采用雙CPU的分布式斷路器在線監測裝置研究

劉旭東(營口職業技術學院，遼寧營口 115000)

采用雙CPU的分布式斷路器在線監測裝置研究

劉旭東
(營口職業技術學院，遼寧營口 115000)

本文提出一種采用雙CPU的分布式斷路器在線監測裝置，對斷路器的電壽命、機械特性和溫度進行實時監測，并詳細介紹系統的硬件結構和軟件程序。對斷路器進行閾值預設定，通過主要狀態辨識對斷路器進行在線測量，并與在日常檢查中記錄斷路器正常運行時的狀態辨識量進行比較，判斷斷路器的正常、預警、故障、急停等信息。

狀態辨識；在線監測；雙CPU；斷路器；電磁兼容

斷路器作為電力網絡中重要的設備，其持續、正常的運行是電網穩定的重要保障。現階段，斷路器的檢修分為定期檢修和狀態檢修。作業人員在斷路器維護保養過程中操作不到位，是斷路器故障多發的主要原因。數據顯示，10%左右的斷路器故障是由于不正確的檢修所導致，從而降低了設備的可靠性，并可能存留故障隱患。狀態檢修能夠克服定期檢修的盲目性，同時節省維護費用[1-2]。狀態檢修是對斷路器的運行狀態進行預知判定，本文研究的斷路器在線監測裝置是為斷路器狀態檢修提供實時在線狀態預知和判斷。通過主要狀態辨識對斷路器進行在線測量，并與在日常檢查中記錄的斷路器正常運行時的狀態辨識量進行比較，判斷斷路器的正常、預警、故障、急停等信息。

1 斷路器的狀態辨識量

真空斷路器主要占據中壓等級，SF6斷路器和GIS(gas-insulated metal-enclosed switchgear)主要占據高壓、超高壓和特高壓等級。真空斷路器、SF6斷路器和GIS中都有觸頭和操動機構，需要定期進行機械老化的維護，但隨著診斷技術的發展，診斷方法已從定期內部檢查向狀態監測方向發展。尤其是GIS、SF6斷路器在開放檢查時，不僅需要回收和填充SF6氣體，還容易發生混入異物的危險，對斷路器進行在線診斷，可有效降低成本并提高設備的可靠性。

1.1 斷路器的電壽命

斷路器在電網中開斷不同大小的故障電流，對滅弧室觸頭的燒蝕作用是不同的。法國高能試驗室(EOF)和意大利工程指導公司(ENEL)在SF6斷路器電壽命研究和試驗中，找到一種適用于工程使用的觸頭損耗等效定律：Ns=f(Isn/Is)，其中Ns為開斷次數，Isn為斷路器額定開斷電流，Is為開斷電流[3]。國內外斷路器公司經大量試驗和研究也得出真空斷路器的開斷次數n與開斷電流Is之間符合一定的關系曲線：n=f(Is)。可見，真空和SF6絕緣的斷路器電壽命均與開斷電流和次數有關[4]；因此，由斷路器的短路電流和開斷次數可估算壽命，實現對斷路器電壽命的在線監測和診斷，避免了定期對斷路器觸頭損耗的解體檢查，減少觸頭更換頻率。其中，短路電流值可通過羅氏線圈的不飽和特性進行很好的提取，羅氏線圈具有良好的暫態特性測量效果，分合次數可通過斷路器的輔助觸點或行程開關量進行統計。

1.2 斷路器的溫度

斷路器(尤其戶外型斷路器)動作時，溫度變化很大，對操動機構和氣體絕緣的工作可靠性會產生影響，因此實時在線監測斷路器工作現場的環境溫度是十分必要的。同時，在斷路器動作過程中，機械振動、觸頭燒蝕等原因都可能使接觸電阻增加，引起接觸點溫度升高，加劇接觸表面氧化，導致局部熔焊或接觸松動處產生電弧放電，最終造成電氣設備損壞甚至造成設備停電等重大事故[3-4]；因此，本文提出采用無線無源溫度傳感器實時在線監測，當觸頭溫度過高時進行故障報警。

2 硬件平臺

前文所描述斷路器狀態的主要辨識參數，其辨識量獲取的主要傳感器為：羅氏線圈、光電位移傳感器、無線無源測溫探頭等，其輸出均可轉換為電壓模擬信號，通過硬件平臺可實現對斷路器狀態參數的采集、存儲和傳輸。

由于斷路器在線監測系統監測多個狀態辨識參數，系統需要解決多任務處理、多通道數值高速計算、可用I/O接口多等問題，通常的單處理器進行在線監測時容易發生CPU瓶頸問題。本系統采用雙CPU處理器(DSP+MCU)架構。MCU(微處理機控制單元)負責對采樣數據的通信和外設交互，DSP(數字信號處理器)負責對開關量的采集和傳感器相應數據處理運算，MCU+DSP通過雙口RAM進行數據通信，使監測裝置有更好的運算能力和數據傳輸能力，確保系統的運行穩定。系統采用模塊式設計，結構如圖1所示，由中央處理模塊(雙CPU)、采集模塊、開入開出模塊、通信模塊和人機交互模塊(HMI模塊)組成。

2.1 雙CPU模塊

與一般的監測裝置采用51系列和PIC系列單片機不同，本系統采用雙CPU處理器。選用TI公司的TMS320LF2407作采集計算處理，包含硬件存儲器、乘法器、累加器、算術邏輯單元、總線、外設、接口以及DMA控制器等，具有良好的數據采集能力和狀態檢測能力。系統采用的CPU處理器(DSP+MCU)架構，可以高速處理信息，具有出色的擴展能力和抗干擾能力。而系統選用的M16C系列中的M16C62P處理器，是瑞薩公司開發的16位高性能單片機系列，穩定可靠，已大量應用于電力、冶金、化工、機械制造等工業領域。

圖1 系統結構

2.2 采集模塊

采集模塊是在線監測系統的關鍵，如圖2所示。被測模擬信號經過羅氏線圈互感器變換后，再經信號調理電路濾波后送給A/D進行采樣，并由DSP對采集到的數字量進行邏輯運算和處理。

數據采集模塊選用4塊14位AD7865轉換芯片，具有高速度、低功耗特點，芯片有16個模擬量通道采集，并帶有4組跟隨/保持放大器，能夠完成4路模擬信號的同步采集。由于系統測量要求，對數據采樣同步性要求較高，同時完成頻率變化的修正，所以選擇TMS320LF2407強大的定時器功能是十分必要的。通過定時器發出可調脈沖，使數據采集模塊的4塊AD7865轉換芯片觸發同步；通過定時器周期采樣，對電網頻率進行捕獲，調整定時器的整定值，修正采樣頻率。

圖2 數據采集模塊原理圖

3 軟件系統

本系統軟件采用結構化、模塊化設計思想，程序通識性強，便于用戶理解、修改，而且移植方便。

3.1 主系統程序設計

主系統程序如圖3所示。系統開機自檢，首先進行初始化：定義各級變量，各定時器、計數器恢復初始值，實時讀取設備運行期間的指紋波和整定值，并存儲；然后進行中斷優先級判別，開始數據采樣，再與整定值、波形比較，確定故障類型。程序進入中斷子程序，把此故障類型和時間存儲在E2ROM中，通過上級程序處理分析。并把故障數據存入發送存儲單元，調用通信中斷進行數據上傳。

圖3 主程序流程圖

3.2 通訊程序設計

通訊程序設計采用中斷觸發控制，設備正常運動，系統處于“不工作”狀態，等到中斷服務程序響應，則執行。以太網采用TCP/IP通信協議，驅動程序設計分4層，包括協議接口層、網絡設備接口層、提供實際功能的設備驅動功能層以及網絡設備和網絡媒介層，發送數據流程如圖4所示。

圖4 以太網的數據發送流程圖

4 結語

本文設計的雙CPU的分布式斷路器在線監測裝置具有多路模擬量的高速采集處理能力和通信能力，根據預先設定的閾值或指紋波，進行數值比較，能夠及時地反應斷路器現場的電壽命、機械特性和溫度等狀態，給出正常、預警、故障或急停等斷路器運行狀態。

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Research of Dual-CPU Distributed Circuit Breaker Monitoring Equipment

LIU Xu-dong

(Yingkou Vocational and Technical College, Yingkou Liaoning 115000,China)

This paper presents a dual-CPU distributed circuit breaker monitoring system, real-time monitoring of temperature, electrical life of the circuit breaker, mechanical properties，and the details of the hardware structure and software. Threshold set on the circuit breakers and normal operation of the “fingerprint wave”for storage, which compare collecting data with storage waveform and set circuit breaker threshold. Given the state of the breaker in the normal, warning, failure and emergency stop.

state recognition；online monitoring；dual-CPU；circuit breakers；EMC

2017-03-23

遼寧省“十三五”規劃高教研究課題“服務‘中國制造2025’戰略的高端技術技能人才培養研究——以高職電氣類專業學生為例”(GHYB160232)。

劉旭東(1979- )，男，講師，碩士，從事高壓電器和電器智能化研究。

TM561

A

2095-7602(2017)06-0047-04