王天澤，陳爾東，吉小軍

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，大電流、大容量、高電壓已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的主要趨勢，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)型、可靠性的要求越來越高[1]。斷路器作為供電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一，在電路中起到保護(hù)和控制作用[2]，而分合閘電磁鐵及其操動(dòng)機(jī)構(gòu)在斷路器中具有重要地位，其長期運(yùn)行中會由于各種原因引起鐵芯卡澀、匝間短路等故障，造成斷路器機(jī)械性能的下降，引發(fā)安全隱患。斷路器分合閘線圈電流波形是監(jiān)測斷路器機(jī)械特性的信號之一，反映了操動(dòng)機(jī)構(gòu)的多種狀態(tài)信息，對于分析斷路器的機(jī)械特性有著重要的指導(dǎo)意義，因此，對分合閘線圈電流信號進(jìn)行監(jiān)測十分重要[3-6]。

對于斷路器的狀態(tài)傳統(tǒng)檢測方法主要是定期維護(hù)檢修，而此種方法的缺點(diǎn)在于：一是需要停電檢修，對于生產(chǎn)生活有著較大影響；二是在拆解檢修以及重新組裝過程中可能使本身沒有故障的斷路器產(chǎn)生新的問題[7]。因此，近年來對斷路器分合閘線圈電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速，而當(dāng)前對于斷路器分合閘線圈電流的采集監(jiān)測系統(tǒng)往往只對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，缺少了對波形特征點(diǎn)的提取。針對此問題，本文設(shè)計(jì)了一套斷路器分合閘線圈電流采集系統(tǒng)，并提出一種分合閘線圈電流波形特征點(diǎn)的提取方法，通過對分合閘線圈電流波形和特征點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，給對斷路器機(jī)械特性的判斷提供了有效的依據(jù)。

1 測量原理

1.1 測量對象

分合閘線圈是斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)重要的元件之一，多數(shù)為螺管電磁鐵結(jié)構(gòu)，主要由動(dòng)靜鐵心、線圈和鐵軛等部件組成。當(dāng)有電流通過線圈時(shí)，電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，動(dòng)鐵心受磁力吸動(dòng)，使斷路器分閘或合閘[8]。典型的分合閘線圈電流波形如圖1所示。

圖1中t0～t4,I1～I(xiàn)3為波形的幾個(gè)特征點(diǎn)，其分合閘動(dòng)作過程如下[9-13]：

(1)t0～t1階段：鐵心靜止階段，t0時(shí)刻，線圈通電，鐵心受到靜摩擦力和復(fù)位彈簧預(yù)壓縮彈力的影響并未運(yùn)動(dòng)，電流呈指數(shù)趨勢上升，至稍早于t1時(shí)刻，電磁力大于阻力，鐵芯開始運(yùn)動(dòng)。

(2)t1～t2階段：鐵心運(yùn)動(dòng)階段，電路中有反電動(dòng)勢產(chǎn)生，電流逐漸減小，直至t2時(shí)刻撞桿運(yùn)動(dòng)到位，鐵芯停止運(yùn)動(dòng)。

(3)t2～t3階段：t2時(shí)刻鐵心停止運(yùn)動(dòng)，線圈電流再次呈指數(shù)趨勢上升，直至電流達(dá)到直流穩(wěn)定值。

(4)t3～t4階段：t3時(shí)刻斷路器的輔助觸點(diǎn)切斷，電流迅速減小直至t4時(shí)刻減小為0，完成整個(gè)動(dòng)作過程。

1.2 測量方法

分合閘電流信號的一般持續(xù)時(shí)間在40～120 ms[14]，以本文實(shí)驗(yàn)所用的8BK28-12型10 kV開關(guān)柜為例，其斷路器分合閘線圈電流信號持續(xù)時(shí)間在40～70 ms之間，這就對傳感設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提出了一定的要求。

霍爾電流傳感器響應(yīng)速度快，測量精度高，能夠測量任意時(shí)刻的電流波形，霍爾電流傳感器的測量原理如圖2所示，其輸出電壓UO正比于原邊電流Ip的大小，十分適用于對分合閘線圈電流波形的采集。

分合閘線圈電路引線穿過霍爾電流傳感器的測量孔徑的非接觸測量方式，很好地克服了電流參量測量時(shí)的隔離問題。

2 分合閘線圈電流信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對分合閘線圈電流信號的采集、處理、存儲以及上傳，采樣率10 kHz，每次采集1 200點(diǎn)數(shù)據(jù)，時(shí)長120 ms，其硬件的主要構(gòu)成如圖3所示，主要由主控模塊、信號采集模塊、存儲模塊和通信模塊構(gòu)成。

2.1.1 主控模塊

主控模塊由STM32F103ZET6及其外圍電路構(gòu)成，該芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器，具有1 M字節(jié)的FLASH和512 K字節(jié)的SRAM，擁有豐富的外設(shè)接口，其中可變靜態(tài)存儲控制器(flexible static memory controller，F(xiàn)SMC)可以十分方便地實(shí)現(xiàn)對多個(gè)不同類型大容量靜態(tài)存儲器的擴(kuò)展。

2.1.2 信號采集模塊

信號采集模塊由霍爾電流傳感器、信號調(diào)理電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換組成。本文選用ECS1015-HL01霍爾電流傳感器，5 V單電源供電，輸入電流0～15 A，輸出電壓(2.5±1)V，響應(yīng)時(shí)間<20 μs，線性度誤差<1%；AD芯片選用AD7606，量程±5 V，16位4通道同步采樣，使用過采樣技術(shù)，有效降低了量化噪聲，提高了信噪比，通過STM32的FSMC接口對其進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)讀取，實(shí)現(xiàn)10 kHz的采樣率。

信號調(diào)理電路如圖4所示，第一級AD620儀表放大器的放大倍數(shù)可調(diào)，以本文測試用8BK28-12型10 kV開關(guān)柜為例，其斷路器的分合閘線圈電流大小不超過2 A，則霍爾電流傳感器輸出約為2.5～2.7 V，故在第一級AD620儀表放大器反相輸入端引入2.5 V的基準(zhǔn)電壓，偏置輸入端接地，放大倍數(shù)設(shè)置為20倍，使經(jīng)過調(diào)理電路輸入AD7606的電壓接近AD的量程范圍，達(dá)到最佳的精度；分合閘線圈電流信號頻率成分主要在低頻段，小于1 000 Hz，第二級設(shè)置低通濾波器的截止頻率為1 000 Hz，濾除高頻的噪聲干擾；第三級輸出級采用同相運(yùn)放電路，放大倍數(shù)設(shè)置為1倍，起電壓跟隨作用。

2.1.3 存儲模塊

為了預(yù)防在對采集到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)出現(xiàn)內(nèi)存不足的情況，本系統(tǒng)在擴(kuò)展了外部SRAM芯片IS62WV51216，大小為1 M字節(jié)，通過STM32的FSMC接口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。為了對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，本系統(tǒng)擴(kuò)展了外部FLASH芯片W25Q64，大小為8 M字節(jié)，通過STM32的SPI接口進(jìn)行控制。

2.1.4 通信模塊

為了實(shí)現(xiàn)同上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，接收上位機(jī)指令并上傳數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用RS485通信電路實(shí)現(xiàn)此功能，其電路如圖5所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化及參數(shù)配置、觸發(fā)判斷、數(shù)據(jù)存儲、通訊等子程序。由于分合閘動(dòng)作時(shí)間很短，在40～70 ms之間，因此需要判斷分合閘動(dòng)作觸發(fā)采集，本文采用動(dòng)態(tài)閾值結(jié)合負(fù)延時(shí)技術(shù)的方法，有效避免了漏判和誤判的現(xiàn)象，并采集到完整的波形，其程序流程如圖6所示。

(1)首先進(jìn)行程序初始化，并配置過采樣倍數(shù)、初始閾值K等參數(shù)。

(2)進(jìn)入外層循環(huán)，采集得到5 ms數(shù)據(jù)并求和得A，A+K為判斷是否觸發(fā)采集的閾值。

(3)進(jìn)入內(nèi)層循環(huán)，采集最新5 ms數(shù)據(jù)并求和得B，此處采集求和使用FIFO(first input first output)結(jié)構(gòu)以確保不會漏判。

(4)當(dāng)B>A+K時(shí)，認(rèn)為分合閘動(dòng)作發(fā)生，采集115 ms數(shù)據(jù)同之前采集的最新5 ms數(shù)據(jù)拼接成為完整的120 ms波形數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并存儲數(shù)據(jù)至外部FLASH，數(shù)據(jù)儲存完畢后返回外層循環(huán)，更新A的值。

(5)當(dāng)B

判斷是否觸發(fā)采集的閾值由A和K共同決定，其中A起動(dòng)態(tài)調(diào)整的作用，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的閾值采集，這種方法有效避免了因閾值固定而引起的錯(cuò)判和漏判現(xiàn)象。

3 特征點(diǎn)提取方法

為了給斷路器機(jī)械特性的判斷提供更多依據(jù)，除了對分合閘線圈波形的采集，還需對其波形特征點(diǎn)的提取。根據(jù)前文的分析，分合閘線圈電流波形的特征點(diǎn)為t0、t1、t2、t3、t4和t1、t2、t3時(shí)刻對應(yīng)的I1、I2、I3。其中t0、t4為分合閘動(dòng)作起始和截止時(shí)刻，通過簡單的閾值判斷即可提取，本文主要對t1、t2、t3這3個(gè)極值點(diǎn)及其對應(yīng)的特征值I1、I2、I3的提取算法進(jìn)行研究。傳統(tǒng)的尋找極值點(diǎn)的方法是根據(jù)斜率判斷[15]，但只根據(jù)斜率判斷的話會由于波形的微小波動(dòng)提取到一些假的極值點(diǎn)，因此，本文提出一種根據(jù)斜率劃分單調(diào)區(qū)間，提取待選極值點(diǎn)，再根據(jù)局部最值判斷極值點(diǎn)的真假的特征點(diǎn)提取算法，其流程圖如圖7所示。

該特征點(diǎn)提取算法主要分為2個(gè)步驟：單調(diào)區(qū)間的劃分和真假極值點(diǎn)的判斷。

3.1 單調(diào)區(qū)間的劃分

采集系統(tǒng)采集到的波形數(shù)據(jù)長度為1 200個(gè)點(diǎn)，時(shí)長120 ms，首先從這1 200個(gè)點(diǎn)中截取有效波形片段，如圖8所示，可以看到，圖中AB、CD段為單調(diào)遞增區(qū)間，BC、DE段為單調(diào)遞減區(qū)間。

首先按照式(1)根據(jù)相鄰兩點(diǎn)間斜率初步劃分單調(diào)區(qū)間：

F(i)=f(i)-f(i-1)

(1)

式中：F(i)為相鄰兩點(diǎn)間斜率；f(i)為有效信號第i個(gè)點(diǎn)的幅值。

然后，根據(jù)F(i)的正負(fù)，進(jìn)行歸一化處理，F(xiàn)(i)>0時(shí)令F(i)=1，F(xiàn)(i)<0時(shí)令F(i)=-1，F(xiàn)(i)= 0時(shí)仍為0。由于濾波電路和AD的過采樣采集并不能完全消除噪聲的干擾，如圖9所示，為圖8中B點(diǎn)附近虛線圈中部分的放大。

可以看到，波形在局部還可能存在小幅的波動(dòng)，僅根據(jù)簡單的斜率判斷并不能準(zhǔn)確提取特征點(diǎn)，因此引入單調(diào)區(qū)間因子K，按照式(2)計(jì)算:

G(i)=F(i)+F(i+1)+…+F(i+K)

(2)

式中：F(i)為上一步歸一化之后的斜率；G(i)為每個(gè)點(diǎn)及其后K個(gè)點(diǎn)的歸一化斜率之和。

根據(jù)G(i)的正負(fù)，進(jìn)行單調(diào)區(qū)間的劃分，G(i)>0時(shí)認(rèn)為F(i)在遞增區(qū)間，取G(i)=1，F(xiàn)(i)<0時(shí)認(rèn)為F(i)在遞減區(qū)間，取G(i)=0，F(xiàn)(i)=0時(shí)認(rèn)為F(i)跟隨F(i-1)在同一區(qū)間，對圖8所示波形的單調(diào)區(qū)間劃分效果如圖10所示，1為單調(diào)遞增區(qū)間，0為單調(diào)遞減區(qū)間。

可以看到，引入單調(diào)區(qū)間因子K后劃分的單調(diào)區(qū)間相比僅靠斜率來劃分單調(diào)區(qū)間可以有效濾除波形數(shù)據(jù)局部微小擾動(dòng)帶來的判斷錯(cuò)誤，經(jīng)過測試，單調(diào)區(qū)間因子K=3時(shí)效果最佳。

3.2 真假極值點(diǎn)的判斷

在經(jīng)過上一步的單調(diào)區(qū)間劃分后得到G(i)，在G(i)=1和G(i)=0的分界點(diǎn)即為待選極值點(diǎn)，記為ti(i=1,2,3,…,x)，若分界點(diǎn)處G(i)由1變?yōu)?，則認(rèn)為此為極大值點(diǎn)，記h(i)=1，若分界點(diǎn)處G(i)由0變?yōu)?，則認(rèn)為此為極小值點(diǎn)，記h(i)=0。h(i)=1時(shí)，求F(n)在ti-M≤ti≤ti+M區(qū)間內(nèi)的最大值及其位置a，若|ti-a|≤X則認(rèn)為此點(diǎn)為真極值點(diǎn)，反之則認(rèn)為此點(diǎn)為假極值點(diǎn)，最后，提取所有的真極值點(diǎn)及其對應(yīng)的F(i)即為所要提取的特征點(diǎn)。經(jīng)過測試，鄰域半徑M=10，誤差X=2時(shí)效果最佳。

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的分合閘線圈電流采集系統(tǒng)的可靠性和特征點(diǎn)提取方法的準(zhǔn)確性，在8BK28-12型10 kV開關(guān)柜上進(jìn)行了測試，分別進(jìn)行了5次分閘和合閘動(dòng)作，并對其特征點(diǎn)進(jìn)行了提取，測試現(xiàn)場如圖11所示，圖11(a)為霍爾電流傳感器的安裝，其中A為霍爾電流傳感器，B為分閘回路引線，C為合閘回路引線，圖11(b)為采集板在開關(guān)柜中的安裝。

采集系統(tǒng)準(zhǔn)確抓取了動(dòng)作波形、提取了特征點(diǎn)并將其上傳至上位機(jī)，其采集的波形及特征點(diǎn)如圖12所示，圖12(a)為分閘電流波形及其特征點(diǎn)，圖12(b)為合閘電流波形及其特征點(diǎn)，采集系統(tǒng)完整采集到了分合閘線圈的電流波形，為了更好地顯示每次采集的波形，將采集到的5次分合閘波形依次遞增0.5 A。

由圖12可以看到，本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)及特征點(diǎn)提取方法準(zhǔn)確地完成了對分合閘線圈電流信號的采集以及特征點(diǎn)的提取，為分析開關(guān)柜機(jī)械特性提供了有力的判斷依據(jù)。由于實(shí)驗(yàn)采用的開關(guān)柜分合閘操動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)存在重復(fù)性誤差、環(huán)境溫度、分合閘線圈發(fā)熱等因素的影響，導(dǎo)致特征點(diǎn)的時(shí)刻值和電流值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，屬于正?，F(xiàn)象，其所反映的機(jī)械特性信息本文不作討論。

5 結(jié)束語

本文以STM32F103ZET6為主控芯片，AD7606為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)了一套斷路器分合閘線圈電流信號采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對分合閘線圈電流波形的準(zhǔn)確抓取和采集，并在此基礎(chǔ)上提出了一種分合閘線圈電流波形特征點(diǎn)提取方法，實(shí)現(xiàn)了對波形特征點(diǎn)的準(zhǔn)確提取，為分析開關(guān)柜機(jī)械特性提供了有力的判斷依據(jù)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對開關(guān)柜分合閘線圈電流信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測，極大地方便了對開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的判斷，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。