基于DSP的高壓斷路器觸頭行程檢測系統的研究?

基于DSP的高壓斷路器觸頭行程檢測系統的研究?

方昕

（安康學院電子與信息工程學院安康725000）

高壓斷路器是電力系統中使用廣泛的電氣設備，其機械特性將直接影響電網運行的安全。針對目前高壓斷路器檢測技術的不足，利用角位移傳感器測量合分閘行程位移從而反映斷路器的機械特性的思路，設計了基于DSP的高壓斷路器觸頭行程檢測系統，系統由行程位移信號調理模塊、數據采集處理模塊、數據通訊模塊等組成。通過系統測試并與德國的KoCoS公司斷路器特性測試儀得到的測量值進行對比，結果表明系統實時性好、成本低、抗干擾能力強，具有一定的實用價值。

高壓斷路器；觸頭行程；檢測系統；機械特性

Class NumberTP274

1 引言

高壓斷路器作為電力系統輸配電中重要的電氣設備，在整個電網運行中擔負著“控制”和“保護”的雙重職責。“控制”指根據系統工作需要，通過控制斷路器可決定系統中的線路或設備是否運行；“保護”指當系統中的線路或設備發生故障時，可通過繼電保護使高壓斷路器跳閘，切除故障部分，縮小故障范圍，從而起到保護系統的作用，使得電網正常運行。其性能可靠性將直接關系到電力系統的安全可靠運行［1～2］。據統計，80%的高壓斷路器故障是由其機械特性不良造成，造成的損失如引起其他電力設備的損壞或電力系統停電，遠遠超過了斷路器本身的價值。因此，機械行程特性必須監測，以確保高壓斷路器的安全可靠運行，才能保證電力系統安全的可靠運行［3～5］。

高壓斷路器一般以直流為控制電源，電磁鐵為操縱的第一級控制元件。當線圈中通過電流時，動鐵芯收到了吸引，使得高壓斷路器有了分閘或合閘運動。在每次分/合閘過程中，都可以通過測量高壓斷路器分合閘行程位移來檢測其工作狀態，為機械特性檢修提供判斷依據［6～8］。現有的自主研發的檢測系統中依然存在諸多問題，如數據精度低、故障判斷難、維護費高、抗干擾能力弱等問題。因此，需要研制適用范圍廣、測量精度高、抗干擾能力強、價格低廉的設備或測量方法［9～10］。

本文主要研究高壓斷路器的觸頭行程測量，其是高壓斷路器機械特性監測的一個重要方面。隨著現場測試記錄數據的增大，傳輸速度加快，通訊時間縮短，儀器實時性提高的需求，本研究開發了基于DSP的高壓斷路器觸頭行程檢測系統，并對其進行了現場測試，測試結果表明，該系統結構簡單、運行方便、檢測有效，具有一定的實用價值。

2 系統總體設計

本系統以DSP處理器為核心，設計了行程位移信號調理模塊、數據采集模塊、上位機顯示模塊等。系統工作時，DSP處理器采集行程位移信號調理模塊的輸出信號進行數據處理，得到高壓斷路器的觸頭行程測試結果，再通過USB通訊電路傳給上位機；上位機采用工控機作為整個系統的上層管理設備，通過Labwindows/CVI虛擬儀器軟件編制上位機程序，從而實現對高壓斷路器觸頭行程的檢測。其優點能充分地利用DSP計算快速的優勢，實時地得到測試結果，使得系統整體達到結構簡單、運行方便、檢測快速有效、抗干擾能力增強的目的［8］。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

3 系統硬件設計

3.1行程測量調理電路設計

由于高壓斷路器外形結構尺寸的縮小和部分高壓斷路器內部結構的特殊性，使得在其動觸頭附近幾乎沒有安裝直線位移傳感器的空間，直接測量不再適合。考慮到由于高壓斷路器在分合閘過程中動觸頭的運動與主軸連動桿運動行程之間的關系，即曲線特性呈現出近似直線的規律，因此本文采用通過測量高壓斷路器主軸連動桿的角位移的方法來獲得動觸頭的行程位移，故選用角位移傳感器來檢測開/合閘角位移。首先在角位移傳感器的兩端施加固定參考電壓后，然后測量發現其輸出電壓會隨著滑動觸頭位置的改變而成比例變化［6～8］。行程測量調理電路如圖2所示。

圖2 行程位移信號調理電路

圖中，由兩個運放、一個線性光耦構成了電流負反饋電路，在運放反饋回路上連接了電容C1，其連接電容的好處有兩點：一是可對信號進行相位的補償，二是消除了在某些頻段上可能出現的自激震蕩。虛線部分表示為電位器式角位移傳感器，VA為觸頭運動時的角位移傳感器的輸出電壓信號，VB為進入數據采集模塊A/D通道的電壓；VA與光耦隔離后的電壓Vout滿足如下關系：

其中，電阻RF1、電阻RF2組成分壓電路，并且RF1=RF2，Rin=Rout。Vout經分壓后的電壓VB為

當觸頭運動時，VA電壓會發生變化；通過Mul?tisim仿真軟件模擬行程位移，若VA增大，此時VB與VA的電壓關系如圖1所示。

圖3 行程位移仿真圖

3.2數據采集模塊設計

系統選用的數字信號處理器（DSP）型號為TMS320F2812，由于其自帶的ADC達不到測量精度的要求，因此系統在DSP處理器外部擴展一個ADS7852芯片來實現模數轉換。ADS7852為Burr-Brown半導體公司生產的12位、8通道、并行模數轉換芯片，其具有+2.5V基準輸入電壓端、8路模數轉換通道、最大采樣率為500KHz，采樣率與時鐘頻率關系為［6～8］：

圖4 數據采集模塊設計

圖中，時鐘采用4MHz，采樣率為250KHz。ADS7852的AN0～AN7為8個模擬電壓輸入通道，A0～A2為通道選擇信號輸入端；DB0～DB11為12位的數據接口；BUSY/為模數轉換是否結束信號查詢端。

3.3USB通訊模塊設計

針對傳統的串口通信方式耗時較長的問題，如RS232傳輸2Mbit的數據用時需長達十幾秒，本文采用USB總線實現系統上位機與DSP的通訊。USB（Universal Serial Bus）為通用串行總線，從1994年起至今經歷了多年發展，已經成為總線通訊數據傳輸的手段，傳輸2Mbit的數據可用時不到4s，縮短通訊時間，有利于數據實時傳輸［6～8］。本文設計的USB接口電路基于PL2303芯片，接口電路設計如圖5所示。

圖5 USB接口電路圖

由上圖可知，USB通過一根屏蔽的4芯電纜線與上位機即工控機進行通訊，四根電纜線分別為電源線、地線、數據線D+和數據線D-。D+和D-這兩根數據線采用差分技術傳輸數據，使得USB的傳輸具有極強的抗干擾性。

4 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括上位機程序設計和DSP測量程序設計。其中，上位機程序設計是基于LabWindows/CVI虛擬儀器軟件開發平臺開發的，通過人機交互式操作界面，主要實現行程數據、曲線顯示等功能。LabWindows/CVI是National Instru?ments公司推出的一套面向測控領域的軟件開發平臺。它以ANSI C為核心，將功能強大，使用靈活的C語言平臺與數據采集、分析、表達集成于一體，便于開發人員建立檢測系統，實現自動測量，數據采集等功能［6-8］。本文設計的檢測系統界面如圖6所示。

圖6 檢測系統主界面

DSP測量程序主要是對下位機DSP進行編程，采用的是CCS（Code Composer Studio）編程軟件，其支持匯編、C/C++等編程語言，可對DSP進行仿真、可視化的數據分析，實現信號采集、數據處理、數據通訊、結果上傳等功能。測量程序流程圖如圖7所示。

圖7 測量程序流程圖

5 行程位移準確度檢測

結合實際應用，以LW8-30系列單相四斷口SF6斷路器試品為例對該檢測系統進行了工業現場測試。通過本系統將斷路器合分閘的行程進行多次重復測量，并將德國的KoCoS公司斷路器機械特性測試得到的測量值作為標準值進行對比分析，結果如表1所示。

表1 行程位移測試結果

行程位移測量的系統誤差用最大引用誤差表示為

由表1可知，行程位移測量絕對誤差最大值為

由此可知，系統的動觸頭行程位移的檢測方法有效，且抗干擾能力較強，系統操作簡單、方便、響應速度快，保證了測量精度，具有一定的實用價值。

6 結語

本文以DSP為核心處理器，采用了USB通訊模塊，利用角位移傳感器測量合分閘行程位移從而反映斷路器機械特性的方法，結合上位機以虛擬儀器軟件LabWindows/CVI為平臺開發的高壓斷路器觸頭行程檢測系統，實現了高壓斷路器觸頭行程的測量，經與德國KoCos斷路器特性測試設備數據對比，證實了開發的高壓斷路器行程測量系統具有實時性好、成本低、可靠性高等特點。但系統中傳感器的配套使用、系統數據對斷路器機械特性的判斷方面仍然需要進一步研究，以便提高檢測系統的實用性。

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Detection System of High Voltage Circuit Breaker Contact Travel Based on DSP

FANG Xin
（Department of Electronic and Information Engineering，Ankang University，Ankang725000）

High-voltage circuit breaker is widely used electrical equipment in power system.Its mechanical characteristics will directly affect safety of power grid operation.Aiming at the shortcomings of the current high-voltage circuit breaker detection technology，using angular displacement sensor detects to measure displacement of closing trip to reflect mechanical characteristic，the contact travel detection system of the high-voltage circuit breaker is designed based on DSP.The system consists of travel dis?placement signal conditioning module，data acquisition and processing module，communication module，data display module.The test results show that the system has good real-time performance，low cost，strong anti-interference ability，and has certain practi?cal value by comparing the system test with the standard value obtained by the German KoCoS circuit breaker.

high voltage circuit breaker，contact travel，detection system，mechanical characteristic

TP274

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.05.022

2016年11月4日，

2016年12月23日

國家自然科學基金項目（編號：51377125）；陜西省教育廳項目（編號：12JK0536；16JK1016；16JK1015）；陜西省青年科協項目（編號：2015110）；安康學院培育項目（編號：2016AYPYZX09）；安康學院高層次人才項目（編號：2016AYQDZR06）資助。

方昕，女，碩士，講師，研究方向：測量、數據處理、智能算法。