记录系统连接有外界电源；

所述控制模块分别连接传感器模块、数据记录模块、数据传输模块和电源模块；

所述电源模块在控制模块的控制下，至少在所述记录系统的外界电源断开或断电后，为所述记录系统供电；

所述传感器模块连接于断路器，用于在控制模块的控制下采集外部参数和内部参数；所述外部参数包括断路器的工作状态参数，所述内部参数包括记录系统自身的工作状态参数；

所述控制器根据预设的异常判断条件，判断所述传感器模块所采集的数据是否处于异常状态，并根据判断结果控制所述传感器模块采集数据的动作；

所述数据记录模块在所述控制模块的控制下，存储所述传感器模块所采集的数据；

所述数据传输模块用于为外部设备读取所述数据记录模块中存储的数据提供数据接口。

本发明能够完整记录断路器故障发生前后的断路器工作数据和环境数据(根据记录系统的工作数据可知记录系统所处环境的状态)，便于后期对故障发生原因的判断。同时，在爆炸、高温等故障发生时，外界电源会被损坏而发生断路，本发明在此种状况下通过内部电源进行连续供电，可继续对环境数据(内部数据)进行记录，便于后期故障原因的判断和对灾害发生情况的还原。

进一步的，所述传感器模块在控制模块控制下，实时采集所述外部参数和内部参数；所述控制模块在所述外部参数和/或内部参数处于异常状态时，控制所述传感器模块停止采集外部参数，并继续采集内部参数；所述外部参数和所述内部参数是否处于异常状态的判断方法为：根据所述外部参数和所述内部参数与对应阈值之间的数值大小关系进行判断。

外部参数对应有相应的阈值，内部参数也对应有相应的阈值，阈值对应到参数中的具体项目或若干项目的综合结果。

对于异常情况的判断，可以是在外部参数出现异常时，或者内部参数出现异常时，或者两者同时出现异常时判定。对于参数是否异常的判断，通常为对参数中的一个或多个项目与对应的异常条件之间进行比对得知。

故障发生时，往往伴随有相应的特征，对于该特征的监控即可判断是否发生故障。在故障发生后由于故障本身导致的后果或者继电保护装置的控制下断路器会进行断开或者断电操作，当断路器异常状态监控装置检测到上述两种状态之一，则可判定外部参数处于异常状态。除此外，断路器触指、触臂的温度也可作为判断依据。对于内部参数而言，记录系统所处环境的温度可设定相应的阈值，以作为判定异常状态的依据。

在故障发生时，主动停止对外部参数的采集，可以完整记录异常发生时及之前断路器的工作状态数据，同时避免异常环境(如大电流、非稳定电压电源等)对记录系统硬件以及之后记录数据内容和行为的影响。

需要说明的是，若仅以外部参数来判断是否处于异常状态，则可在检测到异常状态时，开始记录内部参数；否则，实时记录内部参数。

进一步的，所述控制模块控制所述传感器模块停止采集外部参数的方法为：切断与所述传感器模块中，采集外部参数的传感器的连接。

采用切断连接的方式，动作简单、反应迅速，也便于后期的复位。

进一步的，所述控制模块对所述电源模块的控制方法包括：所述控制模块在所述外部参数和/或内部参数处于异常状态时，切断外界电源对所述记录系统的供电，控制所述电源模块为所述记录系统供电。

外界电源在断路器故障时，如受高温、爆炸等影响，容易产生不稳定的电流，在此情况下，容易损坏记录系统的元器件。在故障发生时主动断开外界电流，可以有效避免此种情况的发生。

进一步的，所述控制模块对所述电源模块的控制方法还包括：所述控制模块在内部参数中的内部温度达到预设阈值时，切断所述电源模块对所述记录系统的供电。

记录芯片掉电后，具有承受更极端温度的特性，因此，该设计可以让记录系统(尤其是数据记录模块)承受更加极端的环境条件。

进一步的，所述控制模块控制所述数据记录模块存储数据的策略为：以循环覆盖方式，存储最近预定时段内的外部参数和内部参数。

异常发生的几率并不高，因此，将异常发生时附件的数据进行完整记录即可满足要求，之前的数据属于正常工作数据，可以进行覆盖，这样，可以高效利用存储空间。

进一步的，所述数据传输模块包括有线通信单元和无线通信单元。

有线通信电路便于直接导出内部存储的数据，但有线通信电路容易遭到极端环境(如爆炸、火灾)的影响而发生故障，因此，配备无线通信单元可以在此种情况下，通过无线电方式导出数据。

进一步的，所述外部参数包括：断路器开合闸状态、断路器开/合闸回路动作电流曲线、储能回路动作电流曲线、断路器触臂回路电流有效值，和断路器触指及触臂位置温度值；所述内部参数包括：所述记录系统所在环境的温度数据，以及所述记录系统的振动数据。

上述数据对于故障发生时，断路器工作状态和黑匣子所处环境的状态的描述具有极高的代表性，即通过这些参数，可以较为准确的描述出故障现场情况，以准确推断出故障原因。

进一步的，所述电源模块被隔离设置于所述记录系统中。将电源模块与其余模块(传感器模块、数据记录模块、控制模块和数据传输模块，尤其是前三者)间进行隔离，可以防止电源模块对其他模块的影响。尤其是防止电源模块在工作时对传感器模块采集内部参数(温度)过程的影响，或者在电源模块受高温发生故障或爆炸时对其余模块的影响。

本发明还提供了一种基于上述的基于传感系统的断路器异常状态数据记录系统的断路器工作状态监测方法，其包括：

将传感器模块中对应于外部数据的传感器安装到断路器上；

开启记录系统，控制模块控制传感器模块开始采集外部参数和内部参数；

控制模块将所述传感器模块所采集的数据传输到数据记录模块进行存储；在所述外部参数和/或内部参数处于异常状态时，切断外界电源对记录系统的供电，控制电源模块为所述记录系统供电，并切断与所述传感器模块中，采集外部参数的传感器的连接；以及在所述内部数据中的内部温度达到预设阈值时，切断所述电源模块对所述记录系统的供电。

上述方法操作简单，记录系统对于数据采集的控制机制设计缜密，可以完整记录故障发生前后断路器的工作状态数据和环境数据。即使在发生极端事故时仍可连续、稳定地记录参数，便于后期对于故障原因的判断和对故障过程的还原。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明能够完整记录断路器的历史动作数据，以及所处环境数据。便于对故障发生过程的还原，对于故障发生原因的判断能够起到准确地数据支撑作用。

2、本发明对于电源模块、传感器模块和数据记录模块工作的控制机制，能够有效防止不稳定因素对所记录数据的影响，方案所采集数据足够准确和完整。

3、本发明运行逻辑缜密，两次主动断电行为(外界电源和电源模块)能够最大限度地在极端温度环境中生存。在异常时主动断开与外部传感器和外界电源的连接，避免了环境对所装置内部设施和所记录的数据造成的影响。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是温度检测芯片及外围电路结构图。

图2是振动检测芯片及外围电路结构图。

图3是FLASH存储芯片及外围电路结构图。

图4是有线通信芯片及外围电路结构图。

图5是无线通信芯片及外围电路结构图。

图6是处理器芯片及外围电路结构图。

图7是数据记录模块防爆腔室的爆炸图。

图8是电源模块防爆腔室的爆炸图。

图9是对外壳沿其长度方向的截面图。

图中标记：1为安装螺钉，2为第一防爆壳盖，3为绝缘绝热壳盖，4为由控制模块、数据传输模块和传感器模块中采集内部参数的传感器所连接而成的电子元器件，5为接口安装部，6为第二防爆壳盖，7为电源模块，8为第二防爆壳体，9为绝缘绝热壳体，10为第一防爆壳体，11为电池管理芯片。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

本实施例公开了一种基于传感系统的断路器异常状态数据记录系统，其包括传感器模块、数据记录模块、电源模块、控制模块和数据传输模块，所述传感器模块包括若干传感器；所述记录系统连接有外界电源。

所述控制模块分别连接传感器模块、数据记录模块、数据传输模块和电源模块。

所述电源模块在控制模块的控制下，至少在所述记录系统的外界电源断开或断电后，为所述记录系统供电；电源模块并不排除在其他情况下为数据记录模块供电的情形。

所述传感器模块连接于断路器，用于在控制模块的控制下采集外部参数和内部参数；所述外部参数包括断路器的工作状态参数，所述内部参数包括记录系统自身的工作状态参数。在一个实施例中，外部参数包括：断路器开合闸状态、断路器开/合闸回路动作电流曲线、储能回路动作电流曲线、断路器触臂回路电流有效值，和断路器触指及触臂位置温度值；所述内部参数包括：所述记录系统所在环境的温度数据，以及所述记录系统的振动数据。

所述控制器根据预设的异常判断条件，判断所述传感器模块所采集的数据是否处于异常状态，并根据判断结果控制所述传感器模块采集数据的动作。控制模块对传感器模块采集数据的控制分为两种情形。情形一：当检测异常的条件参数仅用到外部参数时，对于外部参数而言，为实时采集，对于内部参数而言，为检测到发生异常时采集。情形二：当检测异常的条件参数需要用到内部参数时，则实时采集外部参数和内部参数。对于情形一，具体而言，控制模块控制传感器模块实时采集所述外部参数,在外部参数处于异常状态时，控制传感器模块停止采集外部参数，开始采集内部参数。对于情形二，具体而言，控制模块控制传感器模块实时采集所述外部参数和内部参数,在外部参数和/或内部参数处于异常状态时，控制传感器模块停止采集外部参数，继续采集内部参数。外部参数和内部参数是否处于异常状态的判断方法为：根据外部参数和内部参数与对应阈值之间的数值大小关系进行判断。外部参数对应有相应的阈值，内部参数也对应有相应的阈值，阈值对应到参数中的具体项目或若干项目的综合结果。在一个实施例中，以内部参数中的温度数据作为异常判断条件参数，在该温度数据达到设定的第一温度阈值时，则判断内部参数出现异常，此时，控制模块切断与监测外部参数数据的传感器之间的连接，仅记录内部参数。

优选的，控制模块在切断与监测外部参数数据的传感器之间的连接时，还断开外界电源对记录系统的供电，改为由电源模块供电。在一个具体实施例中，传感器模块中监测外部参数的传感器和外界电源的供电线路均通过继电器连接到控制模块，在异常发生时，控制模块断开断路器，则断开了与外界电源和相应传感器的连接。

在异常发生时，往往伴随有相应的特征，对于该特征的监控即可判断是否发生故障(异常)。在故障发生后由于故障本身导致的后果或者继电保护装置的控制下断路器会进行断开或者断电操作，当断路器异常状态监控装置检测到上述两种状态之一，则可判定外部参数处于异常状态。除此外，断路器触指、触臂的温度也可作为判断依据。对于内部参数而言，记录系统所在环境的温度可设定相应的阈值，以作为判定异常状态的依据。

特别的，当记录系统所在环境的温度数据达到极限高温或低温(可配置对应阈值)时，数据记录模块切断电源模块的供电，这样，由于芯片掉电保存温度更高的特性，则使内部芯片能够承受更极端的温度，能让数据记录模块承受更加极端的环境条件。

以记录系统中，内部参数的温度数据为例，在其达到第一阈值时，控制模块判断为异常状态，切断外界电源的供电，同时切断与外界传感器(采集外部参数的传感器)的连接，继续工作，当所述温度数据达到第二阈值(第二阈值高于第一阈值)时，切断电源模块的供电。

所述数据记录模块在所述控制模块的控制下，存储所述传感器模块所采集的数据。在一个实施例中，控制模块控制数据记录模块以循环覆盖的方式存储最近一段时间的数据，例如最近30天的数据。当然，该存储策略是工作时的存储方案，在被取出后，所存储的数据可被格式化清空，进行下一个阶段的工作。

所述数据传输模块用于为外部设备读取所述数据记录模块中存储的数据提供数据接口。该数据接口应当理解为数据接口或通信设施，外部设备通过该数据接口可读取模块内部的数据，包括通过有线的方式或无线的方式，对应的，数据传输模块包括有线通信单元和无线通信单元。故障现场往往有高温燃烧、爆炸等事件发生，在发生故障时，若有线通信单元未被损坏或未出现异常，则可通过有线通信单元读取出存储单元所记录的数据，若有线通信单元被损坏或出现异常，则还可以通过无线通信单元读取数据记录模块中记录的数据。

记录系统包括防爆外壳，数据记录模块、电源模块、控制模块、数据传输模块以及传感器模块中用于采集内部参数的传感器均设置于该防爆外壳内。防爆外壳包括两个独立的腔室：第一腔室和第二腔室，数据记录模块、控制模块、数据传输模块以及传感器安装于第一腔室内，电源模块独立安装于第二腔室内。第一腔室内还设置有绝缘绝热腔室，以对内部的元器件进行绝缘绝热保护。当然，安装电源模块的腔室内也可进行同样的设计。

断路器故障主要有：大电流测且接触不良导致的高温触头融化、小电流情况下接触不良导致的高温触头融化、机械损耗导致的分合闸动作失败，机械损耗导致的分合闸储能异常、真空泡行程异常等问题，这些异常都可以对断路器异常状态监控装置记录的数据进行分析得到故障原因。

实施例二

本实施例具体公开了控制模块、传感器模块、数据记录模块和数据传输模块的电路结构。

上文中提到，传感器模块用于采集外部参数和内部参数，对于外部参数而言，其中的电流参数其通过连接到断路器相应的触角(或接线柱)上即可实现对电流信号的采集，温度参数通过在对应位置安装温度创安琪即可实现对温度信号的采集。本实施例中，主要介绍采集内部参数的电路结构，包括温度检测电路和振动检测电路。

温度检测电路结构如图1所示，其包含TPS75333QPWP以及由电阻、电容和温度探针构成的外围电路。

振动检测电路结构如图2所示，其主要由传感器ADXL345及外围电路构成。

数据记录模块的电路采用FLASH存储芯片，如图3所示，其主要由闪存MT29F08G08和稳压器CAT6219-330TD及电阻、电容构成的外围电路构成。

数据传输模块包含有线通信电路和无线通信电路。如图4所示，有线通信电路主要由收发器MAX485和稳压器HT7550及由电容、二极管构成的外围电路构成。如图5所示，无线通信电路主要由2.4G无线射频收发芯片RF24L01和功放芯片RFX2401C及由电阻、电容、电感、晶振等构成的外围电路。

如图6所示，控制模块则选用单片机STM32F446ZET-64，再对该单片机的时钟、稳压电路等进行必要的配置。

实施例三

本实施例公开了防爆外壳的设计结构。防爆外壳包括第一防爆腔室和第二防爆腔室，两腔室的相邻的一侧相互连接。所谓防爆腔室，则为采用防爆材料制成的腔室。在第一防爆腔室内，设置有绝缘绝热腔室，该绝缘绝热腔室用于放置电路元器件(即除电源模块外的电路模块)。正常情况下，第一腔室内的电子元器件需要外部供电，以及在需要时进行数据导出。因此，需要设计供电线路和数据导出接口。第一防爆腔室上设置有接口安装部，为电子元器件供电的电源接口，以及用于导出数据的有线通信电路的数据接口，均安装于接口安装部处。第二防爆腔室则安装电源模块。该腔室的内表面，可以设置绝缘绝热层。第一防爆腔室和第二防爆腔室之间导通，电源模块引出的电源线经导通孔连接到第一腔室内的电子元器件。

实施例四

本实施例公开了一种基于传感系统的断路器异常状态数据记录系统的防爆外壳，如图7、8所示，包括第一防爆壳体10和第二防爆壳体8，两壳体相对的侧面之间通过钎焊方式连接为一体。在第一防爆壳体10开口处，设置有第一防爆壳盖2。在第二防爆壳体8开口处，设置有第二防爆壳盖6。第一防爆壳盖2和第二防爆壳盖6均通过安装螺钉1安装到对应的壳体上。电源模块7被安装到第二防爆壳体8内，由对应壳盖进行密封。这样，整个外壳包括两个独立的隔离舱室。

如图3所示，在第一防爆壳体10的腔体内，设置有绝缘绝热壳体9，该绝缘绝热壳体9开口处，设置有绝缘绝热壳盖3。控制模块、传感器模块中采集内部参数的传感器、数据记录模块被安装到该绝缘绝热壳体9之内，由绝缘绝热壳盖3和绝缘绝热壳体9包覆后，由第一防爆壳盖2密封。

如图7所示，在第一防爆壳体10未被钎焊的侧面所设计的接口安装部5处，设置有通讯和电源接口；为电子元器件4进行外界供电的电源线，和从电子元器件4引出的有线通信电路的数据接口，均经过该通讯和电源接口。当然，也可以设计两个接口安装部5，数据接口和电源接口安装于不同的接口安装部5。

实施例五

本实施例公开了一种基于传感系统的断路器异常状态数据记录系统。其包括上述实施例中的防爆外壳，以及控制模块、数据传输模块、外部传感器模块、内部传感器模块和电源模块。控制器分别连接数据传输模块、外部传感器模块、内部传感器模块和电源模块。

外部传感器模块设置于断路器上，用于在控制器控制下采集外部参数。内部传感器模块安装于防爆外壳内部，用于在控制器控制下采集内部参数。所述外部参数包括断路器的工作状态参数，所述内部参数包括记录系统自身的工作状态参数。在一个实施例中，外部参数包括：断路器开合闸状态、断路器开/合闸回路动作电流曲线、储能回路动作电流曲线、断路器触臂回路电流有效值，和断路器触指及触臂位置温度值；所述内部参数包括：所述防爆外壳内的温度数据，以及所述防爆外壳的振动数据。

数据记录模块在控制模块的控制下，存储内、外部传感器模块所采集的数据。优选的，在控制模块的控制下，数据记录模块存储最近一段时间的数据，例如最近一周(或半月、一月)的数据。

控制模块、数据传输模块和内部传感器模块所构成的电子元器件4安装于防爆外壳的第一防爆壳体10内，电源模块安装于防爆外壳的第二防爆壳体8内。电源模块7连接控制模块。电源模块7由电池和电池管理芯片11构成，其属于常规装置。

控制模块的外界电源接口、数据传输模块中的有线通信单元的数据接口均安装于第一防爆壳体10上的接口安装部5处。在一个实施例中，接口安装部5仅设置一个，外界电源接口和有线通信单元的数据接口由线路经该接口安装部5引出。外界电源接口连接外界电源以为记录系统供电，数据接口作为通过有线通信电路导出数据记录模块所记录数据的接口。在正常情况下，通过电源接口为记录系统供电，在出现故障时，由于故障本身导致的后果或者继电保护装置的控制下断路器会进行断开或者断电操作，此时记录系统需要依靠电源模块7进行供电。

在接口安装部5处，还安装有继电器，控制模块通过继电器分别与外部传感器模块和外界电源连接。在内部参数和/或外部参数出现异常时，控制模块断开继电器，则切断了与外部的连接，控制电源模块为记录系统供电。此时，控制模块仅控制内部传感器模块工作，数据记录模块继续记录内部参数。在异常发生时，往往伴随有相应的特征，对于该特征的监控即可判断是否发生故障(异常)。在故障发生后由于故障本身导致的后果或者继电保护装置的控制下断路器会进行断开或者断电操作，当断路器异常状态监控装置检测到上述两种状态之一，则可判定外部参数处于异常状态。除此外，断路器触指、触臂的温度也可作为判断依据。对于内部参数而言，记录系统所在环境的温度可设定相应的阈值，以作为判定异常状态的依据。进一步的，在断开继电器后，若内部参数中防爆外壳的温度继续上升，直至极限值时，控制模块切断电源模块7的供电。

对于数据记录模块记录的数据，需要导出以进行异常原因分析。本实施例中的数据传输模块除有线通信单元外，还包括无线通信设施，以在有线通信单元接口被损坏时，通过无线方式导出数据传输模块中存储的数据。

实施例六

本实施例公开了一种基于上述实施例中的基于传感系统的断路器异常状态数据记录系统的断路器工作状态监测方法，包括：

将传感器模块中对应于外部数据的传感器安装到断路器上；

开启记录系统，控制模块控制传感器模块开始采集外部参数和内部参数；

控制模块将传感器模块所采集的数据传输到数据记录模块进行存储；在外部参数和/或内部参数处于异常状态时，切断外界电源对记录系统的供电，控制电源模块为记录系统供电，并切断与传感器模块中，采集外部参数的传感器的连接；以及在内部数据中的内部温度达到预设阈值时，切断电源模块对记录系统的供电。

上述控制模块控制数据记录模块以循环覆盖的方式，存储最近一段时间的数据。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。