基于ARM的10kV智能斷路器在線檢測設計

許太軍，崔濤，李思翼，沈行良

（上海工程技術大學電子電氣工程學院，上海 201620）

1 引言

隨著電力系統對可靠性和運行質量提出了越來越高的要求，在整個電力行業中，發電、輸電、配電和用電環節都在監測、控制、保護等方面提出了智能化的要求。智能斷路器是智能電網的重要電氣設備之一，斷路器的運行質量直接關系到整個電網的安全供電，其故障所帶來的損失遠遠高于設備的投入費用，而且斷路器的使用面非常廣泛。因此，研制具有在線監測數據、關鍵數據存儲、系統分析診斷功能的智能斷路器是必要的。本文對此作了相關研究，提出了解決方案。

2 系統組成

設計的智能斷路器要完成的功能包括:數據采集和存儲、數據的電量轉換、故障智能診斷和報警、斷路器斷合時的機械特性分析及運行狀態分析（如圖1所示）。數據采集是獲取斷路器的運行數據。如:合、分閘線圈的電壓與電流，儲能電機的電流、電壓，斷路器觸點運行趨勢曲線，機械特性參數，斷路器觸點溫升，合分閘次數與狀態。針對采集到的數據作綜合分析，通過專家系統作智能診斷與識別，對斷路器運行狀況作出評價，為維修和更新斷路器提供依據。數據的電量轉換是把A/D采集數值轉換成對應的電量和物理參數，并將其保存。

本系統以ARM 9微處理器為處理核心，根據采集信號對斷路器所處狀態進行分析，作出正確的判斷和顯示。LCD觸摸屏（鍵盤）完成相應的操作命令。兩個串行口和網口分別完成DSP與 ARM和ARM與上位機的數據交換，USB接口作為外設擴展。軟件采用VS2008 C#編程工具設計，SQL2008數據庫儲存斷路器的運行數據和配置參數。構成如圖2所示。

圖1 智能斷路器的功能

圖2 ARM 9微處理系統的構成

3 功能設計研究

3.1 運行數據處理

運行數據處理是指對智能斷路器運行時各參數作實時采集、自動存儲和查詢分析的處理。

斷路器運行的歷史數據是分析斷路器故障和判別運行質量的重要依據，良好的數據查詢系統能及時了解斷路器的運行現狀，為運行調度和檢修人員提供快速、準確的信息。從相關歷史數據的變化趨勢，結合實際經驗和理論分析，分析斷路器機構工作狀況，判別斷路器是否有故障產生先兆，避免發生嚴重的供電事故，減少不必要的檢修和故障，使決策更具有科學性。

設計的系統在斷路器運行時自動記錄在線檢測數據，數據有機械特性數據、電氣性能數據和運行趨勢曲線。機械特性數據是合分閘時間、合分閘平均速度、接觸行程、合分順序、彈跳時間、反跳時間、開距、儲能時間、儲能次數、合分次數和合分狀態等。電氣性能數據是上下觸點溫度、合分閘線圈電流電壓、儲能電機電流電壓和控制電壓等。運行趨勢曲線是合分時主觸點運動曲線、合閘線圈電流曲線和分閘線圈電流曲線。采樣到觸點溫度和控制電壓每5分鐘一次保存到數據庫，運行趨勢曲線在斷路器合分閘時高速采樣數據，其余數據是在斷路器合分閘操作時實時獲得，并保存至對應的數據庫。

數據查詢可分為單一查詢和復合查詢。單一查詢能夠進行運行狀態和機械特性的單項查詢，例如:某一時間范圍內斷路器的分閘合閘次數。而復合查詢能夠查詢多條件下的歷史數據，例如:二月份儲能電機線圈電流≥2.5A的次數并且儲能時間≥30s。也可以進一步細化查詢條件，組成條件性邏輯關系式來查詢。

3.2 智能診斷與報警

斷路器的在線智能診斷是將檢測的數據與已有斷路器的經驗參數聯系得出的關于運行質量的判別。人為建立系統地專家數據庫，包含的內容為使用斷路器的經驗知識、理論分析的結果、電氣壽命和機械壽命的要素，把運行數據與斷路器可能引發的故障的歷史數據和專家數據庫結合起來作綜合評估，能夠預測在線運行的斷路器可能存在的問題，診斷和識別故障及其原因，在未發生前提前預報。有效地減少維護和停電的成本，大大提高人員的工作效率。

智能診斷系統由專家數據庫和數據間的邏輯關系圖組成。人為建立專家數據庫涉及的關系復雜，這些關系難以確立數學模型。本設計專家數據庫著重于斷路器運行檢修經驗編制，結合相關壽命理論計算結果，從檢修周期、采樣得到的異常數據、機械壽命和電氣壽命，采用參數估計法得到集合的交集，該交集可能會有幾個結論，根據性質重要程度予以排列，供檢修人員決策。

綜合斷路器在線檢測的參數變化是專家數據庫分析的依據。專家數據庫是由部件的故障或磨損所引發參數變化來分析某個部件與參數的關系，部件機械壽命和電氣壽命的理論計算，歷史數據的匯總。用參數估計法得到參數變化范圍，建立所有主要部件與參數變化集合。因此，識別參數變化可能會得到幾個部件發生故障或磨損結果，需要進一步查詢運行數據狀態，確定斷路器的部件老化和預測壽命，為操作人員的維護提供依據，及早發現問題存在方面，以提高電網供電可靠性，減少經濟損失。

報警設計為定時判別檢測數據，超出限值后屏幕報警提示，內容包括合分閘時間、合分閘平均速度、接觸行程、彈跳時間、開距、儲能時間、儲能次數、合分次數、上下觸點溫度、合分閘線圈電流、儲能電機電流和控制電壓等。

3.3 機械特性分析

斷路器的機械特性檢測對象包括儲能、合閘和分閘的過程數據，分析這些數據是智能斷路器的核心部分，它代表著斷路器運行質量，為診斷和判別斷路器的故障提供依據。這些數據的采樣特點是時間非常短，一般是在幾十毫秒內完成，需要由一組數據分析得到結論，所以要用高速A/D連續采樣整個合分閘過程，然后逐一分析數據變化的機理，得到能代表運行質量的數據。主要涉及數據上述3.1節已提出。

彈簧儲能過程由儲能電機給彈簧積聚能量，儲能電機的電流大小和儲能時間是反映電機運行狀態和彈簧衰老程度的重要指標。合分閘是斷路器的最主要動作，將合分閘采樣到的數據繪成曲線如圖3所示，分析這些數據可以得到斷路器運行質量的參數。合分閘時間、合分閘速度可反映出整個機械聯動機構使用狀況，曲線形狀的變化可以直接說明斷路器機械特性參數的變化，如機械磨損、彈簧的疲勞程度和各個連接部分的好壞。行程變化可反映出主觸點的磨損狀況。同期性反映三相觸點的同步狀況。這些機械參數變化是緩慢的量變過程，人工觀察時很難發現跡象。通過在線檢測對每次開關動作監視，分析和對比前后參數，預警斷路器存在的安全隱患。這些參數的存儲為智能診斷和分析問題提供依據。

圖3 斷路器的機械特性曲線

機械特性的參數值是經模糊計算得到，單一采樣到數據是無法表達任何內容，必須要通過一組采樣數據的變化范圍和趨勢、前后數據的聯系關系、局部和整體數據等，多重模糊迭代運算得出。

3.4 數據的電量轉換

數據的電量轉換是把A/D采樣值轉換成對應的物理量。A/D采樣值是十六進制數，智能斷路器所用的傳感器是成線性關系。應用系統標定界面，確定特殊點的標定值定量關系。十六進制數與物理數據量之間可以用二維直角坐標系表示，把得到的標定點折算為物理量。例如橫軸為A/D采樣十六進制數，縱軸為主觸點行程，標定點選擇（100，0）和（DFF，12）兩點，由于線性關系建立直線方程y=ax+b（圖4），可以計算出a和b，由此可以把得到的A/D值x，算出觸點當前行程y位置。以此類推其他涉及A/D采樣量的轉換。

圖4 數據量轉換示意圖

3 結束語

本設計圍繞智能斷路器的使用需求而提出解決方案，具有一定的實用價值，可以推廣到其他不同等級斷路器上應用，尤其是在超高壓斷路器上應用將會產生更大經濟效益。

智能斷路器專家數據庫診斷的經驗是需要不斷積累和完善的，不同類型的斷路器會有所差異，在應用過程中會有增加或補充內容。

［1］ARM Limited.ARM9 MPCore processor technical reference manual.ARM DDI 0360D，2006.

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