劉旭東(營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧營口 115000)

采用雙CPU的分布式斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置研究

劉旭東
(營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧營口 115000)

本文提出一種采用雙CPU的分布式斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)斷路器的電壽命、機(jī)械特性和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并詳細(xì)介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件程序。對(duì)斷路器進(jìn)行閾值預(yù)設(shè)定，通過主要狀態(tài)辨識(shí)對(duì)斷路器進(jìn)行在線測(cè)量，并與在日常檢查中記錄斷路器正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)辨識(shí)量進(jìn)行比較，判斷斷路器的正常、預(yù)警、故障、急停等信息。

狀態(tài)辨識(shí)；在線監(jiān)測(cè)；雙CPU；斷路器；電磁兼容

斷路器作為電力網(wǎng)絡(luò)中重要的設(shè)備，其持續(xù)、正常的運(yùn)行是電網(wǎng)穩(wěn)定的重要保障?，F(xiàn)階段，斷路器的檢修分為定期檢修和狀態(tài)檢修。作業(yè)人員在斷路器維護(hù)保養(yǎng)過程中操作不到位，是斷路器故障多發(fā)的主要原因。數(shù)據(jù)顯示，10%左右的斷路器故障是由于不正確的檢修所導(dǎo)致，從而降低了設(shè)備的可靠性，并可能存留故障隱患。狀態(tài)檢修能夠克服定期檢修的盲目性，同時(shí)節(jié)省維護(hù)費(fèi)用[1-2]。狀態(tài)檢修是對(duì)斷路器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)知判定，本文研究的斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置是為斷路器狀態(tài)檢修提供實(shí)時(shí)在線狀態(tài)預(yù)知和判斷。通過主要狀態(tài)辨識(shí)對(duì)斷路器進(jìn)行在線測(cè)量，并與在日常檢查中記錄的斷路器正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)辨識(shí)量進(jìn)行比較，判斷斷路器的正常、預(yù)警、故障、急停等信息。

1 斷路器的狀態(tài)辨識(shí)量

真空斷路器主要占據(jù)中壓等級(jí)，SF6斷路器和GIS(gas-insulated metal-enclosed switchgear)主要占據(jù)高壓、超高壓和特高壓等級(jí)。真空斷路器、SF6斷路器和GIS中都有觸頭和操動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要定期進(jìn)行機(jī)械老化的維護(hù)，但隨著診斷技術(shù)的發(fā)展，診斷方法已從定期內(nèi)部檢查向狀態(tài)監(jiān)測(cè)方向發(fā)展。尤其是GIS、SF6斷路器在開放檢查時(shí)，不僅需要回收和填充SF6氣體，還容易發(fā)生混入異物的危險(xiǎn)，對(duì)斷路器進(jìn)行在線診斷，可有效降低成本并提高設(shè)備的可靠性。

1.1 斷路器的電壽命

斷路器在電網(wǎng)中開斷不同大小的故障電流，對(duì)滅弧室觸頭的燒蝕作用是不同的。法國高能試驗(yàn)室(EOF)和意大利工程指導(dǎo)公司(ENEL)在SF6斷路器電壽命研究和試驗(yàn)中，找到一種適用于工程使用的觸頭損耗等效定律：Ns=f(Isn/Is)，其中Ns為開斷次數(shù)，Isn為斷路器額定開斷電流，Is為開斷電流[3]。國內(nèi)外斷路器公司經(jīng)大量試驗(yàn)和研究也得出真空斷路器的開斷次數(shù)n與開斷電流Is之間符合一定的關(guān)系曲線：n=f(Is)。可見，真空和SF6絕緣的斷路器電壽命均與開斷電流和次數(shù)有關(guān)[4]；因此，由斷路器的短路電流和開斷次數(shù)可估算壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器電壽命的在線監(jiān)測(cè)和診斷，避免了定期對(duì)斷路器觸頭損耗的解體檢查，減少觸頭更換頻率。其中，短路電流值可通過羅氏線圈的不飽和特性進(jìn)行很好的提取，羅氏線圈具有良好的暫態(tài)特性測(cè)量效果，分合次數(shù)可通過斷路器的輔助觸點(diǎn)或行程開關(guān)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.2 斷路器的溫度

斷路器(尤其戶外型斷路器)動(dòng)作時(shí)，溫度變化很大，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣體絕緣的工作可靠性會(huì)產(chǎn)生影響，因此實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)斷路器工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度是十分必要的。同時(shí)，在斷路器動(dòng)作過程中，機(jī)械振動(dòng)、觸頭燒蝕等原因都可能使接觸電阻增加，引起接觸點(diǎn)溫度升高，加劇接觸表面氧化，導(dǎo)致局部熔焊或接觸松動(dòng)處產(chǎn)生電弧放電，最終造成電氣設(shè)備損壞甚至造成設(shè)備停電等重大事故[3-4]；因此，本文提出采用無線無源溫度傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)觸頭溫度過高時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警。

2 硬件平臺(tái)

前文所描述斷路器狀態(tài)的主要辨識(shí)參數(shù)，其辨識(shí)量獲取的主要傳感器為：羅氏線圈、光電位移傳感器、無線無源測(cè)溫探頭等，其輸出均可轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號(hào)，通過硬件平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器狀態(tài)參數(shù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸。

由于斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)多個(gè)狀態(tài)辨識(shí)參數(shù)，系統(tǒng)需要解決多任務(wù)處理、多通道數(shù)值高速計(jì)算、可用I/O接口多等問題，通常的單處理器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)容易發(fā)生CPU瓶頸問題。本系統(tǒng)采用雙CPU處理器(DSP+MCU)架構(gòu)。MCU(微處理機(jī)控制單元)負(fù)責(zé)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的通信和外設(shè)交互，DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)負(fù)責(zé)對(duì)開關(guān)量的采集和傳感器相應(yīng)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，MCU+DSP通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使監(jiān)測(cè)裝置有更好的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)傳輸能力，確保系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)采用模塊式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由中央處理模塊(雙CPU)、采集模塊、開入開出模塊、通信模塊和人機(jī)交互模塊(HMI模塊)組成。

2.1 雙CPU模塊

與一般的監(jiān)測(cè)裝置采用51系列和PIC系列單片機(jī)不同，本系統(tǒng)采用雙CPU處理器。選用TI公司的TMS320LF2407作采集計(jì)算處理，包含硬件存儲(chǔ)器、乘法器、累加器、算術(shù)邏輯單元、總線、外設(shè)、接口以及DMA控制器等，具有良好的數(shù)據(jù)采集能力和狀態(tài)檢測(cè)能力。系統(tǒng)采用的CPU處理器(DSP+MCU)架構(gòu)，可以高速處理信息，具有出色的擴(kuò)展能力和抗干擾能力。而系統(tǒng)選用的M16C系列中的M16C62P處理器，是瑞薩公司開發(fā)的16位高性能單片機(jī)系列，穩(wěn)定可靠，已大量應(yīng)用于電力、冶金、化工、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 采集模塊

采集模塊是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，如圖2所示。被測(cè)模擬信號(hào)經(jīng)過羅氏線圈互感器變換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波后送給A/D進(jìn)行采樣，并由DSP對(duì)采集到的數(shù)字量進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理。

數(shù)據(jù)采集模塊選用4塊14位AD7865轉(zhuǎn)換芯片，具有高速度、低功耗特點(diǎn)，芯片有16個(gè)模擬量通道采集，并帶有4組跟隨/保持放大器，能夠完成4路模擬信號(hào)的同步采集。由于系統(tǒng)測(cè)量要求，對(duì)數(shù)據(jù)采樣同步性要求較高，同時(shí)完成頻率變化的修正，所以選擇TMS320LF2407強(qiáng)大的定時(shí)器功能是十分必要的。通過定時(shí)器發(fā)出可調(diào)脈沖，使數(shù)據(jù)采集模塊的4塊AD7865轉(zhuǎn)換芯片觸發(fā)同步；通過定時(shí)器周期采樣，對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行捕獲，調(diào)整定時(shí)器的整定值，修正采樣頻率。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

3 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)思想，程序通識(shí)性強(qiáng)，便于用戶理解、修改，而且移植方便。

3.1 主系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

主系統(tǒng)程序如圖3所示。系統(tǒng)開機(jī)自檢，首先進(jìn)行初始化：定義各級(jí)變量，各定時(shí)器、計(jì)數(shù)器恢復(fù)初始值，實(shí)時(shí)讀取設(shè)備運(yùn)行期間的指紋波和整定值，并存儲(chǔ)；然后進(jìn)行中斷優(yōu)先級(jí)判別，開始數(shù)據(jù)采樣，再與整定值、波形比較，確定故障類型。程序進(jìn)入中斷子程序，把此故障類型和時(shí)間存儲(chǔ)在E2ROM中，通過上級(jí)程序處理分析。并把故障數(shù)據(jù)存入發(fā)送存儲(chǔ)單元，調(diào)用通信中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

圖3 主程序流程圖

3.2 通訊程序設(shè)計(jì)

通訊程序設(shè)計(jì)采用中斷觸發(fā)控制，設(shè)備正常運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)處于“不工作”狀態(tài)，等到中斷服務(wù)程序響應(yīng)，則執(zhí)行。以太網(wǎng)采用TCP/IP通信協(xié)議，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)分4層，包括協(xié)議接口層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層、提供實(shí)際功能的設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能層以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)媒介層，發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的雙CPU的分布式斷路器在線監(jiān)測(cè)裝置具有多路模擬量的高速采集處理能力和通信能力，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值或指紋波，進(jìn)行數(shù)值比較，能夠及時(shí)地反應(yīng)斷路器現(xiàn)場(chǎng)的電壽命、機(jī)械特性和溫度等狀態(tài)，給出正常、預(yù)警、故障或急停等斷路器運(yùn)行狀態(tài)。

[1]苑舜.高壓開關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2]方可行.斷路器故障與監(jiān)測(cè)[M].北京:中國電力出版社,2002.

[3]Pones A. Electrical endurance and reliability of circuit-breakers: common experience and practice of two abilities[J].IEEE Trans on PWRD,1993,8(1):168-172.

[4]黎斌.斷路器電壽命的折算、限值及其在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].高壓電器,2005(12):428-433.

[5]LI Bin. Conversion, limit and on-line monitoring technology of electrical endurance for circuit breakers[J]. High Voltage Apparatus,2005(12):428-433.

[6]M Kamarol,S Ohtsuka,H Saitou.Investigation of discharge characteristic for diagnosis[C].The X IV international symposia.On high voltage eng.,2005:171-176.

[7]胡曉光,孫來軍.SF6斷路器在線絕緣監(jiān)測(cè)方法研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2006(4):1-3.

[8]HU Xiao-guang,SUN Lai-jun.Research on insulation monitoring of SF6circuit breaker[J].Electric power automatic equipment,2006(4):1-3.

Research of Dual-CPU Distributed Circuit Breaker Monitoring Equipment

LIU Xu-dong

(Yingkou Vocational and Technical College, Yingkou Liaoning 115000,China)

This paper presents a dual-CPU distributed circuit breaker monitoring system, real-time monitoring of temperature, electrical life of the circuit breaker, mechanical properties，and the details of the hardware structure and software. Threshold set on the circuit breakers and normal operation of the “fingerprint wave”for storage, which compare collecting data with storage waveform and set circuit breaker threshold. Given the state of the breaker in the normal, warning, failure and emergency stop.

state recognition；online monitoring；dual-CPU；circuit breakers；EMC

2017-03-23

遼寧省“十三五”規(guī)劃高教研究課題“服務(wù)‘中國制造2025’戰(zhàn)略的高端技術(shù)技能人才培養(yǎng)研究——以高職電氣類專業(yè)學(xué)生為例”(GHYB160232)。

劉旭東(1979- )，男，講師，碩士，從事高壓電器和電器智能化研究。

TM561

A

2095-7602(2017)06-0047-04