低壓斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

田成元，孫曉微

(甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

低壓斷路器在高職院校電工實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用量較大，它不但能夠關(guān)合、承載和開(kāi)斷正常電路的電流，而且還能夠關(guān)合、承載和開(kāi)斷異常電路的電流，是一種對(duì)電氣線路、電機(jī)、電氣元件等保護(hù)的裝置，電源線路或負(fù)載發(fā)生過(guò)載、短路等故障時(shí)，斷路器能夠自動(dòng)切斷電源線路，起到保護(hù)作用[1,2]。因此，電工實(shí)驗(yàn)室里斷路器性能的好壞直接關(guān)系到做實(shí)驗(yàn)的教師和學(xué)生的安全。

新的斷路器在使用前或已經(jīng)使用一段時(shí)間的斷路器必須進(jìn)行性能檢測(cè)，以確保其性能良好，不存在安全隱患。傳統(tǒng)的斷路器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以人工操作為主，存在自動(dòng)化程度低、測(cè)試效率不高等缺陷，為改變斷路器性能測(cè)試的傳統(tǒng)模式和人工控制方式，實(shí)現(xiàn)斷路器性能測(cè)試的信息化和自動(dòng)化，本文設(shè)計(jì)了一種低壓斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)。在性能測(cè)試作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊和上位機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器性能測(cè)試過(guò)程信息的自動(dòng)采集、傳輸和顯示，從而克服了傳統(tǒng)操作造成斷路器性能測(cè)試效果不佳的問(wèn)題。

1 低壓斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)功能

測(cè)試系統(tǒng)采用單AC 380 V電源輸入，瞬時(shí)容量不高于10 kVA。測(cè)試系統(tǒng)主要由電壓和電流輸出模塊、上位機(jī)、下位機(jī)PLC和電源模塊組成，可實(shí)現(xiàn)延時(shí)特性測(cè)試、分?jǐn)鄷r(shí)間測(cè)試、三相觸頭同步性測(cè)試、手動(dòng)/自動(dòng)切換測(cè)試。具體測(cè)試過(guò)程如下：

(1) 在延時(shí)特性功能測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)規(guī)程要求，操作人員首先在上位機(jī)操作界面預(yù)先設(shè)置過(guò)載延時(shí)時(shí)間及電流的閾值，再點(diǎn)擊測(cè)試開(kāi)始按鈕，則實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠自動(dòng)記錄、自動(dòng)判斷結(jié)果。

(2) 在分?jǐn)鄷r(shí)間特性功能測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)規(guī)程要求，操作人員首先在上位機(jī)操作界面設(shè)置額定電流值以及分?jǐn)嚯娏?、分?jǐn)鄷r(shí)間的閾值，再點(diǎn)擊測(cè)試開(kāi)始按鈕，實(shí)驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)計(jì)時(shí)，記錄三相觸頭斷開(kāi)的時(shí)間，并在上位機(jī)上顯示分?jǐn)鄷r(shí)間和電流值。

(3) 在三相觸頭同步性功能測(cè)試過(guò)程中，操作人員首先在上位機(jī)操作界面點(diǎn)擊測(cè)試開(kāi)始按鈕，測(cè)試斷路器閉合時(shí)三相觸頭的閉合同步時(shí)間，然后在上位機(jī)上顯示。

(4) 該試驗(yàn)既能進(jìn)行手動(dòng)操作也能進(jìn)行自動(dòng)操作，二者互不干擾，利用手動(dòng)/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)可任意切換操作狀態(tài)。

2 低壓斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)整體采用集中管理和分布式控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]。測(cè)試系統(tǒng)的上位計(jì)算機(jī)通過(guò)與下位機(jī)PLC的通信實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓斷路器性能參數(shù)的采集和顯示，同時(shí)對(duì)測(cè)試過(guò)程的額定電流、分?jǐn)嚯娏鳌⒎謹(jǐn)鄷r(shí)間、三相觸頭的閉合同步時(shí)間等測(cè)試作業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。低壓斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低壓斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1中，測(cè)試系統(tǒng)包括三層，分別為測(cè)試監(jiān)控層、測(cè)試控制層和測(cè)試執(zhí)行層，其中測(cè)試監(jiān)控層硬件為上位機(jī)和打印機(jī)，主要負(fù)責(zé)低壓斷路器性能測(cè)試過(guò)程中指令的下達(dá)、測(cè)試結(jié)果的顯示及打印，同時(shí)，上位機(jī)與以太網(wǎng)連接，以方便測(cè)試結(jié)果的遠(yuǎn)程查閱；測(cè)試控制層為下位機(jī)PLC，主要負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和控制；測(cè)試執(zhí)行層包括電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、時(shí)間檢測(cè)、條碼檢測(cè)和操作命令的控制。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括測(cè)試上位計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、下位機(jī)PLC、通信處理器、通信電纜、電流傳感器、電壓傳感器、時(shí)間繼電器、條碼掃描儀等。硬件選型如表1所示。

表1 測(cè)試系統(tǒng)主要元件及功能

上位機(jī)選用聯(lián)想工控機(jī)，下位機(jī)采用西門子S7-300PLC，PLC通過(guò)RS485接口與上位機(jī)連接，并通過(guò)模擬量模塊與電流傳感器、電壓傳感器和條碼掃描儀連接，因此，S7-300PLC 可通過(guò)RS485接口簡(jiǎn)單而方便地與上位機(jī)進(jìn)行通信，與測(cè)試執(zhí)行層的各傳感器等連接，從而完成系統(tǒng)的硬件組態(tài)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

在低壓斷路器測(cè)試過(guò)程中應(yīng)以安全和穩(wěn)定為前提，首先要保證測(cè)試人員的人身安全和設(shè)備安全，其次確保測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。因此，上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件的選擇對(duì)安全和穩(wěn)定可靠具有決定作用。用在低壓斷路器測(cè)試中的自動(dòng)化設(shè)備和軟件設(shè)備，按照 “功能不必高級(jí)，夠用就行，關(guān)鍵必須要確保安全和穩(wěn)定”的思想進(jìn)行選擇。本文實(shí)現(xiàn)低壓斷路器自動(dòng)化測(cè)試的組合是“組態(tài)軟件+Modbus協(xié)議+ PLC”。

上位機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Windows操作平臺(tái)，上位機(jī)開(kāi)發(fā)工具采用的是西門子的組態(tài)軟件SIMATIC WinCC 6.2。通過(guò)WinCC圖形模塊功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的人機(jī)交互界面，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)“配置”即可得到低壓斷路器測(cè)試工控上位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)軟件圖形模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 上位機(jī)軟件圖形模塊結(jié)構(gòu)框圖

Modbus是一個(gè)工業(yè)上通信常用的通訊協(xié)議，傳輸采用RS485串口傳輸形式，協(xié)議模型如圖3所示[4]。

圖3 Modbus協(xié)議模型

圖3中，第一個(gè)是地址幀，在Modbus網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)從機(jī)都有一個(gè)地址，主機(jī)在訪問(wèn)從機(jī)的時(shí)候依靠這個(gè)唯一的地址識(shí)別；第二個(gè)是功能碼，決定這一幀數(shù)據(jù)主要的功能，如輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、讀取控制量等； 第三個(gè)是數(shù)據(jù)；第四個(gè)是差錯(cuò)校驗(yàn),用來(lái)對(duì)之前發(fā)送的數(shù)據(jù)校驗(yàn)，防止發(fā)送過(guò)程中因?yàn)殡姶鸥蓴_而出現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)的現(xiàn)象。

下位機(jī)軟件采用西門子STEP 7 V5.4 PLC，該軟件擁有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)等功能，能夠完成低壓斷路器測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行層的組態(tài)任務(wù)、時(shí)間檢測(cè)、電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)和操作控制。

3 測(cè)試系統(tǒng)誤差補(bǔ)償

誤差定義為測(cè)量值和真實(shí)值之間的差。實(shí)際上，與其他的設(shè)備一樣，本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)誤差，這種誤差主要表現(xiàn)為傳感器本身的誤差，對(duì)于單個(gè)傳感器來(lái)說(shuō)，主要誤差源是傳感器的常值和隨機(jī)誤差、溫度變化引起的零點(diǎn)漂移誤差等[5]。同時(shí)當(dāng)傳感器工作時(shí)，信號(hào)會(huì)受到溫度、電磁干擾等影響，因此，對(duì)誤差的補(bǔ)償成為提高傳感器測(cè)量精度的一種必要手段。

3.1 傳感器的誤差模型

本文將傳感器的誤差劃分為比例系數(shù)誤差、耦合系數(shù)誤差和偏置誤差[6]，即：

(1)

其中：(E1E2)T為傳感器的誤差；(G1G2)T為傳感器的測(cè)量值； (G10G20)T為傳感器的理論值；(k1k2)為傳感器的誤差比例系數(shù)；(k12k21)為傳感器的誤差耦合系數(shù)。

3.2 誤差補(bǔ)償模型

將式(1)進(jìn)行變換，就可得到：

(2)

式(2)中，包含幾次斷路器測(cè)試測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)這些觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘方法進(jìn)行融合，其融合表達(dá)式為：

y=α*β+Φ.

(3)

其中：y為觀測(cè)矩陣；α為未受干擾信號(hào)；β為求解參數(shù)向量；Φ為噪聲向量。

由于Φ對(duì)參數(shù)估計(jì)具有較大的影響，因此，定義e為殘差，則有：

e=y-y*=y-α*β*.

(4)

其中：y*為輸入向量的最優(yōu)估計(jì)；β*為參數(shù)向量的最優(yōu)估計(jì)。

采用最小二乘估計(jì)方法時(shí)，要求目標(biāo)函數(shù)的平方和最小，而目標(biāo)函數(shù)由若干個(gè)函數(shù)的平方和構(gòu)成，函數(shù)表達(dá)式為：

(5)

則目標(biāo)函數(shù)的平方和最小表示為：

(6)

式(6)則為最小二乘優(yōu)化，即為目標(biāo)函數(shù)的平方和最小。因此，可得到殘差的平方和最小表達(dá)式，即：

J=e·eT=(y-α*β*)(y-α*β*)T.

(7)

為了確保式(7)中的J最終達(dá)到極小值，則有：

(8)

那么就會(huì)得到參數(shù)向量的最小二乘估計(jì)值，即：

β*=(α·αT)-1·αT·y.

(9)

聯(lián)立式(2)和式(9)，最后得到斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)傳感器的誤差補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型：

(10)

3.3 誤差補(bǔ)償計(jì)算實(shí)例

為了驗(yàn)證斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)傳感器誤差補(bǔ)償模型的實(shí)用性，本文選擇電流傳感器的一些標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)每次電流傳感器的測(cè)量輸出值和理論值建立最小二乘誤差補(bǔ)償模型，誤差補(bǔ)償前、后電流傳感器輸出誤差對(duì)比如圖4所示。

圖4 電流傳感器誤差補(bǔ)償前、后輸出誤差對(duì)比

由圖4明顯看出，通過(guò)最小二乘方法對(duì)誤差補(bǔ)償后傳感器的測(cè)量精度要比補(bǔ)償前極大地提高，補(bǔ)償前電流傳感器測(cè)量的平均絕對(duì)百分誤差達(dá)到了1.02%，而通過(guò)最小二乘方法得到的誤差補(bǔ)償后的電流傳感器測(cè)量的平均絕對(duì)百分誤差僅為0.3%，相對(duì)來(lái)說(shuō)誤差減少了72.5%，由此可見(jiàn)效果非常明顯。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的“低壓斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)”配置1臺(tái)上位計(jì)算機(jī)，通過(guò)Modbus通訊協(xié)議和RS485串口傳輸形式實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)PLC的連接，使得操作人員能夠很直觀地看到斷路器的性能測(cè)試結(jié)果，提高了操作過(guò)程的自動(dòng)化程度，也具有安全性、可靠性和準(zhǔn)確性。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的低壓斷路器性能測(cè)試主操作界面如圖5所示。

圖5 低壓斷路器性能測(cè)試主操作界面

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的低壓斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1) 基于WinCC和PLC的系統(tǒng)，使得操作更加直觀、簡(jiǎn)便和安全，自動(dòng)化程度更高，為操作的安全性和可靠性提供了保證。

(2) 所提出的基于最小二乘法的誤差補(bǔ)償模型，可以明顯提高傳感器數(shù)據(jù)處理時(shí)的精度，確保斷路器性能測(cè)試的精確性。

(3) 本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的“低壓斷路器性能測(cè)試系統(tǒng)”不但能夠完全滿足高職院校教師與學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用，而且也能夠滿足一些企業(yè)對(duì)斷路器的性能測(cè)試要求。