智能斷路器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

張勇　石倩　王潔

【摘 要】分析了斷路器在線狀態(tài)檢測(cè)的重要性。研究了斷路器運(yùn)行檢測(cè)原理，開發(fā)了一種高效斷路器檢測(cè)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】智能；斷路器；檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言

斷路器作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，且兼具控制與保護(hù)的雙重功能，直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。相對(duì)其他靜止的電力設(shè)備，斷路器是需要進(jìn)行不斷動(dòng)作的設(shè)備部件，因此斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多樣。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，其零部件磨損，功能參數(shù)發(fā)生變化，設(shè)備出現(xiàn)故障將不可避免。

為提高設(shè)備壽命周期，使設(shè)備處于良好的運(yùn)行工況下，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)斷路器進(jìn)行適時(shí)地檢修維護(hù)顯得尤為重要。過(guò)去，包括斷路器在內(nèi)的電力設(shè)備，一直采取定期檢修維護(hù)的方法。但由于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、使用條件、甚至不同設(shè)備間均存在較大差異，因此統(tǒng)一的維修周期，既缺乏針對(duì)性，也存在檢修成本的資源浪費(fèi)。

斷路器在線檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)了解斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，減少過(guò)早或不必要的停電試驗(yàn)與檢修?？娠@著提高電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 電流檢測(cè)原理

斷路器在分、合閘過(guò)程中線圈電流變化曲線最能反應(yīng)當(dāng)前斷路器的工作狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外廣泛的應(yīng)用實(shí)例，充分證明了斷路器控制回路波形監(jiān)測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)行之有效的斷路器操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)。

分合閘過(guò)程線圈中電流的變化可根據(jù)等效電路推導(dǎo)如公式1所示，根據(jù)該公式可以分析出線圈電流的波形軌跡，即鐵芯運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵時(shí)刻點(diǎn)及該時(shí)刻電流值，如圖1。

2 總體方案

為更好滿足現(xiàn)場(chǎng)多變的應(yīng)用需求，斷路器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)硬件采用ARM+FPGA雙核結(jié)構(gòu)，軟件采用RT Linux操作系統(tǒng)，應(yīng)用層使用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。這樣既保證了數(shù)據(jù)采集、獲取的實(shí)時(shí)性，也保證了檢測(cè)系統(tǒng)豐富的外設(shè)接口。系統(tǒng)組成如圖2所示。

本斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案主要由以下部分組成：

1）斷路器。作為監(jiān)控對(duì)象，主要采集斷路器線圈分、合閘電流、電壓數(shù)據(jù)。

2）檢測(cè)裝置。主要負(fù)責(zé)斷路器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)預(yù)警機(jī)制。

3）檢測(cè)主站。為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，所有的斷路器數(shù)據(jù)都包括數(shù)據(jù)上送功能，集中顯示，通過(guò)在數(shù)據(jù)中心查看斷路器的運(yùn)行狀態(tài)。

3 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

智能斷路器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用ARM+FPGA雙核硬件平臺(tái)，F(xiàn)PGA主要進(jìn)行斷路器電流、電壓數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)紸RM進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

總體硬件模塊如圖3所示。

圖3 硬件模塊圖

硬件模塊介紹如下：

（1）FPGA模塊。為保證采集速率，采用FPGA陣列，速率可到300MHz；

（2）ARM核心板。為滿足嵌入式及低功耗現(xiàn)場(chǎng)需求，本次采用ARM作為主處理器單元，主頻500MHz，且CPU主板通過(guò)連接件的方式與底板互聯(lián)；

（3）底板。方便外設(shè)擴(kuò)展，底板提供了豐富的外設(shè)接口，網(wǎng)口、USB口等等；

（4）顯示。為方便實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)的查看，提供了高分辨率顯示屏用于數(shù)據(jù)顯示及查看。

（5）狀態(tài)指示燈。為調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)操作提供方便，本裝置提供了狀態(tài)指示燈模塊，通過(guò)狀態(tài)指示燈的顏色顯示即可反映當(dāng)前斷路器的工作狀態(tài)。

4 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)電力系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性[10]是要求的關(guān)鍵，而Linux、Window CE、VxWorks 等嵌入式系統(tǒng)，均存在開放性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性或高收費(fèi)方面的問(wèn)題。智能斷路器檢測(cè)系統(tǒng)在開源Linux系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭載實(shí)時(shí)Xenomai微內(nèi)核，該雙內(nèi)核系統(tǒng)架構(gòu)既具有Linux系統(tǒng)既具有Linux豐富的驅(qū)動(dòng)接口，也具有硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)圖

從軟件系統(tǒng)圖中可以得知，雙內(nèi)核的系統(tǒng)架構(gòu)更方便不同應(yīng)用需求的處理，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用運(yùn)行于Xenomai內(nèi)核，而實(shí)時(shí)性不高的應(yīng)用運(yùn)行于Linux內(nèi)核。

4.2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)斷路器進(jìn)行分、合閘時(shí)，F(xiàn)PGA把采集到電流、電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行上送，當(dāng)ARM CPU接收到FPGA上送的數(shù)據(jù)后即調(diào)用數(shù)據(jù)分析模塊、狀態(tài)診斷模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)上送模塊等進(jìn)行分析處理，同時(shí)把當(dāng)前數(shù)據(jù)波形及分析結(jié)果在顯示屏上進(jìn)行顯示，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，顯示面板進(jìn)行告警顯示。

實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)與分析結(jié)果以文件的方式保存在現(xiàn)地裝置中，同時(shí)可以以太網(wǎng)方式上送波形數(shù)據(jù)與分析結(jié)果到遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行查看、顯示，便于遠(yuǎn)程值守。

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化方法，軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

智能在線監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)的核心在于分、合閘線圈電流波形的采集及系統(tǒng)組網(wǎng)方案。本文介紹的系統(tǒng)方案，運(yùn)用了大數(shù)據(jù)分析、模糊診斷等技術(shù)手段，大大提高了線圈分析的可靠性。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)斷路器運(yùn)行狀態(tài)的目的，系統(tǒng)響應(yīng)快速、可靠穩(wěn)定，平臺(tái)不僅具有現(xiàn)地顯示還具有遠(yuǎn)程服務(wù)展示功能，滿足了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，系統(tǒng)同時(shí)具有61850通訊接口，滿足了不同廠家設(shè)備互聯(lián)互通的功能。

針對(duì)目前智能變電站推廣日益廣泛的現(xiàn)實(shí)，具有良好的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]