鄧博，蘇鷺梅，盧超龍，林瑞金

高壓斷路器機(jī)械特性狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)＊

鄧博1，蘇鷺梅1，盧超龍2，林瑞金3

（1.廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門國毅科技有限公司，福建 廈門 361006； 3.龍巖市廈龍工程技術(shù)研究院，福建 龍巖 364000）

針對目前高壓斷路器機(jī)械特性狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與不足，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，提高可靠性，開發(fā)了一套基于DSP的高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320C28346為控制核心，將AD7606作為采樣芯片，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和顯示，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測斷路器的合分閘線圈電流和觸頭行程。通過實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)達(dá)到了各項(xiàng)參數(shù)誤差在2%以下的設(shè)計(jì)要求。

高壓斷路器；狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；DSP；合分閘線圈電流

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電能使用量的不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模越來越大，對電力設(shè)備的安全運(yùn)行提出了更高的要求。高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的開關(guān)設(shè)備，起著控制和保護(hù)的作用，能夠保證變電站以及電力系統(tǒng)正常、安全運(yùn)行[1-2]。在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，如果高壓斷路器發(fā)生了故障，輕則設(shè)備受損，重則系統(tǒng)解列、用戶大面積的停電，影響正常的社會(huì)生活和生產(chǎn)。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測斷路器的運(yùn)行狀態(tài)，顯得至關(guān)重要。

國外的斷路器監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成熟，并在斷路器狀態(tài)監(jiān)測上得到了廣泛應(yīng)用，如德國西門子公司開發(fā)的斷路器監(jiān)測系統(tǒng)及GIS監(jiān)測子系統(tǒng)，美國Hathway公司開發(fā)的BCM200斷路器狀態(tài)監(jiān)測和瑞士ABB集團(tuán)開發(fā)的SF6斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測斷路器的合分閘線圈電流、觸頭行程等狀態(tài)量[3-5]。國內(nèi)對于斷路器狀態(tài)監(jiān)測的研究相對較晚，部分高校對斷路器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了有效的探索，如清華大學(xué)的CBA-1系統(tǒng)和北京航空航天大學(xué)的斷路器機(jī)械特性測試儀可以監(jiān)測到合分閘線圈電流信號和振動(dòng)信號[6-7]。

目前，高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)存在以下問題：狀態(tài)監(jiān)測模塊采用高速采集卡，價(jià)格過高；部分測試儀監(jiān)測結(jié)果只能現(xiàn)場打印，不能進(jìn)行長期大量的保存；數(shù)據(jù)管理軟件不完善，在數(shù)據(jù)通信上，大多使用RS232通信，隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)及記錄數(shù)據(jù)量的增多，傳輸速度變慢，通信時(shí)間變長，難以滿足實(shí)時(shí)性的需要；系統(tǒng)體積過大，便攜性較差?；诖?，研究開發(fā)了一套高壓斷路器機(jī)械特性狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)包括AD7606采樣電路、信號調(diào)理電路、U盤存儲(chǔ)電路及RS485通信接口電路等。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

高壓斷路器的合分閘線圈電流信號經(jīng)霍爾電流傳感器及其信號調(diào)理電路將轉(zhuǎn)換成電壓信號，觸頭行程信號經(jīng)直線位移傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號，AD采樣模塊將電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，數(shù)字信號傳輸至微處理器TMS320C28346并進(jìn)行計(jì)算分析，分析后的數(shù)據(jù)可保存至U盤，最終通過RS485傳輸?shù)接|摸屏上顯示監(jiān)測報(bào)告。

軟件設(shè)計(jì)包括主程序、信號采樣程序、U盤存儲(chǔ)程序、MODBUS傳輸程序及觸摸屏程序。上電后，主程序首先初始化，調(diào)用信號采樣程序，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，調(diào)用存儲(chǔ)程序保存數(shù)據(jù)，調(diào)用MODBUS程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，最終調(diào)用觸摸屏程序?qū)崿F(xiàn)顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測模塊

在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中DSP選擇TI公司的TMS320C28346，在成本上得到了改善，霍爾電流傳感器選擇CSM010GT，直線位移傳感器選擇TS-0050，觸摸屏選擇tpc7062td。

信號調(diào)理模塊的核心CSM010GT型電流傳感器運(yùn)用霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理，能夠快速響應(yīng)電流信號；測量精度高，副邊電壓的變化可以真實(shí)地反映原邊電流的變化；在電隔離條件下，能測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。

輸入輸出關(guān)系為：

out1=in+0（1）

式（1）中：=0.1；0=2.5 V，代表原邊無輸入電流時(shí)，理論輸出電壓值為2.5 V。

用于位移監(jiān)測的TS-0050型直線位移傳感器直接安裝在動(dòng)觸頭的直線連桿上，可以直接獲得觸頭行程，計(jì)算方便，且隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，其體積日益減小。

位移與電壓關(guān)系為：

式（2）中：為電氣量程，52 mm；為電源電壓，10 V。

2.2 AD7606采樣電路

為保證監(jiān)測信號的采樣精度，系統(tǒng)選用16位的AD7606作為微處理器的外擴(kuò)采樣芯片，以滿足實(shí)時(shí)性的需求。AD7606芯片采用單電源供電，8通道同步采樣，且所有通道均能以高達(dá)200kSPS的吞吐率采樣，待機(jī)時(shí)功耗25 mW，運(yùn)行時(shí)功耗100 mW，具有速度高、功耗低的特點(diǎn)，具有高輸入阻抗和片內(nèi)濾波，可以改善信噪比。

采樣電路如圖2所示。

圖2 AD7606采樣電路

引腳ADINA1~ADINA3分別是合閘線圈電流信號、分閘線圈電流信號和觸頭行程信號的輸入端；引腳AD1_RANGE用來選擇采樣量程，通過P11選擇-10~10 V量程；數(shù)字信號輸出端引腳D0~D15，連接微處理器TMS30C28346的數(shù)據(jù)總線引腳XD0~XD15；引腳CONVST和BUSY接微處理器的GPIO14、GPIO15，當(dāng)引腳CONVST從低電平向高電平轉(zhuǎn)換時(shí)，其上升沿變化啟動(dòng)AD采樣，同時(shí)引腳BUSY變成高電平，采樣結(jié)束后，引腳BUSY變?yōu)榈碗娖?，微處理器TMS320C28346開始讀取輸出寄存器中的數(shù)據(jù)。

AD7606轉(zhuǎn)換公式如下：

式（3）中：out為經(jīng)調(diào)理電路或直線位移傳感器轉(zhuǎn)換后的輸出電壓；為AD芯片采樣結(jié)果；=10 V，為采樣量程。

2.3 信號調(diào)理電路

高壓斷路器的合分閘線圈電流大小一般在0～5 A。由于監(jiān)測到的電流信號較弱，需要信號調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對信號的放大處理才能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)量的監(jiān)測。

信號調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路原理圖

轉(zhuǎn)換公式如下：

2.4 U盤存儲(chǔ)電路

高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集了多種狀態(tài)量，能夠?qū)㈦娏餍盘?、行程信號的全部信息存?chǔ)記錄下來，便于后續(xù)分析。本系統(tǒng)選用文件控制管理芯片CH376S，實(shí)現(xiàn)對U盤的讀寫。U盤存儲(chǔ)電路原理如圖4所示。

圖4 U盤存儲(chǔ)電路原理圖

2.5 RS485通信接口電路

微處理器與觸摸屏之間無法通信，需要通過物理層總線實(shí)現(xiàn)。微處理器TMS320C28346集成了通信模塊，2個(gè)通信接口都是復(fù)用的，可通過跳線選擇RS232總線或RS485總線；觸摸屏可通過設(shè)置COM口選擇RS242或RS485。RS232總線在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)容易掉包，且數(shù)據(jù)量大時(shí)無法滿足實(shí)時(shí)性的要求，因此采用跳線選擇RS485通信接口。

RS485通信電路如圖5所示。

圖5 RS485通信電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主程序、AD采樣子程序、U盤存儲(chǔ)子程序、MODBUS傳輸子程序以及觸摸屏程序。

上電后，系統(tǒng)初始化，調(diào)用AD采樣子程序，不間斷地實(shí)時(shí)采集電流信號和行程信號；調(diào)用U盤存儲(chǔ)子程序，將監(jiān)測數(shù)據(jù)存于U盤中；調(diào)用MODBUS傳輸子程序，將相關(guān)狀態(tài)量參數(shù)傳輸至觸摸屏；用戶可在觸摸屏上選擇顯示監(jiān)測報(bào)告、截屏打印、保存數(shù)據(jù)等功能，實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互。

主程序流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

搭建軟硬件平臺(tái)，調(diào)試高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。以ABB的VD4真空斷路器為監(jiān)測對象，對其合分閘線圈電流和觸頭行程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。測試結(jié)果與廈門國毅科技有限公司的GYT-07（精度為0.5%）機(jī)械特性測試儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。重復(fù)進(jìn)行合分閘操作，共50次，記錄數(shù)據(jù)，任意選取其中的10組測試數(shù)據(jù)。合閘報(bào)告、分閘報(bào)告如表1、表2 所示。

其中，誤差計(jì)算公式為：

表1 合閘報(bào)告

合閘操作次數(shù)12345678910 電流峰值/A本系統(tǒng)1.1101.1211.1241.1131.1211.1201.1161.1201.1151.116 GYT-071.1041.1031.1051.1061.1041.1071.1051.1041.1081.103 誤差/（%）0.541.631.720.631.541.171.001.450.631.18 合閘時(shí)間/ms本系統(tǒng)58.258.358.458.358.358.458.358.458.558.5 GYT-0758.458.558.658.458.258.358.158.758.658.4 誤差/（%）0.340.340.340.170.170.170.340.510.170.17 觸頭行程/mm本系統(tǒng)13.9614.0714.0313.9214.0914.0214.0613.9314.0514.01 GYT-0714.1514.4114.1914.2614.2814.2914.3714.2114.3214.26 誤差/（%）1.341.681.131.971.331.891.881.971.891.75 觸頭開距/mm本系統(tǒng)11.5311.4811.3711.5411.4611.5211.5311.4811.4411.56 GYT-0711.7211.5611.5311.4111.6011.6311.4211.6111.5811.77 誤差/（%）1.620.691.391.141.210.950.961.121.211.78 合閘速度/（m·s-1）本系統(tǒng)1.0711.0721.0761.0741.0781.0731.0721.0751.0731.076 GYT-071.0631.0641.0631.0621.0651.0651.0631.0621.0611.063 誤差/（%）0.750.751.221.131.220.750.851.221.131.22

表2 分閘報(bào)告

分閘操作次數(shù)12345678910 電流峰值/A本系統(tǒng)0.9060.9030.9130.9220.9210.9080.9260.9150.9130.917 GYT-070.8980.8960.9090.9120.9080.8970.9180.9030.9070.912 誤差/（%）0.890.780.441.101.431.230.871.330.660.55 分閘時(shí)間/ms本系統(tǒng)47.247.347.247.146.947.247.147.247.147.0 GYT-0747.347.547.447.347.447.547.347.447.447.3 誤差/（%）0.210.420.420.421.050.630.420.420.630.63 觸頭行程/mm本系統(tǒng)14.2614.2814.2214.3314.4114.3614.3714.3314.2614.31 GYT-0714.0214.1614.0714.2614.1314.1514.1814.0814.1214.23 誤差/（%）1.710.851.070.491.981.481.341.780.990.56

表2（續(xù)）

分閘操作次數(shù)12345678910 觸頭開距/mm本系統(tǒng)11.7411.8211.7811.6111.8511.8011.6311.8311.8611.75 GYT-0711.5611.6411.5811.6911.7311.5711.5911.6511.6311.88 誤差/（%）1.561.551.900.681.021.990.351.551.981.09 分閘速度/（m·s-1）本系統(tǒng)0.8930.9010.8830.8710.8820.8710.8840.8820.8920.885 GYT-070.8780.8870.8670.8580.8690.8590.8690.8680.8770.872 誤差/（%）1.711.581.851.521.501.401.731.611.711.49

通過高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和GYT-07機(jī)械特性測試儀對VD4高壓真空斷路器正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行的多組測試，監(jiān)測結(jié)果如表3所示，各參數(shù)誤差最大值如表4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①高壓斷路器監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好地監(jiān)測到合分閘時(shí)間，且誤差較小，基本在1%以內(nèi)，這是因?yàn)槲⑻幚砥饔锌焖夙憫?yīng)和處理的功能；②合分閘線圈電流的峰值誤差在1%～2%之間，由于進(jìn)入霍爾電流傳感器的電流是通過斷路器合分閘線圈電流的二次電流引出，通常存在微弱的電磁干擾，造成了監(jiān)測電流值的輕微浮動(dòng)；③合分閘時(shí)的觸頭行程及開距誤差大部分在1.5%～2%，由于高壓斷路器在運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生機(jī)身振動(dòng)，對安裝在動(dòng)觸頭直線連桿上的直線位移傳感器造成一定的測量影響，使得行程監(jiān)測數(shù)值的變化幅度大，進(jìn)一步導(dǎo)致了合分閘速度有1.5%～2%的 誤差。

表3 高壓斷路器特性參數(shù)

合閘電流峰值/A合閘時(shí)間/ms合閘觸頭行程/mm合閘觸頭開距/mm合閘速度/（m·s-1） 1.110～1.12458.2～58.513.9～14.0911.37～11.561.071～1.078 分閘電流峰值/A分閘時(shí)間/ms分閘觸頭行程/mm分閘觸頭開距/mm分閘速度/（m·s-1） 0.903～0.92646.9～47.314.2～14.4111.6～11.850.871～0.901

表4 參數(shù)誤差

合閘參數(shù)電流峰值/A合閘時(shí)間/ms觸頭行程/mm觸頭開距/mm合閘速度/（m·s-1） 最大誤差/（%）1.720.511.971.781.22 分閘參數(shù)電流峰值/A分閘時(shí)間/ms觸頭行程/mm觸頭開距/mm分閘速度/（m·s-1） 最大誤差/（%）1.431.051.981.991.85

高壓斷路器監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的合、分閘線圈電流信號及觸頭行程信號波形如圖7所示，均符合典型波形。

結(jié)果表明，該系統(tǒng)監(jiān)測到的高壓斷路器機(jī)械特性參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，與GYT-07機(jī)械特性測試儀相比，誤差低于2%，達(dá)到了預(yù)期要求，且電流波形、行程波形均不失真，效果較好，實(shí)用性強(qiáng)。

圖7 合分閘線圈電流、觸頭行程波形圖

5 結(jié)語

電網(wǎng)的智能化是目前電網(wǎng)的發(fā)展方向，現(xiàn)有斷路器監(jiān)測系統(tǒng)大多采用高速采集卡，成本高、實(shí)時(shí)性差，所以本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于DSP的高壓斷路器機(jī)械特性狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)圖形顯示、數(shù)

據(jù)存儲(chǔ)于一體，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測到高壓斷路器的合分閘電流和觸頭行程，且各項(xiàng)參數(shù)最大誤差均在2%以下，監(jiān)測系統(tǒng)體積夠小，便攜性好。在實(shí)際運(yùn)行中，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、精確度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用性。

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2095－6835（2020）24－0022－04

TM561

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.24.007

鄧博（1995—），男，研究生，研究方向?yàn)殡娖髦悄芑夹g(shù)及應(yīng)用。

＊項(xiàng)目： 2019年福建省龍巖市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（編號：2019LYF7004）

〔編輯：王霞〕