基于分合闸线圈信号的断路器状态在线监测系统设计
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摘 要： 针对目前高压断路器在线监测技术的研究现状和不足，提出了一种基于分合闸线圈电流信号的高压断路器状态在线监测系统。设计了构成系统的硬件电路和在线监测软件，该系统能够快速实现对实时数据的采集、转换、滤波、放大和分析，能够计算分合时间、分合速度、开关行程、分合行程、过冲距离等参数，能够对高压断路器的动作类型进行基本的判断，监测结果能在上位机监控界面上显示。实验和实际运行结果表明该系统具有实时性好、监测数据全面、可靠性高和抗干扰能力强等优点。
关键词： 断路器； 在线监测； 硬件设计； 软件设计
中图分类号： TN710?34； TP21 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0100?05
Design of online monitoring system for breaker status based on closing coils signal
BIAN He?ying， DAI Ke?jie
（College of Electrical and Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）
Abstract： Aiming at the research status and deficiencies of online monitoring technology for high voltage circuit breaker， an online monitoring system for high voltage circuit breaker status based on the current signal of the closing coil is provided. The hardware circuits and online monitoring soft were designed. The system can realize collecting， converting， filtering， amplifying and analyzing the real?time current signals quickly， and also can calculate a lot of parameters such as the close?open time， close?open velocity， switching path， close?open path and overshoot distance， which can judge the types of action of the high voltage circuit breaker， and the monitoring results can be displayed on the PC monitor interface. Experiment and actual operation shows that the system has the advantages of better real?time， fully data monitoring， high reliability and high anti?disturbance.
Keywords： circuit breaker； online monitoring； hardware design； software design
0 引 言
随着电力系统的容量与能量需求的不断增加，电力设备的安全运行显得越来越重要。高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，能够根据电网运行的需要可靠的投入或切除相应的线路或电气设备，在电网中能起到控制和保护作用。当发生故障时能够及时将故障线路或电气设备从电网中快速切除，如果高压断路器不能及时开断线路、消除故障，就会使事故扩大造成严重后果[1?2]。因此高压断路器工作的可靠程度、性能的好坏是决定电力系统安全运行的重要因素。
目前，我国变电站对高压断路器的检修主要是定期检修，但对高压断路器定期检修制度的盲目性大且需要拆卸，常常在拆卸和安装过程中会带来新的问题[3]。因此对高压断路器必须实行在线状态监测，实时监测其运行状态，为设备是否需要状态检修提供依据。
一些发达国家对高压断路器的在线状态监测技术已日趋成熟。比如美国德克萨斯电力公司的便携式断路器分析仪、ABB公司开发的SF6断路器状态监测系统、日本东京电力公司和东芝公司联合开发的GIS在线监测系统等[4]。目前我国还没有很成熟的断路器状态监测产品，但一些单位在这方面已做出了有益的探索，如清华大学开发的高压断路器状态监测系统，华中理工大学和湖南省电力局联合研制的高压断路器机械特性在线监测系统等[5?6]。根据各种资料和文献的报导[7?10]，目前高压断路器的在线监测技术仍存在如下几个突出问题：在线监测选择的传感器不够精确，诊断精度不高；数据的保存、处理等不系统，缺乏科学的管理，无法根据利用断路器运行的历史对故障做出合理的判断；在线监测装置模块寿命过短，安装维护困难，价格过高而精度不够高；以往在线监测装置所关心的是机械参量的计算结果，而对机械运动的过程关心不多。
基于此，针对目前高压断路器研究的现状和不足，结合国内外高压断路器在线监测技术的最新研究成果，设计开发了一套高压断路器在线监测装置。
1 系统总体结构及方案设计
本设计主要包括硬件设计和软件设计，硬件设计主要包括信号调理电路、隔离放大电路、AD7606应用电路以及AD7606与STM32的接口电路；软件设计主要是高压断路器智能在线监控软件的设计。具体的系统总体结构框图如图1所示。
图1 系统总体结构框图
设计方案如下：首先将采集到的高压断路器分合闸线圈电流信号通过信号调理部分的滤波、转换等作用变成电压信号；其次通过隔离放大电路将此电压信号放大到AD7606端口所需的电压；再通过AD7606将电压信号转换成数字信号并输入到STM32微处理器中，利用STM32的计数器实现编码器的脉冲计数，进而测量出高压开关触头行程；最后STM32将测到的电流数据和行程数据经过处理后通过RS 422接口传给上位机PC，并在监控界面上显示。
2 系统硬件电路设计
2.1 信号调理电路设计
信号调理电路首先将电流传感器采集到的高压断路器的分合闸电流信号通过电阻[R104]将此信号转化成相应的电压信号，然后经三端滤波器FP100将此电压信号输入到模拟运算放大器，通过模拟运算放大器AD822将电压信号放大[K]倍后把信号传输给隔离放大器电路，其中[K=1+R101R100=10。]信号调理电路如图2所示。
2.2 隔离放大电路设计
设计的隔离放大电路如图3所示。
此电路最重要的部分是IC100隔离放大器，其内部封装元件是ISO124，它是一种新的占空比调制解调技术的精密隔离放大器，采用匹配1 pF隔离电容进行输入输出的隔离，并整体嵌入塑料封装内。IC100的每一个电源引脚都要接一个1 μF的电容，电容应尽可能地靠近放大器，其内部频率设定为500 kHz，为把DC/DC转换器馈通噪音减至最低，在电源端设计了一个л型过滤器。ISO124放大器传输信号通过一个500 kHz占空比调制技术穿过一个隔离电容。对于输入信号低于250 kHz的频率，这种系统的工作就像任何一个线性放大器的工作，但是对于频率高于250 kHz，其工作的情况与采样放大器相似。
图2 信号调理电路
图3 隔离放大电路
2.3 AD7606应用电路
设计选用16位、8通道同步采样模数数据采样系统AD7606，其内部包括模拟输入位保护、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型模数转换器、灵活的数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。AD7606的应用电路如图4所示。
图4中[V1、][V2、][V3]和[V4]分别是由信号调理电路经隔离放大后输出的主分电压、副分电压、合闸电压和储能电机电压，作为AD7606的输入信号。[RP80]和[RP81]构成上拉电阻。电容[C84、][C83、][C80]等可实现退耦作用，为AD7606提供所需的稳定电压。AD7606数字端口使用的+3.3 V的电压，与STM32使用同一路电源，模拟部分电压AVCC由模块电源输出的5 V电压经滤波后提供。
2.4 AD7606与STM32的接口电路
STM32和AD7606接口电路如图5所示。
图5 AD7606与STM32接口电路
图5中STM32的28脚和AD7606的CONVST脚相连，用于启动AD7606进行A/D变换；STM32的24脚和AD7606的BUSY?AD相连，实现对AD7606转换状态的识别，AD7606转换未完成时，引脚为低电平，转换完成后，变成高电平；STM32的25脚和AD7606的CS?AD脚相连，用于选择AD7606；STM32的27脚和AD7606的RD?AD脚相连，用于读取AD7606变换后的数据。
3 系统软件设计
3.1 断路器故障监测原理
高压断路器一般都是以电磁铁作为操作的第一级控制件，而且基本上以直流电源为控制电源，故直流电磁线圈的电流波形中包含着诊断机械故障的重要信息。线圈的直流供电电路如图6所示。图6中[L]的大小取决于线圈和铁芯铁轭等的尺寸，并与铁芯的行程[S]（即是铁芯向上运动经过的路程）有密切关系，其值随着[S]的增加而增加，如图6所示。
设铁芯不饱和，则[L]与[i]的大小有关，电路中开关K合闸后，由图6电路得：
[u=iR+dwdt] （1）
式中：[w]为线圈的磁链，[w=Li，]于是，上式可变为：
[u=iR+dLidt=iR+Ldidt+idLdSdSdtu=iR+Ldidt+idLdSv] （2）
不同[S]处的[dLdS]即为如图7曲线在[S]处的斜率[tan?；][v]为铁芯的运动速度。图8为高压断路器操作时，线圈中的典型电流波形随铁芯运动的变化过程可分为以下四个阶段。
图6 断路器分合闸电路
图7 L?S曲线
图8 线圈电流波形
（1） 铁芯触动阶段：在[t=t0～t1]的时间段，[t0]为断路器分（合）命令到达时刻，是断路器分、合时间计时起点；[t1]为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁芯运动，即铁芯开始运动的时刻，这是指数上升曲线，对应图8中[t0～t1]的电流波形起始部分。
（2）铁芯运动阶段：在[t=t1～t2]间，铁芯在电磁力的作用下，克服了重力、弹簧力等阻力，开始加速运动，直到铁芯上端面碰撞到支持部分停止运动为止。根据这一阶段的电流波形，可诊断铁芯的运动状态，例如铁芯运动有无卡涩以及脱扣、释能机械负载变动的情况。
（3）触头分、合闸阶段：在[t=t2～t3]间，铁芯已停止运动。这一阶段是通过传动系统带动断路器触头分、合闸的过程。[t2]是铁芯停止运动的时刻，而触头则在[t2]前后开始运动，[t3]为断路器辅助接点切除时刻， [t3～t0]或[t3～t2]可以反映操作传动系统运动的情况。
（4）电流切断阶段：[t=t3]时，辅助接点切断后开关K断开，在其触头间产生电弧并被拉长，电弧电流[i]随之减小至零直至熄灭。
综合以上几个阶段情况，通过分析[i]的波形和[t1，][t2，][t3，][I1，][I2，][I3]等特征值可以分析出铁芯启动时间、运动时间、线圈通电时间等参数，从而得到铁芯运动和所控制的启动阀，铁闩和辅助开关转换的工作状态，即可以监测操动机构的工作状态，进而预测故障。
3.2 系统软件设计流程
系统软件设计思路：当STM32处理器、AD7606、串行接口和编码器接口初始化后，先经A/D采样后将数据信息暂存在环形存储器，判断所得数据是否大于阈值，然后将大于阈值的数据再次经A/D采样，存储在正常数据缓冲区中。当采样次数大于等于2 000时，就将数据进行处理并发送到上位机。系统软件设计流程如图9所示。
图9中环形存储器只存储500个数据且只存储最新的500个数据，即可存储最近的100 ms数据，正常数据缓冲区提供3 000点的存储容量，提供600 ms的实时数据，两个数据缓冲区的数据进行拼接，可以完整记录断路器动作一次时操作机构各个线圈电流的变化。
3.3 断路器智能在线监测系统设计
本系统软件是利用C++语言设计的断路器智能在线监测系统，能够对本系统硬件处理后的数据在上位机上可视化显示的软件。设计软件中包括基本设置、设备参数、算法选择、建立连接、分析数据、消除报警、导出数据、用户管理等功能，本界面通过和下位机的连接将采集的数据传送显示出来，并将采集的数据送入数据库，数据库中以表的形式存储数据。高压断路器智能在线监测系统界面如图10所示。
图9 系统软件设计流程
图10 断路器智能在线监测系统界面
图10为采集信号后的分析图，通过对采集的信号进行分析，可以给出前述各个过程的时间点，计算各个过程的特征值，同时可以对动作类型进行判断，计算分合时间、分合速度、开关超程、分合行程、过冲距离等参数。
3.4 系统的功能、可靠性测试及应用
系统设计完成后进行了功能和可靠性测试，为此专门设计了模拟测试系统。模拟电路采用三个霍尔传感器，模拟实际过程中的主分线圈电流、副分线圈电流，合闸线圈电流，另外用了陶瓷电阻和电容，模拟电流的上升情况。此外还设计了一套触发装置，能输出三路开关量，该装置能每隔3 min触发一次，依次触发合闸线圈电流传感器、主分线圈电流传感器和副分线圈电流传感器，主要模拟断路器的分合。
功能性试验共进行了3 000次，试验结果表明设计的系统动作可靠、稳定、抗干扰能力强，符合系统的设计要求。
断路器故障监测系统通过了各种功能测试、可靠性测试以后，于2012年8月在平高集团高压试验大厅进行了试验测试，并应用在公司首台252智能GIS（Gas Insulated Switchgear）上。
4 结 语
变电站综合自动化是智能电网目前发展的方向，而实现高压断路器的状态参数监测的智能化是智能电网的一项重要内容，为此本文设计了一种基于分合闸线圈电流信号的高压断路器状态在线监测系统。该系统能够快速实现对实时数据的采集，能对分合闸线圈的电流信号进行转换、滤波、放大、存储和分析，能够计算分合时间、分合速度、开关行程、分合行程、过冲距离等参数，并能够对高压断路器的动作类型进行基本的判断。实验和实际运行表明该系统具有实时性好、监测数据全面、操作性和抗干扰能力强等优点。本系统目前已经在平高集团首台GIS252上投入运行。
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