智能斷路器在線監控系統的研制

包涌泉

（華中科技大學，武漢 430074）

0 引言

斷路器是配電系統中的一種重要的開關電器。當回路出現過流、短路等故障時，它能自動斷開回路，對回路及設備起到保護作用。隨著電力系統控制方式數字化進程的發展以及電力系統綜合自動化的廣泛應用, 對系統可視化、自動化、網絡化、實時化、精確化的要求越來越高。相應地對斷路器也就提出了更高的要求。傳統斷路器根本無法滿足現代電力系統綜合自動化的需要。智能化技術的應用于是成了斷路器的一個重要發展應用方向。

1 系統結構與硬件設計

1.1 系統總體結構

智能斷路器在線監控系統主要由上位機、下位機和分流器三個部分組成，如圖1所示。

圖1 智能斷路器在線監控系統結構圖

其中，上位機管理軟件由LabVIEw 軟件開發，主要實現斷路器實時數據的在線監測和動作參數的在線整定功能；下位機硬件平臺由DSP及其外圍硬件電路組成，完成數據采集、分析、故障保護等功能。下位機將采集到的流過斷路器的電流信號和斷路器自身的狀態信號通過CAN總線傳輸給上位機進行顯示。

1.2 系統硬件設計

本系統下位機硬件結構框圖如圖2所示。

本系統下位機硬件平臺采用美國TI公司的高性能數字信號處理器TMS320LF2407作為核心處理單元。該處理器主頻達40 MHz，內嵌32K字的flashROM、544字的DRAM和2K字的SRAM，具有CAN 2.0B接口，異步串行通訊口（SCI）、同步外設接口（SPI），同時擁有16個高速A／D采樣通道。從分流器采樣的主回路電流信號經過隔離模塊后送到DSP片內的A/D轉換通道，DSP進行運算、處理，當主回路滿足故障動作條件時DSP輸出動作信號，經光藕隔離驅動固態繼電器，固態繼電器接通脫扣器線圈使斷路器動作，分斷主回路。裝置使用DSP片內的存儲器存放程序，外擴一片RAM芯片存放數據，使用SPI接口擴展一片串行EEPROM芯片用于存放斷路器的相關參數，通過CAN總線可以將斷路器本身的狀態和系統的電流等參數實時傳輸到上位機。裝置本身的狀態能通過指示燈顯示，通過按鈕可對裝置進行檢測，本裝置同時具有自診斷功能。

圖2 下位機結構框圖

2 上位機管理系統設計

2.1 總體設計

本系統上位機管理軟件采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW8.2開發。LabVIEW 是一種圖形化的編程語言—G語言，采用圖形模式的結構框圖構建程序代碼，為實現儀器編程和數據采集系統提供了便捷的途徑。上位機管理系統的主界面如圖3所示。在主界面中可以通過選擇不同的功能調用不同的界面完成相應的操作。

圖3 上位機管理系統主界面

2.2 在線實時監測界面設計

上位機管理系統實時監測界面如圖4所示，具體功能包括CAN 總線操作、主回路電流波形顯示、斷路器狀態顯示3個部分。CAN總線操作主要完成對USB—CAN卡的操作，從而為下位機向上位機傳送數據做準備。主回路電流波形顯示、斷路器狀態顯示主要實現將來自下位機的數據以波形和數值的方式顯示。具體的實現方法是通過在LabVIEW中循環調用Application Programming Interface（API）函數實現將接收到的數據傳送給波形圖控件和數值顯示控件進行顯示。

圖4 實時監測界面

2.3 參數設定界面設計

上位機管理系統參數設定界面如圖5所示，具體功能包括CAN總線操作、參數設定、參數顯示等三個部分。通過下拉命令框選擇對各種參數進行在線設定和顯示。具體的實現方法是通過在LabVIEW當中循環調用Application Programming Interface（API）函數實現將設定的參數數據傳送給下位機，同時將接收到的數據傳送給數值顯示控件進行顯示。

圖5 參數設定界面

3 下位機軟件設計

3.1 軟件開發環境

本裝置的軟件開發環境選用 TI公司推出的用于開發其 DSP芯片的集成開發環境 Code Composer Studio。由于C語言有著良好的可讀性和易移植性，所以我們選用C語言開發程序。

3.2 軟件結構

軟件主要由主程序和定時中斷程序兩部分組成。

圖6 主程序流程圖

主程序流程如圖6所示，保護裝置在上電或硬件復位后，開始DSP初始化和系統變量初始化，然后進入主循環。在主循環過程中進行IO口掃描和數據發送程序。IO口掃描程序接受裝置面板上的按鍵命令，數據發送程序將主回路電流和斷路器狀態信號發送到上位機上顯示。

定時中斷程序是裝置的控制核心，程序流程如圖7所示，它包括數據采集程序，數據濾波程序、定時限保護程序。其中定時中斷周期為100 μs。

數據采集使用TMS320LF2407內部的A/D轉換器來完成；為了減小采集數據受到的干擾，對數據進行去極值平均濾波和滑動平均濾波處理。定時限保護程序實現瞬時逆向保護和長、短延時過載保護功能。

圖7 定時中斷程序流程圖

4 結束

本文設計的基于DSP和LabVIEW 的智能斷路器在線監控系統，人機界面友好，操作簡單，交互能力強，具有數據采集、結果顯示、數據保存和參數設定等功能；采用TMS320LF2407作為下位機在線監測單元的核心，實時性好，精度高，可靠性高。

將該系統應用于某發電機斷路器進行現場試驗，結果表明，該智能斷路器在線監控系統性能穩定、準確性高，效果理想。

[1] 楊樂平, 李海濤, 趙勇, 楊磊. LabVIEW 高級程序設計. 北京: 清華大學出版社, 2003.

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

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