斷路器在線監測與故障診斷系統的研制

摘 要：文章設計一套基于DSP的機械特性監測與故障診斷系統。該系統通過傳感器得到合（分）閘回路電流、三相合閘同期性、斷路器動觸頭行程、斷路器母排端子溫升，經過調理電路后送入以數字信號處理器TMS320F2812為核心的DSP最小系統，實現斷路器機械特性各相關參量的實時采集、處理，再通過CAN總線和RS485串行總線送給上位機。上位機故障診斷系統采用一種改進型的神經網絡，以實現斷路器故障的快速診斷和專家系統的知識庫知識獲取功能。經測試，該系統能夠有效反映斷路器實際運行情況，對機械故障進行正確判斷。

關鍵詞：斷路器；在線監測；故障診斷

引言

國際大電網會議對高壓斷路器可靠性所做的2次世界范圍的調查及我國電力部門對高壓開關事故的統計分析均表明，高壓斷路器的大多數故障（主要故障的70%和次要故障的86%）發生在機械機構。主要涉及操動機構、監視裝置和輔助裝置等，大多數是由于機械特性不良造成的，如拒分、拒合或不能開斷等。其它滅弧、絕緣故障占較小的比例，發熱故障比例更低。高壓斷路器機械故障所造成的事故在次數、事故所造成的停電時間上均占總量60%以上[1]。因此，及時了解高壓斷路器的機械工作狀態對提高供電可靠性有重要的現實意義，并可以減少盲目定期檢修帶來的資金浪費[2]。本文研制一套基于DSP的機械特性監測與故障診斷系統，能夠對合（分）閘回路電流、三相合閘同期性、斷路器動觸頭行程、斷路器母排端子溫升進行監測，并能通過人工智能混合技術對機械故障進行診斷。

1 斷路器機械特性與故障診斷系統框架

要實現高壓斷路器的機械特性與故障診斷系統，需要有傳感器將高壓斷路器的信號采集，之后將信號由信道送入后臺機進行特征量提取及故障診斷[3]，其系統結構框圖如圖1所示，本文以VS1型高壓真空斷路器為研究對象，下位機是以數字信號處理器TM5320F28

12為核心的高壓斷路器機械特性測試儀，上位機為P C機。下位機實現高壓開關機械特性各相關參量的實時采集、處理，通過CAN總線和RS485串行總線送給上位機。上位機實現對測試儀的相關參數設置及修改，并發送測試的控制和觸發信息，接收下位機發送的測試數據和反饋信息。

本系統所要測量的量為：

（1）合（分）閘回路電流；（2）三相合閘同期性；（3）斷路器動觸頭行程；（4）斷路器母排端子溫升。

通過傳感器獲得以上四個量，經過調理電路后，將這四個量送入下位機，經過簡單的分析判斷后可送入上位機進行更進一步的分析，由此對斷路器的工作狀態進行判斷，對其故障進行診斷。

2 系統中傳感器的選擇與電路設計

2.1 合（分）閘線圈電流特性傳感器的選擇與調理電路

2.1.1 傳感器的選擇

本文合（分）閘線圈電流特性的數據采集采用JT5-B跟蹤型磁平衡式霍爾電流傳感器，其主要參數包括，失調電流小于0.4mA，響應時間小于1？滋s，線性度達到0.1%。傳感器安裝于斷路器分合閘操作回路之中，電流傳感器的輸出由取樣電阻轉化為電壓信號后，經信號調理電路輸入單片機。該電壓信號通過換算就可以得到二次回路的電流波形，并計算得到以下特征量：以t0為命令時間的零點，提取鐵芯停止、鐵芯運動、鐵芯運動停止、電流切斷幾個階段的時間、電流等特征參數，由此，便可實現對合（分）閘線圈的電流信號提取。

2.1.2 霍爾傳感器輸出電流信號的調理電路

電流信號經過JT5-B霍爾電流傳感器后按比例轉化為電壓信號，為防止后續電路對這個電壓信號的干擾，可利用運算放大器的“虛短”和“虛斷”原理設計電壓跟隨器，并可根據由霍爾電流傳感器得到的電壓值進行一定的縮放。

2.2 三相合（分）閘同期性傳感器的選擇與調理電路

2.2.1 傳感器的選擇

合、分操作起始瞬間的依據是判斷合、分閘電磁鐵線圈中有電流通過，故需反應非常迅速的磁平衡式霍爾電流傳感器來測量合、分閘電磁鐵線圈電流信號，即可用JT5-B跟蹤型霍爾電流傳感器進行測量，該霍爾傳感器失調電流小、線性度好、響應時間短、跟蹤速度快、動態范圍大，因而對于保證整個系統的測量精度和測量穩定性十分有利。分閘換位點取輔助開關接點狀態信號換位時刻。合閘換位點則用短時能量法分析合閘振動信號，并以此來判定變位點，進而對合閘同期性進行監測。本文選用美國PCB公司的M353B02型高性能加速度傳感器，該傳感器頻響達49kHz，量程達250g，分辨率為0.005g，適用于斷路器振動信號的檢測。將3個加速度傳感器分別安裝在斷路器二相的頂端，這樣可以比較充分地反映動靜觸頭撞擊時的情況，另外，在檢測振動加速度信號的同時記錄合閘變位信號。

2.2.2 振動信號的調理電路

M35B02傳感器的輸出信號為電壓信號，故在其后加入電壓跟隨器和適當的放大電路即可將信號接入DSP最小系統，其調理電路類似霍爾傳感器輸出電流信號的調理電路。

2.3 斷路器動觸頭行程傳感器的選擇與調理電路

2.3.1 傳感器的選擇

對斷路器動觸頭行程的監測可由對絕緣拉桿直線位移的監測轉化為對主軸角位移的監測。本文主軸轉角的測量采用WDD35-D4型精密導電塑料位移傳感器，動觸頭位移的測量則在絕緣拉桿底端安裝WDL100型精密導電塑料直線位移傳感器，兩者同步運動故位移一致，將上述主軸轉角與直線位移擬合，可得到主軸轉角A和動觸頭位移L所滿足的關系，此后，可通過WDD35-D4型精密導電塑料位移傳感器測量主軸轉角得到動觸頭行程，準確度達到0.1%。

同時可利用多提動力學軟件ADAMS建立VS1型真空斷路器模型[4]，利用實驗對仿真模型的正確性進行了驗證，模擬斷路器合（分）閘過程，從而了解不同故障下觸頭行程曲線的特征。由于傳感器不可能直接安裝在動觸頭上，這樣做可以降低獲取故障特征的難度，便于了解不同故障情況下斷路器動觸頭行程的特點。進一步地，可通過對觸頭行程進行求導運算得到觸頭速度特性。

2.3.2 角位移信號調理電路

WDD35-D4型精密導電塑料位移傳感器只需提供穩定的直流電源，就能獲得與位移成線性關系的直流電壓輸出。直流供電為0～12V，輸出的直流電壓信號為0～5V。將角位移傳感器的電壓輸出經過一個電壓跟隨器，經線性光耦隔離，進入信號調理電路后送入DSP的A/D轉換模塊。

2.4 斷路器與母排接線端子溫升測量傳感器的選擇與調理電路

2.4.1 傳感器的選擇

由于測溫點（母排與斷路器的電連接處）處于高電位，采用接觸式測溫方法很難解決傳感器的供電問題，并且容易導致高壓部分沿傳感器信號傳輸路徑對地擊穿，造成嚴重故障；因此，要測量斷路器與母排接線端子處溫升需采用非接觸式測溫方法。

本文采用基于紅外輻射原理的測溫模塊進行斷路器與母排接線端子處溫升的測量。該測溫模塊通過接收被測物體的紅外輻射來測量其溫度，當環境溫度在20～70之間時，傳感器的測量誤差不大于3。傳感器的輸出是一個電壓信號，通過V/F轉換，電壓信號轉換成頻率與電壓值成正比的數字脈沖輸入單片機進行處理。測溫器件選用PerkinElmer公司生產的TPS534型紅外溫度傳感器。

2.4.2 溫升信號調理電路

測溫模塊包括紅外溫度傳感器（熱電堆探測器）、信號放大電路、信號濾波電路及V/F變換器4個部分。在電器設備在線檢測中，紅外輻射測溫模塊必須靠近測溫點安裝。

3 高壓斷路器機械特性與故障診斷系統下位機設計

3.1 中央控制模塊器件選擇

DSP最小工作系統是整個測控單元的核心部分，由于系統需要處理的信號種類多，而且數據量也很大，為能滿足要求，由CPU（TMS320F2812），RAM（CY7C1041）、電源模塊TP573HD318、AD采集系統芯片MAX125和30M晶振構成DSP最小工作系統，其主要功能為據一定的算法和邏輯判斷對采集到的數據進行實時分析處理，并根據處理結果完成相應的控制功能。

作為CPU的TMS320F2812是美國TI公司生產的高性能32位中央處理器，片內有18K*16位SRAM、3個外部中斷和外部中斷擴展（PIE）模塊、串口外圍設備、12位ADC（16通道）、最多有56個獨立的可編程多用途通用輸入/輸出（GPIO）引腳。由此，則該系統可以完成程序存儲、程序運行、模數轉換、中斷控制、上下位機通信等功能，滿足設計要求[5]。

3.2 下位機軟件設計

本監測系統的軟件設計采用匯編語言編程，由于系統軟件需要實現多信號采樣計算、通信、顯示、響應外部中斷等多種功能，且各方面的實時性要求很高，合理地安排各個軟件模塊的相互關系對系統的穩定性至關重要，因此，在軟件設計時，充分借鑒已有嵌人式實時操作系統的思想，設計了實時多任務的調度機制。該任務調度機制給不同任務以不同優先等級，優先級高的程序具有中止低優先級程序的權限；反之則無，使重要的任務能及時的執行，提高系統的可靠性、安全性。

軟件主程序流程如圖2所示，具體執行流程是：先進行系統的自檢和初始化，以確定系統能夠正常工作。初始化程序包括各寄存器的初始化、液晶的初始化、時鐘芯片的初始化和鍵盤控制芯片初始化，并取出非易失性存儲器中的閾值數據。隨后根據任務調度程序所給的優先級，主程序進入相應的模塊處理程序。

3.3 通信方式

在通信方面，目前大部分系統使用的是RS485串行總線，但由于RS485不具有總線沖突的仲裁機制，如果有多個下位機單元同時上傳數據，RS485將不能滿足多下位機同時上傳的要求，因此本系統設計使用CAN現場總線和RS485總線共同來實現上述功能。CAN現場總線具有總線仲裁機制（CSMA/CD，即載波偵聽多路訪問/沖突檢測），能有效地避免多下位機同時上傳時造成的總線沖突，滿足系統的要求，但 CAN總線一次可傳送的數據量很小，如果傳送大量的采集數據會占用較多的時間，并且會增加傳送的不可靠性，因此在本系統對于實時性要求不高而數據量很大的數據，如波形顯示用數據，則仍通過RS485通信來實現，而對于實時性要求高的數據，如監測到的故障數據，則通過CAN總線上傳，充分發揮2種總線各自的優點[6]。

RS485總線通訊接口電路圖如圖3所示。圖中U8為RS485發送接收芯片，實現不同信號間的電平轉換。

4 上位機故障診斷系統設計

目前，用于電氣設備的故障診斷主要技術有專家系統、模糊理論、神經網絡等，可統稱為人工智能技術。這幾種人工智能技術各有利弊，故本文所設計系統可采用綜合應用這幾種方法的“人工智能混合技術”。即，將神經網絡和專家系統結合形成的神經網絡專家系統，綜合應用模糊技術、神經網絡技術和專家系統形成的模糊神經元網絡專家系統。

針對斷路器故障診斷要求快速及專家系統知識庫知識獲取的需求，本文采用一種改進型的神經網絡，并將其應用于斷路器故障診斷專家系統以實現斷路器故障的快速診斷和專家系統的知識庫知識獲取功能。人工神經網絡具有良好的自組織、自學習和自適應能力，因而特別適用于處理復雜問題或開放系統，而基于神經網絡的專家系統可以充分發揮神經網絡和專家系統的優點使得診斷系統更為完善[7]。

在本文研究的斷路器故障診斷專家系統中，利用神經網絡進行故障編碼的獲取。因神經網絡模擬人腦，采用并行存儲和處理結構，具有很快的處理速度，可以改善前述專家系統診斷速度慢的缺點。利用己有故障類型特征量訓練神經網絡，調整神經網絡的結構和權值，使其可以滿足故障診斷的精度要求。將故障編碼及與之相對應的故障類型存放在知識庫中，在故障診斷時，只需將待診斷的故障狀態特征量輸入專家系統，專家系統調用神經網絡進行識別，并輸出與輸入故障特征量相對應的故障編碼，通過正向推理就可以快速地獲得故障狀態特征量所對應的故障類型。如果經過神經網絡故障診斷和相關操作人員的確認，確實有新的故障類型，則在知識庫中添加新故障狀態特征量和新故障類型編碼，人工神經網絡通過運行網絡結構和權值自更新程序，可以實現對新故障類型的準確識別。

本文將改進型徑向基函數神經網絡算法應用于斷路器機械特性故障診斷中，該算法對RBF人工神經網絡算法做了進一步改進，將其應用于專家系統的故障類型診斷，結合傳統的正向推理機制，既可以對在線監測裝置獲取的故障信號進行快速故障診斷，又可以利用已有的專家經驗對故障類型進行確診。對于確診出的新故障類型，通過一定的操作程序，作為新知識添加到知識庫中，在一定程度上解決了專家系統的知識獲取瓶頸問題。

經過改進后的人工神經網絡實現算法描述如下：

（1）輸入向量（樣本）的歸一化處理。因為RBF神經網絡能處理的數據范圍為[-1，1]之間，而且對輸入神經網絡的數據進行歸一化處理將大大提高神經網絡的學習速度。本文的歸一化處理是將輸入樣本向量變換到[0，1]之間。具體實現方法為：將輸入列向量各個分量除以該列向量的最大值，并取絕對值。

（3）構造廣義徑向基函數神經網絡。

（4）將輸入樣本和與其對應的二進制故障編碼作為訓練樣本對輸入神經網絡進行訓練，直至神經網絡輸出滿足精度要求。

（5）將從在線監測裝置傳送過來的故障數據處理后輸入神經網絡進行故障診斷，并求取神經網絡輸出的故障編碼的最大分量值r，該值定義為新故障類型可信度。如果r小于給定的閾值A（在本文中，通過實驗測試，A=0.7），則認為此故障類型為新故障類型，將新故障類型標志置位，并和故障類型編碼一起反饋給專家系統；否則，轉第8步。

（6）通過專家系統干預，如果確定沒有新故障類型，則轉第8步；如果確定有新故障類型，將新故障編碼及相應新故障類型存入知識庫中，并將新故障類型標志、故障特征量和故障編碼送入神經網絡接口文件。

（7）將確定為新故障類型的故障特征量作為神經網絡輸入樣本，與原樣本一起重新歸一化處理，重新構造神經網絡并進行訓練，直至重新訓練后的神經網絡滿足故障識別精度要求。

（8）將神經網絡識別出的故障類型編碼傳給專家系統以獲取具體故障類型，算法結束。

通過專家系統干預，采用上述算法實現的人工神經網絡具有網絡結構自更新功能，專家系統的操作人員不需要對神經網絡做深入了解，只需熟悉其外部數據處理過程即可。

5 裝置的功能校驗與結果分析

本章根據實驗室具體情況以及監測裝置功能實現的關鍵部分，設計了模數通道實驗，機械部分的功能驗證實驗，并對實驗結果進行分析。

5.1 模數轉換通道實驗

此測量裝置實現對斷路器在線運行時的溫度狀態以及機械狀態進行監測。所有這些監測功能的實現，都是以可靠準確的模數轉換為基礎。本實驗的目的是測量系統模數通道的通道系數，從而保證各測得量的準確可靠。模數通道的AD轉換采用的是DSP內置的AD轉換模塊。AD轉換的參考電壓由外部電路提供，本設計中采用直流電源變換芯片REF196將5V轉換成3.3V作為AD轉換模塊的參考電壓。除此之外，由于AD轉換的量化誤差，線性誤差等構成的影響，對AD轉換通道必須作綜合的校驗。實驗中，我們采用如下方案。

圖4所示的實驗中，將直流電壓信號直接加在AD轉換模塊的輸入端，利用監測裝置對采樣值進行計算處理，以示波器測得值作為標準，作為裝置測得值的參考。實驗結果如表1所示。

表1所示數據就是AD轉換通道試驗的結果以及誤差，可見，AD轉換通道必定存在著一定的誤差。這個誤差可以作為AD轉換通道的通道參數，在編制程序時對結果加以修正。

5.2 機械部分功能驗證實驗

機械部分的實驗重點在機械特性的測量上。主要是行程，固有分、合閘時間和分、合閘平均速度。根據實驗室的具體情況，我們設計了一系列實驗來檢驗裝置對于斷路器機械特性測量的準確性。實驗中，以ZN12-35型真空斷路器為研究對象。在實驗過程中使用了TEKTTONIX TDS460A示波器、數字萬用表、游標卡尺、220V直流操作電源、低壓直流電源和PC機等儀器設備。

試驗的總體方案如圖5所示。安裝在主軸上的角位移傳感器通過反映主軸的角位移變化來間接向監測系統提供動觸頭的直線位移變化信息。串接在分合閘線圈回路中的霍爾電流傳感器用以采集分合閘電流。振動傳感器安裝在絕緣拉桿的底部靠近緩沖彈簧處。

運用該套試驗方案分別進行分合閘動作時動觸頭行程測量實驗、固有分合閘時間測量實驗、分合閘平均速度測量實驗、合閘不同期性測量實驗等，限于篇幅，實驗結果不一一列出，各項實驗結果顯示裝置的功能基本達到設計目標。

6 結束語

本文設計了一套基于DSP的機械特性監測與故障診斷系統，經測試，該系統監測功能能夠有效反映斷路器實際運行情況，對機械故障進行有效判斷，可為現場人員分析開關的運行狀態提供可信的判據。

參考文獻

[1]P.R.Voumard.A Simple Approach to Condition Monitoring of Circuit Breakers.CIGRE Session 1994.13-203：1～6.

[2]劉全志，師明義，秦紅三，等.高壓斷路器在線狀態檢測與診斷技術[J].高電壓技術，2001，27（5）：29-31.

[3]榮命哲，賈申利，王小華.電器設備狀態檢測[M].北京：機械工業出版社，2007：58-62.

[4]馬強，榮命哲，賈申利.基于振動信號小波包提取和短時能量分析的高壓斷路器合閘同期性的研究.中國電機工程學報[J]，2005，25（13）：149-153.

[5]寧改娣，曾翔君，駱一萍.DSP控制原理及應用（第二版）[M].北京：科學出版社，2009：8-10.

[6]呂一航，李靜，戴懷志，等.高莊斷路器綜合在線監測系統的研制[J].中國電力，2004，37（3）：68-71.

[7]王小華.真空斷路器機械狀態在線識別方法和研究[D].西安：西安交通大學，2006.