智能真空斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳創(chuàng)，王穎韜，李巨澤，李黨，劉燦萍，王月強(qiáng)

（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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳創(chuàng)1，王穎韜2，李巨澤1，李黨1，劉燦萍1，王月強(qiáng)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用位移傳感器、力傳感器分別測(cè)量觸頭行程信號(hào)及觸頭力信號(hào)；采用霍爾傳感器監(jiān)測(cè)分合閘線圈電流信號(hào)、儲(chǔ)能回路電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)真空斷路器機(jī)械電氣特性的在線監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)內(nèi)核uC/OS-II操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件計(jì)算分析等，本文分別從硬件，軟件方面闡述真空斷路器機(jī)械電氣特性參數(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方案。

智能真空斷路器；機(jī)械特性；在線監(jiān)測(cè)；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(jí)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(guó)中高壓開關(guān)領(lǐng)域內(nèi)居主導(dǎo)地位。真空斷路器對(duì)電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行具有重要的意義，真空斷路器發(fā)生故障和危險(xiǎn)會(huì)引起電網(wǎng)事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響，為保證在電力設(shè)備中真空斷路器運(yùn)行安全穩(wěn)定性，及時(shí)了解和掌握其運(yùn)行狀況，運(yùn)行狀態(tài)變化趨勢(shì)，為真空斷路器檢修和維護(hù)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(cè)成為熱門研究課題。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合真空斷路器的智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)真空斷路器許多重要關(guān)鍵機(jī)械電氣參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外，還引進(jìn)專家診斷系統(tǒng)對(duì)真空斷路器參數(shù)進(jìn)行分析判斷診斷，同時(shí)結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)真空斷路器進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)，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(shí)刻都處于可靠監(jiān)測(cè)控制之下，提高了其運(yùn)行可靠性，保障了電力系統(tǒng)安全。

1　監(jiān)測(cè)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)真空斷路器的在線監(jiān)測(cè)本文主要以機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，具體實(shí)現(xiàn)的功能為斷路器觸頭位移測(cè)量、斷路器觸頭力測(cè)量、分/合閘線圈電流波形測(cè)量、機(jī)械特性的測(cè)量和診斷分析、控制回路連續(xù)性的診斷和測(cè)量、儲(chǔ)能回路連續(xù)性和波形的診斷分析等。設(shè)計(jì)采用了信號(hào)采集、信號(hào)處理、狀態(tài)分析、故障診斷、人機(jī)交互、遠(yuǎn)程監(jiān)控的分層技術(shù)總體設(shè)計(jì)方案。

2　硬件設(shè)計(jì)

采用分層總體方案可將系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為傳感器信號(hào)采集硬件電路、信號(hào)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(jì)

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(jì)算分析海量數(shù)據(jù)能力、處理其他任務(wù)的速度，設(shè)計(jì)以采用兩片STM32處理器分別作為主從控制器來(lái)共同分擔(dān)整個(gè)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?gòu)目刂破魍ㄟ^霍爾電流傳感器來(lái)采集真空斷路器機(jī)械操作機(jī)構(gòu)中分/合閘線圈電流信號(hào)。

②從控制器通過位移傳感器，力傳感器來(lái)采集真空斷路器觸頭的行程及觸頭力信號(hào)。

③位移、力、電流傳感器信號(hào)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(hào)輸出，電壓信號(hào)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(jìn)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(lái)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(shí)間、分/合閘速度、開距、超行程等機(jī)械特性參數(shù)。

③主控制還具有液晶顯示單元控制、觸頭無(wú)線測(cè)溫、專家診斷分析和報(bào)警指示、數(shù)據(jù)通信處理、存儲(chǔ)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(jì)

1）位移傳感器電路

為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出真空斷路器的位移信號(hào)，采用了位移傳感器來(lái)采集位移信號(hào)量。位移傳感器是將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與位移量有函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)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(dǎo)軌上，可在基片上滑動(dòng)?；┮苑€(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(hào)轉(zhuǎn)換為與0～3.3 V電壓信號(hào)。

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(yīng)開環(huán)/閉環(huán)原理電流傳感器，能在電隔離條件下測(cè)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(lái)采集分/合閘線圈電流，儲(chǔ)能電機(jī)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(hào)，由于ICLOSE輸出的電壓信號(hào)比較微弱不穩(wěn)定，輸出阻抗要求比較大，故需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)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(yùn)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(hào)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(zhǔn)確監(jiān)測(cè)斷路器機(jī)械特性，還需要采用力傳感器來(lái)采集斷路器分合閘力信號(hào)來(lái)輔助計(jì)算斷路器機(jī)械特性。這里采用的力傳感器電阻應(yīng)變片能把受力變形應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，電阻變化與應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)換為與0～3.3 V電壓信號(hào)。

2.3信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)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(hào)經(jīng)過濾波、變換、放大、跟隨處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的0～3.3 V電壓信號(hào)接入從控制器的A/D轉(zhuǎn)換通道實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、位移、力信號(hào)數(shù)據(jù)采樣功能。圖3［1］為力信號(hào)調(diào)理電路。力信號(hào)調(diào)理電路電源經(jīng)過穩(wěn)壓器TL431ACLP穩(wěn)壓的同時(shí)力信號(hào)Fvin+/-經(jīng)過INA118P運(yùn)放芯片差分放大處理后經(jīng)過LM368D芯片電路進(jìn)行跟隨處理實(shí)現(xiàn)了力信號(hào)調(diào)理功能。

2.4AD轉(zhuǎn)換DMA傳輸硬件電路

STM32F103增強(qiáng)型ARM處理器內(nèi)嵌2個(gè)12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），每個(gè)ADC共用多達(dá)16個(gè)外部通道，同時(shí)ADC可以使用DMA操作。處理器支持靈活的7路通用DMA，在實(shí)現(xiàn)ADC的DMA傳輸時(shí)，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(yīng)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(dá)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(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(hào)，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(hù)，其可達(dá)+-8KV接觸放電保護(hù)，U2為陶瓷放電管接PE防雷擊浪涌保護(hù)，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(jì)的RS485電路對(duì)系統(tǒng)通信提供了可靠的保護(hù)。

圖2　合閘線圈采集電路

圖3　力信號(hào)調(diào)理電路

圖4　通信RS485接口電路

3　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用了嵌入式實(shí)時(shí)uCOS-II操作系統(tǒng)以滿足系統(tǒng)的多任務(wù)處理及實(shí)時(shí)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(hào)，采樣數(shù)據(jù)預(yù)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(jìn)行斷路器采樣數(shù)據(jù)分析診斷，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(chǔ)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(lái)進(jìn)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(jī)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(hào)后再通過軟件來(lái)綜合計(jì)算與轉(zhuǎn)換獲取斷路器各種機(jī)械特性參數(shù)，軟件中首先要確定的是各分、合閘動(dòng)作時(shí)刻在分、合閘操作過程中的位置即剛分剛合點(diǎn)，從而獲取確定各時(shí)間參量，配合各序列點(diǎn)位移量確定各位移參量，再由位移量與時(shí)間量計(jì)算出各速度參量。斷路器的機(jī)械特性參數(shù)計(jì)算方法是標(biāo)準(zhǔn)的，詳細(xì)計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)［1］或各廠家的技術(shù)資料。

4　系統(tǒng)性能測(cè)試和驗(yàn)證

通過本設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的智能斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)A與標(biāo)準(zhǔn)的斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀B在VS1型真空斷路器進(jìn)行分合閘操作得出機(jī)械特性參數(shù)的測(cè)量值，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析如表1所示。

從表1中可以看出，通過設(shè)計(jì)的智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械特性測(cè)試儀測(cè)試出來(lái)的機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的分/合閘時(shí)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(shí)際機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用的要求。

表1　機(jī)械特性參數(shù)測(cè)試對(duì)比表

5　結(jié)束語(yǔ)

文中分別從硬件軟件簡(jiǎn)述了一種智能真空斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)斷路器的機(jī)械特性經(jīng)過系統(tǒng)功能測(cè)試及驗(yàn)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)要求，遠(yuǎn)程查看真空斷路器的當(dāng)前及歷史運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)等信息，了解其狀態(tài)并對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行分析診斷，為真空斷路器的維護(hù)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(hào)處理的斷路器機(jī)械特性研究［D］．杭州：浙江大學(xué)，2014．

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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(hào)：201507057

廣州供電局有限公司科技項(xiàng)目（K-GZM2014-010）

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