断路器分合闸线圈电流信号及其特征点采集系统设计

王天泽，陈尔东，吉小军

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

0 引言

随着经济社会的快速发展，大电流、大容量、高电压已成为现代电力系统的主要趋势，对电力系统的稳定性、经济型、可靠性的要求越来越高[1]。断路器作为供电系统的重要环节之一，在电路中起到保护和控制作用[2]，而分合闸电磁铁及其操动机构在断路器中具有重要地位，其长期运行中会由于各种原因引起铁芯卡涩、匝间短路等故障，造成断路器机械性能的下降，引发安全隐患。断路器分合闸线圈电流波形是监测断路器机械特性的信号之一，反映了操动机构的多种状态信息，对于分析断路器的机械特性有着重要的指导意义，因此，对分合闸线圈电流信号进行监测十分重要[3-6]。

对于断路器的状态传统检测方法主要是定期维护检修，而此种方法的缺点在于：一是需要停电检修，对于生产生活有着较大影响；二是在拆解检修以及重新组装过程中可能使本身没有故障的断路器产生新的问题[7]。因此，近年来对断路器分合闸线圈电流的实时监测系统发展迅速，而当前对于断路器分合闸线圈电流的采集监测系统往往只对波形数据进行采集，缺少了对波形特征点的提取。针对此问题，本文设计了一套断路器分合闸线圈电流采集系统，并提出一种分合闸线圈电流波形特征点的提取方法，通过对分合闸线圈电流波形和特征点的实时监测，给对断路器机械特性的判断提供了有效的依据。

1 测量原理

1.1 测量对象

分合闸线圈是断路器操动机构重要的元件之一，多数为螺管电磁铁结构，主要由动静铁心、线圈和铁轭等部件组成。当有电流通过线圈时，电磁铁内产生磁通，动铁心受磁力吸动，使断路器分闸或合闸[8]。典型的分合闸线圈电流波形如图1所示。

图1中t0～t4,I1～I3为波形的几个特征点，其分合闸动作过程如下[9-13]：

(1)t0～t1阶段：铁心静止阶段，t0时刻，线圈通电，铁心受到静摩擦力和复位弹簧预压缩弹力的影响并未运动，电流呈指数趋势上升，至稍早于t1时刻，电磁力大于阻力，铁芯开始运动。

(2)t1～t2阶段：铁心运动阶段，电路中有反电动势产生，电流逐渐减小，直至t2时刻撞杆运动到位，铁芯停止运动。

(3)t2～t3阶段：t2时刻铁心停止运动，线圈电流再次呈指数趋势上升，直至电流达到直流稳定值。

(4)t3～t4阶段：t3时刻断路器的辅助触点切断，电流迅速减小直至t4时刻减小为0，完成整个动作过程。

1.2 测量方法

分合闸电流信号的一般持续时间在40～120 ms[14]，以本文实验所用的8BK28-12型10 kV开关柜为例，其断路器分合闸线圈电流信号持续时间在40～70 ms之间，这就对传感设备的动态响应提出了一定的要求。

霍尔电流传感器响应速度快，测量精度高，能够测量任意时刻的电流波形，霍尔电流传感器的测量原理如图2所示，其输出电压UO正比于原边电流Ip的大小，十分适用于对分合闸线圈电流波形的采集。

分合闸线圈电路引线穿过霍尔电流传感器的测量孔径的非接触测量方式，很好地克服了电流参量测量时的隔离问题。

2 分合闸线圈电流信号采集系统设计

2.1 系统硬件设计

采集系统实现对分合闸线圈电流信号的采集、处理、存储以及上传，采样率10 kHz，每次采集1 200点数据，时长120 ms，其硬件的主要构成如图3所示，主要由主控模块、信号采集模块、存储模块和通信模块构成。

2.1.1 主控模块

主控模块由STM32F103ZET6及其外围电路构成，该芯片是基于ARM Cortex-M3内核的32位微处理器，具有1 M字节的FLASH和512 K字节的SRAM，拥有丰富的外设接口，其中可变静态存储控制器(flexible static memory controller，FSMC)可以十分方便地实现对多个不同类型大容量静态存储器的扩展。

2.1.2 信号采集模块

信号采集模块由霍尔电流传感器、信号调理电路、A/D模数转换组成。本文选用ECS1015-HL01霍尔电流传感器，5 V单电源供电，输入电流0～15 A，输出电压(2.5±1)V，响应时间<20 μs，线性度误差<1%；AD芯片选用AD7606，量程±5 V，16位4通道同步采样，使用过采样技术，有效降低了量化噪声，提高了信噪比，通过STM32的FSMC接口对其进行控制和数据读取，实现10 kHz的采样率。

信号调理电路如图4所示，第一级AD620仪表放大器的放大倍数可调，以本文测试用8BK28-12型10 kV开关柜为例，其断路器的分合闸线圈电流大小不超过2 A，则霍尔电流传感器输出约为2.5～2.7 V，故在第一级AD620仪表放大器反相输入端引入2.5 V的基准电压，偏置输入端接地，放大倍数设置为20倍，使经过调理电路输入AD7606的电压接近AD的量程范围，达到最佳的精度；分合闸线圈电流信号频率成分主要在低频段，小于1 000 Hz，第二级设置低通滤波器的截止频率为1 000 Hz，滤除高频的噪声干扰；第三级输出级采用同相运放电路，放大倍数设置为1倍，起电压跟随作用。

2.1.3 存储模块

为了预防在对采集到的波形数据进行处理时出现内存不足的情况，本系统在扩展了外部SRAM芯片IS62WV51216，大小为1 M字节，通过STM32的FSMC接口进行驱动控制。为了对处理后的数据进行存储，本系统扩展了外部FLASH芯片W25Q64，大小为8 M字节，通过STM32的SPI接口进行控制。

2.1.4 通信模块

为了实现同上位机的数据通讯，接收上位机指令并上传数据，本系统采用RS485通信电路实现此功能，其电路如图5所示。

2.2 系统软件设计

采集系统软件设计主要包括初始化及参数配置、触发判断、数据存储、通讯等子程序。由于分合闸动作时间很短，在40～70 ms之间，因此需要判断分合闸动作触发采集，本文采用动态阈值结合负延时技术的方法，有效避免了漏判和误判的现象，并采集到完整的波形，其程序流程如图6所示。

(1)首先进行程序初始化，并配置过采样倍数、初始阈值K等参数。

(2)进入外层循环，采集得到5 ms数据并求和得A，A+K为判断是否触发采集的阈值。

(3)进入内层循环，采集最新5 ms数据并求和得B，此处采集求和使用FIFO(first input first output)结构以确保不会漏判。

(4)当B>A+K时，认为分合闸动作发生，采集115 ms数据同之前采集的最新5 ms数据拼接成为完整的120 ms波形数据，进行数据处理并存储数据至外部FLASH，数据储存完毕后返回外层循环，更新A的值。

(5)当B

判断是否触发采集的阈值由A和K共同决定，其中A起动态调整的作用，实现了动态的阈值采集，这种方法有效避免了因阈值固定而引起的错判和漏判现象。

3 特征点提取方法

为了给断路器机械特性的判断提供更多依据，除了对分合闸线圈波形的采集，还需对其波形特征点的提取。根据前文的分析，分合闸线圈电流波形的特征点为t0、t1、t2、t3、t4和t1、t2、t3时刻对应的I1、I2、I3。其中t0、t4为分合闸动作起始和截止时刻，通过简单的阈值判断即可提取，本文主要对t1、t2、t3这3个极值点及其对应的特征值I1、I2、I3的提取算法进行研究。传统的寻找极值点的方法是根据斜率判断[15]，但只根据斜率判断的话会由于波形的微小波动提取到一些假的极值点，因此，本文提出一种根据斜率划分单调区间，提取待选极值点，再根据局部最值判断极值点的真假的特征点提取算法，其流程图如图7所示。

该特征点提取算法主要分为2个步骤：单调区间的划分和真假极值点的判断。

3.1 单调区间的划分

采集系统采集到的波形数据长度为1 200个点，时长120 ms，首先从这1 200个点中截取有效波形片段，如图8所示，可以看到，图中AB、CD段为单调递增区间，BC、DE段为单调递减区间。

首先按照式(1)根据相邻两点间斜率初步划分单调区间：

F(i)=f(i)-f(i-1)

(1)

式中：F(i)为相邻两点间斜率；f(i)为有效信号第i个点的幅值。

然后，根据F(i)的正负，进行归一化处理，F(i)>0时令F(i)=1，F(i)<0时令F(i)=-1，F(i)= 0时仍为0。由于滤波电路和AD的过采样采集并不能完全消除噪声的干扰，如图9所示，为图8中B点附近虚线圈中部分的放大。

可以看到，波形在局部还可能存在小幅的波动，仅根据简单的斜率判断并不能准确提取特征点，因此引入单调区间因子K，按照式(2)计算:

G(i)=F(i)+F(i+1)+…+F(i+K)

(2)

式中：F(i)为上一步归一化之后的斜率；G(i)为每个点及其后K个点的归一化斜率之和。

根据G(i)的正负，进行单调区间的划分，G(i)>0时认为F(i)在递增区间，取G(i)=1，F(i)<0时认为F(i)在递减区间，取G(i)=0，F(i)=0时认为F(i)跟随F(i-1)在同一区间，对图8所示波形的单调区间划分效果如图10所示，1为单调递增区间，0为单调递减区间。

可以看到，引入单调区间因子K后划分的单调区间相比仅靠斜率来划分单调区间可以有效滤除波形数据局部微小扰动带来的判断错误，经过测试，单调区间因子K=3时效果最佳。

3.2 真假极值点的判断

在经过上一步的单调区间划分后得到G(i)，在G(i)=1和G(i)=0的分界点即为待选极值点，记为ti(i=1,2,3,…,x)，若分界点处G(i)由1变为0，则认为此为极大值点，记h(i)=1，若分界点处G(i)由0变为1，则认为此为极小值点，记h(i)=0。h(i)=1时，求F(n)在ti-M≤ti≤ti+M区间内的最大值及其位置a，若|ti-a|≤X则认为此点为真极值点，反之则认为此点为假极值点，最后，提取所有的真极值点及其对应的F(i)即为所要提取的特征点。经过测试，邻域半径M=10，误差X=2时效果最佳。

4 实验测试与分析

为了验证本文设计的分合闸线圈电流采集系统的可靠性和特征点提取方法的准确性，在8BK28-12型10 kV开关柜上进行了测试，分别进行了5次分闸和合闸动作，并对其特征点进行了提取，测试现场如图11所示，图11(a)为霍尔电流传感器的安装，其中A为霍尔电流传感器，B为分闸回路引线，C为合闸回路引线，图11(b)为采集板在开关柜中的安装。

采集系统准确抓取了动作波形、提取了特征点并将其上传至上位机，其采集的波形及特征点如图12所示，图12(a)为分闸电流波形及其特征点，图12(b)为合闸电流波形及其特征点，采集系统完整采集到了分合闸线圈的电流波形，为了更好地显示每次采集的波形，将采集到的5次分合闸波形依次递增0.5 A。

由图12可以看到，本文设计的采集系统及特征点提取方法准确地完成了对分合闸线圈电流信号的采集以及特征点的提取，为分析开关柜机械特性提供了有力的判断依据。由于实验采用的开关柜分合闸操动机构机械结构存在重复性误差、环境温度、分合闸线圈发热等因素的影响，导致特征点的时刻值和电流值在一定范围内波动，属于正常现象，其所反映的机械特性信息本文不作讨论。

5 结束语

本文以STM32F103ZET6为主控芯片，AD7606为模数转换芯片，设计了一套断路器分合闸线圈电流信号采集系统，实现了对分合闸线圈电流波形的准确抓取和采集，并在此基础上提出了一种分合闸线圈电流波形特征点提取方法，实现了对波形特征点的准确提取，为分析开关柜机械特性提供了有力的判断依据。该系统实现了对开关柜分合闸线圈电流信号的实时监测，极大地方便了对开关柜运行状态的判断，具有较高的实际应用价值。