基于CompactRIO的真空斷路器機械特性在線監測系統設計

周宇浩， 李曉健， 張成龍， 楊志超

(1.南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京 211167；2.配電網智能技術與裝備江蘇省協同創新中心，江蘇 南京 211167)

?

基于CompactRIO的真空斷路器機械特性在線監測系統設計

周宇浩1,2， 李曉健1,2， 張成龍1,2， 楊志超1,2

(1.南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京 211167；2.配電網智能技術與裝備江蘇省協同創新中心，江蘇 南京 211167)

針對斷路器在線監測裝置環境適應性差、信號采集精度不高的問題，設計了一種基于CompactRIO的真空斷路器機械特性在線監測系統。系統對觸頭行程、分合閘線圈電流、分合閘振動、分合閘線圈電壓進行監測，可準確提取剛分剛合時刻、分合閘時間、分合閘速度等機械特性參數。介紹了系統整體結構框架，闡述了各模塊功能。針對各監測信號的特點，選用合適的傳感器及合理的檢測方案。詳細研究了基于FPGA的數據采集模塊結構和工作原理，從硬件角度解釋了系統的創新性和優勢。闡述了系統的軟件架構，基于LabVIEW語言開發了遠程監控終端、FPGA和嵌入式實時系統。測試結果表明，系統具有較高的檢測精度和良好的環境適應性。

在線監測； 真空斷路器; 機械特性； CompactRIO； FPGA

0 引 言

高壓真空斷路器在電力系統中具有保護與控制的雙重任務，一旦發生故障會對電網的穩定運行產生巨大影響，造成社會經濟損失。據統計斷路器全部故障中80%是機械故障[1-4]。因此對斷路器的機械特性實行在線監測，可實時掌握斷路器的機械特性，根據實際運行狀態安排檢，提高斷路器的可靠性。

歐美發達國家對斷路器在線監測的研究起步較早，技術日趨成熟，并且已有了功能較齊全、抗干擾性能較高的產品。具有代表性的斷路器在線監測系統是，瑞典ELCOM公司的OLM斷路器在線監測系統，該系統在ABB公司的斷路器上應用廣泛，代表著世界先進水平。我國的在線監測技術起步較晚，國內一些單位和公司也在積極開展斷路器監測研制,比較典型的有，江蘇國電南自的NS811系統，寧波理工監測科技股份有限公司的MDD3000G系統。這些系統在斷路器在線監測領域取得了一定的進步，但仍有不足有待改進，一方面，對環境的適應性不高，斷路器的現場運行環境復雜，特別是復雜多變的強電磁干擾，如果使用通用的數據采集模塊或自主設計的采集模塊，雖然在功能上可以實現，但是受到強大的電磁干擾后，采集的精度和穩定性都無法保證[5]；另一方面，多路信號采集的同步性不高，這將直接影響機械特征參數提取的準確性。

本文基于CompactRIO構建了真空斷路器機械特性在線監測系統，利用FPGA控制工業級數據采集卡采集信號，嵌入式實時操作系統(RT)提取特征參數，采用以太網通信，遠程監控終端實現數據存儲與人機交互。

1 系統設計

1.1 系統總體結構設計

針對現有系統多路信號采集同步性不高以及環境適應性差的問題，本文提出了基于CompactRIO的在線監測系統，設計方案見圖1。系統按照硬件結構可分為3個部分：第一部分由傳感器及工業級數據采集卡組成，實現信號的檢測與采集。第二部分是基于CompactRIO的前置控制器，內部由RT系統和FPGA模塊組成；FPGA用于控制采集卡采集數據，實現并行同步輸入；RT用于實時處理信號，提取特征參數，并建立與遠程終端的通信[6]。第三部分為遠程監控終端，建立數據庫，實現人機交互等功能。遠程監控終端與CompactRIO采用以太網通信，提高了數據的傳輸速度，符合IEC61850標準對于提高過程層互操作性的要求[7]。

圖1 總體監測系統

1.2 信號檢測方法

根據真空斷路器的試驗要求及常見的故障類型，確定真空斷路器的觸頭行程、分合閘線圈電流、分合閘振動、分合閘線圈電壓作為監測內容。傳感器的選型和安裝原則是在不破壞斷路器結構、不影響斷路器分合閘性能、不影響絕緣的前提條件下，實現信號的快速準確檢測。

(1) 觸頭行程檢測。真空斷路器結構緊湊，觸頭開距只有8～10 mm，絕緣拉桿安裝在斷路器基座內部，直線式位移傳感器不便于安裝。考慮到斷路器的動觸頭是由主軸驅動的，因此觸頭的直線位移與主軸的角位移有對應關系，該關系可通過機械機構計算得到，可通過測量角位移曲線，間接推算出觸頭行程曲線[8]。真空斷路器的主軸處于低電位，遠離高壓部分，因此不存在高電位隔離問題。在安裝空間上，斷路器主軸處有充裕空間安裝角位移傳感器。

為盡量減少傳感器對主軸的影響，采用一款非接觸式測量的角位移傳感器,即德國Novotechnik公司的RFC4800系列角位移傳感器。該傳感器由磁位器和磁場感應模塊組成，通過感知磁場方向的變化，確定角度的變化。將磁位器固定于旋轉主軸上，磁場感應模塊固定在斷路器外殼上，主軸轉動帶動磁位器造成磁場方向變化，該變化被磁場感應模塊檢測出來，經過計算得出模擬量的角度信號輸出。由于傳感器與主軸沒有物理連接，最大限度地減小了對斷路器的影響。另外該傳感器安裝時允許傳感器與磁位器左右上下偏移安裝中心±3 mm，這一特性可以很好地解決由于主軸旋轉過程中的振動帶來的測量誤差[9]。傳感器安全密封，適用于灰塵、污垢或潮濕等惡劣環境，通過密封于傳感器內部的屏蔽電纜輸出信號。

(2) 分合閘電流檢測。針對分合閘線圈電流的特點以及斷路器的空間結構特點，結合測試精度的要求，設計選用磁平衡式霍爾電流傳感器。磁平衡式霍爾電流傳感器具有優越的電性能，精度高，線性度動態特性好，工作頻帶寬，而且體積小，分合閘線圈回路穿芯而過，不會對斷路器主系統的正常運行造成影響。另外，測量回路與輸出回路相互隔離，故而不必再對電流輸入通道進行隔離[10-11]。基于以上考慮選用LHB-20A霍爾電流傳感器，該傳感器利用霍爾閉環原理，可隔離測量直流、交流、脈沖電流。在斷路器的操動機構中，分合閘線圈附近有充裕的空間，可以將電流傳感器固定在隔板上。

(3) 分合閘振動檢測。檢測分合閘振動信號可以找出觸頭的剛分剛合時刻。因此需將振動傳感器安裝在能有效檢測到本相剛分剛合時刻同時又可避免其他兩相干擾的位置。該條件其實非常的苛刻，斷路器的不同位置上的振動信號是有差異的，可能在某一點能很好地檢測到剛分剛合時刻，而在另外的點上卻檢測不到；另外，由于振動信號是會沿著結構傳遞的，理論上來說是無法完全隔離每一相的振動信號，只能減小其影響。通過不斷地試驗，發現在每一相的極柱頂端安裝振動傳感器效果較好[12-14]。

斷路器的分合閘振動信號，是一種典型的高頻非平穩信號，因此要求振動傳感器有較高的采樣率和分辨率[15-16]。基于以上考慮，選用DY121-500ICP壓電加速度傳感器，支持IEPE，采樣率可達50 K/S，靈敏度10 mV/g，測量范圍±500 g，測量頻率范圍0.5～10 000 HZ。

(4) 分合閘線圈電壓檢測。分合閘線圈電壓的大小可影響分合閘線圈的動作，進而影響斷路器的分合閘時間、分合閘速度等機械特性參數，因此只有分合閘線圈電壓在合理的范圍內，測量得到的機械特性參數才具有可比性。根據分合閘線圈電壓的特點，選用霍爾電壓傳感器，型號HNV-300T，該傳感器的特點是，響應快，體積小，可測量交直流及脈沖電壓，因此能檢測到分合閘線圈電壓的各種變化。

1.3 數據采集模塊設計

本文采用CompactRIO內置的FPGA模塊結合工業級數據采集卡實現數據采集，結構如圖2。工業級數據采集卡可實現多路信號的獨立輸入，每一路采樣通道的采樣率高達50 K/S，24位模數轉換器，并具備模擬預濾波功能。板卡內置過電壓過電流保護，采用金屬封裝，可屏蔽電磁干擾，防塵防機械外力，能有效適應變電站的復雜環境。

圖2 數據采集模塊結構

FPGA引腳接口直接和每個信號輸入通道相連，而非通過總線，因此幾乎沒有控制系統的延遲響應。FPGA代碼最終映射為邏輯門陣列中硬件邏輯，每個輸入通道都有獨立的硬件電路，通道間通過硬件互鎖。嵌入式系統主板上的40 MHz時鐘為各通道建立高度的同步機制，因此信號的采集可實現真正意義上的并行同步輸入。各通道采集到的信號數據會存入先入先出存儲器(FIFO),嵌入式實時系統可以直接讀取FIFO中的數據，提高了數據傳輸的速度。

2 軟件設計

2.1 軟件總體結構

系統軟件是基于LabVIEW語言設計的[17]，分為3個模塊，結構見圖3，分別運行于遠程監控終端、CompactRIO中的FPGA模塊和RT系統。

(1) FPGA中的軟件主要負責從數據采集卡的輸入通道中讀取數據。

(2) RT中的軟件從FPGA的FIFO中讀取數據，提取機械特征參數，通過TCP/IP通信協議將采集到的波形數據和提取到的機械特征參數發送到遠程監控終端。

(3) 遠程監控終端中的軟件實現人機交互，建立歷史數據庫，通過TCP/IP協議接收RT中的數據并將人機交互界面的命令發送給RT。

圖3 軟件總體結構

2.2 FPGA軟件設計

FPGA中的軟件流程見圖4。程序首先執行初始化操作，包括設置采樣率、采樣時間、采樣模式等。FPGA給RT發出中斷，等待RT回復中斷，一旦得到中斷回復就表示RT已經準備好接收數據，FPGA可以開始采集數據，這一中斷機制可以有效保證FPGA和RT的同步，避免數據丟失。本系統采用外部信號觸發，由于斷路器的分合閘起始時刻定義為分合閘線圈有電流的時刻，因此FPGA不斷檢測分合閘線圈的電流信號，一旦信號達到觸發幅值，立即開始采集數據。每次同時讀取所有的輸入端口，并存入FIFO中。一般真空斷路器的動作時間不會超過50 ms，設置采樣時間為100 ms，通過判斷是否到達采樣時間來中止采樣。

圖4 FPGA軟件流程

2.3 RT軟件設計

RT中的軟件流程如圖5所示。RT通過TCP/IP協議接收來自遠程監控終端的控制命令，包括初始化設置等。經過初始化后，發送開始命令給FPGA，使FPGA軟件開始執行。軟件不斷循環等待FPGA發出的中斷信號，接收到中斷請求后，回復FPGA可以開始采集，這一中斷機制使FPGA與RT建立了高度同步。讀取FIFO中的數據，寫入RT的內存中，通過TCP/IP協議發送至遠程監控終端，讀取完FIFO中的數據后，發送停止命令給FPGA。RT軟件進入機械特征參數提取環節，該過程有一系列提取算法實現，提取到的特征量通過TCP/IP協議發送至遠程監控終端，程序結束。

圖5 RT軟件流程

2.4 遠程監控終端軟件設計

遠程監控終端軟件流程如圖6所示。終端軟件不斷檢測人機交互界面上的事件響應，判斷該響應事件是RT命令還是終端命令，若是RT命令則通過TCP/IP協議發送至RT，若是終端命令執行對數據庫的訪問，調用數據庫中的數據，顯示斷路器歷史動作發生的時間、動作類型、波形、機械特征參數等。通過TCP/IP協議接受數據存入數據庫，顯示界面默認情況顯示最近一次動作的數據。

圖6 遠程監控終端軟件流程

3 系統試驗

本系統應用于投切電容器組的ZW32-12真空斷路器上，進行現場試驗，如圖7所示為執行分閘動作時遠程監控終端人機交互界面。將本監測系統試驗結果與高壓斷路器機械特性測試儀結果作對比，數據見表1。

圖7 遠程監控終端界面

監測內容本系統對比測試儀A相合閘時間/ms29.5828.5B相合閘時間/ms29.5828.4C相合閘時間/ms29.8228.9合閘不同期性/ms0.240.5剛合速度/(m·s-1)0.990.81A相分閘時間/ms19.7417.5B相分閘時間/ms19.9817.9C相分閘時間/ms20.0617.8分閘不同期性/ms0.320.4剛分速度/(m·s-1)1.141.04觸頭開距/mm9.048.1觸頭超程/mm1.291.4分合閘線圈電壓/V222.45220

實驗結果表明，本監測系統的試驗參數與機械特性測試儀的測試結果相差不大,考慮到每次測試都有一定的分散性，誤差在可接受的范圍內，可以反映真空斷路器的機械特性。

4 結 語

本文基于CompactRIO設計的真空斷路器機械特性在線監測系統，采用工業級數據采集卡，采樣精度高，可應對復雜惡劣的電磁環境，增強了抗干擾能力，提高了信號采集的準確性；利用FPGA控制數據采集，建立同步時鐘，實現多路數據的并行同步采集；采用以太網通信方式，提高了數據傳輸的速度，并具備網絡發布能力，提高了監控的靈活性。

[1] 徐國政.高壓斷路器原理和應用[M].北京：清華大學出版社，2000.

[2] 范錫普.發電廠電氣部分[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3] 楊壯壯，徐建源，李 斌.高壓真空斷路器機械狀態監測系統研制[J].高壓電器，2013，49(8)：26-34.

[4] 朗福成，徐建源，林 莘.真空斷路器機械特性的在線監測[J].東北電力技術，2005，26(1)：12-15.

[5] 柳 懿，王向軍，嵇 斗.基于雙DSP的斷路器機械特性檢測裝置[J].電力自動化設備，2011，31(5)：112-116.

[6] 張思宇，梅 軍，鄭建勇.基于FPGA與ARM的高壓斷路器在線監測系統[J].電測與儀表，2013，50(7)：85-89.

[7] 黃新波，王霄寬，方壽賢.智能變電站斷路器狀態監測IED設計[J].電力系統自動化，2012，36(22)：95-99.

[8] 陳建平，胡占強，蘇曉東.智能化斷路器機械特性在線監測關鍵技術設計[J].高壓電器，2014，50(4)：108-112.

[9] 張國棟，胡晉星，宋婧楷.高壓開關柜斷路器機械特性在線監測裝置研究[J].山西電力，2012，171：1-6.

[10] 杜凌艷，王浩振.高壓斷路器運行狀態實時監測系統設計[J].電力自動化設備，2006，26(1)：58-60.

[11] 趙 洋，劉漢宇，曾慶軍.高壓真空斷路器機械特性在線監測系統研制[J].高壓電器，2009，45(6)：91-95+101.

[12] 楊 飛，王小華，榮命哲，等.一種新的中壓真空斷路器三相同期在線監測方法[J].中國電機工程學報，2008，28(12)：139-144.

[13] 曾慶軍，林燕俠，趙 洋.斷路器機械特性在線監測與振動信號特征提取[J].華中科技大學學報(自然科學版)，2009，37(S1)：118-121.

[14] 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[J].中國電機工程學報，2005，25(13)：149-154.

[15] 孫一航，武建文，廉世軍，等.結合經驗模態分解能量總量法的斷路器振動信號特征向量提取[J].電工技術學報，2014，29(3)：228-236.

[16] 石敦義，繆希仁，郭謀發.基于分形理論的低壓斷路器三相合閘同期性振動信號特征分析[J].電工電能新技術，2014，33 (5)：44-50.

[17] 曾慶軍，林燕俠，趙 洋.高壓真空斷路器智能在線監測系統研制及故障診斷[J].東南大學學報(自然科學版)，2009，39(S2) ： 42-48.

Design of On-line Monitoring System for Vacuum Circuit Breaker Mechanical Characteristics Based on CompactRIO

ZHOUYu-hao1,2,LIXiao-jian1,2,ZHANGCheng-long1,2,YANGZhi-chao1,2

(1. School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China;2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Smart Distribution Network, Nanjing 211167, China)

To improve circuit breaker on-line monitoring device for environmental adaptability and signal acquisition precision, an on-line monitoring system for vacuum circuit breaker mechanical characteristics is designed based on CompactRIO. The signal of contactor trip, switching coil current and switching vibration are monitored by the system. The system can accurately get the time point of switching, switching time and switching speed. The overall structure of on-line monitoring system is introduced, the function of each module is expounded. According to the characteristics of signals, appropriate sensors and the reasonable test methods are determined. The structure and principle of data acquisition module based on FPGA are studied in detail, the innovation and advantage of this system are explained from the angle of hardware. The system software architecture is elaborated, remote monitoring terminal, FPGA and embedded real-time systems are developed based on the LabVIEW platform. Test results show that the system has a high precision and a good environmental adaptability.

online monitoring; vacuum circuit breaker; mechanical characteristics; CompactRIO; FPGA

2014-06-12

江蘇省高校自然科學基金面上項目(13KJB470006)；南京工程學院大學生科技創新基金項目(N20141725)

周宇浩(1990-)，男，江蘇蘇州人，碩士生，主要研究方向為電力設備在線監測與狀態評價、主動配電網補償控制技術。

E-mail:z_yuhao1213@126.com

楊志超(1960-)，男，江蘇常州人，副教授，碩士生導師，主要研究方向為電力設備在線監測與狀態評估、主動配電網電能質量控制技術。E-mail：Yangzcnj@126.com

TM 561

A

1006-7167(2015)03-0137-05