基于多核結構的斷路器在線監測系統設計

梁君涵， 鄭建勇， 潘 益

(東南大學電氣工程學院，江蘇 南京210096)

基于多核結構的斷路器在線監測系統設計

梁君涵， 鄭建勇， 潘 益

(東南大學電氣工程學院，江蘇 南京210096)

針對目前斷路器在線監測中存在的系統處理能力較弱、穩定性不足等問題，采用了微處理器(ARM),數字信號處理器( digital signal piocessor , DSP), 現場可編程門陣列(field piogiammable gate array , FPGA)三核平臺實現斷路器在線監測。斷路器在線監測功能分為數據采集、數據運算和人機交互3部分。由FPGA控制ADS8568完成數據采集，斷路器狀態量通過傳感器傳入系統。DSP利用db2小波對FPGA采集的信號進行5次小波分解。將處理之后的數據通過基于Syslink異構的雙核通信機制傳輸到ARM端，最終由ARM完成人機交互。該方案更加充分發揮3個控制核心的優勢，使系統擁有更好的數據處理能力。通過測試，基于三核結構的斷路器在線監測系統較之原來已有的系統在性能上有較大提高。

高壓斷路器；在線監測；Syslink；異構雙核通信

0 引言

電氣設備智能化在是當今社會電氣行業發展的主旋律，斷路器作為必不可少的一次設備，在變電站智能化的過程中具有不可替代的作用[1-8]。為了保證斷路器的正常運行，對其運行狀態的實時監控是提升斷路器運行穩定性的重要途徑，近年來有不少學者對斷路器在線監測裝置進行了研究[9-11]。文獻[1]中開發的斷路器在線監測系統采用飛思卡爾單片機為CPU，單片機的數據處理能力和系統控制能力均較弱并不適用于斷路器在線監測領域。文獻[2]以ARM和DSP為核心開發斷路器在線監測裝置，雙核之間通過SPI進行通信。利用SPI通信占用硬件空間資源，而且如果裝置硬件升級時需要更換ARM或者DSP，串行外設接口(serial peripheral interface , SPI)部分需要重新設計，不利于裝置升級。DSP善于數據運算，但由于其串行執行指令的特點，采集數據能力不能夠充分滿足斷路器在線監測對實時性的要求。文獻[3]以DSP為核心對斷路器的振動信號進行監測，并將數據通過工業現場總線傳遞到工控機中進行數據處理。DSP的強項是數據處理，但它的外圍接口不如ARM豐富，標準化通用性不如ARM好，對整個系統的控制能力也不及ARM強。文獻[4]及文獻[5]采用STM32作為CPU，將RS422串口收集到的數據發送到上位機中。文獻[6]同樣使用單核STM32實現采集斷路器實時狀態數據并發送到上位機。STM32系列控制和計算能力都達不到工業級別，雖然以STM32為核心研制的裝置成本低，但是其數據處理能力并不能完全勝任在線監測的要求。

綜上，目前的斷路器在線監測系統以單核或雙核結構配合上位機的形式為主，雙核之間大多是通過SPI進行通信。但是隨著電氣設備智能化程度的提高，斷路器在線監測裝置需要處理的數據越來越多，硬件系統的升級也越來越頻繁，因此需要進一步提高裝置處理數據的速度和運算能力，同時也要讓系統升級更加方便。文中提出了基于ARM，DSP，FPGA三核結構開發的高壓斷路器在線監測系統，其中FPGA控制模數(analog to digital , AD)模塊進行數據采樣，DSP利用其強大的運算能力進行數據運算[12]，利用ARM進行整體控制以及人機交互。這樣的設計方案較之單核或雙核系統每一塊芯片需要完成的算法減少，節約內存，從而能夠更充分地發揮芯片各自的優勢，大大提高系統的速度和效率。系統將ARM9和C674x系列的DSP集成為一塊CPU，雙核之間基于Syslink通過共享內存區域進行通信，對比通過SPI通信節省了硬件空間資源，系統穩定性好，軟硬件升級更加方便。

1 總體架構

斷路器在線監測是指通過監測裝置獲得斷路器的狀態量，經過數據處理之后與相關歷史數據進行比對，從而判斷斷路器當前的運行狀態。通過斷路器在線監測可以對斷路器的異常狀態進行預判并準確做出故障診斷[2]。斷路器在線監測總體上分為數據采集和故障診斷2部分。對斷路器在線監測需要主要測量的狀態量包含分、合閘線圈電流，動觸頭行程和振動信號，數據采集過程主要包括傳感器將監測的斷路器狀態量以模擬電信號的形式送入系統，經過濾波和AD轉換，模擬信號轉換為數字信號之后發到處理器。故障診斷過程主要是處理器對采集到的數據進行計算，并根據數據庫中的數據再與歷史數據進行比較和分析，處理器中DSP和ARM之間進行雙向通信。最后將斷路器的工作狀態顯示在人機界面上并發送到后臺監控，如圖1所示。

圖1 斷路器在線監測系統總體架構Fig. 1 The overall structure of on-line monitoring system of circuit breaker

2 硬件設計

2.1 傳感器選擇

系統需要監測的狀態量包括分、合閘線圈電流，動觸頭行程和振動信號。影響斷路器操作可靠性的一個重要因素是機械故障[11，13，14]。分、合閘線圈電流信號包含多個特征量，可以用于診斷斷路器在分、合閘控制電壓異常、鐵心卡澀、操動機構卡澀等故障[11]。同時，分、合閘線圈電流采集方便并且能夠較好地反應斷路器操作機構動作的整個過程，所以選用分、合閘線圈電流為故障分析的依據。文中系統用霍爾電流傳感器HNC-03SY實現對分、合閘電流信號的監測，霍爾傳感器安裝方便，不需要改變電路結構。系統中使用IC壓電加速度傳感器LC0102T采集振動信號，它內裝IC放大器，提高了傳感器監測的靈敏度。斷路器動觸頭的行程信號指的是斷路器三相動觸頭行程-時間特性曲線，通過對特性曲線的分析，可以準確地把握斷路器分、合閘的動態過程，了解包括運動速度，時間，開距，超程等機械參數，文中采用微型線性位移傳感器。

2.2 模數轉換模塊與FPGA接口設計

硬件系統利用FPGA在邏輯時序控制上優勢進行數據采集[15]，以FPGA控制AD模塊構成數據采集模塊，文中介紹的斷路器在線監測系統中使用TI公司的ADS8568模數轉換芯片，它最多支持8通道同步16位高速轉換。該設計中，由FPGA控制AD芯片以10 kHz的采樣頻率進行采樣，在CONVST信號的上升沿，AD芯片開始采樣并進行模數轉換，FPGA通過片選信號選中AD芯片，在RD信號為低電平時將一個通道的16位數據存入數據寄存器中。讀取8次后，將數據通過數據并行總線發送給FPGA，FPGA對數據進行預處理，然后送入先入先出隊列(first input first output , FIFO)緩存。

2.3 FPGA與CPU接口設計

CPU由ARM和DSP集成，DSP通過uPP與FPGA連接，uPP提供了數據總線，DSP在讀數據、寫數據的過程中用相應的狀態標志位來置位以指示FIFO的狀態，通過計算數據寫入和讀出的計數，來判斷FIFO中的數據量[16]，DSP持續從FIFO中讀出數據直到FIFO為空為止。DSP和ARM雙核之間采用共享內存進行數據通信以及消息收發，DSP對FPGA所發送的數據進行處理，將結果發送給ARM，最終由ARM把數據波形呈現LCD屏上，接收工作人員對裝置的操作，完成人機交互。硬件結構如圖2所示。

圖2 斷路器在線監測系統硬件結構Fig. 2 The hardware structure of on-line monitoring system of circuit breaker

3 軟件設計

3.1 故障診斷算法

斷路器分合閘線圈電流是故障診斷的重要依據，其中合閘電流波形如圖3所示，文中采用基于小波變換的方法提取電流信號的特征值[17]。x(t)的小波變換為：

(1)

為了方便對計算機信號進行處理，需要利用不同的a對信號進行離散處理，離散小波變換為：

(2)

設經過分解的原信號為Xs則信號的小波分解可表示為：

圖3 斷路器合閘電流波形Fig. 3 The waveform of closing coil current of circuit breaker

(3)

式中：信號Xi分解為下一層的Xi+1和Di+1，相當于將Xi按照頻率高低進行濾波，Xi+1為低頻部分信號，Di+1為高頻部分信號[18，19]。

小波變換在突變監測上有很大的優勢，文中介紹的裝置通過小波變換可以準確地提取信號波形，以及信號波形中的特征值，以此為依據進行斷路器故障診斷。

3.2 算法實現

系統中DSP內存分為存儲用于判斷故障的數據和對實時采樣數據進行運算處理。采樣數據通過uPP傳入DSP之后，首先對信號波形降進行降噪處理，由于分、合閘線圈電流中突變點時刻的頻率主要集中在200～300 Hz，所以降噪之后利用db2基本小波函數[20]對數據進行5次小波分解，經過重構得到D5，該層信號對應的頻率范圍與突變點頻率相符。濾除D5中的干擾突變點之后，第一個突變點對應的時間就是電流信號波形開始的時間t1，后一個突變點對應的時間就是電流信號波形結束的時間t5，除了最初和最后突變點，剩下突變點中脈沖最大的點對應電流信號波形中的極小值點對應時間t3。

根據小波變換截取信號里對應t1至t5的波形，先檢索信號里t1至t3中的最大值對應時間t2和電流i1，再檢索信號里t3至t5中的最大值對應時間t4和電流i3，以上數據時間點t1，t2，t3，t4，t5和電流值i1，i3以及t3對應的電流值i2作為故障診斷的依據，同DSP中存儲的用于判斷故障類型的數據進行比對，將結果同電流信號波形數據一起發送到ARM端，顯示在人機界面上，整個過程執行結束大約需要60 μs。

由于DSP是串行執行指令，所以如果DSP在做數據運算的同時需要兼顧數據采集會導致信號數據采集不完整，甚至錯過整個信號波形。本設計中將“數據采集”和“數據處理”2個任務分開，DSP只需要完成數據處理，由FPGA控制AD模塊完成實時采樣，有效地提升系統數據采集的實時性和準確性。故障診斷算法軟件實現圖如圖4所示。

圖4 故障預判算法實現圖Fig. 4 The realization of fault prognosis algorithm

3.3 雙核通信功能實現

DSP因為其具有哈佛結構并且采用四級流水線操作等特性具有極強的數據處理能力[9]，在硬件系統中以DSP為核心構成數據處理器，完成數據的計算和故障診斷；ARM作為精簡指令集(reduced instruction set computing , RISC)體系結構的微處理器，它最大的優勢在于低功耗、芯片集成度高，具有極強的事務管理能力，可以同時處理3個任務，在系統中控制數據通信，并負責人機交互。DSP端完成數據計算之后需要將數據和結果發送給ARM，ARM上運行Linux系統，DSP上運行SYS/BIOS系統，雙核之間通過共享內存區基于Syslink進行異構雙核通信。

Syslink是一個用于開發嵌入式異構多核系統的軟件系統的軟件開發包，它通過約定相同的編程接口，以屏蔽硬件差異，實現異構雙核通信，其中包括Linux端的接口和SYS/BIOS端的接口，編程接口的數據互通由各類組件實現，如消息收發組件，共享內存管理組件，數據傳輸組件等。

系統啟動初始化之后DSP上SYS/BIOS端軟件接口里消息收發組件就開始執行等待指令操作，等待ARM端發送操作命令。ARM運行有2個線程：一個是圖形用戶接口線程，運行用戶應用程序用于人機交互；另一個是消息收發線程用于接收DSP傳輸過來的數據，并交給圖形用戶接口線程進行電流波形的繪制。系統啟動初始化后，用戶通過圖形用戶接口啟動DSP，同時啟動收發線程，開始等待DSP發出消息。DSP的消息收發組件接收到ARM的指令之后啟動AD數據采集線程，開始對FPGA所發送的數據進行讀取，并進行故障診斷相關的運算，同時將處理之后的數據以及故障診斷的結果寫入共享內存空間內的環形緩存區，寫入完成后釋放存儲空間，并向ARM發送消息，通知ARM可以進行采樣數據的讀取。消息收發線程接收到DSP發出的消息后，開始通過讀指針獲取環形緩存區中讀取空間的有效數據。數據讀取完成后向圖形用戶接口線程發送更新波形的信號并在DSP診斷出斷路器有異常狀況時提示報警。軟件流程圖如圖5所示，裝置最后顯示的波形如圖6所示。

圖5 斷路器在線監測軟件流程Fig. 5 The software flow of on-line monitoring system of circuit breaker

圖6 軟件采集合閘電流信號波形Fig. 6 The waveform of closing coil current of circuit breaker

4 結語

相比于單核或雙核的監測系統，文中介紹的監測裝置軟件運行更加流暢，采樣波形更加光滑，故障診斷更加準確。

綜上，文中介紹的系統將斷路器在線監控裝置需要完成的功能進行了更細致地分配到3塊芯片中，具體優勢如下：

(1) 在ARM上運行Linux，利用Linux開源，易裁剪，可以運行多種軟件開發平臺等優勢實現人機交互，同時基于Linux開發了人機交互界面，利用LCD進行人機交互，省去了上位機，提升了監測軟件運行的速度和流暢性，并利用ARM優秀的事務管理能力讓它作為主核，負責系統的整體控制。避免用ARM完成復雜的數據計算或者直接控制A/D芯片進行數據采集。

(2) 在DSP上運行SYS/BIOS系統，利用DSP極強的數據處理能力，讓它作為從核完成對采樣數據的運算。DSP不需要直接進行數據采集或者對整體系統進行控制，節省內存，大大提升了系統在線監測的準確性和實時性。

(3) CPU集成了ARM9和C674x，在發揮ARM和DSP各自的優勢的同時，基于共享內存的Syslink雙核通信，利于硬件升級，穩定性也高于獨立安裝ARM和DSP并通過總線進行雙核通信的系統。

文中介紹的斷路器在線監測系統既節約成本，又能夠滿足現場對斷路器在線監測裝置功能的要求，較高的實用價值。同時由于ARM和DSP雙核有效地分擔了計算和控制的任務，系統在功能上依然有極大的提升空間，具有廣闊的發展前景。

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梁君涵

梁君涵(1992—)，男，江蘇南京人，碩士研究生，從事高壓斷路器在線監測方面的研究工作(E-mail：220152191@seu.edu.cn)；

鄭建勇(1966—)，男，江蘇南京人，教授，博士生導師，從事電力電子與電力傳動方面的研究工作；

潘 益(1993—)，男，江蘇無錫人，博士研究生，從事高壓斷路器在線監測與故障診斷的研究工作。

(編輯錢 悅)

On-lineMonitoringSystemDesignofCircuitBreakerBasedonMulti-coreStructure

LIANG Junhan, ZHENG Jianyong, PAN Yi

(School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Aiming at the problems such as weak system processing capability and insufficient stability in online monitoring of circuit breakers, the ARM, DSP and FPGA three-core platform are used to realize the on-line monitoring of the circuit breaker. The on-line monitoring function of circuit breaker is divided into 3 parts: data acquisition, data operation and human-computer interaction. Data acquisition is completed by FPGA control ADS8568. The circuit breaker state variables are passed into the system by sensors. The DSP performs wavelet decomposition five times on the signal collected by FPGA using db2 wavelet. Processed data is transmitted to the ARM through the dual-core communication mechanism based on Syslink heterogeneous, and finally the human-computer interaction is completed by the ARM. The scheme gives full play to the advantages of three control cores, so that it has better data processing ability. Through testing, the on-line monitoring system of circuit breaker based on three-core structure has a better performance than the original system.

high voltage circuit breaker; on-line monitoring; Syslink; heterogeneous dual-core communication

TM561

A

2096-3203(2017)06-0068-05

2017-07-10；

2017-08-13

國網江蘇省電力公司科技項目(5210EC14006Z);江蘇省科技廳重點研發計劃(BE2016113,BE2017030)