智能真空斷路器在線監測系統設計

陳創，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測系統設計

陳創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測系統設計方案，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；采用霍爾傳感器監測分合閘線圈電流信號、儲能回路電流信號，實現對真空斷路器機械電氣特性的在線監測，設計硬件以STM32系列的高性能低功耗ARM Cortex-M內核處理器作為斷路器采集及監控單元，外圍輔助采集、調理、優化電路；軟件采用占先式多任務實時內核uC/OS-II操作系統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實現監測的設計方案。

智能真空斷路器；機械特性；在線監測；ARM；uC/OS-II操作系統

隨著電力系統高速發展，電力系統中不同等級不同類型斷路器的需求數量持續不斷的增加，其中真空斷路器在我國中高壓開關領域內居主導地位。真空斷路器對電網的安全可靠運行具有重要的意義，真空斷路器發生故障和危險會引起電網事故，造成巨大經濟損失和負面影響，為保證在電力設備中真空斷路器運行安全穩定性，及時了解和掌握其運行狀況，運行狀態變化趨勢，為真空斷路器檢修和維護提供可靠依據，降低其故障造成的損失，研發智能真空斷路器在線監測成為熱門研究課題。在線監測技術結合真空斷路器的智能在線監測系統能實現對真空斷路器許多重要關鍵機械電氣參數實時監測外，還引進專家診斷系統對真空斷路器參數進行分析判斷診斷，同時結合通信網絡技術對真空斷路器進行分布式監測，診斷和控制，支持廣闊區域內的集中監控智能診斷，使設備時刻都處于可靠監測控制之下，提高了其運行可靠性，保障了電力系統安全。

1　監測總體設計

針對真空斷路器的在線監測本文主要以機械特性在線監測設計進行介紹，具體實現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、控制回路連續性的診斷和測量、儲能回路連續性和波形的診斷分析等。設計采用了信號采集、信號處理、狀態分析、故障診斷、人機交互、遠程監控的分層技術總體設計方案。

2　硬件設計

采用分層總體方案可將系統硬件設計分為傳感器信號采集硬件電路、信號調理處理硬件電路、ADC轉換硬件電路、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硬件的總體設計

由于整套系統在采集過程中數據量海量及系統任務繁重，為提高采集海量數據過程中數據處理能力、計算分析海量數據能力、處理其他任務的速度，設計以采用兩片STM32處理器分別作為主從控制器來共同分擔整個系統任務的方案。

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任務如下：

1）從控制器系統任務

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

2）主控制器任務

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字量數據。

②主控制器將接收到的數字量經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。

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、數據通信處理、存儲管理等任務。

圖1　硬件總體框架圖

2.2傳感器系統設計

1）位移傳感器電路

為了準確監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換成與位移量有函數關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。基片供以穩態直流電壓，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/閉環原理電流傳感器，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經過C23和R41組成的RC電路濾波后，經過運放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轉換通道。

3）力傳感器電路

為了準確監測斷路器機械特性，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換為與0～3.3 V電壓信號。

2.3信號調理電路

信號調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過濾波、變換、放大、跟隨處理，將信號轉換為穩定的0～3.3 V電壓信號接入從控制器的A/D轉換通道實現對電流、位移、力信號數據采樣功能。圖3［1］為力信號調理電路。力信號調理電路電源經過穩壓器TL431ACLP穩壓的同時力信號Fvin+/-經過INA118P運放芯片差分放大處理后經過LM368D芯片電路進行跟隨處理實現了力信號調理功能。

2.4AD轉換DMA傳輸硬件電路

STM32F103增強型ARM處理器內嵌2個12位的模擬/數字轉換器（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要把總線控制權交給DMA控制器，而在結束DMA傳輸后，DMA控制器應立即把總線控制權再交回給CPU。通過這種方式可不經過CPU達到高速DMA采樣效果，從控制器就是通過內嵌的模數轉換接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、力信號轉換為數字信號傳輸給主控制器。

2.5通信接口電路

系統支持RS485通信接口電路如圖4所示，采用ADM2483隔離型RS485收發器，其中RXD0，TXD0，DT/RT分別為STM32的串口接收，發送，方向控制引腳，經過ADM2483轉換為RS485信號，在RS485總線端采用了D1，D33，D34的TVS瞬態抑制二極管接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。采用這種電路設計的RS485電路對系統通信提供了可靠的保護。

圖2　合閘線圈采集電路

圖3　力信號調理電路

圖4　通信RS485接口電路

3　軟件設計

系統軟件采用了嵌入式實時uCOS-II操作系統以滿足系統的多任務處理及實時性高的需求。

3.1從控制器軟件任務

由上述從控制器任務功能描述可得知，從控制器軟件主要通過ADC采樣位移、力、電流轉換為數字信號，采樣數據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

主控制器軟件任務除了接收從控制器并行通信傳輸的采樣數據外，還需要進行斷路器采樣數據分析診斷，數據存儲，參數曲線顯示，通信等軟件任務。

3.3主從控制器系統軟件流程

從控制器軟件主要為AD采樣和并行傳輸軟件任務，其流程圖如圖5所示。主控制器采用了UCOSII操作系統，其軟件功能具有并行接收采樣數據軟件任務、采樣數據分析診斷任務、數據存儲任務、參數曲線顯示任務、通信任務等。這些任務與任務之間或中斷與任務之間的通信與同步，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據、力數據、電流數據轉換為數字信號后再通過軟件來綜合計算與轉換獲取斷路器各種機械特性參數，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］或各廠家的技術資料。

4　系統性能測試和驗證

通過本設計方案設計的智能斷路器在線監測系統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的測量值，得到的實驗數據對比分析如表1所示。

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

表1　機械特性參數測試對比表

5　結束語

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

［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斷路器在線監測與故障診斷系統的研究［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．斷路器操動機構仿真模型在故障診斷中的應用［J］．電工電能新技術，2010，29（1）:41-43．

［5］郎福成．真空斷路器機械特性在線監測［D］．沈陽：沈陽工業大學，2005．

［6］孟永鵬，賈申利，榮命哲．真空斷路器機械特性的在線監測方法［J］．高壓電器，2006，42（1）:31-34．

［7］姚月娥．斷路器在線狀態信息量的提取及軟件設計［D］．武漢：華中科技大學，2004．

［8］羅勇強．智能斷路器性能參數在線監測裝置的設計［D］．西安：西安工業大學，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（1975—），男，廣東茂名人，高級工程師。研究方向：電力系統自動化和在線監測技術。