低壓斷路器性能測試系統設計與研究

田成元，孫曉微

(甘肅交通職業技術學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

低壓斷路器在高職院校電工實驗室應用量較大，它不但能夠關合、承載和開斷正常電路的電流，而且還能夠關合、承載和開斷異常電路的電流，是一種對電氣線路、電機、電氣元件等保護的裝置，電源線路或負載發生過載、短路等故障時，斷路器能夠自動切斷電源線路，起到保護作用[1,2]。因此，電工實驗室里斷路器性能的好壞直接關系到做實驗的教師和學生的安全。

新的斷路器在使用前或已經使用一段時間的斷路器必須進行性能檢測，以確保其性能良好，不存在安全隱患。傳統的斷路器性能測試實驗系統以人工操作為主，存在自動化程度低、測試效率不高等缺陷，為改變斷路器性能測試的傳統模式和人工控制方式，實現斷路器性能測試的信息化和自動化，本文設計了一種低壓斷路器性能測試系統。在性能測試作業過程中，通過數據采集模塊、通訊模塊和上位機等來實現斷路器性能測試過程信息的自動采集、傳輸和顯示，從而克服了傳統操作造成斷路器性能測試效果不佳的問題。

1 低壓斷路器性能測試系統功能

測試系統采用單AC 380 V電源輸入，瞬時容量不高于10 kVA。測試系統主要由電壓和電流輸出模塊、上位機、下位機PLC和電源模塊組成，可實現延時特性測試、分斷時間測試、三相觸頭同步性測試、手動/自動切換測試。具體測試過程如下：

(1) 在延時特性功能測試過程中，根據規程要求，操作人員首先在上位機操作界面預先設置過載延時時間及電流的閾值，再點擊測試開始按鈕，則實驗臺能夠自動記錄、自動判斷結果。

(2) 在分斷時間特性功能測試過程中，根據規程要求，操作人員首先在上位機操作界面設置額定電流值以及分斷電流、分斷時間的閾值，再點擊測試開始按鈕，實驗臺自動計時，記錄三相觸頭斷開的時間，并在上位機上顯示分斷時間和電流值。

(3) 在三相觸頭同步性功能測試過程中，操作人員首先在上位機操作界面點擊測試開始按鈕，測試斷路器閉合時三相觸頭的閉合同步時間，然后在上位機上顯示。

(4) 該試驗既能進行手動操作也能進行自動操作，二者互不干擾，利用手動/自動切換開關可任意切換操作狀態。

2 低壓斷路器性能測試系統設計

2.1 總體結構

測試系統整體采用集中管理和分布式控制網絡結構[3]。測試系統的上位計算機通過與下位機PLC的通信實現對低壓斷路器性能參數的采集和顯示，同時對測試過程的額定電流、分斷電流、分斷時間、三相觸頭的閉合同步時間等測試作業過程實現動態監測和控制。低壓斷路器性能測試系統總體結構如圖1所示。

圖1 低壓斷路器性能測試系統總體結構

圖1中，測試系統包括三層，分別為測試監控層、測試控制層和測試執行層，其中測試監控層硬件為上位機和打印機，主要負責低壓斷路器性能測試過程中指令的下達、測試結果的顯示及打印，同時，上位機與以太網連接，以方便測試結果的遠程查閱；測試控制層為下位機PLC，主要負責對測試數據的采集和控制；測試執行層包括電流檢測、電壓檢測、時間檢測、條碼檢測和操作命令的控制。

2.2 硬件設計

測試系統的硬件主要包括測試上位計算機、打印機、下位機PLC、通信處理器、通信電纜、電流傳感器、電壓傳感器、時間繼電器、條碼掃描儀等。硬件選型如表1所示。

表1 測試系統主要元件及功能

上位機選用聯想工控機，下位機采用西門子S7-300PLC，PLC通過RS485接口與上位機連接，并通過模擬量模塊與電流傳感器、電壓傳感器和條碼掃描儀連接，因此，S7-300PLC 可通過RS485接口簡單而方便地與上位機進行通信，與測試執行層的各傳感器等連接，從而完成系統的硬件組態。

2.3 軟件設計

在低壓斷路器測試過程中應以安全和穩定為前提，首先要保證測試人員的人身安全和設備安全，其次確保測試系統穩定可靠。因此，上位機軟件和下位機軟件的選擇對安全和穩定可靠具有決定作用。用在低壓斷路器測試中的自動化設備和軟件設備，按照 “功能不必高級，夠用就行，關鍵必須要確保安全和穩定”的思想進行選擇。本文實現低壓斷路器自動化測試的組合是“組態軟件+Modbus協議+ PLC”。

上位機開發平臺為Windows操作平臺，上位機開發工具采用的是西門子的組態軟件SIMATIC WinCC 6.2。通過WinCC圖形模塊功能實現系統運行時的人機交互界面，對系統的功能進行了模塊化設計，通過“配置”即可得到低壓斷路器測試工控上位機系統。上位機軟件圖形模塊結構框圖如圖2所示。

圖2 上位機軟件圖形模塊結構框圖

Modbus是一個工業上通信常用的通訊協議，傳輸采用RS485串口傳輸形式，協議模型如圖3所示[4]。

圖3 Modbus協議模型

圖3中，第一個是地址幀，在Modbus網絡中，每一個從機都有一個地址，主機在訪問從機的時候依靠這個唯一的地址識別；第二個是功能碼，決定這一幀數據主要的功能，如輸入數據、輸出數據、讀取控制量等； 第三個是數據；第四個是差錯校驗,用來對之前發送的數據校驗，防止發送過程中因為電磁干擾而出現數據出錯的現象。

下位機軟件采用西門子STEP 7 V5.4 PLC，該軟件擁有硬件配置和參數設置、通訊組態、編程、測試、啟動和維護等功能，能夠完成低壓斷路器測試系統執行層的組態任務、時間檢測、電流檢測、電壓檢測和操作控制。

3 測試系統誤差補償

誤差定義為測量值和真實值之間的差。實際上，與其他的設備一樣，本文設計的測試系統也會出現誤差，這種誤差主要表現為傳感器本身的誤差，對于單個傳感器來說，主要誤差源是傳感器的常值和隨機誤差、溫度變化引起的零點漂移誤差等[5]。同時當傳感器工作時，信號會受到溫度、電磁干擾等影響，因此，對誤差的補償成為提高傳感器測量精度的一種必要手段。

3.1 傳感器的誤差模型

本文將傳感器的誤差劃分為比例系數誤差、耦合系數誤差和偏置誤差[6]，即：

(1)

其中：(E1E2)T為傳感器的誤差；(G1G2)T為傳感器的測量值； (G10G20)T為傳感器的理論值；(k1k2)為傳感器的誤差比例系數；(k12k21)為傳感器的誤差耦合系數。

3.2 誤差補償模型

將式(1)進行變換，就可得到：

(2)

式(2)中，包含幾次斷路器測試測量觀測數據，對這些觀測數據通過最小二乘方法進行融合，其融合表達式為：

y=α*β+Φ.

(3)

其中：y為觀測矩陣；α為未受干擾信號；β為求解參數向量；Φ為噪聲向量。

由于Φ對參數估計具有較大的影響，因此，定義e為殘差，則有：

e=y-y*=y-α*β*.

(4)

其中：y*為輸入向量的最優估計；β*為參數向量的最優估計。

采用最小二乘估計方法時，要求目標函數的平方和最小，而目標函數由若干個函數的平方和構成，函數表達式為：

(5)

則目標函數的平方和最小表示為：

(6)

式(6)則為最小二乘優化，即為目標函數的平方和最小。因此，可得到殘差的平方和最小表達式，即：

J=e·eT=(y-α*β*)(y-α*β*)T.

(7)

為了確保式(7)中的J最終達到極小值，則有：

(8)

那么就會得到參數向量的最小二乘估計值，即：

β*=(α·αT)-1·αT·y.

(9)

聯立式(2)和式(9)，最后得到斷路器性能測試系統傳感器的誤差補償數學模型：

(10)

3.3 誤差補償計算實例

為了驗證斷路器性能測試系統傳感器誤差補償模型的實用性，本文選擇電流傳感器的一些標定實驗數據為基礎數據進行說明。根據每次電流傳感器的測量輸出值和理論值建立最小二乘誤差補償模型，誤差補償前、后電流傳感器輸出誤差對比如圖4所示。

圖4 電流傳感器誤差補償前、后輸出誤差對比

由圖4明顯看出，通過最小二乘方法對誤差補償后傳感器的測量精度要比補償前極大地提高，補償前電流傳感器測量的平均絕對百分誤差達到了1.02%，而通過最小二乘方法得到的誤差補償后的電流傳感器測量的平均絕對百分誤差僅為0.3%，相對來說誤差減少了72.5%，由此可見效果非常明顯。

4 系統實現

根據本文設計開發的“低壓斷路器性能測試系統”配置1臺上位計算機，通過Modbus通訊協議和RS485串口傳輸形式實現與下位機PLC的連接，使得操作人員能夠很直觀地看到斷路器的性能測試結果，提高了操作過程的自動化程度，也具有安全性、可靠性和準確性。本文設計開發的低壓斷路器性能測試主操作界面如圖5所示。

圖5 低壓斷路器性能測試主操作界面

5 結論

本文設計的低壓斷路器性能測試系統具有以下特點：

(1) 基于WinCC和PLC的系統，使得操作更加直觀、簡便和安全，自動化程度更高，為操作的安全性和可靠性提供了保證。

(2) 所提出的基于最小二乘法的誤差補償模型，可以明顯提高傳感器數據處理時的精度，確保斷路器性能測試的精確性。

(3) 本文設計開發的“低壓斷路器性能測試系統”不但能夠完全滿足高職院校教師與學生實驗使用，而且也能夠滿足一些企業對斷路器的性能測試要求。