基于ARM的10kV智能断路器在线检测设计

2013-07-25许太军崔涛李思翼沈行良

电气开关 2013年2期

许太军，崔涛，李思翼，沈行良

（上海工程技术大学电子电气工程学院，上海 201620）

1 引言

随着电力系统对可靠性和运行质量提出了越来越高的要求，在整个电力行业中，发电、输电、配电和用电环节都在监测、控制、保护等方面提出了智能化的要求。智能断路器是智能电网的重要电气设备之一，断路器的运行质量直接关系到整个电网的安全供电，其故障所带来的损失远远高于设备的投入费用，而且断路器的使用面非常广泛。因此，研制具有在线监测数据、关键数据存储、系统分析诊断功能的智能断路器是必要的。本文对此作了相关研究，提出了解决方案。

2 系统组成

设计的智能断路器要完成的功能包括:数据采集和存储、数据的电量转换、故障智能诊断和报警、断路器断合时的机械特性分析及运行状态分析（如图1所示）。数据采集是获取断路器的运行数据。如:合、分闸线圈的电压与电流，储能电机的电流、电压，断路器触点运行趋势曲线，机械特性参数，断路器触点温升，合分闸次数与状态。针对采集到的数据作综合分析，通过专家系统作智能诊断与识别，对断路器运行状况作出评价，为维修和更新断路器提供依据。数据的电量转换是把A/D采集数值转换成对应的电量和物理参数，并将其保存。

本系统以ARM 9微处理器为处理核心，根据采集信号对断路器所处状态进行分析，作出正确的判断和显示。LCD触摸屏（键盘）完成相应的操作命令。两个串行口和网口分别完成DSP与 ARM和ARM与上位机的数据交换，USB接口作为外设扩展。软件采用VS2008 C#编程工具设计，SQL2008数据库储存断路器的运行数据和配置参数。构成如图2所示。

图1 智能断路器的功能

图2 ARM 9微处理系统的构成

3 功能设计研究

3.1 运行数据处理

运行数据处理是指对智能断路器运行时各参数作实时采集、自动存储和查询分析的处理。

断路器运行的历史数据是分析断路器故障和判别运行质量的重要依据，良好的数据查询系统能及时了解断路器的运行现状，为运行调度和检修人员提供快速、准确的信息。从相关历史数据的变化趋势，结合实际经验和理论分析，分析断路器机构工作状况，判别断路器是否有故障产生先兆，避免发生严重的供电事故，减少不必要的检修和故障，使决策更具有科学性。

设计的系统在断路器运行时自动记录在线检测数据，数据有机械特性数据、电气性能数据和运行趋势曲线。机械特性数据是合分闸时间、合分闸平均速度、接触行程、合分顺序、弹跳时间、反跳时间、开距、储能时间、储能次数、合分次数和合分状态等。电气性能数据是上下触点温度、合分闸线圈电流电压、储能电机电流电压和控制电压等。运行趋势曲线是合分时主触点运动曲线、合闸线圈电流曲线和分闸线圈电流曲线。采样到触点温度和控制电压每5分钟一次保存到数据库，运行趋势曲线在断路器合分闸时高速采样数据，其余数据是在断路器合分闸操作时实时获得，并保存至对应的数据库。

数据查询可分为单一查询和复合查询。单一查询能够进行运行状态和机械特性的单项查询，例如:某一时间范围内断路器的分闸合闸次数。而复合查询能够查询多条件下的历史数据，例如:二月份储能电机线圈电流≥2.5A的次数并且储能时间≥30s。也可以进一步细化查询条件，组成条件性逻辑关系式来查询。

3.2 智能诊断与报警

断路器的在线智能诊断是将检测的数据与已有断路器的经验参数联系得出的关于运行质量的判别。人为建立系统地专家数据库，包含的内容为使用断路器的经验知识、理论分析的结果、电气寿命和机械寿命的要素，把运行数据与断路器可能引发的故障的历史数据和专家数据库结合起来作综合评估，能够预测在线运行的断路器可能存在的问题，诊断和识别故障及其原因，在未发生前提前预报。有效地减少维护和停电的成本，大大提高人员的工作效率。

智能诊断系统由专家数据库和数据间的逻辑关系图组成。人为建立专家数据库涉及的关系复杂，这些关系难以确立数学模型。本设计专家数据库着重于断路器运行检修经验编制，结合相关寿命理论计算结果，从检修周期、采样得到的异常数据、机械寿命和电气寿命，采用参数估计法得到集合的交集，该交集可能会有几个结论，根据性质重要程度予以排列，供检修人员决策。

综合断路器在线检测的参数变化是专家数据库分析的依据。专家数据库是由部件的故障或磨损所引发参数变化来分析某个部件与参数的关系，部件机械寿命和电气寿命的理论计算，历史数据的汇总。用参数估计法得到参数变化范围，建立所有主要部件与参数变化集合。因此，识别参数变化可能会得到几个部件发生故障或磨损结果，需要进一步查询运行数据状态，确定断路器的部件老化和预测寿命，为操作人员的维护提供依据，及早发现问题存在方面，以提高电网供电可靠性，减少经济损失。

报警设计为定时判别检测数据，超出限值后屏幕报警提示，内容包括合分闸时间、合分闸平均速度、接触行程、弹跳时间、开距、储能时间、储能次数、合分次数、上下触点温度、合分闸线圈电流、储能电机电流和控制电压等。

3.3 机械特性分析

断路器的机械特性检测对象包括储能、合闸和分闸的过程数据，分析这些数据是智能断路器的核心部分，它代表着断路器运行质量，为诊断和判别断路器的故障提供依据。这些数据的采样特点是时间非常短，一般是在几十毫秒内完成，需要由一组数据分析得到结论，所以要用高速A/D连续采样整个合分闸过程，然后逐一分析数据变化的机理，得到能代表运行质量的数据。主要涉及数据上述3.1节已提出。

弹簧储能过程由储能电机给弹簧积聚能量，储能电机的电流大小和储能时间是反映电机运行状态和弹簧衰老程度的重要指标。合分闸是断路器的最主要动作，将合分闸采样到的数据绘成曲线如图3所示，分析这些数据可以得到断路器运行质量的参数。合分闸时间、合分闸速度可反映出整个机械联动机构使用状况，曲线形状的变化可以直接说明断路器机械特性参数的变化，如机械磨损、弹簧的疲劳程度和各个连接部分的好坏。行程变化可反映出主触点的磨损状况。同期性反映三相触点的同步状况。这些机械参数变化是缓慢的量变过程，人工观察时很难发现迹象。通过在线检测对每次开关动作监视，分析和对比前后参数，预警断路器存在的安全隐患。这些参数的存储为智能诊断和分析问题提供依据。

图3 断路器的机械特性曲线

机械特性的参数值是经模糊计算得到，单一采样到数据是无法表达任何内容，必须要通过一组采样数据的变化范围和趋势、前后数据的联系关系、局部和整体数据等，多重模糊迭代运算得出。

3.4 数据的电量转换

数据的电量转换是把A/D采样值转换成对应的物理量。A/D采样值是十六进制数，智能断路器所用的传感器是成线性关系。应用系统标定界面，确定特殊点的标定值定量关系。十六进制数与物理数据量之间可以用二维直角坐标系表示，把得到的标定点折算为物理量。例如横轴为A/D采样十六进制数，纵轴为主触点行程，标定点选择（100，0）和（DFF，12）两点，由于线性关系建立直线方程y=ax+b（图4），可以计算出a和b，由此可以把得到的A/D值x，算出触点当前行程y位置。以此类推其他涉及A/D采样量的转换。