嵌入式智能高压断路器状态监测系统的研究与设计

毛德梅，汪明珠，王本有，左旭坤，卢清平

（皖西学院 信息工程学院，安徽 六安237012）

1 引言

在电力系统运行过程中断路器起到保护和控制的作用，其总体的运行、检修和维护情况与整个电力系统紧密相关。伴随着电压等级的进一步提高，系统对电力设备运行的可靠性要求也越来越高，这对电力设备的检测和诊断技术提出了更高的要求。目前国内主要采用部分传感器采集一到两个主要参量监测高压断路器的运行状态，用DSP对数据进行直接处理［1－3］。本文介绍了一种基于 μC/OS－Ⅱ实时操作系统的高压断路器状态监测系统，该系统采用多传感器技术，对决定或影响其工作状态的参量进行尽可能的广泛采集，研究开发μC/OS－Ⅱ实时操作系统，以该系统为平台设计任务算法，开发有效的和可靠性强的状态监测系统，实现了高压断路器的智能在线监测控制。

2 智能监测系统的总体方案设计

状态监测指运用各种检测、测量、监视、判别和分析的方法了解并掌握设备的运行状态，对整个开关设备运行状态进行实时评估，判断是处于正常或者非正常状态，并将状态进行显示和记录，对异常情况报警提示，工作人员将及时进行处理，因此状态监测就是对开关设备的性能评估、故障分析、合理使用和安全工作等提供信息和准备基础数据［4］。

本文介绍的智能嵌入式高压断路器状态监测系统总体结构框图如图1所示，智能监测系统分为监测管理层和数据采集层，其中数据采集层是由各种传感器和DSP数据处理器构成，安置在断路器本体上。各种传感器能实时采集多个高压断路器的分（合）闸操作的行程－时间特性曲线、分（合）闸线圈电流信号以及操作振动信号等数据，并将数据传送给DSP进行处理，数据处理程序在μC/OS－Ⅱ实时操作系统上开发，最后将处理数据信息传送到监测管理层。监测管理层位于变电站的控制室，对测量数据进行存储、处理、故障诊断、显示以及打印等。监测管理层用VC＋＋6.0工具开发，采用ADO＋ACCESS数据库存储数据。该智能监测系统层间通过CAN总线实现通信。

3 智能监测系统的硬件设计

3.1 DSP数据处理器的选型

智能监测系统的监测模块的DSP数据处理器采用美国TI公司的高性能TMS320F2812芯片。这款芯片运行时钟可达150MHz，处理性能可达150 MIPS，每条指令周期6.67ns。I/O口丰富，两个串口。具有12位的0～3.3V的A/D转换等。同时具有片内128k×16位的片内FLASH，18K×16位的SRAM，一般的应用系统可以不要外扩存储器。TMS320F2812的强大功能使其完全满足智能监测系统的设计要求。

图1 智能监测系统的体统结构图

3.2 主要传感器的选型

高压断路器故障的主要原因是机械故障，智能监测系统主要测量项目包括高压断路器分（合）闸操作的行程－时间特性曲线、分（合）闸线圈电流信号以及操作振动信号。

高压断路器工作状态的重要表征为行程－时间特性曲线，在动触头下或触头的绝缘拉杆下安装位移传感器，经过采样滤波后，得到高压断路器动触头行程随时间变化的关系［5］。对行程位移监测还能够提取各种机械动作参数，进一步判断高压断路器的操动机构健康状况。系统采用具有机械寿命长、抗冲击能力强和价格低廉等优点的 WDL－25－2型直线位移传感器与WDD35D－4型角位移传感器测量行程－时间特性曲线。

高压断路器分（合）闸过程中，线圈电流将随时间而变化。测量高压断路器分（合）闸线圈电流，可计算出操动机构的启动、拉杆运动与线圈通电时间，并且参考高压断路器的自身参数范围来判断高压断路器是否发生了偷跳、拒动、误动等运行状态［6＼｜8］。系统采用具有抗电磁干扰能力强，精度高和体积小等特点的YDG－HSD型霍尔电流传感器测量分（合）闸的电流信号。

高压断路器机械状态的改变会导致振动信号的变化，利用振动信号可以为故障诊断提供理论依据。运用适当的检测和信号处理方法，可以识别出振动故障源。系统采用ZD24T型磁阻式振动传感器检测振动信号。此类型振动传感器的分辨率和灵敏度更高，对环境要求较低，频率响应较宽。

3.3 监测模块的硬件系统设计

系统硬件平台的监测模块采用美国TI公司的数字信号处理器TMS320F2812作为核心处理单元［9＼｜11］。各传感器采集来的模拟信号数据通过信号调理电路输入TMS320F2812的A/D通道，该处理器芯片将处理后的数据分成两路传输：一路送到液晶显示模块，显示高压断路器的分合闸速度、时间、行程和电流等信息；另一路通过RS－485总线送到监测服务器。图2为智能监测模块的硬件结构。该结构包括TMS320F2812DSP主控板（含通信模块）、液晶面板、信号调理模块、时钟模块和电源模块等。

图2 智能监测模块的硬件结构

4 智能监测系统的软件设计

4.1 μC/OS－Ⅱ嵌入式实时操作系统及其在TMS320F2812上的移植

μC/OS－Ⅱ是由Jean J.Labrosse先生撰写的，是一个源码公开、能固化、能移植、占先式、能裁剪、支持多任务的实时操作系统，包含了多个相对独立的，短小精悍的目标模块，主要有：内核管理、任务管理、事件控制块、信号量管理、时间管理与邮箱管理等。μC/OS－Ⅱ操作系统已经成功在40多种不同架构的微处理器上完成移植。

系统数据采集层软件采用μC/OS－Ⅱ嵌入式实时操作系统进行开发，所以必须把μC/OS－Ⅱ移植到TMS320F2812处理器芯片上。根据智能监测系统的实际需要，移植操作主要是对OS＿CPU.H、OS＿CFG.H、OS＿CPU＿A.ASM 和 OS＿CPU＿C.C这四个文件内容进行修改或编写。首先对OS＿CFG.H进行正确配置，确定系统需要使用哪些具体的功能函数以及最低优先级OS＿LOWEST＿PRIO、最多任务控制块数OS＿MAX＿EVENTS、最多任务数 OS＿MAX＿TASKS等进行具体设置。然后在OS＿CPU.H中定义与处理器相关和系统需要的宏和数据类型，根据DSP处理器硬件在OS＿CPU＿C.C和OS＿CPU＿A.ASM中分别用C语言和汇编语言编写相关函数，最后将各种函数编写好的操作系统装载入TMS320F2812，μC/OS－Ⅱ就可以成功在处理器上运行了。

4.2 数据采集层应用软件设计

根据智能监测系统所需要实现的功能，整个系统分解为并行的四个任务层。占先式操作系统调度任务按优先级高低进行，四个任务从高到低按优先级排序为：数据通讯任务、数据采集任务、故障报警任务和液晶显示任务。

数据通讯任务定义为void taskcommunication（），优先级数为10，该任务主要管理数据采集端和监测服务器之间的通信，如果通讯出现了异常，监测服务器对数据采集端重发四次命令，若通讯还是不成功，提示通讯失败。

数据采集任务定义为void taskcollect（），优先级数为11，该任务主要负责整理计算各种传感器采集的行程－时间特性曲线、振动信号和电流信号，并且由TMS320F2812片内A/D转换模块进行模数转换，最后计算得出高压断路器的分（合）闸时间与平均速度、开距、行程和超程等机械特性参数。

故障报警任务定义为void taskalarm（），优先级数为12，该任务主要负责在监测到高压断路器出现异常时发出报警信号。

液晶显示任务定义为void taskshow（），优先级数为13，该任务主要负责在现场液晶模块上实时显示高压断路器的各种机械特性参数。

μC/OS－Ⅱ实时操作系统提供信号量、邮箱和消息队列三种任务之间同步与通信方法。在该监测系统中，设计四个信号量：采集信号量、命令信号量、显示信号量和报警信号量，以及一个邮箱，信号量和邮箱的作用是实现数据采集任务、数据通讯任务、液晶显示任务和故障报警任务之间相互的同步和通信。过程如图3所示。

当系统上电或复位以后，μC/OS－Ⅱ首先调用函数OSInit（）初始化操作系统，然后调用OSSemCreate（）函数创建信号量 Collectsem、Ordersem、Showsem和Alarmsem以及OSMboxCreate（）函数创建邮箱Datambox，接着调用OSTaskCreate（）函数创建四个系统主任务即数据采集任务、数据通讯任务、液晶显示任务和故障报警任务，最后调用函数0SStart（）运行系统。

图3 任务之间同步与通信过程

4.3 监测管理层应用软件设计

监控软件用VC＋＋6.0工具开发，采用ADO＋ACCESS数据库存储数据［12＼｜13］。该智能监测系统层间通过CAN总线实现通信。图4为监控软件的设计方案框图，监测服务器每接收一次数据采集终端的发送数据就对数据库进行一次写入操作，并实时显示当前运行数据。

图4 监控软件的设计方案框图

5 结束语

本文设计的嵌入式智能高压断路器状态监测系统具有采集数据、分析信号、显示结果和保存数据等功能，智能监测系统采用功能强大的DSP芯片TMS320F2812和多种传感器对高压断路器的各种机械特性参数进行采集，同时在DSP芯片上移植了μC/OS－Ⅱ嵌入式实时操作系统，并以该系统为平台开发了监测模块的应用软件，整个系统不仅提供了强大的人机交互界面，并且具有很高的实时性、稳定性、可靠性和运行速度。经多次试验结果表明，该嵌入式智能高压断路器状态监测系统总体性能稳定，准确性较高，效果理想。

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