智能断路器在线监控系统的研制

包涌泉

（华中科技大学，武汉 430074）

0 引言

断路器是配电系统中的一种重要的开关电器。当回路出现过流、短路等故障时，它能自动断开回路，对回路及设备起到保护作用。随着电力系统控制方式数字化进程的发展以及电力系统综合自动化的广泛应用, 对系统可视化、自动化、网络化、实时化、精确化的要求越来越高。相应地对断路器也就提出了更高的要求。传统断路器根本无法满足现代电力系统综合自动化的需要。智能化技术的应用于是成了断路器的一个重要发展应用方向。

1 系统结构与硬件设计

1.1 系统总体结构

智能断路器在线监控系统主要由上位机、下位机和分流器三个部分组成，如图1所示。

图1 智能断路器在线监控系统结构图

其中，上位机管理软件由LabVIEw 软件开发，主要实现断路器实时数据的在线监测和动作参数的在线整定功能；下位机硬件平台由DSP及其外围硬件电路组成，完成数据采集、分析、故障保护等功能。下位机将采集到的流过断路器的电流信号和断路器自身的状态信号通过CAN总线传输给上位机进行显示。

1.2 系统硬件设计

本系统下位机硬件结构框图如图2所示。

本系统下位机硬件平台采用美国TI公司的高性能数字信号处理器TMS320LF2407作为核心处理单元。该处理器主频达40 MHz，内嵌32K字的flashROM、544字的DRAM和2K字的SRAM，具有CAN 2.0B接口，异步串行通讯口（SCI）、同步外设接口（SPI），同时拥有16个高速A／D采样通道。从分流器采样的主回路电流信号经过隔离模块后送到DSP片内的A/D转换通道，DSP进行运算、处理，当主回路满足故障动作条件时DSP输出动作信号，经光藕隔离驱动固态继电器，固态继电器接通脱扣器线圈使断路器动作，分断主回路。装置使用DSP片内的存储器存放程序，外扩一片RAM芯片存放数据，使用SPI接口扩展一片串行EEPROM芯片用于存放断路器的相关参数，通过CAN总线可以将断路器本身的状态和系统的电流等参数实时传输到上位机。装置本身的状态能通过指示灯显示，通过按钮可对装置进行检测，本装置同时具有自诊断功能。

图2 下位机结构框图

2 上位机管理系统设计

2.1 总体设计

本系统上位机管理软件采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW8.2开发。LabVIEW 是一种图形化的编程语言—G语言，采用图形模式的结构框图构建程序代码，为实现仪器编程和数据采集系统提供了便捷的途径。上位机管理系统的主界面如图3所示。在主界面中可以通过选择不同的功能调用不同的界面完成相应的操作。

图3 上位机管理系统主界面

2.2 在线实时监测界面设计

上位机管理系统实时监测界面如图4所示，具体功能包括CAN 总线操作、主回路电流波形显示、断路器状态显示3个部分。CAN总线操作主要完成对USB—CAN卡的操作，从而为下位机向上位机传送数据做准备。主回路电流波形显示、断路器状态显示主要实现将来自下位机的数据以波形和数值的方式显示。具体的实现方法是通过在LabVIEW中循环调用Application Programming Interface（API）函数实现将接收到的数据传送给波形图控件和数值显示控件进行显示。

图4 实时监测界面

2.3 参数设定界面设计

上位机管理系统参数设定界面如图5所示，具体功能包括CAN总线操作、参数设定、参数显示等三个部分。通过下拉命令框选择对各种参数进行在线设定和显示。具体的实现方法是通过在LabVIEW当中循环调用Application Programming Interface（API）函数实现将设定的参数数据传送给下位机，同时将接收到的数据传送给数值显示控件进行显示。

图5 参数设定界面

3 下位机软件设计

3.1 软件开发环境

本装置的软件开发环境选用 TI公司推出的用于开发其 DSP芯片的集成开发环境 Code Composer Studio。由于C语言有着良好的可读性和易移植性，所以我们选用C语言开发程序。

3.2 软件结构

软件主要由主程序和定时中断程序两部分组成。

图6 主程序流程图

主程序流程如图6所示，保护装置在上电或硬件复位后，开始DSP初始化和系统变量初始化，然后进入主循环。在主循环过程中进行IO口扫描和数据发送程序。IO口扫描程序接受装置面板上的按键命令，数据发送程序将主回路电流和断路器状态信号发送到上位机上显示。

定时中断程序是装置的控制核心，程序流程如图7所示，它包括数据采集程序，数据滤波程序、定时限保护程序。其中定时中断周期为100 μs。

数据采集使用TMS320LF2407内部的A/D转换器来完成；为了减小采集数据受到的干扰，对数据进行去极值平均滤波和滑动平均滤波处理。定时限保护程序实现瞬时逆向保护和长、短延时过载保护功能。

图7 定时中断程序流程图

4 结束

本文设计的基于DSP和LabVIEW 的智能断路器在线监控系统，人机界面友好，操作简单，交互能力强，具有数据采集、结果显示、数据保存和参数设定等功能；采用TMS320LF2407作为下位机在线监测单元的核心，实时性好，精度高，可靠性高。

将该系统应用于某发电机断路器进行现场试验，结果表明，该智能断路器在线监控系统性能稳定、准确性高，效果理想。

[1] 杨乐平, 李海涛, 赵勇, 杨磊. LabVIEW 高级程序设计. 北京: 清华大学出版社, 2003.

[2] TMs320LF／Lc24ox DSP Controllers System and Peripherals, 2000.

[3] TMs320LF／Lc24ox DSP Controllers CPU and Instruction Set, 2000.