智能真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陳創(chuàng)，王穎韜，李巨澤，李黨，劉燦萍，王月強

（1.廣州供電局有限公司變電管理一所廣東廣州510001；2.上海市電力公司上海200120）

智能真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陳創(chuàng)1，王穎韜2，李巨澤1，李黨1，劉燦萍1，王月強2

（1.廣州供電局有限公司變電管理一所廣東廣州510001；2.上海市電力公司上海200120）

介紹了一種智能真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，采用位移傳感器、力傳感器分別測量觸頭行程信號及觸頭力信號；采用霍爾傳感器監(jiān)測分合閘線圈電流信號、儲能回路電流信號，實現(xiàn)對真空斷路器機械電氣特性的在線監(jiān)測，設(shè)計硬件以STM32系列的高性能低功耗ARM Cortex-M內(nèi)核處理器作為斷路器采集及監(jiān)控單元，外圍輔助采集、調(diào)理、優(yōu)化電路；軟件采用占先式多任務(wù)實時內(nèi)核uC/OS-II操作系統(tǒng)進行軟件計算分析等，本文分別從硬件，軟件方面闡述真空斷路器機械電氣特性參數(shù)實現(xiàn)監(jiān)測的設(shè)計方案。

智能真空斷路器；機械特性；在線監(jiān)測；ARM；uC/OS-II操作系統(tǒng)

隨著電力系統(tǒng)高速發(fā)展，電力系統(tǒng)中不同等級不同類型斷路器的需求數(shù)量持續(xù)不斷的增加，其中真空斷路器在我國中高壓開關(guān)領(lǐng)域內(nèi)居主導地位。真空斷路器對電網(wǎng)的安全可靠運行具有重要的意義，真空斷路器發(fā)生故障和危險會引起電網(wǎng)事故，造成巨大經(jīng)濟損失和負面影響，為保證在電力設(shè)備中真空斷路器運行安全穩(wěn)定性，及時了解和掌握其運行狀況，運行狀態(tài)變化趨勢，為真空斷路器檢修和維護提供可靠依據(jù)，降低其故障造成的損失，研發(fā)智能真空斷路器在線監(jiān)測成為熱門研究課題。在線監(jiān)測技術(shù)結(jié)合真空斷路器的智能在線監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)對真空斷路器許多重要關(guān)鍵機械電氣參數(shù)實時監(jiān)測外，還引進專家診斷系統(tǒng)對真空斷路器參數(shù)進行分析判斷診斷，同時結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對真空斷路器進行分布式監(jiān)測，診斷和控制，支持廣闊區(qū)域內(nèi)的集中監(jiān)控智能診斷，使設(shè)備時刻都處于可靠監(jiān)測控制之下，提高了其運行可靠性，保障了電力系統(tǒng)安全。

1　監(jiān)測總體設(shè)計

針對真空斷路器的在線監(jiān)測本文主要以機械特性在線監(jiān)測設(shè)計進行介紹，具體實現(xiàn)的功能為斷路器觸頭位移測量、斷路器觸頭力測量、分/合閘線圈電流波形測量、機械特性的測量和診斷分析、控制回路連續(xù)性的診斷和測量、儲能回路連續(xù)性和波形的診斷分析等。設(shè)計采用了信號采集、信號處理、狀態(tài)分析、故障診斷、人機交互、遠程監(jiān)控的分層技術(shù)總體設(shè)計方案。

2　硬件設(shè)計

采用分層總體方案可將系統(tǒng)硬件設(shè)計分為傳感器信號采集硬件電路、信號調(diào)理處理硬件電路、ADC轉(zhuǎn)換硬件電路、主從控制器通信電路、主控制器處理電路、通信接口硬件電路等。

2.1硬件的總體設(shè)計

由于整套系統(tǒng)在采集過程中數(shù)據(jù)量海量及系統(tǒng)任務(wù)繁重，為提高采集海量數(shù)據(jù)過程中數(shù)據(jù)處理能力、計算分析海量數(shù)據(jù)能力、處理其他任務(wù)的速度，設(shè)計以采用兩片STM32處理器分別作為主從控制器來共同分擔整個系統(tǒng)任務(wù)的方案。

硬件總體框架如圖1所示可以分析出主從控制器各自系統(tǒng)任務(wù)如下：

1）從控制器系統(tǒng)任務(wù)

①從控制器通過霍爾電流傳感器來采集真空斷路器機械操作機構(gòu)中分/合閘線圈電流信號。

②從控制器通過位移傳感器，力傳感器來采集真空斷路器觸頭的行程及觸頭力信號。

③位移、力、電流傳感器信號經(jīng)過各自調(diào)理電路后，將位移、力、電流換成有函數(shù)關(guān)系變化的電壓信號輸出，電壓信號經(jīng)濾波放大電路調(diào)理后接入從控制器的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從控制器再將獲取到不同類型采樣數(shù)字量通過DMA并行傳輸方式傳輸給主控制器。

2）主控制器任務(wù)

①主控制器通過并行傳輸方式獲取從控制器傳輸過來的數(shù)字量數(shù)據(jù)。

②主控制器將接收到的數(shù)字量經(jīng)過軟件算法分析得到真空斷路器的分/合閘時間、分/合閘速度、開距、超行程等機械特性參數(shù)。

③主控制還具有液晶顯示單元控制、觸頭無線測溫、專家診斷分析和報警指示、數(shù)據(jù)通信處理、存儲管理等任務(wù)。

圖1　硬件總體框架圖

2.2傳感器系統(tǒng)設(shè)計

1）位移傳感器電路

為了準確監(jiān)測出真空斷路器的位移信號，采用了位移傳感器來采集位移信號量。位移傳感器是將機械位移轉(zhuǎn)換成與位移量有函數(shù)關(guān)系的電信號輸出裝置。這里采用的位移傳感器為電阻式位移傳感器，位移傳感器安裝在斷路器絕緣拉桿下方，電阻基片安裝在傳感器的固定部位，電刷安裝在導軌上，可在基片上滑動。基片供以穩(wěn)態(tài)直流電壓，電刷與輸入端之間電壓與電刷在基片上的位移成正比。傳感器的供電電壓為直流3.3 V，通過這種電路即可將位移信號轉(zhuǎn)換為與0～3.3 V電壓信號。

2）電流傳感器采樣電路

選用霍爾電流傳感器，其工作原理為基于霍爾效應開環(huán)/閉環(huán)原理電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖、各種不規(guī)則波形電流。通過采用此傳感器來采集分/合閘線圈電流，儲能電機回路電流，控制回路電流。

合閘線圈電流采集電路如圖2所示，U20-TBC_DS5為霍爾電流傳感器，霍爾傳感器輸出ICLOSE電壓信號，由于ICLOSE輸出的電壓信號比較微弱不穩(wěn)定，輸出阻抗要求比較大，故需要對輸出信號進行濾波，跟隨，放大處理，因此霍爾電流傳感器輸出ICOSE經(jīng)過C23和R41組成的RC電路濾波后，經(jīng)過運放LM224及其電阻組成的跟隨電路，放大電路處理后輸出IB電壓信號接入從控制器STM32的A/D轉(zhuǎn)換通道。

3）力傳感器電路

為了準確監(jiān)測斷路器機械特性，還需要采用力傳感器來采集斷路器分合閘力信號來輔助計算斷路器機械特性。這里采用的力傳感器電阻應變片能把受力變形應變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，電阻變化與應變片變形成正比，傳感器的供電電壓為直流3.3 V，通過力傳感器電路即可將力信號轉(zhuǎn)換為與0～3.3 V電壓信號。

2.3信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要是通過將電流傳感器、位移傳感器、力傳感器輸出信號經(jīng)過濾波、變換、放大、跟隨處理，將信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的0～3.3 V電壓信號接入從控制器的A/D轉(zhuǎn)換通道實現(xiàn)對電流、位移、力信號數(shù)據(jù)采樣功能。圖3［1］為力信號調(diào)理電路。力信號調(diào)理電路電源經(jīng)過穩(wěn)壓器TL431ACLP穩(wěn)壓的同時力信號Fvin+/-經(jīng)過INA118P運放芯片差分放大處理后經(jīng)過LM368D芯片電路進行跟隨處理實現(xiàn)了力信號調(diào)理功能。

2.4AD轉(zhuǎn)換DMA傳輸硬件電路

STM32F103增強型ARM處理器內(nèi)嵌2個12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），每個ADC共用多達16個外部通道，同時ADC可以使用DMA操作。處理器支持靈活的7路通用DMA，在實現(xiàn)ADC的DMA傳輸時，由DMA控制器直接掌管總線，因此DMA傳輸前，CPU要把總線控制權(quán)交給DMA控制器，而在結(jié)束DMA傳輸后，DMA控制器應立即把總線控制權(quán)再交回給CPU。通過這種方式可不經(jīng)過CPU達到高速DMA采樣效果，從控制器就是通過內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換接DMA操作進行高速采樣的。通過這種方式可以將采集到的位移、電流、力信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給主控制器。

2.5通信接口電路

系統(tǒng)支持RS485通信接口電路如圖4所示，采用ADM2483隔離型RS485收發(fā)器，其中RXD0，TXD0，DT/RT分別為STM32的串口接收，發(fā)送，方向控制引腳，經(jīng)過ADM2483轉(zhuǎn)換為RS485信號，在RS485總線端采用了D1，D33，D34的TVS瞬態(tài)抑制二極管接PE保護，其可達+-8KV接觸放電保護，U2為陶瓷放電管接PE防雷擊浪涌保護，L2為共模電感其作用為抑制高頻共模噪聲。采用這種電路設(shè)計的RS485電路對系統(tǒng)通信提供了可靠的保護。

圖2　合閘線圈采集電路

圖3　力信號調(diào)理電路

圖4　通信RS485接口電路

3　軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用了嵌入式實時uCOS-II操作系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)的多任務(wù)處理及實時性高的需求。

3.1從控制器軟件任務(wù)

由上述從控制器任務(wù)功能描述可得知，從控制器軟件主要通過ADC采樣位移、力、電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采樣數(shù)據(jù)預處理后再通過并行通信方式傳輸給主控制器。

3.2主控制器軟件任務(wù)

主控制器軟件任務(wù)除了接收從控制器并行通信傳輸?shù)牟蓸訑?shù)據(jù)外，還需要進行斷路器采樣數(shù)據(jù)分析診斷，數(shù)據(jù)存儲，參數(shù)曲線顯示，通信等軟件任務(wù)。

3.3主從控制器系統(tǒng)軟件流程

從控制器軟件主要為AD采樣和并行傳輸軟件任務(wù)，其流程圖如圖5所示。主控制器采用了UCOSII操作系統(tǒng)，其軟件功能具有并行接收采樣數(shù)據(jù)軟件任務(wù)、采樣數(shù)據(jù)分析診斷任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲任務(wù)、參數(shù)曲線顯示任務(wù)、通信任務(wù)等。這些任務(wù)與任務(wù)之間或中斷與任務(wù)之間的通信與同步，都是采用消息郵箱來進行交互的。其中主控制器流程圖如圖6所示。

圖5　從控制器流程圖

圖6　主控制器流程圖

3.4斷路器機械特性軟件處理

我們將通過硬件采集到的位移數(shù)據(jù)、力數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后再通過軟件來綜合計算與轉(zhuǎn)換獲取斷路器各種機械特性參數(shù)，軟件中首先要確定的是各分、合閘動作時刻在分、合閘操作過程中的位置即剛分剛合點，從而獲取確定各時間參量，配合各序列點位移量確定各位移參量，再由位移量與時間量計算出各速度參量。斷路器的機械特性參數(shù)計算方法是標準的，詳細計算方法見參考文獻［1］或各廠家的技術(shù)資料。

4　系統(tǒng)性能測試和驗證

通過本設(shè)計方案設(shè)計的智能斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)A與標準的斷路器機械特性測試儀B在VS1型真空斷路器進行分合閘操作得出機械特性參數(shù)的測量值，得到的實驗數(shù)據(jù)對比分析如表1所示。

從表1中可以看出，通過設(shè)計的智能在線監(jiān)測系統(tǒng)與標準機械特性測試儀測試出來的機械特性參數(shù)結(jié)果基本一致，誤差在允許范圍之內(nèi)。綜合實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)測量的分/合閘時間、分/合閘速度、開距、超行程等參數(shù)都具有較高精度，能夠滿足實際機械特性在線監(jiān)測應用的要求。

表1　機械特性參數(shù)測試對比表

5　結(jié)束語

文中分別從硬件軟件簡述了一種智能真空斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，針對斷路器的機械特性經(jīng)過系統(tǒng)功能測試及驗證，能夠滿精度要求，系統(tǒng)還可以通過通信接口以適用分布式遠程監(jiān)控系統(tǒng)要求，遠程查看真空斷路器的當前及歷史運行狀態(tài)、參數(shù)等信息，了解其狀態(tài)并對其狀態(tài)進行分析診斷，為真空斷路器的維護和檢修提供了可靠的依據(jù)，提高了真空斷路器的安全穩(wěn)定性。

［1］舒少龍．基于力信號處理的斷路器機械特性研究［D］．杭州：浙江大學，2014．

［2］安濤．VS1斷路器在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的研究［D］．杭州：浙江大學，2010．

［3］潘慧敏．基于DSP的真空斷路器機械特性測試裝置的研制［D］．成都：西華大學，2009．

［4］安濤，王慶豐，唐建中，等．斷路器操動機構(gòu)仿真模型在故障診斷中的應用［J］．電工電能新技術(shù)，2010，29（1）:41-43．

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［8］羅勇強．智能斷路器性能參數(shù)在線監(jiān)測裝置的設(shè)計［D］．西安：西安工業(yè)大學，2013．

The design of intelligent vacuum breaker online monitoring system

CHEN Chuang1，WANG Ying-tao2，LI Ju-ze1，LI Dang1，LIU Can-ping1，WANG Yue-qiang2
（1.GuangZhou Power Supply Bureau Limited Company Substation Management Department of No.1，Guangzhou 510001，China；2.Shanghai Electric Power Corporation，Shanghai 200120，China）

This article presents a design scheme of intelligent vacuum breaker online monitoring System.System adopts the displacement sensor to measure the contact travel signal，and adopts the force sensor to measure the contact force signal.Design adopts the holzer sensor to monitor on trip and off trip coil current signal and energy storage circuit of current signal to realize the on-line monitoring of the electrical characteristics of mechanical vacuum circuit breaker.Design hardware adopts the STM32 series high performance and low power consumption ARM Cortex-M kernel processor as the circuit breaker sampling and monitoring unit，Peripheral adopts the auxiliary acquisition circuit，conditioning circuit，optimize circuit.The software adopts preemptive uC/OS-II real-time multi task operating system to realize software analysis and calculation and so on.This article talked briefly about the hardware and software online monitoring design scheme of vacuum breaker to achieve mechanical and electrical characteristics parameters measurement.

intelligent vacuum breaker；mechanical properties；online monitoring；ARM；uC/OS-II operating system

TN99

A

1674－6236（2016）12-0141-05

2015-07-07稿件編號：201507057

廣州供電局有限公司科技項目（K-GZM2014-010）

陳創(chuàng)（1975—），男，廣東茂名人，高級工程師。研究方向：電力系統(tǒng)自動化和在線監(jiān)測技術(shù)。