基于多特征參量融合的斷路器動作預判系統研究

胡恩德 宣榮生 趙偉苗 倪錢杭 方珺

摘要：本文以PLC作為微處理器核心，并結合多種高精度傳感器采集斷路器相應的電流、溫度、保護、輔助接點等動作特征參量，同時，以檢修專家多年對斷路器動作、檢修故障事例的檢修分析經驗，形成斷路器動作分析專家數據庫，研制出了一套斷路器動作預判系統。研究表明，該預判系統能準確判斷出斷路器的動作性質，提高了檢修人員對斷路器的檢修效率。

關鍵詞：斷路器；動作預判；特征參量；檢修

1 預判系統結構框架

系統的結構原理圖如下圖。系統采用具有高穩定性高可靠性的工業級微處理器PLC作為信號采集、處理與控制的核心，利用溫度傳感器與電流傳感器測量跳閘線圈的溫度與電流變化率并將信息傳輸至PLC處理器，同時，采用PLC微處理器獲取斷路器控制柜中的保護信號與接點信號作為輔助判斷。預判系統將實時記錄電流、溫度、保護信號與節點信號，并利用PLC處理器中的專家知識數據庫，根據特征量的變化做出相應的判斷。

2 預判系統的設計

2.1 系統的硬件設計

系統裝置的硬件主要包括電源模塊、微處理器核心、溫度傳感器模塊、電流傳感器模塊、LCD顯示模塊等五大模塊。

2.1.1 電源模塊

電源模塊采用輸入電壓為交流220V以及輸出為5V的常用電源模塊，該電源模塊集成在系統裝置中，所占用體積較小，方便靈活。

2.1.2 微處理器模塊

微處理器采用型號為SIMATIC S7-1200系列的工業級處理器PLC，具有可擴展性的突出優點，可在任何CPU的前方加入一個信號板，輕松擴展數字或模擬I/O。其次，支持以太網接口傳輸信號，具有高速運行的傳輸的功能， 具有用于進行計算和測量、閉環回路控制和運動控制的集成技術，是一個功能非常強大的系統，可以實現多種類型的自動化任務。另外，PLC是工業級微處理器，在運行環境較為復雜，強電磁場存在的情況下，具有較強的抗干擾能力。

2.1.3 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊采用熱電偶與AD8497芯片電路兩者相結合的方式對跳閘線圈的溫度進行采集。傳感器的實物圖與電路圖如下所示。熱電偶用于將現場溫度轉換成熱電動勢信號，可對0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度進行測量。熱電偶必須要結合二次儀表方能工作，因此使用AD8497芯片將溫度測量值直接轉換成二進制數字并輸出。

2.1.4 電流傳感器模塊

通常跳閘線圈的通電電流不大于5A，因此可采用額定電流為10A或20A的閉環式霍爾電流傳感器，選型為南京中霍傳感科技公司生產的HCS-LTS系列電流傳感器。將霍爾電流傳感器直接穿芯嵌套在跳閘線圈中，并使其固定防止接觸線圈。該系列電流傳感器將電流量輸出電壓量，可通過外部模數采集模塊進行采集。

2.1.5 LCD液晶顯示模塊

LCD液晶顯示模塊采用簡單的12864顯示屏，可以顯示圖形數字符號，主要用于顯示斷路器動作時的信號變化與預判結果。

保護信號與輔助節點信號已經集成在斷路器保護控制柜中，利用PLC控制器的外圍資源直接獲取兩者的信號變化。

2.2 系統的軟件設計

系統裝置的軟件設計主要是完成對跳閘線圈的溫度變化與電流變化的采集，同時獲取保護信號與輔助節點信號。電流傳感器與溫度傳感器分別測量跳閘線圈的電流變化與溫度變化。

當預判系統上電開始工作，電流傳感器、溫度傳感器、兩個外圍管腳分別對跳閘線圈的電流變化、溫度變化以及保護信號與輔助接點信號進行實時采集記錄。當任何一個特征參量發生改變時，處理器記錄四個特征參量的數值，記錄參量發生變化前一刻的四個參量值，保存在處理器中，并將前后變化的數值顯示在液晶屏中。同時，將四個數值的變化所形成的邏輯在專家數據庫中進行查詢對比，找出相應的故障信息。

2.3 專家知識數據庫

專家知識庫是專家系統的核心之一，其主要功能是存儲和管理專家系統中的知識，主要包括來自書本上的知識和各領域專家在長期的工作實踐中所獲得的經驗知識。

處理器中的專家知識數據庫集成了斷路器出現動作時的多種原因或故障分析結果，這些原因通常是檢修專家在平時對斷路器進行故障缺陷處理與分析時得出，一般從斷路器故障的外在表現，再深入分析或解剖斷路器等方式得到。因此，專家知識數據庫基本上涵蓋了斷路器可能出現的各種故障。下表1列出了斷路器在溫度變化量、電流變化量、保護出口信號以及輔助接點等四種特征參量的不同變化時，斷路器可能出現的故障原因情況。

當斷路器出現某種故障或動作時，根據預判裝置中的傳感器測量得到的四種特征參量變化情況，在專家知識數據庫中查詢相應的故障缺陷，從而對斷路器動作的性質做出判斷。

3、預判系統有效性試驗驗證

為了驗證該斷路器動作預判系統的有效性與判斷的準確性，本文對系統進行了試驗驗證。

由于線圈是一種金屬材料，其電阻值會隨著溫度的變化而發生改變（在線圈沒有燒毀前，溫度越高，電阻越大）。因此，通電線圈的電流與溫度間的關系不是線性關系，需要先探究線圈的電流與溫度間的關系。對線圈施加220V的穩定的直流電壓，每隔一段時間采集線圈的電流幅值與溫度幅值，直至線圈燒毀，結果如下表1所示：

從表1可以發現，線圈的溫度隨著通電時間的增加而呈現單一的上升趨勢，而線圈的電流則隨著通電時間的增加呈現單一下降趨勢，最后在110秒的時刻，電流幅值發生突變，反彈增大，說明此刻線圈已經發生燒毀，溫度也達到最大幅值，如下圖1所示。

電流的變化呈現下降趨勢，電流的變化呈現上升趨勢，考慮到特征量前后變化差值的正負性，在判斷時以差值的絕對值作為判斷值。同時，考慮到直流穩壓電源的波動，將電流變化值0.1A以及溫度的變化值0.2℃作為變化閾值。