智能斷路器在線監(jiān)控系統(tǒng)的研制

包涌泉

（華中科技大學(xué)，武漢 430074）

0 引言

斷路器是配電系統(tǒng)中的一種重要的開關(guān)電器。當(dāng)回路出現(xiàn)過流、短路等故障時(shí)，它能自動斷開回路，對回路及設(shè)備起到保護(hù)作用。隨著電力系統(tǒng)控制方式數(shù)字化進(jìn)程的發(fā)展以及電力系統(tǒng)綜合自動化的廣泛應(yīng)用, 對系統(tǒng)可視化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)化、精確化的要求越來越高。相應(yīng)地對斷路器也就提出了更高的要求。傳統(tǒng)斷路器根本無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)綜合自動化的需要。智能化技術(shù)的應(yīng)用于是成了斷路器的一個(gè)重要發(fā)展應(yīng)用方向。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能斷路器在線監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)和分流器三個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 智能斷路器在線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，上位機(jī)管理軟件由LabVIEw 軟件開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)斷路器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和動作參數(shù)的在線整定功能；下位機(jī)硬件平臺由DSP及其外圍硬件電路組成，完成數(shù)據(jù)采集、分析、故障保護(hù)等功能。下位機(jī)將采集到的流過斷路器的電流信號和斷路器自身的狀態(tài)信號通過CAN總線傳輸給上位機(jī)進(jìn)行顯示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)下位機(jī)硬件平臺采用美國TI公司的高性能數(shù)字信號處理器TMS320LF2407作為核心處理單元。該處理器主頻達(dá)40 MHz，內(nèi)嵌32K字的flashROM、544字的DRAM和2K字的SRAM，具有CAN 2.0B接口，異步串行通訊口（SCI）、同步外設(shè)接口（SPI），同時(shí)擁有16個(gè)高速A／D采樣通道。從分流器采樣的主回路電流信號經(jīng)過隔離模塊后送到DSP片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換通道，DSP進(jìn)行運(yùn)算、處理，當(dāng)主回路滿足故障動作條件時(shí)DSP輸出動作信號，經(jīng)光藕隔離驅(qū)動固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器接通脫扣器線圈使斷路器動作，分?jǐn)嘀骰芈贰Ｑb置使用DSP片內(nèi)的存儲器存放程序，外擴(kuò)一片RAM芯片存放數(shù)據(jù)，使用SPI接口擴(kuò)展一片串行EEPROM芯片用于存放斷路器的相關(guān)參數(shù)，通過CAN總線可以將斷路器本身的狀態(tài)和系統(tǒng)的電流等參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。裝置本身的狀態(tài)能通過指示燈顯示，通過按鈕可對裝置進(jìn)行檢測，本裝置同時(shí)具有自診斷功能。

圖2 下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2 上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)管理軟件采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW8.2開發(fā)。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言—G語言，采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，為實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了便捷的途徑。上位機(jī)管理系統(tǒng)的主界面如圖3所示。在主界面中可以通過選擇不同的功能調(diào)用不同的界面完成相應(yīng)的操作。

圖3 上位機(jī)管理系統(tǒng)主界面

2.2 在線實(shí)時(shí)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測界面如圖4所示，具體功能包括CAN 總線操作、主回路電流波形顯示、斷路器狀態(tài)顯示3個(gè)部分。CAN總線操作主要完成對USB—CAN卡的操作，從而為下位機(jī)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。主回路電流波形顯示、斷路器狀態(tài)顯示主要實(shí)現(xiàn)將來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)以波形和數(shù)值的方式顯示。具體的實(shí)現(xiàn)方法是通過在LabVIEW中循環(huán)調(diào)用Application Programming Interface（API）函數(shù)實(shí)現(xiàn)將接收到的數(shù)據(jù)傳送給波形圖控件和數(shù)值顯示控件進(jìn)行顯示。

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)測界面

2.3 參數(shù)設(shè)定界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)管理系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定界面如圖5所示，具體功能包括CAN總線操作、參數(shù)設(shè)定、參數(shù)顯示等三個(gè)部分。通過下拉命令框選擇對各種參數(shù)進(jìn)行在線設(shè)定和顯示。具體的實(shí)現(xiàn)方法是通過在LabVIEW當(dāng)中循環(huán)調(diào)用Application Programming Interface（API）函數(shù)實(shí)現(xiàn)將設(shè)定的參數(shù)數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)傳送給數(shù)值顯示控件進(jìn)行顯示。

圖5 參數(shù)設(shè)定界面

3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

本裝置的軟件開發(fā)環(huán)境選用 TI公司推出的用于開發(fā)其 DSP芯片的集成開發(fā)環(huán)境 Code Composer Studio。由于C語言有著良好的可讀性和易移植性，所以我們選用C語言開發(fā)程序。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件主要由主程序和定時(shí)中斷程序兩部分組成。

圖6 主程序流程圖

主程序流程如圖6所示，保護(hù)裝置在上電或硬件復(fù)位后，開始DSP初始化和系統(tǒng)變量初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)過程中進(jìn)行IO口掃描和數(shù)據(jù)發(fā)送程序。IO口掃描程序接受裝置面板上的按鍵命令，數(shù)據(jù)發(fā)送程序?qū)⒅骰芈冯娏骱蛿嗦菲鳡顟B(tài)信號發(fā)送到上位機(jī)上顯示。

定時(shí)中斷程序是裝置的控制核心，程序流程如圖7所示，它包括數(shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)濾波程序、定時(shí)限保護(hù)程序。其中定時(shí)中斷周期為100 μs。

數(shù)據(jù)采集使用TMS320LF2407內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器來完成；為了減小采集數(shù)據(jù)受到的干擾，對數(shù)據(jù)進(jìn)行去極值平均濾波和滑動平均濾波處理。定時(shí)限保護(hù)程序?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)逆向保護(hù)和長、短延時(shí)過載保護(hù)功能。

圖7 定時(shí)中斷程序流程圖

4 結(jié)束

本文設(shè)計(jì)的基于DSP和LabVIEW 的智能斷路器在線監(jiān)控系統(tǒng)，人機(jī)界面友好，操作簡單，交互能力強(qiáng)，具有數(shù)據(jù)采集、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)保存和參數(shù)設(shè)定等功能；采用TMS320LF2407作為下位機(jī)在線監(jiān)測單元的核心，實(shí)時(shí)性好，精度高，可靠性高。

將該系統(tǒng)應(yīng)用于某發(fā)電機(jī)斷路器進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明，該智能斷路器在線監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確性高，效果理想。

[1] 楊樂平, 李海濤, 趙勇, 楊磊. LabVIEW 高級程序設(shè)計(jì). 北京: 清華大學(xué)出版社, 2003.

[2] TMs320LF／Lc24ox DSP Controllers System and Peripherals, 2000.

[3] TMs320LF／Lc24ox DSP Controllers CPU and Instruction Set, 2000.