周宇浩， 李曉健， 張成龍， 楊志超

(1.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備江蘇省協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211167)

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基于CompactRIO的真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周宇浩1,2， 李曉健1,2， 張成龍1,2， 楊志超1,2

(1.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備江蘇省協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 211167)

針對(duì)斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置環(huán)境適應(yīng)性差、信號(hào)采集精度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于CompactRIO的真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)觸頭行程、分合閘線圈電流、分合閘振動(dòng)、分合閘線圈電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可準(zhǔn)確提取剛分剛合時(shí)刻、分合閘時(shí)間、分合閘速度等機(jī)械特性參數(shù)。介紹了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架，闡述了各模塊功能。針對(duì)各監(jiān)測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，選用合適的傳感器及合理的檢測(cè)方案。詳細(xì)研究了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)和工作原理，從硬件角度解釋了系統(tǒng)的創(chuàng)新性和優(yōu)勢(shì)。闡述了系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，基于LabVIEW語(yǔ)言開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、FPGA和嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度和良好的環(huán)境適應(yīng)性。

在線監(jiān)測(cè)； 真空斷路器; 機(jī)械特性； CompactRIO； FPGA

0 引 言

高壓真空斷路器在電力系統(tǒng)中具有保護(hù)與控制的雙重任務(wù)，一旦發(fā)生故障會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響，造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)斷路器全部故障中80%是機(jī)械故障[1-4]。因此對(duì)斷路器的機(jī)械特性實(shí)行在線監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)掌握斷路器的機(jī)械特性，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)安排檢，提高斷路器的可靠性。

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)斷路器在線監(jiān)測(cè)的研究起步較早，技術(shù)日趨成熟，并且已有了功能較齊全、抗干擾性能較高的產(chǎn)品。具有代表性的斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是，瑞典ELCOM公司的OLM斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在ABB公司的斷路器上應(yīng)用廣泛，代表著世界先進(jìn)水平。我國(guó)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)起步較晚，國(guó)內(nèi)一些單位和公司也在積極開展斷路器監(jiān)測(cè)研制,比較典型的有，江蘇國(guó)電南自的NS811系統(tǒng)，寧波理工監(jiān)測(cè)科技股份有限公司的MDD3000G系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在斷路器在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)步，但仍有不足有待改進(jìn)，一方面，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不高，斷路器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，特別是復(fù)雜多變的強(qiáng)電磁干擾，如果使用通用的數(shù)據(jù)采集模塊或自主設(shè)計(jì)的采集模塊，雖然在功能上可以實(shí)現(xiàn)，但是受到強(qiáng)大的電磁干擾后，采集的精度和穩(wěn)定性都無(wú)法保證[5]；另一方面，多路信號(hào)采集的同步性不高，這將直接影響機(jī)械特征參數(shù)提取的準(zhǔn)確性。

本文基于CompactRIO構(gòu)建了真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用FPGA控制工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RT)提取特征參數(shù)，采用以太網(wǎng)通信，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與人機(jī)交互。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)多路信號(hào)采集同步性不高以及環(huán)境適應(yīng)性差的問(wèn)題，本文提出了基于CompactRIO的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方案見圖1。系統(tǒng)按照硬件結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)部分：第一部分由傳感器及工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)采集卡組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)與采集。第二部分是基于CompactRIO的前置控制器，內(nèi)部由RT系統(tǒng)和FPGA模塊組成；FPGA用于控制采集卡采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)并行同步輸入；RT用于實(shí)時(shí)處理信號(hào)，提取特征參數(shù)，并建立與遠(yuǎn)程終端的通信[6]。第三部分為遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端與CompactRIO采用以太網(wǎng)通信，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于提高過(guò)程層互操作性的要求[7]。

圖1 總體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.2 信號(hào)檢測(cè)方法

根據(jù)真空斷路器的試驗(yàn)要求及常見的故障類型，確定真空斷路器的觸頭行程、分合閘線圈電流、分合閘振動(dòng)、分合閘線圈電壓作為監(jiān)測(cè)內(nèi)容。傳感器的選型和安裝原則是在不破壞斷路器結(jié)構(gòu)、不影響斷路器分合閘性能、不影響絕緣的前提條件下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速準(zhǔn)確檢測(cè)。

(1) 觸頭行程檢測(cè)。真空斷路器結(jié)構(gòu)緊湊，觸頭開距只有8～10 mm，絕緣拉桿安裝在斷路器基座內(nèi)部，直線式位移傳感器不便于安裝。考慮到斷路器的動(dòng)觸頭是由主軸驅(qū)動(dòng)的，因此觸頭的直線位移與主軸的角位移有對(duì)應(yīng)關(guān)系，該關(guān)系可通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)計(jì)算得到，可通過(guò)測(cè)量角位移曲線，間接推算出觸頭行程曲線[8]。真空斷路器的主軸處于低電位，遠(yuǎn)離高壓部分，因此不存在高電位隔離問(wèn)題。在安裝空間上，斷路器主軸處有充?？臻g安裝角位移傳感器。

為盡量減少傳感器對(duì)主軸的影響，采用一款非接觸式測(cè)量的角位移傳感器,即德國(guó)Novotechnik公司的RFC4800系列角位移傳感器。該傳感器由磁位器和磁場(chǎng)感應(yīng)模塊組成，通過(guò)感知磁場(chǎng)方向的變化，確定角度的變化。將磁位器固定于旋轉(zhuǎn)主軸上，磁場(chǎng)感應(yīng)模塊固定在斷路器外殼上，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)磁位器造成磁場(chǎng)方向變化，該變化被磁場(chǎng)感應(yīng)模塊檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出模擬量的角度信號(hào)輸出。由于傳感器與主軸沒(méi)有物理連接，最大限度地減小了對(duì)斷路器的影響。另外該傳感器安裝時(shí)允許傳感器與磁位器左右上下偏移安裝中心±3 mm，這一特性可以很好地解決由于主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差[9]。傳感器安全密封，適用于灰塵、污垢或潮濕等惡劣環(huán)境，通過(guò)密封于傳感器內(nèi)部的屏蔽電纜輸出信號(hào)。

(2) 分合閘電流檢測(cè)。針對(duì)分合閘線圈電流的特點(diǎn)以及斷路器的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合測(cè)試精度的要求，設(shè)計(jì)選用磁平衡式霍爾電流傳感器。磁平衡式霍爾電流傳感器具有優(yōu)越的電性能，精度高，線性度動(dòng)態(tài)特性好，工作頻帶寬，而且體積小，分合閘線圈回路穿芯而過(guò)，不會(huì)對(duì)斷路器主系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響。另外，測(cè)量回路與輸出回路相互隔離，故而不必再對(duì)電流輸入通道進(jìn)行隔離[10-11]。基于以上考慮選用LHB-20A霍爾電流傳感器，該傳感器利用霍爾閉環(huán)原理，可隔離測(cè)量直流、交流、脈沖電流。在斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，分合閘線圈附近有充裕的空間，可以將電流傳感器固定在隔板上。

(3) 分合閘振動(dòng)檢測(cè)。檢測(cè)分合閘振動(dòng)信號(hào)可以找出觸頭的剛分剛合時(shí)刻。因此需將振動(dòng)傳感器安裝在能有效檢測(cè)到本相剛分剛合時(shí)刻同時(shí)又可避免其他兩相干擾的位置。該條件其實(shí)非常的苛刻，斷路器的不同位置上的振動(dòng)信號(hào)是有差異的，可能在某一點(diǎn)能很好地檢測(cè)到剛分剛合時(shí)刻，而在另外的點(diǎn)上卻檢測(cè)不到；另外，由于振動(dòng)信號(hào)是會(huì)沿著結(jié)構(gòu)傳遞的，理論上來(lái)說(shuō)是無(wú)法完全隔離每一相的振動(dòng)信號(hào)，只能減小其影響。通過(guò)不斷地試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在每一相的極柱頂端安裝振動(dòng)傳感器效果較好[12-14]。

斷路器的分合閘振動(dòng)信號(hào)，是一種典型的高頻非平穩(wěn)信號(hào)，因此要求振動(dòng)傳感器有較高的采樣率和分辨率[15-16]。基于以上考慮，選用DY121-500ICP壓電加速度傳感器，支持IEPE，采樣率可達(dá)50 K/S，靈敏度10 mV/g，測(cè)量范圍±500 g，測(cè)量頻率范圍0.5～10 000 HZ。

(4) 分合閘線圈電壓檢測(cè)。分合閘線圈電壓的大小可影響分合閘線圈的動(dòng)作，進(jìn)而影響斷路器的分合閘時(shí)間、分合閘速度等機(jī)械特性參數(shù)，因此只有分合閘線圈電壓在合理的范圍內(nèi)，測(cè)量得到的機(jī)械特性參數(shù)才具有可比性。根據(jù)分合閘線圈電壓的特點(diǎn)，選用霍爾電壓傳感器，型號(hào)HNV-300T，該傳感器的特點(diǎn)是，響應(yīng)快，體積小，可測(cè)量交直流及脈沖電壓，因此能檢測(cè)到分合閘線圈電壓的各種變化。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

本文采用CompactRIO內(nèi)置的FPGA模塊結(jié)合工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，結(jié)構(gòu)如圖2。工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的獨(dú)立輸入，每一路采樣通道的采樣率高達(dá)50 K/S，24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并具備模擬預(yù)濾波功能。板卡內(nèi)置過(guò)電壓過(guò)電流保護(hù)，采用金屬封裝，可屏蔽電磁干擾，防塵防機(jī)械外力，能有效適應(yīng)變電站的復(fù)雜環(huán)境。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)

FPGA引腳接口直接和每個(gè)信號(hào)輸入通道相連，而非通過(guò)總線，因此幾乎沒(méi)有控制系統(tǒng)的延遲響應(yīng)。FPGA代碼最終映射為邏輯門陣列中硬件邏輯，每個(gè)輸入通道都有獨(dú)立的硬件電路，通道間通過(guò)硬件互鎖。嵌入式系統(tǒng)主板上的40 MHz時(shí)鐘為各通道建立高度的同步機(jī)制，因此信號(hào)的采集可實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行同步輸入。各通道采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)會(huì)存入先入先出存儲(chǔ)器(FIFO),嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以直接讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW語(yǔ)言設(shè)計(jì)的[17]，分為3個(gè)模塊，結(jié)構(gòu)見圖3，分別運(yùn)行于遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、CompactRIO中的FPGA模塊和RT系統(tǒng)。

(1) FPGA中的軟件主要負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)采集卡的輸入通道中讀取數(shù)據(jù)。

(2) RT中的軟件從FPGA的FIFO中讀取數(shù)據(jù)，提取機(jī)械特征參數(shù)，通過(guò)TCP/IP通信協(xié)議將采集到的波形數(shù)據(jù)和提取到的機(jī)械特征參數(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

(3) 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端中的軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議接收RT中的數(shù)據(jù)并將人機(jī)交互界面的命令發(fā)送給RT。

圖3 軟件總體結(jié)構(gòu)

2.2 FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA中的軟件流程見圖4。程序首先執(zhí)行初始化操作，包括設(shè)置采樣率、采樣時(shí)間、采樣模式等。FPGA給RT發(fā)出中斷，等待RT回復(fù)中斷，一旦得到中斷回復(fù)就表示RT已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA可以開始采集數(shù)據(jù)，這一中斷機(jī)制可以有效保證FPGA和RT的同步，避免數(shù)據(jù)丟失。本系統(tǒng)采用外部信號(hào)觸發(fā)，由于斷路器的分合閘起始時(shí)刻定義為分合閘線圈有電流的時(shí)刻，因此FPGA不斷檢測(cè)分合閘線圈的電流信號(hào)，一旦信號(hào)達(dá)到觸發(fā)幅值，立即開始采集數(shù)據(jù)。每次同時(shí)讀取所有的輸入端口，并存入FIFO中。一般真空斷路器的動(dòng)作時(shí)間不會(huì)超過(guò)50 ms，設(shè)置采樣時(shí)間為100 ms，通過(guò)判斷是否到達(dá)采樣時(shí)間來(lái)中止采樣。

圖4 FPGA軟件流程

2.3 RT軟件設(shè)計(jì)

RT中的軟件流程如圖5所示。RT通過(guò)TCP/IP協(xié)議接收來(lái)自遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的控制命令，包括初始化設(shè)置等。經(jīng)過(guò)初始化后，發(fā)送開始命令給FPGA，使FPGA軟件開始執(zhí)行。軟件不斷循環(huán)等待FPGA發(fā)出的中斷信號(hào)，接收到中斷請(qǐng)求后，回復(fù)FPGA可以開始采集，這一中斷機(jī)制使FPGA與RT建立了高度同步。讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，寫入RT的內(nèi)存中，通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，讀取完FIFO中的數(shù)據(jù)后，發(fā)送停止命令給FPGA。RT軟件進(jìn)入機(jī)械特征參數(shù)提取環(huán)節(jié)，該過(guò)程有一系列提取算法實(shí)現(xiàn)，提取到的特征量通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，程序結(jié)束。

圖5 RT軟件流程

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端軟件流程如圖6所示。終端軟件不斷檢測(cè)人機(jī)交互界面上的事件響應(yīng)，判斷該響應(yīng)事件是RT命令還是終端命令，若是RT命令則通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送至RT，若是終端命令執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，顯示斷路器歷史動(dòng)作發(fā)生的時(shí)間、動(dòng)作類型、波形、機(jī)械特征參數(shù)等。通過(guò)TCP/IP協(xié)議接受數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，顯示界面默認(rèn)情況顯示最近一次動(dòng)作的數(shù)據(jù)。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端軟件流程

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

本系統(tǒng)應(yīng)用于投切電容器組的ZW32-12真空斷路器上，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖7所示為執(zhí)行分閘動(dòng)作時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端人機(jī)交互界面。將本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果與高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試儀結(jié)果作對(duì)比，數(shù)據(jù)見表1。

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端界面

監(jiān)測(cè)內(nèi)容本系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試儀A相合閘時(shí)間/ms29.5828.5B相合閘時(shí)間/ms29.5828.4C相合閘時(shí)間/ms29.8228.9合閘不同期性/ms0.240.5剛合速度/(m·s-1)0.990.81A相分閘時(shí)間/ms19.7417.5B相分閘時(shí)間/ms19.9817.9C相分閘時(shí)間/ms20.0617.8分閘不同期性/ms0.320.4剛分速度/(m·s-1)1.141.04觸頭開距/mm9.048.1觸頭超程/mm1.291.4分合閘線圈電壓/V222.45220

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)參數(shù)與機(jī)械特性測(cè)試儀的測(cè)試結(jié)果相差不大,考慮到每次測(cè)試都有一定的分散性，誤差在可接受的范圍內(nèi)，可以反映真空斷路器的機(jī)械特性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于CompactRIO設(shè)計(jì)的真空斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)采集卡，采樣精度高，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜惡劣的電磁環(huán)境，增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了信號(hào)采集的準(zhǔn)確性；利用FPGA控制數(shù)據(jù)采集，建立同步時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的并行同步采集；采用以太網(wǎng)通信方式，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，并具備網(wǎng)絡(luò)發(fā)布能力，提高了監(jiān)控的靈活性。

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[15] 孫一航，武建文，廉世軍，等.結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解能量總量法的斷路器振動(dòng)信號(hào)特征向量提取[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29(3)：228-236.

[16] 石敦義，繆希仁，郭謀發(fā).基于分形理論的低壓斷路器三相合閘同期性振動(dòng)信號(hào)特征分析[J].電工電能新技術(shù)，2014，33 (5)：44-50.

[17] 曾慶軍，林燕俠，趙 洋.高壓真空斷路器智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制及故障診斷[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，39(S2) ： 42-48.

Design of On-line Monitoring System for Vacuum Circuit Breaker Mechanical Characteristics Based on CompactRIO

ZHOUYu-hao1,2,LIXiao-jian1,2,ZHANGCheng-long1,2,YANGZhi-chao1,2

(1. School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China;2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Smart Distribution Network, Nanjing 211167, China)

To improve circuit breaker on-line monitoring device for environmental adaptability and signal acquisition precision, an on-line monitoring system for vacuum circuit breaker mechanical characteristics is designed based on CompactRIO. The signal of contactor trip, switching coil current and switching vibration are monitored by the system. The system can accurately get the time point of switching, switching time and switching speed. The overall structure of on-line monitoring system is introduced, the function of each module is expounded. According to the characteristics of signals, appropriate sensors and the reasonable test methods are determined. The structure and principle of data acquisition module based on FPGA are studied in detail, the innovation and advantage of this system are explained from the angle of hardware. The system software architecture is elaborated, remote monitoring terminal, FPGA and embedded real-time systems are developed based on the LabVIEW platform. Test results show that the system has a high precision and a good environmental adaptability.

online monitoring; vacuum circuit breaker; mechanical characteristics; CompactRIO; FPGA

2014-06-12

江蘇省高校自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(13KJB470006)；南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(N20141725)

周宇浩(1990-)，男，江蘇蘇州人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)價(jià)、主動(dòng)配電網(wǎng)補(bǔ)償控制技術(shù)。

E-mail:z_yuhao1213@126.com

楊志超(1960-)，男，江蘇常州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估、主動(dòng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制技術(shù)。E-mail：Yangzcnj@126.com

TM 561

A

1006-7167(2015)03-0137-05