卞和營+代克杰

摘 要： 針對(duì)目前高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和不足，提出了一種基于分合閘線圈電流信號(hào)的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了構(gòu)成系統(tǒng)的硬件電路和在線監(jiān)測(cè)軟件，該系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、濾波、放大和分析，能夠計(jì)算分合時(shí)間、分合速度、開關(guān)行程、分合行程、過沖距離等參數(shù)，能夠?qū)Ω邏簲嗦菲鞯膭?dòng)作類型進(jìn)行基本的判斷，監(jiān)測(cè)結(jié)果能在上位機(jī)監(jiān)控界面上顯示。實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全面、可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 斷路器； 在線監(jiān)測(cè)； 硬件設(shè)計(jì)； 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）03?0100?05

Design of online monitoring system for breaker status based on closing coils signal

BIAN He?ying， DAI Ke?jie

（College of Electrical and Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）

Abstract： Aiming at the research status and deficiencies of online monitoring technology for high voltage circuit breaker， an online monitoring system for high voltage circuit breaker status based on the current signal of the closing coil is provided. The hardware circuits and online monitoring soft were designed. The system can realize collecting， converting， filtering， amplifying and analyzing the real?time current signals quickly， and also can calculate a lot of parameters such as the close?open time， close?open velocity， switching path， close?open path and overshoot distance， which can judge the types of action of the high voltage circuit breaker， and the monitoring results can be displayed on the PC monitor interface. Experiment and actual operation shows that the system has the advantages of better real?time， fully data monitoring， high reliability and high anti?disturbance.

Keywords： circuit breaker； online monitoring； hardware design； software design

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的容量與能量需求的不斷增加，電力設(shè)備的安全運(yùn)行顯得越來越重要。高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的開關(guān)設(shè)備，能夠根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行的需要可靠的投入或切除相應(yīng)的線路或電氣設(shè)備，在電網(wǎng)中能起到控制和保護(hù)作用。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)將故障線路或電氣設(shè)備從電網(wǎng)中快速切除，如果高壓斷路器不能及時(shí)開斷線路、消除故障，就會(huì)使事故擴(kuò)大造成嚴(yán)重后果[1?2]。因此高壓斷路器工作的可靠程度、性能的好壞是決定電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素。

目前，我國變電站對(duì)高壓斷路器的檢修主要是定期檢修，但對(duì)高壓斷路器定期檢修制度的盲目性大且需要拆卸，常常在拆卸和安裝過程中會(huì)帶來新的問題[3]。因此對(duì)高壓斷路器必須實(shí)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，為設(shè)備是否需要狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

一些發(fā)達(dá)國家對(duì)高壓斷路器的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)已日趨成熟。比如美國德克薩斯電力公司的便攜式斷路器分析儀、ABB公司開發(fā)的SF6斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、日本東京電力公司和東芝公司聯(lián)合開發(fā)的GIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等[4]。目前我國還沒有很成熟的斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，但一些單位在這方面已做出了有益的探索，如清華大學(xué)開發(fā)的高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，華中理工大學(xué)和湖南省電力局聯(lián)合研制的高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等[5?6]。根據(jù)各種資料和文獻(xiàn)的報(bào)導(dǎo)[7?10]，目前高壓斷路器的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)仍存在如下幾個(gè)突出問題：在線監(jiān)測(cè)選擇的傳感器不夠精確，診斷精度不高；數(shù)據(jù)的保存、處理等不系統(tǒng)，缺乏科學(xué)的管理，無法根據(jù)利用斷路器運(yùn)行的歷史對(duì)故障做出合理的判斷；在線監(jiān)測(cè)裝置模塊壽命過短，安裝維護(hù)困難，價(jià)格過高而精度不夠高；以往在線監(jiān)測(cè)裝置所關(guān)心的是機(jī)械參量的計(jì)算結(jié)果，而對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程關(guān)心不多。

基于此，針對(duì)目前高壓斷路器研究的現(xiàn)狀和不足，結(jié)合國內(nèi)外高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的最新研究成果，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套高壓斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)調(diào)理電路、隔離放大電路、AD7606應(yīng)用電路以及AD7606與STM32的接口電路；軟件設(shè)計(jì)主要是高壓斷路器智能在線監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。具體的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計(jì)方案如下：首先將采集到的高壓斷路器分合閘線圈電流信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理部分的濾波、轉(zhuǎn)換等作用變成電壓信號(hào)；其次通過隔離放大電路將此電壓信號(hào)放大到AD7606端口所需的電壓；再通過AD7606將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸入到STM32微處理器中，利用STM32的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，進(jìn)而測(cè)量出高壓開關(guān)觸頭行程；最后STM32將測(cè)到的電流數(shù)據(jù)和行程數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過RS 422接口傳給上位機(jī)PC，并在監(jiān)控界面上顯示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路首先將電流傳感器采集到的高壓斷路器的分合閘電流信號(hào)通過電阻[R104]將此信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號(hào)，然后經(jīng)三端濾波器FP100將此電壓信號(hào)輸入到模擬運(yùn)算放大器，通過模擬運(yùn)算放大器AD822將電壓信號(hào)放大[K]倍后把信號(hào)傳輸給隔離放大器電路，其中[K=1+R101R100=10。]信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。

2.2 隔離放大電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的隔離放大電路如圖3所示。

此電路最重要的部分是IC100隔離放大器，其內(nèi)部封裝元件是ISO124，它是一種新的占空比調(diào)制解調(diào)技術(shù)的精密隔離放大器，采用匹配1 pF隔離電容進(jìn)行輸入輸出的隔離，并整體嵌入塑料封裝內(nèi)。IC100的每一個(gè)電源引腳都要接一個(gè)1 μF的電容，電容應(yīng)盡可能地靠近放大器，其內(nèi)部頻率設(shè)定為500 kHz，為把DC/DC轉(zhuǎn)換器饋通噪音減至最低，在電源端設(shè)計(jì)了一個(gè)л型過濾器。ISO124放大器傳輸信號(hào)通過一個(gè)500 kHz占空比調(diào)制技術(shù)穿過一個(gè)隔離電容。對(duì)于輸入信號(hào)低于250 kHz的頻率，這種系統(tǒng)的工作就像任何一個(gè)線性放大器的工作，但是對(duì)于頻率高于250 kHz，其工作的情況與采樣放大器相似。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

圖3 隔離放大電路

2.3 AD7606應(yīng)用電路

設(shè)計(jì)選用16位、8通道同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)AD7606，其內(nèi)部包括模擬輸入位保護(hù)、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、靈活的數(shù)字濾波器、2.5 V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口。AD7606的應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4中[V1、][V2、][V3]和[V4]分別是由信號(hào)調(diào)理電路經(jīng)隔離放大后輸出的主分電壓、副分電壓、合閘電壓和儲(chǔ)能電機(jī)電壓，作為AD7606的輸入信號(hào)。[RP80]和[RP81]構(gòu)成上拉電阻。電容[C84、][C83、][C80]等可實(shí)現(xiàn)退耦作用，為AD7606提供所需的穩(wěn)定電壓。AD7606數(shù)字端口使用的+3.3 V的電壓，與STM32使用同一路電源，模擬部分電壓AVCC由模塊電源輸出的5 V電壓經(jīng)濾波后提供。

2.4 AD7606與STM32的接口電路

STM32和AD7606接口電路如圖5所示。

圖5 AD7606與STM32接口電路

圖5中STM32的28腳和AD7606的CONVST腳相連，用于啟動(dòng)AD7606進(jìn)行A/D變換；STM32的24腳和AD7606的BUSY?AD相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7606轉(zhuǎn)換狀態(tài)的識(shí)別，AD7606轉(zhuǎn)換未完成時(shí)，引腳為低電平，轉(zhuǎn)換完成后，變成高電平；STM32的25腳和AD7606的CS?AD腳相連，用于選擇AD7606；STM32的27腳和AD7606的RD?AD腳相連，用于讀取AD7606變換后的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 斷路器故障監(jiān)測(cè)原理

高壓斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一級(jí)控制件，而且基本上以直流電源為控制電源，故直流電磁線圈的電流波形中包含著診斷機(jī)械故障的重要信息。線圈的直流供電電路如圖6所示。圖6中[L]的大小取決于線圈和鐵芯鐵軛等的尺寸，并與鐵芯的行程[S]（即是鐵芯向上運(yùn)動(dòng)經(jīng)過的路程）有密切關(guān)系，其值隨著[S]的增加而增加，如圖6所示。

設(shè)鐵芯不飽和，則[L]與[i]的大小有關(guān)，電路中開關(guān)K合閘后，由圖6電路得：

[u=iR+dwdt] （1）

式中：[w]為線圈的磁鏈，[w=Li，]于是，上式可變?yōu)椋?/p>

[u=iR+dLidt=iR+Ldidt+idLdSdSdtu=iR+Ldidt+idLdSv] （2）

不同[S]處的[dLdS]即為如圖7曲線在[S]處的斜率[tan?；][v]為鐵芯的運(yùn)動(dòng)速度。圖8為高壓斷路器操作時(shí)，線圈中的典型電流波形隨鐵芯運(yùn)動(dòng)的變化過程可分為以下四個(gè)階段。

圖6 斷路器分合閘電路

圖7 L?S曲線

圖8 線圈電流波形

（1） 鐵芯觸動(dòng)階段：在[t=t0～t1]的時(shí)間段，[t0]為斷路器分（合）命令到達(dá)時(shí)刻，是斷路器分、合時(shí)間計(jì)時(shí)起點(diǎn)；[t1]為線圈中電流、磁通上升到足以驅(qū)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)，即鐵芯開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，這是指數(shù)上升曲線，對(duì)應(yīng)圖8中[t0～t1]的電流波形起始部分。

（2）鐵芯運(yùn)動(dòng)階段：在[t=t1～t2]間，鐵芯在電磁力的作用下，克服了重力、彈簧力等阻力，開始加速運(yùn)動(dòng)，直到鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運(yùn)動(dòng)為止。根據(jù)這一階段的電流波形，可診斷鐵芯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如鐵芯運(yùn)動(dòng)有無卡澀以及脫扣、釋能機(jī)械負(fù)載變動(dòng)的情況。

（3）觸頭分、合閘階段：在[t=t2～t3]間，鐵芯已停止運(yùn)動(dòng)。這一階段是通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)斷路器觸頭分、合閘的過程。[t2]是鐵芯停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，而觸頭則在[t2]前后開始運(yùn)動(dòng)，[t3]為斷路器輔助接點(diǎn)切除時(shí)刻， [t3～t0]或[t3～t2]可以反映操作傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的情況。

（4）電流切斷階段：[t=t3]時(shí)，輔助接點(diǎn)切斷后開關(guān)K斷開，在其觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長(zhǎng)，電弧電流[i]隨之減小至零直至熄滅。

綜合以上幾個(gè)階段情況，通過分析[i]的波形和[t1，][t2，][t3，][I1，][I2，][I3]等特征值可以分析出鐵芯啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等參數(shù)，從而得到鐵芯運(yùn)動(dòng)和所控制的啟動(dòng)閥，鐵閂和輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，即可以監(jiān)測(cè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)測(cè)故障。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路：當(dāng)STM32處理器、AD7606、串行接口和編碼器接口初始化后，先經(jīng)A/D采樣后將數(shù)據(jù)信息暫存在環(huán)形存儲(chǔ)器，判斷所得數(shù)據(jù)是否大于閾值，然后將大于閾值的數(shù)據(jù)再次經(jīng)A/D采樣，存儲(chǔ)在正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。當(dāng)采樣次數(shù)大于等于2 000時(shí)，就將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送到上位機(jī)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9中環(huán)形存儲(chǔ)器只存儲(chǔ)500個(gè)數(shù)據(jù)且只存儲(chǔ)最新的500個(gè)數(shù)據(jù)，即可存儲(chǔ)最近的100 ms數(shù)據(jù)，正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)提供3 000點(diǎn)的存儲(chǔ)容量，提供600 ms的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，可以完整記錄斷路器動(dòng)作一次時(shí)操作機(jī)構(gòu)各個(gè)線圈電流的變化。

3.3 斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件是利用C++語言設(shè)計(jì)的斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)硬件處理后的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上可視化顯示的軟件。設(shè)計(jì)軟件中包括基本設(shè)置、設(shè)備參數(shù)、算法選擇、建立連接、分析數(shù)據(jù)、消除報(bào)警、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、用戶管理等功能，本界面通過和下位機(jī)的連接將采集的數(shù)據(jù)傳送顯示出來，并將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中以表的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。高壓斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

圖10 斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

圖10為采集信號(hào)后的分析圖，通過對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，可以給出前述各個(gè)過程的時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算各個(gè)過程的特征值，同時(shí)可以對(duì)動(dòng)作類型進(jìn)行判斷，計(jì)算分合時(shí)間、分合速度、開關(guān)超程、分合行程、過沖距離等參數(shù)。

3.4 系統(tǒng)的功能、可靠性測(cè)試及應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了功能和可靠性測(cè)試，為此專門設(shè)計(jì)了模擬測(cè)試系統(tǒng)。模擬電路采用三個(gè)霍爾傳感器，模擬實(shí)際過程中的主分線圈電流、副分線圈電流，合閘線圈電流，另外用了陶瓷電阻和電容，模擬電流的上升情況。此外還設(shè)計(jì)了一套觸發(fā)裝置，能輸出三路開關(guān)量，該裝置能每隔3 min觸發(fā)一次，依次觸發(fā)合閘線圈電流傳感器、主分線圈電流傳感器和副分線圈電流傳感器，主要模擬斷路器的分合。

功能性試驗(yàn)共進(jìn)行了3 000次，試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)動(dòng)作可靠、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

斷路器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過了各種功能測(cè)試、可靠性測(cè)試以后，于2012年8月在平高集團(tuán)高壓試驗(yàn)大廳進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并應(yīng)用在公司首臺(tái)252智能GIS（Gas Insulated Switchgear）上。

4 結(jié) 語

變電站綜合自動(dòng)化是智能電網(wǎng)目前發(fā)展的方向，而實(shí)現(xiàn)高壓斷路器的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)的智能化是智能電網(wǎng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，為此本文設(shè)計(jì)了一種基于分合閘線圈電流信號(hào)的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，能對(duì)分合閘線圈的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波、放大、存儲(chǔ)和分析，能夠計(jì)算分合時(shí)間、分合速度、開關(guān)行程、分合行程、過沖距離等參數(shù)，并能夠?qū)Ω邏簲嗦菲鞯膭?dòng)作類型進(jìn)行基本的判斷。實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全面、操作性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)目前已經(jīng)在平高集團(tuán)首臺(tái)GIS252上投入運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃建，胡曉光.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的高壓斷路器機(jī)械故障診斷方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（12）：108?113.

[2] 喻勝輝，饒文貴，楊濤.斷路器機(jī)械特性測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（13）：141?143.

[3] 沈力.高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1997，27（3）：113?117.

[4] LANDRY M， LONARD F， BEAUCHEMIN R. An improved vibration analysis algorithm as a diagnostic tool for detecting mechanical anomalies on power breakers [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2008， 23（4）： 1986?1994.

[5] 黃新波，章云，李俊峰.變電站容性設(shè)備介損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2008，34（8）：1594?1598.

[6] 王鵬，張貴新，李蓮子，等.真空斷路器開斷電流在線測(cè)量[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（3）：91?94.

[7] KEZUNOVIC M.REN Z F， SEVCIK D R. Automated monitoring and analysis of circuit breaker operation [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005， 20（3）： 1910?1918.

[8] 吳廣寧.電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理論與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[9] 魏明，方春恩，李偉，等.基于DSP的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器機(jī)械特性測(cè)試裝置[J].低壓電器，2007（17）：48?51.

[10] 孫來軍，胡曉光，紀(jì)延超.一種基于振動(dòng)信號(hào)的高壓斷路器故障診斷新方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（6）：157?161.

（2）鐵芯運(yùn)動(dòng)階段：在[t=t1～t2]間，鐵芯在電磁力的作用下，克服了重力、彈簧力等阻力，開始加速運(yùn)動(dòng)，直到鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運(yùn)動(dòng)為止。根據(jù)這一階段的電流波形，可診斷鐵芯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如鐵芯運(yùn)動(dòng)有無卡澀以及脫扣、釋能機(jī)械負(fù)載變動(dòng)的情況。

（3）觸頭分、合閘階段：在[t=t2～t3]間，鐵芯已停止運(yùn)動(dòng)。這一階段是通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)斷路器觸頭分、合閘的過程。[t2]是鐵芯停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，而觸頭則在[t2]前后開始運(yùn)動(dòng)，[t3]為斷路器輔助接點(diǎn)切除時(shí)刻， [t3～t0]或[t3～t2]可以反映操作傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的情況。

（4）電流切斷階段：[t=t3]時(shí)，輔助接點(diǎn)切斷后開關(guān)K斷開，在其觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長(zhǎng)，電弧電流[i]隨之減小至零直至熄滅。

綜合以上幾個(gè)階段情況，通過分析[i]的波形和[t1，][t2，][t3，][I1，][I2，][I3]等特征值可以分析出鐵芯啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等參數(shù)，從而得到鐵芯運(yùn)動(dòng)和所控制的啟動(dòng)閥，鐵閂和輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，即可以監(jiān)測(cè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)測(cè)故障。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路：當(dāng)STM32處理器、AD7606、串行接口和編碼器接口初始化后，先經(jīng)A/D采樣后將數(shù)據(jù)信息暫存在環(huán)形存儲(chǔ)器，判斷所得數(shù)據(jù)是否大于閾值，然后將大于閾值的數(shù)據(jù)再次經(jīng)A/D采樣，存儲(chǔ)在正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。當(dāng)采樣次數(shù)大于等于2 000時(shí)，就將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送到上位機(jī)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9中環(huán)形存儲(chǔ)器只存儲(chǔ)500個(gè)數(shù)據(jù)且只存儲(chǔ)最新的500個(gè)數(shù)據(jù)，即可存儲(chǔ)最近的100 ms數(shù)據(jù)，正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)提供3 000點(diǎn)的存儲(chǔ)容量，提供600 ms的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，可以完整記錄斷路器動(dòng)作一次時(shí)操作機(jī)構(gòu)各個(gè)線圈電流的變化。

3.3 斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件是利用C++語言設(shè)計(jì)的斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)硬件處理后的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上可視化顯示的軟件。設(shè)計(jì)軟件中包括基本設(shè)置、設(shè)備參數(shù)、算法選擇、建立連接、分析數(shù)據(jù)、消除報(bào)警、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、用戶管理等功能，本界面通過和下位機(jī)的連接將采集的數(shù)據(jù)傳送顯示出來，并將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中以表的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。高壓斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

圖10 斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

圖10為采集信號(hào)后的分析圖，通過對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，可以給出前述各個(gè)過程的時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算各個(gè)過程的特征值，同時(shí)可以對(duì)動(dòng)作類型進(jìn)行判斷，計(jì)算分合時(shí)間、分合速度、開關(guān)超程、分合行程、過沖距離等參數(shù)。

3.4 系統(tǒng)的功能、可靠性測(cè)試及應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了功能和可靠性測(cè)試，為此專門設(shè)計(jì)了模擬測(cè)試系統(tǒng)。模擬電路采用三個(gè)霍爾傳感器，模擬實(shí)際過程中的主分線圈電流、副分線圈電流，合閘線圈電流，另外用了陶瓷電阻和電容，模擬電流的上升情況。此外還設(shè)計(jì)了一套觸發(fā)裝置，能輸出三路開關(guān)量，該裝置能每隔3 min觸發(fā)一次，依次觸發(fā)合閘線圈電流傳感器、主分線圈電流傳感器和副分線圈電流傳感器，主要模擬斷路器的分合。

功能性試驗(yàn)共進(jìn)行了3 000次，試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)動(dòng)作可靠、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

斷路器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過了各種功能測(cè)試、可靠性測(cè)試以后，于2012年8月在平高集團(tuán)高壓試驗(yàn)大廳進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并應(yīng)用在公司首臺(tái)252智能GIS（Gas Insulated Switchgear）上。

4 結(jié) 語

變電站綜合自動(dòng)化是智能電網(wǎng)目前發(fā)展的方向，而實(shí)現(xiàn)高壓斷路器的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)的智能化是智能電網(wǎng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，為此本文設(shè)計(jì)了一種基于分合閘線圈電流信號(hào)的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，能對(duì)分合閘線圈的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波、放大、存儲(chǔ)和分析，能夠計(jì)算分合時(shí)間、分合速度、開關(guān)行程、分合行程、過沖距離等參數(shù)，并能夠?qū)Ω邏簲嗦菲鞯膭?dòng)作類型進(jìn)行基本的判斷。實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全面、操作性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)目前已經(jīng)在平高集團(tuán)首臺(tái)GIS252上投入運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃建，胡曉光.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的高壓斷路器機(jī)械故障診斷方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（12）：108?113.

[2] 喻勝輝，饒文貴，楊濤.斷路器機(jī)械特性測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（13）：141?143.

[3] 沈力.高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1997，27（3）：113?117.

[4] LANDRY M， LONARD F， BEAUCHEMIN R. An improved vibration analysis algorithm as a diagnostic tool for detecting mechanical anomalies on power breakers [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2008， 23（4）： 1986?1994.

[5] 黃新波，章云，李俊峰.變電站容性設(shè)備介損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2008，34（8）：1594?1598.

[6] 王鵬，張貴新，李蓮子，等.真空斷路器開斷電流在線測(cè)量[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（3）：91?94.

[7] KEZUNOVIC M.REN Z F， SEVCIK D R. Automated monitoring and analysis of circuit breaker operation [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005， 20（3）： 1910?1918.

[8] 吳廣寧.電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理論與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[9] 魏明，方春恩，李偉，等.基于DSP的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器機(jī)械特性測(cè)試裝置[J].低壓電器，2007（17）：48?51.

[10] 孫來軍，胡曉光，紀(jì)延超.一種基于振動(dòng)信號(hào)的高壓斷路器故障診斷新方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（6）：157?161.

（2）鐵芯運(yùn)動(dòng)階段：在[t=t1～t2]間，鐵芯在電磁力的作用下，克服了重力、彈簧力等阻力，開始加速運(yùn)動(dòng)，直到鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運(yùn)動(dòng)為止。根據(jù)這一階段的電流波形，可診斷鐵芯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如鐵芯運(yùn)動(dòng)有無卡澀以及脫扣、釋能機(jī)械負(fù)載變動(dòng)的情況。

（3）觸頭分、合閘階段：在[t=t2～t3]間，鐵芯已停止運(yùn)動(dòng)。這一階段是通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)斷路器觸頭分、合閘的過程。[t2]是鐵芯停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，而觸頭則在[t2]前后開始運(yùn)動(dòng)，[t3]為斷路器輔助接點(diǎn)切除時(shí)刻， [t3～t0]或[t3～t2]可以反映操作傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的情況。

（4）電流切斷階段：[t=t3]時(shí)，輔助接點(diǎn)切斷后開關(guān)K斷開，在其觸頭間產(chǎn)生電弧并被拉長(zhǎng)，電弧電流[i]隨之減小至零直至熄滅。

綜合以上幾個(gè)階段情況，通過分析[i]的波形和[t1，][t2，][t3，][I1，][I2，][I3]等特征值可以分析出鐵芯啟動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等參數(shù)，從而得到鐵芯運(yùn)動(dòng)和所控制的啟動(dòng)閥，鐵閂和輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，即可以監(jiān)測(cè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，進(jìn)而預(yù)測(cè)故障。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路：當(dāng)STM32處理器、AD7606、串行接口和編碼器接口初始化后，先經(jīng)A/D采樣后將數(shù)據(jù)信息暫存在環(huán)形存儲(chǔ)器，判斷所得數(shù)據(jù)是否大于閾值，然后將大于閾值的數(shù)據(jù)再次經(jīng)A/D采樣，存儲(chǔ)在正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。當(dāng)采樣次數(shù)大于等于2 000時(shí)，就將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送到上位機(jī)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9中環(huán)形存儲(chǔ)器只存儲(chǔ)500個(gè)數(shù)據(jù)且只存儲(chǔ)最新的500個(gè)數(shù)據(jù)，即可存儲(chǔ)最近的100 ms數(shù)據(jù)，正常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)提供3 000點(diǎn)的存儲(chǔ)容量，提供600 ms的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，可以完整記錄斷路器動(dòng)作一次時(shí)操作機(jī)構(gòu)各個(gè)線圈電流的變化。

3.3 斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件是利用C++語言設(shè)計(jì)的斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)硬件處理后的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上可視化顯示的軟件。設(shè)計(jì)軟件中包括基本設(shè)置、設(shè)備參數(shù)、算法選擇、建立連接、分析數(shù)據(jù)、消除報(bào)警、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、用戶管理等功能，本界面通過和下位機(jī)的連接將采集的數(shù)據(jù)傳送顯示出來，并將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中以表的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。高壓斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

圖10 斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

圖10為采集信號(hào)后的分析圖，通過對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，可以給出前述各個(gè)過程的時(shí)間點(diǎn)，計(jì)算各個(gè)過程的特征值，同時(shí)可以對(duì)動(dòng)作類型進(jìn)行判斷，計(jì)算分合時(shí)間、分合速度、開關(guān)超程、分合行程、過沖距離等參數(shù)。

3.4 系統(tǒng)的功能、可靠性測(cè)試及應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了功能和可靠性測(cè)試，為此專門設(shè)計(jì)了模擬測(cè)試系統(tǒng)。模擬電路采用三個(gè)霍爾傳感器，模擬實(shí)際過程中的主分線圈電流、副分線圈電流，合閘線圈電流，另外用了陶瓷電阻和電容，模擬電流的上升情況。此外還設(shè)計(jì)了一套觸發(fā)裝置，能輸出三路開關(guān)量，該裝置能每隔3 min觸發(fā)一次，依次觸發(fā)合閘線圈電流傳感器、主分線圈電流傳感器和副分線圈電流傳感器，主要模擬斷路器的分合。

功能性試驗(yàn)共進(jìn)行了3 000次，試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)動(dòng)作可靠、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

斷路器故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過了各種功能測(cè)試、可靠性測(cè)試以后，于2012年8月在平高集團(tuán)高壓試驗(yàn)大廳進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并應(yīng)用在公司首臺(tái)252智能GIS（Gas Insulated Switchgear）上。

4 結(jié) 語

變電站綜合自動(dòng)化是智能電網(wǎng)目前發(fā)展的方向，而實(shí)現(xiàn)高壓斷路器的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)的智能化是智能電網(wǎng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，為此本文設(shè)計(jì)了一種基于分合閘線圈電流信號(hào)的高壓斷路器狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，能對(duì)分合閘線圈的電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波、放大、存儲(chǔ)和分析，能夠計(jì)算分合時(shí)間、分合速度、開關(guān)行程、分合行程、過沖距離等參數(shù)，并能夠?qū)Ω邏簲嗦菲鞯膭?dòng)作類型進(jìn)行基本的判斷。實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行表明該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全面、操作性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)目前已經(jīng)在平高集團(tuán)首臺(tái)GIS252上投入運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃建，胡曉光.基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的高壓斷路器機(jī)械故障診斷方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（12）：108?113.

[2] 喻勝輝，饒文貴，楊濤.斷路器機(jī)械特性測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（13）：141?143.

[3] 沈力.高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1997，27（3）：113?117.

[4] LANDRY M， LONARD F， BEAUCHEMIN R. An improved vibration analysis algorithm as a diagnostic tool for detecting mechanical anomalies on power breakers [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2008， 23（4）： 1986?1994.

[5] 黃新波，章云，李俊峰.變電站容性設(shè)備介損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2008，34（8）：1594?1598.

[6] 王鵬，張貴新，李蓮子，等.真空斷路器開斷電流在線測(cè)量[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（3）：91?94.

[7] KEZUNOVIC M.REN Z F， SEVCIK D R. Automated monitoring and analysis of circuit breaker operation [J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005， 20（3）： 1910?1918.

[8] 吳廣寧.電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的理論與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[9] 魏明，方春恩，李偉，等.基于DSP的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器機(jī)械特性測(cè)試裝置[J].低壓電器，2007（17）：48?51.

[10] 孫來軍，胡曉光，紀(jì)延超.一種基于振動(dòng)信號(hào)的高壓斷路器故障診斷新方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（6）：157?161.