何莉鵬，張一茗，張文濤，李少華

（平高集團(tuán)有限公司，平頂山 467001）

目前，在人類(lèi)社會(huì)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、文教衛(wèi)生以及人民生活等領(lǐng)域，都離不開(kāi)電網(wǎng)提供的電能， 而高壓斷路器作為電網(wǎng)中重要的開(kāi)關(guān)設(shè)備，起著重要的保護(hù)及控制作用，它的安全可靠直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。 國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議和國(guó)內(nèi)的中國(guó)電力科學(xué)研究院對(duì)高壓斷路器故障情況進(jìn)行過(guò)大量統(tǒng)計(jì)分析，其中高壓斷路器故障的80%是機(jī)械原因，而其中大多數(shù)故障是操動(dòng)機(jī)構(gòu)的問(wèn)題[1-2]。近些年來(lái)， 高壓斷路器在電網(wǎng)中數(shù)量逐漸增大，發(fā)展高壓斷路器機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，準(zhǔn)確了解高壓斷路器機(jī)械動(dòng)作狀態(tài)，及時(shí)對(duì)高壓斷路器進(jìn)行檢修，避免因?yàn)楣收显斐傻膰?yán)重事故，這對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義[3]。

眾所周知， 高壓斷路器所處環(huán)境極其復(fù)雜，干擾源非常多，實(shí)際采集的數(shù)據(jù)會(huì)受到各種各樣噪聲的污染，如何從包含誤差的數(shù)據(jù)中獲得設(shè)備真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[4-5]。 傳統(tǒng)機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用閾值濾波、中值濾波、滑動(dòng)濾波等方法，其方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但效果較差，去除噪音效果不理想，本文在傳統(tǒng)濾波算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款基于卡爾曼濾波的高壓斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)分合閘線圈電流、 儲(chǔ)能電機(jī)電流、行程、分合狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，滿足高壓斷路器日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高壓斷路器的機(jī)械特性主要指高壓斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)在分合操作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性[6]，其主要采集的信號(hào)包括操動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程、分合閘線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流、分合狀態(tài)等信號(hào)，根據(jù)上述信號(hào)計(jì)算高壓斷路器的行程、分（合）閘時(shí)間、分（合）閘速度、超程、彈跳次數(shù)、彈跳時(shí)間、平均速度、工作電流等結(jié)果。

高壓斷路器機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由機(jī)械特性監(jiān)測(cè)裝置、分合閘線圈電流傳感器、儲(chǔ)能電機(jī)傳感器、模擬行程傳感器、數(shù)字行程傳感器組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of mechanical characteristic monitoring system

高壓斷路器的機(jī)械特性信號(hào)主要分為線圈電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流、觸頭行程和分合狀態(tài)4 種。 模擬行程傳感器和數(shù)字行程傳感器采集高壓斷路器的觸頭行程信息，其中數(shù)字行程傳感器信號(hào)經(jīng)硬件濾波電路后直接傳輸?shù)紽PGA，模擬行程傳感器信號(hào)經(jīng)硬件濾波后通過(guò)AD 采集模塊傳輸?shù)紽PGA；線圈電流和儲(chǔ)能電機(jī)電流均由一個(gè)霍爾電流模塊采集，經(jīng)硬件濾波后通過(guò)AD 采集模塊傳輸?shù)紽PGA；輔助開(kāi)關(guān)可反應(yīng)高壓斷路器的分合狀態(tài)，該信號(hào)可直接接入FPGA。

FPGA 接收到信號(hào)后，將信號(hào)整理并存儲(chǔ)起來(lái)，STM32 讀取數(shù)據(jù)后首先把數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，濾波后的數(shù)據(jù)將用于分析計(jì)算高壓斷路器的機(jī)械特性參數(shù)，并發(fā)出預(yù)警、報(bào)警等信號(hào)，同時(shí)還將原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果以MMS（IEC61850 通信協(xié)議中的一種報(bào)文形式）的方式發(fā)送至上層網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 機(jī)械特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of mechanical characteristic monitoring system

本系統(tǒng)模擬行程傳感器可將高壓斷路器動(dòng)作時(shí)的角度變化轉(zhuǎn)化為電壓值變化，該信號(hào)經(jīng)低通濾波電路和分壓& 跟隨電路后接入AD7606； 數(shù)字行程傳感器采用旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器為5 V TTL 電平，經(jīng)隔離電路后直接接入FPGA； 電流傳感器采用霍爾電流傳感器，可測(cè)試分閘電流、合閘電流、副分電流、儲(chǔ)能電機(jī)電流，利用霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理，能快速測(cè)取電路的電流信號(hào)，測(cè)量精度高，該傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出并經(jīng)低通濾波電路和分壓& 跟隨電路后接入AD7606，然后輸入FPGA；輔助開(kāi)關(guān)一般安裝在機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，上面裝有反應(yīng)斷路器分合狀態(tài)的觸點(diǎn)，該觸點(diǎn)信號(hào)經(jīng)隔離回路后直接接入FPGA。

本系統(tǒng)AD7606 共采用一片共8 路輸入通道，其中器件采用單5 V 供電，數(shù)據(jù)端口的電平為3.3 V。AD7606 需要根據(jù)外圍電路配置一些工作參數(shù)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了變更各項(xiàng)參數(shù)的可能性，使用電阻焊接與否的通斷路狀態(tài)來(lái)配置AD7606。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 FPGA 軟件設(shè)計(jì)

FPGA 的外部時(shí)鐘為CLKIN=24 MHz 經(jīng)過(guò)內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）將輸入時(shí)鐘倍頻、分頻，其中24 MHz用于波形存儲(chǔ)、觸發(fā)判斷、總線切換、與STM32 接口，6 MHz 用于AD 采樣。 機(jī)械波形采樣率與儲(chǔ)能波形采樣率可以通過(guò)STM32 與FPGA 接口進(jìn)行設(shè)置。FPGA 的軟件邏輯框架圖如圖3 所示。

圖3 FPGA 軟件邏輯框架圖Fig.3 FPGA software logic framework diagram

信號(hào)采集到FPGA 后，F(xiàn)PGA 對(duì)主分電流、副分電流、合電流、模擬行程、數(shù)字行程信號(hào)以及開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)邏輯判斷，觸發(fā)條件主要包含比較值和點(diǎn)數(shù)2 個(gè)參數(shù)，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)條件后，產(chǎn)生數(shù)據(jù)記錄開(kāi)始信號(hào)， 記錄數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定數(shù)量后，產(chǎn)生數(shù)據(jù)記錄結(jié)束信號(hào)并停止記錄數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是FPGAWRMRam 和FPGAWRERam 2 個(gè)模塊，F(xiàn)PGAWRMRam 按照采樣頻率將每個(gè)采樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM 中，由于存儲(chǔ)機(jī)械波形的SRAM 有2 片，具體存儲(chǔ)哪一片，由總線切換進(jìn)行控制。 總線切換可以控制FPGA 和STM32 對(duì)SRAM 存儲(chǔ)空間的讀取和寫(xiě)入， 總線切換的前提條件是FPGA 寫(xiě)數(shù)據(jù)結(jié)束和STM32 讀數(shù)據(jù)結(jié)束，只有在這2 個(gè)條件任何一個(gè)條件結(jié)束的時(shí)候，才會(huì)進(jìn)行總線切換，其他時(shí)刻讀寫(xiě)使能保持不變。 機(jī)械波形存儲(chǔ)空間為2 片SRAM，一片定義為MRamA，另一片定義為MRamB，儲(chǔ)能波形存儲(chǔ)空間為ERam。

3.2 STM32 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32 系統(tǒng)上電后， 首先進(jìn)行初始化操作，主要包括看門(mén)狗啟動(dòng)、參數(shù)配置、系統(tǒng)自檢等。 隨后等待總線切換使STM32 可以讀取FPGA 的數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行判定， 當(dāng)數(shù)據(jù)是新數(shù)據(jù)時(shí)， 則讀取FPGA 的波形數(shù)據(jù)和配置參數(shù)， 對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果重新寫(xiě)入FPGA 進(jìn)行保存。 當(dāng)數(shù)據(jù)是已經(jīng)分析處理過(guò)的數(shù)據(jù)時(shí)， 會(huì)進(jìn)行判斷是否需要發(fā)送到上位機(jī)，若需要發(fā)送到上位機(jī)，則波形數(shù)據(jù)文件、分析結(jié)果等數(shù)據(jù)從FPGA 讀取出并通過(guò)IEC61850 協(xié)議發(fā)往上位機(jī)。 軟件流程如圖4 所示。

圖4 STM32 軟件流程Fig.4 STM32 software flow chart

3.3 STM32 與FPGA 通信設(shè)計(jì)

STM32 與FPGA 接口采用總線的形式，將FPGA 中的寄存器看做STM32 的外部存儲(chǔ)空間， 進(jìn)行統(tǒng)一編址， 對(duì)于STM32 而言，F(xiàn)PGA 中有三部分地址空間，具體如下：

（1）0x2C0000～0x2C001F：STM32 只讀空間，存儲(chǔ)FPGA 的讀取所有變量的實(shí)時(shí)值、 波形存儲(chǔ)的起始和結(jié)束地址等信息。

（2）0x000000～0x00003F：STM32 只寫(xiě)空間，設(shè)置FPGA 中通道觸發(fā)條件、讀取點(diǎn)數(shù)等所有設(shè)置參數(shù)。

（3）0x200000～0x27FFFF：STM32 只讀空間，F(xiàn)PGA 存儲(chǔ)的波形空間，包括機(jī)械波形和儲(chǔ)能波形，共享同一塊地址空間。

3.4 濾波算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中， 為了除去干擾和噪聲對(duì)信號(hào)的影響，除了對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行了低通濾波等硬件濾波外，還對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行了軟件濾波。

軟件濾波主要對(duì)采集的分合閘線圈電流信號(hào)、模擬行程信號(hào)、儲(chǔ)能電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行濾波處理，其流程如圖5 所示。

圖5 濾波算法流程Fig.5 Flow chart of filtering algorithm

濾波開(kāi)始前，將所有采集的信號(hào)按照時(shí)間順序依次排列對(duì)齊，所有數(shù)據(jù)一定在時(shí)間上同步，每種采集信號(hào)點(diǎn)數(shù)最大值為M 個(gè)。 本濾波算法中，3 種信號(hào)濾波過(guò)程一樣， 因此不再分別描述， 只選擇1種通用方式進(jìn)行介紹。 濾波時(shí)先采用閾值濾波方式濾除采集信號(hào)中的尖刺干擾信號(hào)，防止尖刺干擾信號(hào)對(duì)后續(xù)濾波算法的影響。設(shè)最大偏差值為A，A 為固定值，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，本次待濾波數(shù)據(jù)Di減去上次濾波結(jié)果值Di-1，若其結(jié)果小于或等于最大偏差值A(chǔ)，則本次采樣值有效，若其結(jié)果值大于最大偏差值A(chǔ)，則本次采樣值無(wú)效，放棄本次采樣值Di，本次采樣值用Di-1替代，則每次采樣數(shù)據(jù)值Di如下：

式中：Di為本次采樣數(shù)據(jù)值；Di-1為上一次采樣數(shù)據(jù)值。

將經(jīng)閾值濾波處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均值濾波，將待測(cè)數(shù)據(jù)5 個(gè)為一隊(duì)，當(dāng)M-i＞i＞3 時(shí)，隊(duì)伍分為Xi-2，Xi-1，Xi，Xi+1，Xi+2，對(duì)5 個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，并將該值賦予最中間那個(gè)數(shù)據(jù)Xi，Xi賦值完成后，則把隊(duì)伍整體左移，新的數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并剔除隊(duì)首的數(shù)據(jù)。

當(dāng)i＜3 時(shí)，隊(duì)伍分為Xi，Xi+1，Xi+2，Xi+3，Xi+4，對(duì)5個(gè)數(shù)據(jù)取平均值并將平均值賦值給Xi，Xi賦值完成后，則把隊(duì)伍整體左移，新的數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并剔除隊(duì)首的數(shù)據(jù)。

當(dāng)M-i＜3 時(shí)，隊(duì)伍分為Xi-4，Xi-3，Xi-2，Xi-1，Xi，對(duì)5 個(gè)數(shù)據(jù)取平均值并將平均值賦值給Xi，Xi賦值完成后，則把隊(duì)伍整體左移，新的數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并剔除隊(duì)首的數(shù)據(jù)。

因此可得滑動(dòng)平均值濾波取值公式如下：

將進(jìn)行完滑動(dòng)平均值濾波的數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波。 卡爾曼濾波是以線性化方程的狀態(tài)方程為基礎(chǔ)前提的，主要是通過(guò)上一時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)求出系統(tǒng)當(dāng)前的最有狀態(tài)[7-10]。 經(jīng)濾波后，信號(hào)預(yù)估值和測(cè)量值用線性隨機(jī)微分方程描述如下：

式中：X（n）為n 時(shí)刻的預(yù)估值；Y（n）為n 時(shí)刻的測(cè)量值；W（n）為過(guò)程噪聲；V（n）為測(cè)量噪聲；A，B 為系統(tǒng)參數(shù)，由于本系統(tǒng)測(cè)量的信號(hào)是連續(xù)單獨(dú)變化的，沒(méi)有其他控制系統(tǒng)干擾，因此本系統(tǒng)中取1。

模型函數(shù)構(gòu)建完成后， 下面開(kāi)始迭代估算，具體分為先驗(yàn)值部分和后驗(yàn)值部分。 在先驗(yàn)值部分對(duì)n 時(shí)刻的先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)值X（）和先驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差P（）估算如下：

式中：P（n-1）為n-1 時(shí)刻后驗(yàn)估計(jì)誤差協(xié)方差；Q為過(guò)程噪音W（n）的協(xié)方差。

式中：R 為測(cè)量噪聲V（n）的協(xié)方差。

用上式的卡爾曼增益來(lái)計(jì)算狀態(tài)n 時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值為

然后在測(cè)量過(guò)程中不斷更新誤差協(xié)方差P（n），即對(duì)P（n）不斷修正：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本系統(tǒng)中由于信號(hào)比較多，以合閘線圈電流為例，分別比較了采用閾值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的濾波3 種濾波方法的效果。 合閘線圈電流3 種濾波方法的效果如圖6～圖8 所示。

圖6 閾值濾波效果圖Fig.6 Raw data curve

圖7 滑動(dòng)平均值濾波效果圖Fig.7 Sliding average filtering effect

圖8 本系統(tǒng)濾波方法效果圖Fig.8 Effect drawing of filtering method of the system

由3 種濾波效果對(duì)比可以看出，經(jīng)閾值濾波處理后，信號(hào)沒(méi)有比較大的毛刺，但仍存在較多小的毛刺；經(jīng)滑動(dòng)平均值濾波處理后，毛刺幅值和數(shù)量進(jìn)一步變??；本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的濾波算法抑制噪聲的效果最好，其效果曲線更順滑，毛刺的幅值和數(shù)量最少。

此外，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波后，不應(yīng)影響分合閘時(shí)間、分合閘速度、行程、分合閘同期性等分析計(jì)算結(jié)果，為了比較分析，在ZF12D-126KV 高壓斷路器上同時(shí)接入本系統(tǒng)和德國(guó)Kocos 公司的ACTAS P6 開(kāi)關(guān)特性測(cè)試儀進(jìn)行比較， 兩者接入同一個(gè)行程傳感器和斷口線，其中斷口線選擇該斷路器的A 相。 測(cè)試場(chǎng)景如圖9、圖10 所示。

圖9 機(jī)械特性裝置及測(cè)試界面Fig.9 Mechanical characteristic device and test interface

圖10 行程傳感器安裝圖Fig.10 Installation drawing of travel sensor

分合閘測(cè)試結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 分閘測(cè)試結(jié)果表Tab.1 Opening test results

表2 合閘測(cè)試結(jié)果表Tab.2 Closing test results

由本系統(tǒng)與ACTAS P6 得對(duì)比結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)采用得濾波算法減少采集信號(hào)得干擾后，可有效提升測(cè)量精度， 其測(cè)試結(jié)果精度在±1%內(nèi)，與ACTAS P6 相差不大，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用閾值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、卡爾曼濾波相結(jié)合的方式對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，融合了各個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又避免了單個(gè)算法使用時(shí)的缺點(diǎn)， 對(duì)于機(jī)械特性監(jiān)測(cè)裝置的研制具有借鑒意義。 對(duì)于后續(xù)的研究主要考慮嘗試對(duì)卡爾曼濾波算法進(jìn)行升級(jí)， 更好的去除采集信號(hào)中的干擾成分，進(jìn)一步提升測(cè)試精度。