采用双CPU的分布式断路器在线监测装置研究

刘旭东(营口职业技术学院，辽宁营口 115000)

采用双CPU的分布式断路器在线监测装置研究

刘旭东
(营口职业技术学院，辽宁营口 115000)

本文提出一种采用双CPU的分布式断路器在线监测装置，对断路器的电寿命、机械特性和温度进行实时监测，并详细介绍系统的硬件结构和软件程序。对断路器进行阈值预设定，通过主要状态辨识对断路器进行在线测量，并与在日常检查中记录断路器正常运行时的状态辨识量进行比较，判断断路器的正常、预警、故障、急停等信息。

状态辨识；在线监测；双CPU；断路器；电磁兼容

断路器作为电力网络中重要的设备，其持续、正常的运行是电网稳定的重要保障。现阶段，断路器的检修分为定期检修和状态检修。作业人员在断路器维护保养过程中操作不到位，是断路器故障多发的主要原因。数据显示，10%左右的断路器故障是由于不正确的检修所导致，从而降低了设备的可靠性，并可能存留故障隐患。状态检修能够克服定期检修的盲目性，同时节省维护费用[1-2]。状态检修是对断路器的运行状态进行预知判定，本文研究的断路器在线监测装置是为断路器状态检修提供实时在线状态预知和判断。通过主要状态辨识对断路器进行在线测量，并与在日常检查中记录的断路器正常运行时的状态辨识量进行比较，判断断路器的正常、预警、故障、急停等信息。

1 断路器的状态辨识量

真空断路器主要占据中压等级，SF6断路器和GIS(gas-insulated metal-enclosed switchgear)主要占据高压、超高压和特高压等级。真空断路器、SF6断路器和GIS中都有触头和操动机构，需要定期进行机械老化的维护，但随着诊断技术的发展，诊断方法已从定期内部检查向状态监测方向发展。尤其是GIS、SF6断路器在开放检查时，不仅需要回收和填充SF6气体，还容易发生混入异物的危险，对断路器进行在线诊断，可有效降低成本并提高设备的可靠性。

1.1 断路器的电寿命

断路器在电网中开断不同大小的故障电流，对灭弧室触头的烧蚀作用是不同的。法国高能试验室(EOF)和意大利工程指导公司(ENEL)在SF6断路器电寿命研究和试验中，找到一种适用于工程使用的触头损耗等效定律：Ns=f(Isn/Is)，其中Ns为开断次数，Isn为断路器额定开断电流，Is为开断电流[3]。国内外断路器公司经大量试验和研究也得出真空断路器的开断次数n与开断电流Is之间符合一定的关系曲线：n=f(Is)。可见，真空和SF6绝缘的断路器电寿命均与开断电流和次数有关[4]；因此，由断路器的短路电流和开断次数可估算寿命，实现对断路器电寿命的在线监测和诊断，避免了定期对断路器触头损耗的解体检查，减少触头更换频率。其中，短路电流值可通过罗氏线圈的不饱和特性进行很好的提取，罗氏线圈具有良好的暂态特性测量效果，分合次数可通过断路器的辅助触点或行程开关量进行统计。

1.2 断路器的温度

断路器(尤其户外型断路器)动作时，温度变化很大，对操动机构和气体绝缘的工作可靠性会产生影响，因此实时在线监测断路器工作现场的环境温度是十分必要的。同时，在断路器动作过程中，机械振动、触头烧蚀等原因都可能使接触电阻增加，引起接触点温度升高，加剧接触表面氧化，导致局部熔焊或接触松动处产生电弧放电，最终造成电气设备损坏甚至造成设备停电等重大事故[3-4]；因此，本文提出采用无线无源温度传感器实时在线监测，当触头温度过高时进行故障报警。

2 硬件平台

前文所描述断路器状态的主要辨识参数，其辨识量获取的主要传感器为：罗氏线圈、光电位移传感器、无线无源测温探头等，其输出均可转换为电压模拟信号，通过硬件平台可实现对断路器状态参数的采集、存储和传输。

由于断路器在线监测系统监测多个状态辨识参数，系统需要解决多任务处理、多通道数值高速计算、可用I/O接口多等问题，通常的单处理器进行在线监测时容易发生CPU瓶颈问题。本系统采用双CPU处理器(DSP+MCU)架构。MCU(微处理机控制单元)负责对采样数据的通信和外设交互，DSP(数字信号处理器)负责对开关量的采集和传感器相应数据处理运算，MCU+DSP通过双口RAM进行数据通信，使监测装置有更好的运算能力和数据传输能力，确保系统的运行稳定。系统采用模块式设计，结构如图1所示，由中央处理模块(双CPU)、采集模块、开入开出模块、通信模块和人机交互模块(HMI模块)组成。

2.1 双CPU模块

与一般的监测装置采用51系列和PIC系列单片机不同，本系统采用双CPU处理器。选用TI公司的TMS320LF2407作采集计算处理，包含硬件存储器、乘法器、累加器、算术逻辑单元、总线、外设、接口以及DMA控制器等，具有良好的数据采集能力和状态检测能力。系统采用的CPU处理器(DSP+MCU)架构，可以高速处理信息，具有出色的扩展能力和抗干扰能力。而系统选用的M16C系列中的M16C62P处理器，是瑞萨公司开发的16位高性能单片机系列，稳定可靠，已大量应用于电力、冶金、化工、机械制造等工业领域。

图1 系统结构

2.2 采集模块

采集模块是在线监测系统的关键，如图2所示。被测模拟信号经过罗氏线圈互感器变换后，再经信号调理电路滤波后送给A/D进行采样，并由DSP对采集到的数字量进行逻辑运算和处理。

数据采集模块选用4块14位AD7865转换芯片，具有高速度、低功耗特点，芯片有16个模拟量通道采集，并带有4组跟随/保持放大器，能够完成4路模拟信号的同步采集。由于系统测量要求，对数据采样同步性要求较高，同时完成频率变化的修正，所以选择TMS320LF2407强大的定时器功能是十分必要的。通过定时器发出可调脉冲，使数据采集模块的4块AD7865转换芯片触发同步；通过定时器周期采样，对电网频率进行捕获，调整定时器的整定值，修正采样频率。

图2 数据采集模块原理图

3 软件系统

本系统软件采用结构化、模块化设计思想，程序通识性强，便于用户理解、修改，而且移植方便。

3.1 主系统程序设计

主系统程序如图3所示。系统开机自检，首先进行初始化：定义各级变量，各定时器、计数器恢复初始值，实时读取设备运行期间的指纹波和整定值，并存储；然后进行中断优先级判别，开始数据采样，再与整定值、波形比较，确定故障类型。程序进入中断子程序，把此故障类型和时间存储在E2ROM中，通过上级程序处理分析。并把故障数据存入发送存储单元，调用通信中断进行数据上传。

图3 主程序流程图

3.2 通讯程序设计

通讯程序设计采用中断触发控制，设备正常运动，系统处于“不工作”状态，等到中断服务程序响应，则执行。以太网采用TCP/IP通信协议，驱动程序设计分4层，包括协议接口层、网络设备接口层、提供实际功能的设备驱动功能层以及网络设备和网络媒介层，发送数据流程如图4所示。

图4 以太网的数据发送流程图

4 结语

本文设计的双CPU的分布式断路器在线监测装置具有多路模拟量的高速采集处理能力和通信能力，根据预先设定的阈值或指纹波，进行数值比较，能够及时地反应断路器现场的电寿命、机械特性和温度等状态，给出正常、预警、故障或急停等断路器运行状态。

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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

辽宁省“十三五”规划高教研究课题“服务‘中国制造2025’战略的高端技术技能人才培养研究——以高职电气类专业学生为例”(GHYB160232)。

刘旭东(1979- )，男，讲师，硕士，从事高压电器和电器智能化研究。

TM561

A

2095-7602(2017)06-0047-04