毛德梅，汪明珠，王本有，左旭坤，盧清平

（皖西學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 六安237012）

1 引言

在電力系統(tǒng)運行過程中斷路器起到保護和控制的作用，其總體的運行、檢修和維護情況與整個電力系統(tǒng)緊密相關(guān)。伴隨著電壓等級的進一步提高，系統(tǒng)對電力設(shè)備運行的可靠性要求也越來越高，這對電力設(shè)備的檢測和診斷技術(shù)提出了更高的要求。目前國內(nèi)主要采用部分傳感器采集一到兩個主要參量監(jiān)測高壓斷路器的運行狀態(tài)，用DSP對數(shù)據(jù)進行直接處理［1－3］。本文介紹了一種基于 μC/OS－Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多傳感器技術(shù)，對決定或影響其工作狀態(tài)的參量進行盡可能的廣泛采集，研究開發(fā)μC/OS－Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，以該系統(tǒng)為平臺設(shè)計任務(wù)算法，開發(fā)有效的和可靠性強的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了高壓斷路器的智能在線監(jiān)測控制。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

狀態(tài)監(jiān)測指運用各種檢測、測量、監(jiān)視、判別和分析的方法了解并掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，對整個開關(guān)設(shè)備運行狀態(tài)進行實時評估，判斷是處于正?；蛘叻钦顟B(tài)，并將狀態(tài)進行顯示和記錄，對異常情況報警提示，工作人員將及時進行處理，因此狀態(tài)監(jiān)測就是對開關(guān)設(shè)備的性能評估、故障分析、合理使用和安全工作等提供信息和準備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［4］。

本文介紹的智能嵌入式高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，智能監(jiān)測系統(tǒng)分為監(jiān)測管理層和數(shù)據(jù)采集層，其中數(shù)據(jù)采集層是由各種傳感器和DSP數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成，安置在斷路器本體上。各種傳感器能實時采集多個高壓斷路器的分（合）閘操作的行程－時間特性曲線、分（合）閘線圈電流信號以及操作振動信號等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給DSP進行處理，數(shù)據(jù)處理程序在μC/OS－Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)上開發(fā)，最后將處理數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)測管理層。監(jiān)測管理層位于變電站的控制室，對測量數(shù)據(jù)進行存儲、處理、故障診斷、顯示以及打印等。監(jiān)測管理層用VC＋＋6.0工具開發(fā)，采用ADO＋ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。該智能監(jiān)測系統(tǒng)層間通過CAN總線實現(xiàn)通信。

3 智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 DSP數(shù)據(jù)處理器的選型

智能監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測模塊的DSP數(shù)據(jù)處理器采用美國TI公司的高性能TMS320F2812芯片。這款芯片運行時鐘可達150MHz，處理性能可達150 MIPS，每條指令周期6.67ns。I/O口豐富，兩個串口。具有12位的0～3.3V的A/D轉(zhuǎn)換等。同時具有片內(nèi)128k×16位的片內(nèi)FLASH，18K×16位的SRAM，一般的應(yīng)用系統(tǒng)可以不要外擴存儲器。TMS320F2812的強大功能使其完全滿足智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求。

圖1 智能監(jiān)測系統(tǒng)的體統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 主要傳感器的選型

高壓斷路器故障的主要原因是機械故障，智能監(jiān)測系統(tǒng)主要測量項目包括高壓斷路器分（合）閘操作的行程－時間特性曲線、分（合）閘線圈電流信號以及操作振動信號。

高壓斷路器工作狀態(tài)的重要表征為行程－時間特性曲線，在動觸頭下或觸頭的絕緣拉桿下安裝位移傳感器，經(jīng)過采樣濾波后，得到高壓斷路器動觸頭行程隨時間變化的關(guān)系［5］。對行程位移監(jiān)測還能夠提取各種機械動作參數(shù)，進一步判斷高壓斷路器的操動機構(gòu)健康狀況。系統(tǒng)采用具有機械壽命長、抗沖擊能力強和價格低廉等優(yōu)點的 WDL－25－2型直線位移傳感器與WDD35D－4型角位移傳感器測量行程－時間特性曲線。

高壓斷路器分（合）閘過程中，線圈電流將隨時間而變化。測量高壓斷路器分（合）閘線圈電流，可計算出操動機構(gòu)的啟動、拉桿運動與線圈通電時間，并且參考高壓斷路器的自身參數(shù)范圍來判斷高壓斷路器是否發(fā)生了偷跳、拒動、誤動等運行狀態(tài)［6＼｜8］。系統(tǒng)采用具有抗電磁干擾能力強，精度高和體積小等特點的YDG－HSD型霍爾電流傳感器測量分（合）閘的電流信號。

高壓斷路器機械狀態(tài)的改變會導(dǎo)致振動信號的變化，利用振動信號可以為故障診斷提供理論依據(jù)。運用適當?shù)臋z測和信號處理方法，可以識別出振動故障源。系統(tǒng)采用ZD24T型磁阻式振動傳感器檢測振動信號。此類型振動傳感器的分辨率和靈敏度更高，對環(huán)境要求較低，頻率響應(yīng)較寬。

3.3 監(jiān)測模塊的硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件平臺的監(jiān)測模塊采用美國TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320F2812作為核心處理單元［9＼｜11］。各傳感器采集來的模擬信號數(shù)據(jù)通過信號調(diào)理電路輸入TMS320F2812的A/D通道，該處理器芯片將處理后的數(shù)據(jù)分成兩路傳輸：一路送到液晶顯示模塊，顯示高壓斷路器的分合閘速度、時間、行程和電流等信息；另一路通過RS－485總線送到監(jiān)測服務(wù)器。圖2為智能監(jiān)測模塊的硬件結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括TMS320F2812DSP主控板（含通信模塊）、液晶面板、信號調(diào)理模塊、時鐘模塊和電源模塊等。

圖2 智能監(jiān)測模塊的硬件結(jié)構(gòu)

4 智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 μC/OS－Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)及其在TMS320F2812上的移植

μC/OS－Ⅱ是由Jean J.Labrosse先生撰寫的，是一個源碼公開、能固化、能移植、占先式、能裁剪、支持多任務(wù)的實時操作系統(tǒng)，包含了多個相對獨立的，短小精悍的目標模塊，主要有：內(nèi)核管理、任務(wù)管理、事件控制塊、信號量管理、時間管理與郵箱管理等。μC/OS－Ⅱ操作系統(tǒng)已經(jīng)成功在40多種不同架構(gòu)的微處理器上完成移植。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層軟件采用μC/OS－Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)進行開發(fā)，所以必須把μC/OS－Ⅱ移植到TMS320F2812處理器芯片上。根據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的實際需要，移植操作主要是對OS＿CPU.H、OS＿CFG.H、OS＿CPU＿A.ASM 和 OS＿CPU＿C.C這四個文件內(nèi)容進行修改或編寫。首先對OS＿CFG.H進行正確配置，確定系統(tǒng)需要使用哪些具體的功能函數(shù)以及最低優(yōu)先級OS＿LOWEST＿PRIO、最多任務(wù)控制塊數(shù)OS＿MAX＿EVENTS、最多任務(wù)數(shù) OS＿MAX＿TASKS等進行具體設(shè)置。然后在OS＿CPU.H中定義與處理器相關(guān)和系統(tǒng)需要的宏和數(shù)據(jù)類型，根據(jù)DSP處理器硬件在OS＿CPU＿C.C和OS＿CPU＿A.ASM中分別用C語言和匯編語言編寫相關(guān)函數(shù)，最后將各種函數(shù)編寫好的操作系統(tǒng)裝載入TMS320F2812，μC/OS－Ⅱ就可以成功在處理器上運行了。

4.2 數(shù)據(jù)采集層應(yīng)用軟件設(shè)計

根據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，整個系統(tǒng)分解為并行的四個任務(wù)層。占先式操作系統(tǒng)調(diào)度任務(wù)按優(yōu)先級高低進行，四個任務(wù)從高到低按優(yōu)先級排序為：數(shù)據(jù)通訊任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、故障報警任務(wù)和液晶顯示任務(wù)。

數(shù)據(jù)通訊任務(wù)定義為void taskcommunication（），優(yōu)先級數(shù)為10，該任務(wù)主要管理數(shù)據(jù)采集端和監(jiān)測服務(wù)器之間的通信，如果通訊出現(xiàn)了異常，監(jiān)測服務(wù)器對數(shù)據(jù)采集端重發(fā)四次命令，若通訊還是不成功，提示通訊失敗。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)定義為void taskcollect（），優(yōu)先級數(shù)為11，該任務(wù)主要負責整理計算各種傳感器采集的行程－時間特性曲線、振動信號和電流信號，并且由TMS320F2812片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后計算得出高壓斷路器的分（合）閘時間與平均速度、開距、行程和超程等機械特性參數(shù)。

故障報警任務(wù)定義為void taskalarm（），優(yōu)先級數(shù)為12，該任務(wù)主要負責在監(jiān)測到高壓斷路器出現(xiàn)異常時發(fā)出報警信號。

液晶顯示任務(wù)定義為void taskshow（），優(yōu)先級數(shù)為13，該任務(wù)主要負責在現(xiàn)場液晶模塊上實時顯示高壓斷路器的各種機械特性參數(shù)。

μC/OS－Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)提供信號量、郵箱和消息隊列三種任務(wù)之間同步與通信方法。在該監(jiān)測系統(tǒng)中，設(shè)計四個信號量：采集信號量、命令信號量、顯示信號量和報警信號量，以及一個郵箱，信號量和郵箱的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)通訊任務(wù)、液晶顯示任務(wù)和故障報警任務(wù)之間相互的同步和通信。過程如圖3所示。

當系統(tǒng)上電或復(fù)位以后，μC/OS－Ⅱ首先調(diào)用函數(shù)OSInit（）初始化操作系統(tǒng)，然后調(diào)用OSSemCreate（）函數(shù)創(chuàng)建信號量 Collectsem、Ordersem、Showsem和Alarmsem以及OSMboxCreate（）函數(shù)創(chuàng)建郵箱Datambox，接著調(diào)用OSTaskCreate（）函數(shù)創(chuàng)建四個系統(tǒng)主任務(wù)即數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)通訊任務(wù)、液晶顯示任務(wù)和故障報警任務(wù)，最后調(diào)用函數(shù)0SStart（）運行系統(tǒng)。

圖3 任務(wù)之間同步與通信過程

4.3 監(jiān)測管理層應(yīng)用軟件設(shè)計

監(jiān)控軟件用VC＋＋6.0工具開發(fā)，采用ADO＋ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)［12＼｜13］。該智能監(jiān)測系統(tǒng)層間通過CAN總線實現(xiàn)通信。圖4為監(jiān)控軟件的設(shè)計方案框圖，監(jiān)測服務(wù)器每接收一次數(shù)據(jù)采集終端的發(fā)送數(shù)據(jù)就對數(shù)據(jù)庫進行一次寫入操作，并實時顯示當前運行數(shù)據(jù)。

圖4 監(jiān)控軟件的設(shè)計方案框圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的嵌入式智能高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)、分析信號、顯示結(jié)果和保存數(shù)據(jù)等功能，智能監(jiān)測系統(tǒng)采用功能強大的DSP芯片TMS320F2812和多種傳感器對高壓斷路器的各種機械特性參數(shù)進行采集，同時在DSP芯片上移植了μC/OS－Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，并以該系統(tǒng)為平臺開發(fā)了監(jiān)測模塊的應(yīng)用軟件，整個系統(tǒng)不僅提供了強大的人機交互界面，并且具有很高的實時性、穩(wěn)定性、可靠性和運行速度。經(jīng)多次試驗結(jié)果表明，該嵌入式智能高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)總體性能穩(wěn)定，準確性較高，效果理想。

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