智能斷路器狀態檢測系統的研究與實現

張勇　石倩　王潔

【摘 要】分析了斷路器在線狀態檢測的重要性。研究了斷路器運行檢測原理，開發了一種高效斷路器檢測系統。

【關鍵詞】智能；斷路器；檢測系統

0 引言

斷路器作為電力系統的重要設備之一，且兼具控制與保護的雙重功能，直接影響電網的安全穩定。相對其他靜止的電力設備，斷路器是需要進行不斷動作的設備部件，因此斷路器結構復雜，零部件多樣。在設備運行過程中，其零部件磨損，功能參數發生變化，設備出現故障將不可避免。

為提高設備壽命周期，使設備處于良好的運行工況下，保障電網的安全穩定運行，對斷路器進行適時地檢修維護顯得尤為重要。過去，包括斷路器在內的電力設備，一直采取定期檢修維護的方法。但由于設備運行環境、使用條件、甚至不同設備間均存在較大差異，因此統一的維修周期，既缺乏針對性，也存在檢修成本的資源浪費。

斷路器在線檢測系統能實時了解斷路器的運行狀態，減少過早或不必要的停電試驗與檢修。可顯著提高電力系統的可靠性和經濟性。

1 電流檢測原理

斷路器在分、合閘過程中線圈電流變化曲線最能反應當前斷路器的工作狀態。國內外廣泛的應用實例，充分證明了斷路器控制回路波形監測技術是一項行之有效的斷路器操作機構狀態檢測技術。

分合閘過程線圈中電流的變化可根據等效電路推導如公式1所示，根據該公式可以分析出線圈電流的波形軌跡，即鐵芯運動關鍵時刻點及該時刻電流值，如圖1。

2 總體方案

為更好滿足現場多變的應用需求，斷路器狀態檢測系統硬件采用ARM+FPGA雙核結構，軟件采用RT Linux操作系統，應用層使用C語言進行程序設計。這樣既保證了數據采集、獲取的實時性，也保證了檢測系統豐富的外設接口。系統組成如圖2所示。

本斷路器狀態監測系統方案主要由以下部分組成：

1）斷路器。作為監控對象，主要采集斷路器線圈分、合閘電流、電壓數據。

2）檢測裝置。主要負責斷路器數據采集、數據處理，數據顯示及狀態預警機制。

3）檢測主站。為實現無人值守，所有的斷路器數據都包括數據上送功能，集中顯示，通過在數據中心查看斷路器的運行狀態。

3 硬件平臺設計

智能斷路器狀態檢測系統采用ARM+FPGA雙核硬件平臺，FPGA主要進行斷路器電流、電壓數據采集，采集后的數據實時傳輸到ARM進行數據分析處理。

總體硬件模塊如圖3所示。

圖3 硬件模塊圖

硬件模塊介紹如下：

（1）FPGA模塊。為保證采集速率，采用FPGA陣列，速率可到300MHz；

（2）ARM核心板。為滿足嵌入式及低功耗現場需求，本次采用ARM作為主處理器單元，主頻500MHz，且CPU主板通過連接件的方式與底板互聯；

（3）底板。方便外設擴展，底板提供了豐富的外設接口，網口、USB口等等；

（4）顯示。為方便實時及歷史數據的查看，提供了高分辨率顯示屏用于數據顯示及查看。

（5）狀態指示燈。為調試及現場操作提供方便，本裝置提供了狀態指示燈模塊，通過狀態指示燈的顏色顯示即可反映當前斷路器的工作狀態。

4 軟件平臺設計

4.1 系統平臺設計

對電力系統而言，系統的實時性和可靠性[10]是要求的關鍵，而Linux、Window CE、VxWorks 等嵌入式系統，均存在開放性、穩定性、實時性或高收費方面的問題。智能斷路器檢測系統在開源Linux系統的基礎上搭載實時Xenomai微內核，該雙內核系統架構既具有Linux系統既具有Linux豐富的驅動接口，也具有硬實時系統的優點，系統結構如4所示。

圖4 軟件系統圖

從軟件系統圖中可以得知，雙內核的系統架構更方便不同應用需求的處理，對于實時性要求高的應用運行于Xenomai內核，而實時性不高的應用運行于Linux內核。

4.2 應用軟件設計

當斷路器進行分、合閘時，FPGA把采集到電流、電壓數據進行上送，當ARM CPU接收到FPGA上送的數據后即調用數據分析模塊、狀態診斷模塊、數據存儲模塊、數據上送模塊等進行分析處理，同時把當前數據波形及分析結果在顯示屏上進行顯示，當出現故障時，顯示面板進行告警顯示。

實時波形數據與分析結果以文件的方式保存在現地裝置中，同時可以以太網方式上送波形數據與分析結果到遠程服務器進行查看、顯示，便于遠程值守。

軟件設計采用模塊化方法，軟件模塊結構如圖5所示。

5 結語

智能在線監測裝置實現斷路器狀態監測的核心在于分、合閘線圈電流波形的采集及系統組網方案。本文介紹的系統方案，運用了大數據分析、模糊診斷等技術手段，大大提高了線圈分析的可靠性。

該系統實現了檢測斷路器運行狀態的目的，系統響應快速、可靠穩定，平臺不僅具有現地顯示還具有遠程服務展示功能，滿足了現場調試及遠程監控的要求，系統同時具有61850通訊接口，滿足了不同廠家設備互聯互通的功能。

針對目前智能變電站推廣日益廣泛的現實，具有良好的應用前景。

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[責任編輯：朱麗娜]