基于FPGA的高压断路器分合闸参数检测系统研究

朱宁宁，郑 祥，王 卓

（大连交通大学 电气信息工程学院，大连116028）

高压断路器在电力系统正常工作时可以把各种电气设备在电网中切断和接通；在系统发生故障时，可以迅速将故障部分切断，防止电流过大造成事故范围扩大[1]。因此，高压断路器性能的可靠性直接关系到电力系统的安全运行[2]。而高压断路器分合闸线圈电流波形的检测是高压断路器状态检测的一个重要方面[3]。通过线圈电流波形可以真实的反映出分合闸过程中铁心的运动状况及操纵机构是否发生故障，如卡滞、脱扣、拒分、拒合等现象[4]。目前，高压断路器检测仪大多都通过高速采集卡对线圈电流的信号进行采集[5]，并将采集到的数据发送到上位机，在上位机上进行处理，但成本高，传输的数据量大，亦受影响。本文提出了一种以FPGA 为控制核心的分合闸参数检测系统，该系统可以实现对分合闸线圈电流波形显示及电流最大值和分合闸时间的确定和计算。

1 分合闸线圈电流信号采集及分合闸时间提取

1.1 分合闸线圈工作原理

在高压断路器操动机构中，电磁铁作为重要的器件之一[6]。在电磁铁得电后产生磁通从而产生吸合力，使高压断路器达到分合闸目的。通过线圈电流波形可以反映出二次操作回路的状态和操作机构的运动状态[7]。

电磁铁的等效电路如图1 所示，电感的大小与线圈和铁芯铁轭的尺寸以及铁芯的运动路程有密切关系，电感的值随路程增大而增大。假设铁芯不饱和，电感与线圈中电流的大小无关，电路的微分方程为

图1 分合闸回路等效电路Fig.1 Equivalent circuit of open and close circuit

式中：Ψ 为线圈的磁链，将Ψ=L·i 带入式（1）中化简可得：

式中：v 是铁心运动的速度。

1.2 分合闸线圈电流信号采集及数据处理

本文通过霍尔电流传感器将分合闸电流信号转化成可以被AD 采集的电压信号。但因为高压断路器的工作环境中，干扰信号是无法避免的，为提高检测系统的准确性和测量精度，对采集到电压信号进行滤波处理是非常必要的。本系统采用FIR 数字滤波对采集到线圈电流波形数据进行处理。FIR通过当前和过去的输入采样点值来获得当前输出样点值，该滤波器以前的输出样点一个也未用到，给定一个有限持续时间的非0 输入值，结果是FIR滤波器总有一个有限时间的非0 输出值[8]。

设输入序列为x（n），输出序列为y（n），则数字滤波器可用线性时不变系统表示为

对上式两边进行Z 变换可得数字滤波器的脉冲传递函数为

若ai=0，则有：

即得：

得到系统表示为

在本设计中主要使用FIR 数字滤波方法中的窗函数法，窗函数法是用时域的窗函数w（n）乘以无限长的单位冲激响应hd（n），对无限长的单位冲激响应序列进行截断，构成FIR 数字滤波器的h（n），即

窗函数法是由窗函数w（n）截取无限长序列hd（n）得到有限长序列h（n），并用h（n）近似hd（n），因此，窗函数的形状和长度对系统的性能指标影响很大。本设计中采用了海明窗，先利用MATLAB 计算出滤波系数，然后在QuartusⅡ中通过Verilog 语言进行算法的程序编写，再进行调试与仿真，即可实现在FPGA 上对采集到的线圈电流波形进行滤波。

1.3 断路器动作时刻的提取方法

在线圈得电后线圈电流迅速上升，可以通过对电流的上升沿进行检测来确定断路器的动作触发时刻[9]。分（合）闸时间表示为动作触发时刻到动静触头恰好接触（或分离）的时间段，此事件的确定方法主要有振动信号分析法、触头加速度分析法等[10]，这些方法精度高，实现难度大。本文通过辅助触点的状态来确定分合闸时间点，即辅助触点状态变化时刻就是刚分（或刚合）时刻。

2 系统硬件设计

分合闸线圈电流波形的检测系统原理如图2所示，在检测系统得电后，按下控制分合闸按键的同时开始对分合闸线圈的电流信号进行检测，线圈电流经霍尔传感器将电流信号转换成电压信号，再经过调理电路后转换成AD 芯片可以采样的电压范围内。AD 将模拟量转换成数字量并输入到FPGA控制核心中，经计算分析后，将结果通过通讯接口电路发送至PC 端。

图2 系统原理图Fig.2 System schematic diagram

2.1 霍尔电流传感器

目前，霍尔电流传感器主要用在电流信号的检测中，该类型传感器具有精度高、线性度和电气特性好、铁芯体积很小等优点。本文选用补偿式JLK32型霍尔电流传感器，该传感器通过穿心式被测量，测量原理如图3 所示，对其他机构的正常工作不会造成影响。将电流信号转化为方便采集的电压信号，原边不通有电流时，输出电压为0 V，输出电压Vout与Iin为线性转化关系：

图3 霍尔电流传感器测量原理图Fig.3 Schematic diagram of hall current sensor measuremen

其中：Iin为线圈电流。

2.2 A/D 采集电路

AD 采集的精度及其准确性严重影响系统采样的效果，本系统选用以高速采样、低成本和低功耗的AD9226 为控制核心的外扩采样芯片，如图4 所示。此芯片是一款单芯片、12 位、双通道的65MSPS模数转换器（ADC），采用单电源供电，内置一个片内高性能采样保持放大器和基准电压源。它采用多级差分流水线架构，数据速率达65MSPS，在整个工作温度范围内保证无失码。

图4 AD 采样模块Fig.4 AD sampling module

在用AD9226 进行降频采样时，通常情况下先用AD 芯片进行高频采样，再通过在FPGA 内部对AD 芯片采集到数据进行取舍实现低频采样，以提高采样精度。本文先利用AD9226 对分合闸线圈电流进行50 MHz 采集，再在FPGA 内部对AD 采集到数据进行取舍，即对AD 采集的数据进行500 个数据取均值来实现100 kHz 的采样频率。

3 系统软件设计

系统软件主要有：AD 采样子程序、控制按键子程序、FIR 数字滤波子程序、数据分析和计算子程序及串口发送子程序，其主程序流程如图5 所示。

图5 主程序流程Fig.5 Flow chart of main program

系统上电后进行初始化设置，等待按键按下，按键动作控制断路器的控制电路，使断路器开始工作，同时调用AD 采集子程序，开始对分合闸线圈电流进行采集； 将采集到的数据进行FIR 数字滤波后，计算电流最大值和分合闸时间，并将得到的数据通过串口子程序发送至PC 端进行波形显示和分合闸时间的显示。

4 实验结果与分析

为了验证该系统的功能和测试结果的准确性，以10 kV 真空断路器为实验对象，以武汉微欧电设备有限公司生产的高压开关机械特性测试仪MEGK-E（精度为0.5%）测量的数据为标准数据进行对比。在该系统上电后，按键按下后，开始对断路器进行合闸操作，在系统运行经过一段时间以后，在对断路器进行分闸操作，并将得到的数据经串口发送至PC 端进行滤波前后的电流波形及电流最大值和分合闸时间的显示，结果如图6 所示。在分合闸操作重复进行50 次，测量结果与标准数据基本一致，误差在允许范围内，任取其中5 次结果制成表格，如表1 和表2 所示。

图6 PC 显示界面Fig.6 PC display interface

表1 断路器合闸测试结果Tab.1 Test results of circuit breaker closing

表2 断路器分闸测试结果Tab.2 Test results of circuit breaker opening

实验结果表明，FIR 滤波器能有效地滤除干扰和平滑处理波形，并且保证波形不发生失真。断路器正常工作时分合闸时间在一定范围内波动，通过与高压开关机械特性测试仪MEGK-E（精度为0.5%）测量的数据进行对比，误差在允许的范围内。

5 结语

本文FPGA 为核心处理器，利用霍尔电流传感器检测分合闸线圈的电流波形，并得到分合闸线圈电流最大值及分合闸时间，经过多次实验得出以下结论：该系统可以实现对高压断路器分合闸线圈电流和分合闸时间的检测，且误差极小；采用FIR 数字滤波对电流波形数据进行处理并且不发生波形失真；通过对辅助开关状态的改变，可以实现对刚分和刚合时间点进行确定。通过以上研究可以确定本方案能够准确、可靠地对分合闸线圈电流波形进行采集以及对电流最大值和分合闸时间进行确定，为故障诊断提供了重要依据。