嵌入式智能高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

毛德梅，汪明珠，王本有，左旭坤，盧清平

（皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 六安237012）

1 引言

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中斷路器起到保護(hù)和控制的作用，其總體的運(yùn)行、檢修和維護(hù)情況與整個(gè)電力系統(tǒng)緊密相關(guān)。伴隨著電壓等級(jí)的進(jìn)一步提高，系統(tǒng)對電力設(shè)備運(yùn)行的可靠性要求也越來越高，這對電力設(shè)備的檢測和診斷技術(shù)提出了更高的要求。目前國內(nèi)主要采用部分傳感器采集一到兩個(gè)主要參量監(jiān)測高壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，用DSP對數(shù)據(jù)進(jìn)行直接處理［1－3］。本文介紹了一種基于 μC/OS－Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多傳感器技術(shù)，對決定或影響其工作狀態(tài)的參量進(jìn)行盡可能的廣泛采集，研究開發(fā)μC/OS－Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，以該系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)計(jì)任務(wù)算法，開發(fā)有效的和可靠性強(qiáng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高壓斷路器的智能在線監(jiān)測控制。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

狀態(tài)監(jiān)測指運(yùn)用各種檢測、測量、監(jiān)視、判別和分析的方法了解并掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對整個(gè)開關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，判斷是處于正?；蛘叻钦顟B(tài)，并將狀態(tài)進(jìn)行顯示和記錄，對異常情況報(bào)警提示，工作人員將及時(shí)進(jìn)行處理，因此狀態(tài)監(jiān)測就是對開關(guān)設(shè)備的性能評(píng)估、故障分析、合理使用和安全工作等提供信息和準(zhǔn)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［4］。

本文介紹的智能嵌入式高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，智能監(jiān)測系統(tǒng)分為監(jiān)測管理層和數(shù)據(jù)采集層，其中數(shù)據(jù)采集層是由各種傳感器和DSP數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成，安置在斷路器本體上。各種傳感器能實(shí)時(shí)采集多個(gè)高壓斷路器的分（合）閘操作的行程－時(shí)間特性曲線、分（合）閘線圈電流信號(hào)以及操作振動(dòng)信號(hào)等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給DSP進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理程序在μC/OS－Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)上開發(fā)，最后將處理數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)測管理層。監(jiān)測管理層位于變電站的控制室，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、故障診斷、顯示以及打印等。監(jiān)測管理層用VC＋＋6.0工具開發(fā)，采用ADO＋ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。該智能監(jiān)測系統(tǒng)層間通過CAN總線實(shí)現(xiàn)通信。

3 智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 DSP數(shù)據(jù)處理器的選型

智能監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測模塊的DSP數(shù)據(jù)處理器采用美國TI公司的高性能TMS320F2812芯片。這款芯片運(yùn)行時(shí)鐘可達(dá)150MHz，處理性能可達(dá)150 MIPS，每條指令周期6.67ns。I/O口豐富，兩個(gè)串口。具有12位的0～3.3V的A/D轉(zhuǎn)換等。同時(shí)具有片內(nèi)128k×16位的片內(nèi)FLASH，18K×16位的SRAM，一般的應(yīng)用系統(tǒng)可以不要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。TMS320F2812的強(qiáng)大功能使其完全滿足智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

圖1 智能監(jiān)測系統(tǒng)的體統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 主要傳感器的選型

高壓斷路器故障的主要原因是機(jī)械故障，智能監(jiān)測系統(tǒng)主要測量項(xiàng)目包括高壓斷路器分（合）閘操作的行程－時(shí)間特性曲線、分（合）閘線圈電流信號(hào)以及操作振動(dòng)信號(hào)。

高壓斷路器工作狀態(tài)的重要表征為行程－時(shí)間特性曲線，在動(dòng)觸頭下或觸頭的絕緣拉桿下安裝位移傳感器，經(jīng)過采樣濾波后，得到高壓斷路器動(dòng)觸頭行程隨時(shí)間變化的關(guān)系［5］。對行程位移監(jiān)測還能夠提取各種機(jī)械動(dòng)作參數(shù)，進(jìn)一步判斷高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)健康狀況。系統(tǒng)采用具有機(jī)械壽命長、抗沖擊能力強(qiáng)和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)的 WDL－25－2型直線位移傳感器與WDD35D－4型角位移傳感器測量行程－時(shí)間特性曲線。

高壓斷路器分（合）閘過程中，線圈電流將隨時(shí)間而變化。測量高壓斷路器分（合）閘線圈電流，可計(jì)算出操動(dòng)機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)、拉桿運(yùn)動(dòng)與線圈通電時(shí)間，并且參考高壓斷路器的自身參數(shù)范圍來判斷高壓斷路器是否發(fā)生了偷跳、拒動(dòng)、誤動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)［6＼｜8］。系統(tǒng)采用具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，精度高和體積小等特點(diǎn)的YDG－HSD型霍爾電流傳感器測量分（合）閘的電流信號(hào)。

高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)的變化，利用振動(dòng)信號(hào)可以為故障診斷提供理論依據(jù)。運(yùn)用適當(dāng)?shù)臋z測和信號(hào)處理方法，可以識(shí)別出振動(dòng)故障源。系統(tǒng)采用ZD24T型磁阻式振動(dòng)傳感器檢測振動(dòng)信號(hào)。此類型振動(dòng)傳感器的分辨率和靈敏度更高，對環(huán)境要求較低，頻率響應(yīng)較寬。

3.3 監(jiān)測模塊的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)的監(jiān)測模塊采用美國TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812作為核心處理單元［9＼｜11］。各傳感器采集來的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)通過信號(hào)調(diào)理電路輸入TMS320F2812的A/D通道，該處理器芯片將處理后的數(shù)據(jù)分成兩路傳輸：一路送到液晶顯示模塊，顯示高壓斷路器的分合閘速度、時(shí)間、行程和電流等信息；另一路通過RS－485總線送到監(jiān)測服務(wù)器。圖2為智能監(jiān)測模塊的硬件結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括TMS320F2812DSP主控板（含通信模塊）、液晶面板、信號(hào)調(diào)理模塊、時(shí)鐘模塊和電源模塊等。

圖2 智能監(jiān)測模塊的硬件結(jié)構(gòu)

4 智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 μC/OS－Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其在TMS320F2812上的移植

μC/OS－Ⅱ是由Jean J.Labrosse先生撰寫的，是一個(gè)源碼公開、能固化、能移植、占先式、能裁剪、支持多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，包含了多個(gè)相對獨(dú)立的，短小精悍的目標(biāo)模塊，主要有：內(nèi)核管理、任務(wù)管理、事件控制塊、信號(hào)量管理、時(shí)間管理與郵箱管理等。μC/OS－Ⅱ操作系統(tǒng)已經(jīng)成功在40多種不同架構(gòu)的微處理器上完成移植。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層軟件采用μC/OS－Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，所以必須把μC/OS－Ⅱ移植到TMS320F2812處理器芯片上。根據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際需要，移植操作主要是對OS＿CPU.H、OS＿CFG.H、OS＿CPU＿A.ASM 和 OS＿CPU＿C.C這四個(gè)文件內(nèi)容進(jìn)行修改或編寫。首先對OS＿CFG.H進(jìn)行正確配置，確定系統(tǒng)需要使用哪些具體的功能函數(shù)以及最低優(yōu)先級(jí)OS＿LOWEST＿PRIO、最多任務(wù)控制塊數(shù)OS＿M(jìn)AX＿EVENTS、最多任務(wù)數(shù) OS＿M(jìn)AX＿TASKS等進(jìn)行具體設(shè)置。然后在OS＿CPU.H中定義與處理器相關(guān)和系統(tǒng)需要的宏和數(shù)據(jù)類型，根據(jù)DSP處理器硬件在OS＿CPU＿C.C和OS＿CPU＿A.ASM中分別用C語言和匯編語言編寫相關(guān)函數(shù)，最后將各種函數(shù)編寫好的操作系統(tǒng)裝載入TMS320F2812，μC/OS－Ⅱ就可以成功在處理器上運(yùn)行了。

4.2 數(shù)據(jù)采集層應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，整個(gè)系統(tǒng)分解為并行的四個(gè)任務(wù)層。占先式操作系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)按優(yōu)先級(jí)高低進(jìn)行，四個(gè)任務(wù)從高到低按優(yōu)先級(jí)排序?yàn)椋簲?shù)據(jù)通訊任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、故障報(bào)警任務(wù)和液晶顯示任務(wù)。

數(shù)據(jù)通訊任務(wù)定義為void taskcommunication（），優(yōu)先級(jí)數(shù)為10，該任務(wù)主要管理數(shù)據(jù)采集端和監(jiān)測服務(wù)器之間的通信，如果通訊出現(xiàn)了異常，監(jiān)測服務(wù)器對數(shù)據(jù)采集端重發(fā)四次命令，若通訊還是不成功，提示通訊失敗。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)定義為void taskcollect（），優(yōu)先級(jí)數(shù)為11，該任務(wù)主要負(fù)責(zé)整理計(jì)算各種傳感器采集的行程－時(shí)間特性曲線、振動(dòng)信號(hào)和電流信號(hào)，并且由TMS320F2812片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后計(jì)算得出高壓斷路器的分（合）閘時(shí)間與平均速度、開距、行程和超程等機(jī)械特性參數(shù)。

故障報(bào)警任務(wù)定義為void taskalarm（），優(yōu)先級(jí)數(shù)為12，該任務(wù)主要負(fù)責(zé)在監(jiān)測到高壓斷路器出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

液晶顯示任務(wù)定義為void taskshow（），優(yōu)先級(jí)數(shù)為13，該任務(wù)主要負(fù)責(zé)在現(xiàn)場液晶模塊上實(shí)時(shí)顯示高壓斷路器的各種機(jī)械特性參數(shù)。

μC/OS－Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)提供信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列三種任務(wù)之間同步與通信方法。在該監(jiān)測系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)四個(gè)信號(hào)量：采集信號(hào)量、命令信號(hào)量、顯示信號(hào)量和報(bào)警信號(hào)量，以及一個(gè)郵箱，信號(hào)量和郵箱的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)通訊任務(wù)、液晶顯示任務(wù)和故障報(bào)警任務(wù)之間相互的同步和通信。過程如圖3所示。

當(dāng)系統(tǒng)上電或復(fù)位以后，μC/OS－Ⅱ首先調(diào)用函數(shù)OSInit（）初始化操作系統(tǒng)，然后調(diào)用OSSemCreate（）函數(shù)創(chuàng)建信號(hào)量 Collectsem、Ordersem、Showsem和Alarmsem以及OSMboxCreate（）函數(shù)創(chuàng)建郵箱Datambox，接著調(diào)用OSTaskCreate（）函數(shù)創(chuàng)建四個(gè)系統(tǒng)主任務(wù)即數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)通訊任務(wù)、液晶顯示任務(wù)和故障報(bào)警任務(wù)，最后調(diào)用函數(shù)0SStart（）運(yùn)行系統(tǒng)。

圖3 任務(wù)之間同步與通信過程

4.3 監(jiān)測管理層應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件用VC＋＋6.0工具開發(fā)，采用ADO＋ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)［12＼｜13］。該智能監(jiān)測系統(tǒng)層間通過CAN總線實(shí)現(xiàn)通信。圖4為監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)方案框圖，監(jiān)測服務(wù)器每接收一次數(shù)據(jù)采集終端的發(fā)送數(shù)據(jù)就對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一次寫入操作，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖4 監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)方案框圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的嵌入式智能高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)、分析信號(hào)、顯示結(jié)果和保存數(shù)據(jù)等功能，智能監(jiān)測系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的DSP芯片TMS320F2812和多種傳感器對高壓斷路器的各種機(jī)械特性參數(shù)進(jìn)行采集，同時(shí)在DSP芯片上移植了μC/OS－Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并以該系統(tǒng)為平臺(tái)開發(fā)了監(jiān)測模塊的應(yīng)用軟件，整個(gè)系統(tǒng)不僅提供了強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，并且具有很高的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性和運(yùn)行速度。經(jīng)多次試驗(yàn)結(jié)果表明，該嵌入式智能高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確性較高，效果理想。

［1］李琦.高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測研究［D］.北京：華北電力大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2011.

［2］朗福成，徐建源，林莘.真空斷路器機(jī)械特性的在線監(jiān)測［J］.東北電力技術(shù)，2005，26（1）：12－15.

［3］曾慶軍，林燕俠.高壓真空斷路器智能在線監(jiān)測系統(tǒng)研制及故障診斷［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，39（2）：42－48.

［4］陽躍.μC/OS－Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)在電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究［D］.杭州：浙江大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2006.

［5］易慧.高壓斷路器新型狀態(tài)監(jiān)測裝置的研制［D］.武漢：華中科技大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2006：40－48.

［6］H.H.Zeineldin，E.eel.Saadany.High Voltage Circuit Breaker Modeling for Online Model－based Monitoring and Diagnosis.IEEE Transactions on Power Delivery，2008，3（4）：317－322.

［7］Johal H.，Mousavi M.J..Coil Current Analysis Method for Predictive Maintenance of Circuit Breakers［A］.Transmission and Distribution Conference and Exposition（TDC）［C］.2008.

［8］S.M.Strachan，S.D.J.McArthur，B.Stephen，etal.Providing Decision Support For The Condition－based Maintenance of Circuit Breakers Through Data Minin of Trip Coil Current Signatures［J］.IEEE Transaction On Power Delivery，2007，22（1）：178－18.

［9］秦文姬，馬麗麗，魏聰明.高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測的研究［J］.電氣開關(guān)，2012，（5）：51－58.

［10］陳程.基于DSP嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2011（6）：114－114.

［11］劉宇.基于TMS320F28335信號(hào)處理板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子科技，2011，24（5）：44－55.

［12］陳龍，倪道宏，章國寶.中高壓斷路器在線監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（16）：143－148.

［13］唐專敏，范興明.高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)的評(píng)估與診斷方法［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（1）：78－81.