基于多核结构的断路器在线监测系统设计

梁君涵， 郑建勇， 潘 益

(东南大学电气工程学院，江苏 南京210096)

基于多核结构的断路器在线监测系统设计

梁君涵， 郑建勇， 潘 益

(东南大学电气工程学院，江苏 南京210096)

针对目前断路器在线监测中存在的系统处理能力较弱、稳定性不足等问题，采用了微处理器(ARM),数字信号处理器( digital signal piocessor , DSP), 现场可编程门阵列(field piogiammable gate array , FPGA)三核平台实现断路器在线监测。断路器在线监测功能分为数据采集、数据运算和人机交互3部分。由FPGA控制ADS8568完成数据采集，断路器状态量通过传感器传入系统。DSP利用db2小波对FPGA采集的信号进行5次小波分解。将处理之后的数据通过基于Syslink异构的双核通信机制传输到ARM端，最终由ARM完成人机交互。该方案更加充分发挥3个控制核心的优势，使系统拥有更好的数据处理能力。通过测试，基于三核结构的断路器在线监测系统较之原来已有的系统在性能上有较大提高。

高压断路器；在线监测；Syslink；异构双核通信

0 引言

电气设备智能化在是当今社会电气行业发展的主旋律，断路器作为必不可少的一次设备，在变电站智能化的过程中具有不可替代的作用[1-8]。为了保证断路器的正常运行，对其运行状态的实时监控是提升断路器运行稳定性的重要途径，近年来有不少学者对断路器在线监测装置进行了研究[9-11]。文献[1]中开发的断路器在线监测系统采用飞思卡尔单片机为CPU，单片机的数据处理能力和系统控制能力均较弱并不适用于断路器在线监测领域。文献[2]以ARM和DSP为核心开发断路器在线监测装置，双核之间通过SPI进行通信。利用SPI通信占用硬件空间资源，而且如果装置硬件升级时需要更换ARM或者DSP，串行外设接口(serial peripheral interface , SPI)部分需要重新设计，不利于装置升级。DSP善于数据运算，但由于其串行执行指令的特点，采集数据能力不能够充分满足断路器在线监测对实时性的要求。文献[3]以DSP为核心对断路器的振动信号进行监测，并将数据通过工业现场总线传递到工控机中进行数据处理。DSP的强项是数据处理，但它的外围接口不如ARM丰富，标准化通用性不如ARM好，对整个系统的控制能力也不及ARM强。文献[4]及文献[5]采用STM32作为CPU，将RS422串口收集到的数据发送到上位机中。文献[6]同样使用单核STM32实现采集断路器实时状态数据并发送到上位机。STM32系列控制和计算能力都达不到工业级别，虽然以STM32为核心研制的装置成本低，但是其数据处理能力并不能完全胜任在线监测的要求。

综上，目前的断路器在线监测系统以单核或双核结构配合上位机的形式为主，双核之间大多是通过SPI进行通信。但是随着电气设备智能化程度的提高，断路器在线监测装置需要处理的数据越来越多，硬件系统的升级也越来越频繁，因此需要进一步提高装置处理数据的速度和运算能力，同时也要让系统升级更加方便。文中提出了基于ARM，DSP，FPGA三核结构开发的高压断路器在线监测系统，其中FPGA控制模数(analog to digital , AD)模块进行数据采样，DSP利用其强大的运算能力进行数据运算[12]，利用ARM进行整体控制以及人机交互。这样的设计方案较之单核或双核系统每一块芯片需要完成的算法减少，节约内存，从而能够更充分地发挥芯片各自的优势，大大提高系统的速度和效率。系统将ARM9和C674x系列的DSP集成为一块CPU，双核之间基于Syslink通过共享内存区域进行通信，对比通过SPI通信节省了硬件空间资源，系统稳定性好，软硬件升级更加方便。

1 总体架构

断路器在线监测是指通过监测装置获得断路器的状态量，经过数据处理之后与相关历史数据进行比对，从而判断断路器当前的运行状态。通过断路器在线监测可以对断路器的异常状态进行预判并准确做出故障诊断[2]。断路器在线监测总体上分为数据采集和故障诊断2部分。对断路器在线监测需要主要测量的状态量包含分、合闸线圈电流，动触头行程和振动信号，数据采集过程主要包括传感器将监测的断路器状态量以模拟电信号的形式送入系统，经过滤波和AD转换，模拟信号转换为数字信号之后发到处理器。故障诊断过程主要是处理器对采集到的数据进行计算，并根据数据库中的数据再与历史数据进行比较和分析，处理器中DSP和ARM之间进行双向通信。最后将断路器的工作状态显示在人机界面上并发送到后台监控，如图1所示。

图1 断路器在线监测系统总体架构Fig. 1 The overall structure of on-line monitoring system of circuit breaker

2 硬件设计

2.1 传感器选择

系统需要监测的状态量包括分、合闸线圈电流，动触头行程和振动信号。影响断路器操作可靠性的一个重要因素是机械故障[11，13，14]。分、合闸线圈电流信号包含多个特征量，可以用于诊断断路器在分、合闸控制电压异常、铁心卡涩、操动机构卡涩等故障[11]。同时，分、合闸线圈电流采集方便并且能够较好地反应断路器操作机构动作的整个过程，所以选用分、合闸线圈电流为故障分析的依据。文中系统用霍尔电流传感器HNC-03SY实现对分、合闸电流信号的监测，霍尔传感器安装方便，不需要改变电路结构。系统中使用IC压电加速度传感器LC0102T采集振动信号，它内装IC放大器，提高了传感器监测的灵敏度。断路器动触头的行程信号指的是断路器三相动触头行程-时间特性曲线，通过对特性曲线的分析，可以准确地把握断路器分、合闸的动态过程，了解包括运动速度，时间，开距，超程等机械参数，文中采用微型线性位移传感器。

2.2 模数转换模块与FPGA接口设计

硬件系统利用FPGA在逻辑时序控制上优势进行数据采集[15]，以FPGA控制AD模块构成数据采集模块，文中介绍的断路器在线监测系统中使用TI公司的ADS8568模数转换芯片，它最多支持8通道同步16位高速转换。该设计中，由FPGA控制AD芯片以10 kHz的采样频率进行采样，在CONVST信号的上升沿，AD芯片开始采样并进行模数转换，FPGA通过片选信号选中AD芯片，在RD信号为低电平时将一个通道的16位数据存入数据寄存器中。读取8次后，将数据通过数据并行总线发送给FPGA，FPGA对数据进行预处理，然后送入先入先出队列(first input first output , FIFO)缓存。

2.3 FPGA与CPU接口设计

CPU由ARM和DSP集成，DSP通过uPP与FPGA连接，uPP提供了数据总线，DSP在读数据、写数据的过程中用相应的状态标志位来置位以指示FIFO的状态，通过计算数据写入和读出的计数，来判断FIFO中的数据量[16]，DSP持续从FIFO中读出数据直到FIFO为空为止。DSP和ARM双核之间采用共享内存进行数据通信以及消息收发，DSP对FPGA所发送的数据进行处理，将结果发送给ARM，最终由ARM把数据波形呈现LCD屏上，接收工作人员对装置的操作，完成人机交互。硬件结构如图2所示。

图2 断路器在线监测系统硬件结构Fig. 2 The hardware structure of on-line monitoring system of circuit breaker

3 软件设计

3.1 故障诊断算法

断路器分合闸线圈电流是故障诊断的重要依据，其中合闸电流波形如图3所示，文中采用基于小波变换的方法提取电流信号的特征值[17]。x(t)的小波变换为：

(1)

为了方便对计算机信号进行处理，需要利用不同的a对信号进行离散处理，离散小波变换为：

(2)

设经过分解的原信号为Xs则信号的小波分解可表示为：

图3 断路器合闸电流波形Fig. 3 The waveform of closing coil current of circuit breaker

(3)

式中：信号Xi分解为下一层的Xi+1和Di+1，相当于将Xi按照频率高低进行滤波，Xi+1为低频部分信号，Di+1为高频部分信号[18，19]。

小波变换在突变监测上有很大的优势，文中介绍的装置通过小波变换可以准确地提取信号波形，以及信号波形中的特征值，以此为依据进行断路器故障诊断。

3.2 算法实现

系统中DSP内存分为存储用于判断故障的数据和对实时采样数据进行运算处理。采样数据通过uPP传入DSP之后，首先对信号波形降进行降噪处理，由于分、合闸线圈电流中突变点时刻的频率主要集中在200～300 Hz，所以降噪之后利用db2基本小波函数[20]对数据进行5次小波分解，经过重构得到D5，该层信号对应的频率范围与突变点频率相符。滤除D5中的干扰突变点之后，第一个突变点对应的时间就是电流信号波形开始的时间t1，后一个突变点对应的时间就是电流信号波形结束的时间t5，除了最初和最后突变点，剩下突变点中脉冲最大的点对应电流信号波形中的极小值点对应时间t3。

根据小波变换截取信号里对应t1至t5的波形，先检索信号里t1至t3中的最大值对应时间t2和电流i1，再检索信号里t3至t5中的最大值对应时间t4和电流i3，以上数据时间点t1，t2，t3，t4，t5和电流值i1，i3以及t3对应的电流值i2作为故障诊断的依据，同DSP中存储的用于判断故障类型的数据进行比对，将结果同电流信号波形数据一起发送到ARM端，显示在人机界面上，整个过程执行结束大约需要60 μs。

由于DSP是串行执行指令，所以如果DSP在做数据运算的同时需要兼顾数据采集会导致信号数据采集不完整，甚至错过整个信号波形。本设计中将“数据采集”和“数据处理”2个任务分开，DSP只需要完成数据处理，由FPGA控制AD模块完成实时采样，有效地提升系统数据采集的实时性和准确性。故障诊断算法软件实现图如图4所示。

图4 故障预判算法实现图Fig. 4 The realization of fault prognosis algorithm

3.3 双核通信功能实现

DSP因为其具有哈佛结构并且采用四级流水线操作等特性具有极强的数据处理能力[9]，在硬件系统中以DSP为核心构成数据处理器，完成数据的计算和故障诊断；ARM作为精简指令集(reduced instruction set computing , RISC)体系结构的微处理器，它最大的优势在于低功耗、芯片集成度高，具有极强的事务管理能力，可以同时处理3个任务，在系统中控制数据通信，并负责人机交互。DSP端完成数据计算之后需要将数据和结果发送给ARM，ARM上运行Linux系统，DSP上运行SYS/BIOS系统，双核之间通过共享内存区基于Syslink进行异构双核通信。

Syslink是一个用于开发嵌入式异构多核系统的软件系统的软件开发包，它通过约定相同的编程接口，以屏蔽硬件差异，实现异构双核通信，其中包括Linux端的接口和SYS/BIOS端的接口，编程接口的数据互通由各类组件实现，如消息收发组件，共享内存管理组件，数据传输组件等。

系统启动初始化之后DSP上SYS/BIOS端软件接口里消息收发组件就开始执行等待指令操作，等待ARM端发送操作命令。ARM运行有2个线程：一个是图形用户接口线程，运行用户应用程序用于人机交互；另一个是消息收发线程用于接收DSP传输过来的数据，并交给图形用户接口线程进行电流波形的绘制。系统启动初始化后，用户通过图形用户接口启动DSP，同时启动收发线程，开始等待DSP发出消息。DSP的消息收发组件接收到ARM的指令之后启动AD数据采集线程，开始对FPGA所发送的数据进行读取，并进行故障诊断相关的运算，同时将处理之后的数据以及故障诊断的结果写入共享内存空间内的环形缓存区，写入完成后释放存储空间，并向ARM发送消息，通知ARM可以进行采样数据的读取。消息收发线程接收到DSP发出的消息后，开始通过读指针获取环形缓存区中读取空间的有效数据。数据读取完成后向图形用户接口线程发送更新波形的信号并在DSP诊断出断路器有异常状况时提示报警。软件流程图如图5所示，装置最后显示的波形如图6所示。

图5 断路器在线监测软件流程Fig. 5 The software flow of on-line monitoring system of circuit breaker

图6 软件采集合闸电流信号波形Fig. 6 The waveform of closing coil current of circuit breaker

4 结语

相比于单核或双核的监测系统，文中介绍的监测装置软件运行更加流畅，采样波形更加光滑，故障诊断更加准确。

综上，文中介绍的系统将断路器在线监控装置需要完成的功能进行了更细致地分配到3块芯片中，具体优势如下：

(1) 在ARM上运行Linux，利用Linux开源，易裁剪，可以运行多种软件开发平台等优势实现人机交互，同时基于Linux开发了人机交互界面，利用LCD进行人机交互，省去了上位机，提升了监测软件运行的速度和流畅性，并利用ARM优秀的事务管理能力让它作为主核，负责系统的整体控制。避免用ARM完成复杂的数据计算或者直接控制A/D芯片进行数据采集。

(2) 在DSP上运行SYS/BIOS系统，利用DSP极强的数据处理能力，让它作为从核完成对采样数据的运算。DSP不需要直接进行数据采集或者对整体系统进行控制，节省内存，大大提升了系统在线监测的准确性和实时性。

(3) CPU集成了ARM9和C674x，在发挥ARM和DSP各自的优势的同时，基于共享内存的Syslink双核通信，利于硬件升级，稳定性也高于独立安装ARM和DSP并通过总线进行双核通信的系统。

文中介绍的断路器在线监测系统既节约成本，又能够满足现场对断路器在线监测装置功能的要求，较高的实用价值。同时由于ARM和DSP双核有效地分担了计算和控制的任务，系统在功能上依然有极大的提升空间，具有广阔的发展前景。

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梁君涵

梁君涵(1992—)，男，江苏南京人，硕士研究生，从事高压断路器在线监测方面的研究工作(E-mail：220152191@seu.edu.cn)；

郑建勇(1966—)，男，江苏南京人，教授，博士生导师，从事电力电子与电力传动方面的研究工作；

潘 益(1993—)，男，江苏无锡人，博士研究生，从事高压断路器在线监测与故障诊断的研究工作。

(编辑钱 悦)

On-lineMonitoringSystemDesignofCircuitBreakerBasedonMulti-coreStructure

LIANG Junhan, ZHENG Jianyong, PAN Yi

(School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Aiming at the problems such as weak system processing capability and insufficient stability in online monitoring of circuit breakers, the ARM, DSP and FPGA three-core platform are used to realize the on-line monitoring of the circuit breaker. The on-line monitoring function of circuit breaker is divided into 3 parts: data acquisition, data operation and human-computer interaction. Data acquisition is completed by FPGA control ADS8568. The circuit breaker state variables are passed into the system by sensors. The DSP performs wavelet decomposition five times on the signal collected by FPGA using db2 wavelet. Processed data is transmitted to the ARM through the dual-core communication mechanism based on Syslink heterogeneous, and finally the human-computer interaction is completed by the ARM. The scheme gives full play to the advantages of three control cores, so that it has better data processing ability. Through testing, the on-line monitoring system of circuit breaker based on three-core structure has a better performance than the original system.

high voltage circuit breaker; on-line monitoring; Syslink; heterogeneous dual-core communication

TM561

A

2096-3203(2017)06-0068-05

2017-07-10；

2017-08-13

国网江苏省电力公司科技项目(5210EC14006Z);江苏省科技厅重点研发计划(BE2016113,BE2017030)