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一種基于DSP的高壓斷路器狀態在線監測裝置
更新時間:2021-01-02 發布:www.zvgurd.tw

摘要:本文介紹了一種基于DSP的高壓斷路器狀態在線監測裝配,該裝配采用TI公司的DSPVC33作為主控制器,能夠收集斷路器的多種狀態信息,實現對狀態特征的長數據錄波和年夜量歷史數據存儲,并快速、高精度地在線計較評估斷路器動作后的觸頭電壽命和機械壽命,并在此根蒂根基上組成散布式的高壓斷路器狀態監測系統。
關頭詞:斷路器在線監測DSP

0引言

現代高壓電氣裝備是以高性能、智能化、免維修為成長趨向。電氣裝備從現行的計劃檢修向狀態檢修轉變已成為必然趨向。高壓斷路器是電力系統中重要且數目龐大的電氣裝備,斷路器發生故障釀成的損失,遠遠超越斷路器自己的價值[1]。為了斷路器工作的靠得住性,必需接納相關措施,防患于未然。建立高壓斷路器的狀態檢修環節,可以展望故障先兆,克服定期檢修的盲目性,同時也為制造出智能型的免維修斷路器試探和堆集了資料。本文計議實現高壓斷路器狀態在線監測的原理和技術。斷路器長短常復雜的電氣裝備,斷路器的劣化觸及到熱、電、機械、情況等多方面的身分,雖然對斷路器的故障監測與診斷已有較長時間的研究,但至今依然沒有一個完善的、成熟的斷路器壽命評估模式[2]。今朝的斷路器在線監測模式年夜多采用檔次不高的單片機作為主控制器,組成自力的監測裝配。由于單片機的速度、字長、擴大能力等方面的局限性,存在采樣旌旗燈號較少、收集數據不足、對運動進程缺少記實、分析精度不高、計較模子簡單等問題,診斷結論缺少說服力[2],同時存在人機交互性不夠友好、聯網能力較差的錯誤謬誤。本文認為上述問題的解決應從以下三方面進手:1)斷路器監測旌旗燈號的合理選擇和進步前輩傳感器的選型與安裝是狀態診斷的條件與關頭;2)選用高性能的CPU作為監測裝配的焦點,是決議監測系統性能指標的根蒂根基條件;3)改監測裝配為監測系統,采用散布式的系統結構,靈活利便,使得智能性、擴大性年夜年夜增強。本文提出的高壓斷路器狀態在線監測系統是采用散布式結構,其中在線監測單元以TI公司的高性能數字旌旗燈號處置器DSPVC33作為主控制器,能對斷路器的眾多關頭參數進行長數據錄波,綜合診斷,具有地顯示和遠程網絡功能,適用于用得較多的少油或多油、六氟化硫(SF6)及真空三年夜類斷路器。

1高壓斷路器在線監測項目

特征提取是在線監測的重要環節,盲目采用過量的傳感器收集斷路器的狀態特征既不現實也不經濟[3]。本文安身于在線監測的實用化,僅直接提取關頭特征,經數學分析揣度出斷路器的狀態和性能。在線監測的主要項目有:1.1斷路器觸頭的電磨損斷路器的每次開斷城市對觸頭發生一定水平的損傷,斷路器的觸頭電磨損(又稱電壽命)是斷路器性能的重要指標。對斷路器觸頭電壽命的診斷,實踐證實僅斟酌累計開斷電流和累計開斷次數是不科學的。合理的法子是依據開斷電流的年夜小,評估出該次開斷的觸頭磨損量,再累積每次開斷的觸頭燒損量,作為電壽命判此外依據。各類型號的斷路器都可以得知其額定短路開斷電流下的允許開斷次數,設額定短路開斷電流下允許開斷次數為N,界說一臺全新的斷路器的觸頭相對電壽命(磨損量)為100。則每次額定短路開斷電流開斷時的相對磨損為1/N,憑據分歧斷路器的N-Ib曲線,即可求得肆意年夜小開斷電流Ib的對應允許開斷次數Nb,則對應的單次開斷的相對電磨損量為1/Nb,這樣可求出任開斷時的相對電磨損量,也可求出該斷路器的相對電壽命L=L1-å(1/Nb),L1為斷路器電壽命的初始值,是一個不年夜于1的百分數,其值由斷路器的運行歷史決議,新投運的或經過年夜修后的L1可取為1。憑據以上方式和實驗成,本文彩用的電壽命計較曲線可在下表的根蒂根基上插值實現。表中Ib為任開斷電流,Ie為額定短路開斷電流,N為額定短路開斷電流下的開斷次數,Qm為對應開斷電流Ib時的觸頭相對電磨損量。表1.少油斷路器的相對電磨損公式
表2.SF6斷路器相對電磨損公式
表3.真空斷路器相對電磨損公式
1.2斷路器的機械壽命監測高壓斷路器故障統計中,故障幾率高的是操作機構故障。據統計,有40至60的高壓斷路器的操作事故是由機械方面的緣由釀成的[3]。1.2.1分合閘線圈電流波形分合閘線圈電流是表征斷路器操作機構動作性能的關頭特征,電流波形中蘊含豐碩的信息。圖1所示的是一個典型的斷路器開斷短路電流的跳閘回路電流,T0為分合飭令到達時刻,T1為鐵芯起頭運行時刻,T2代表鐵芯震動操作機構的負載后減速或遏制運行的時刻,T3可視作開關輔助a接點斷開線圈電路時刻,T0-T1與控制電源及線圈電阻有關,T1-T2的變化表征電磁鐵鐵芯運行機構有無卡澀、脫扣及機械負載變更情況,T2-T3或T0-T3可以反映操作傳動系統運動的情況。經由過程以上幾個分歧特征時間的分析即可診斷斷路器部門機械故障趨向,包括拒分、拒合等故障。1.2.2斷路器開斷進程的時間行程特征曲線斷路器的時間行程特征曲線中蘊含多種信息,包括分合閘時間、同期性、速度和行程旌旗燈號等。這些旌旗燈號與斷路器的滅弧室性能、燃弧時間和弧后介的恢復、合分閘彈簧的性能等相關。1.2.3斷路器動作時的振動波形斷路器在操作時,對應機構中的每部件的動作在振動旌旗燈號時間圖上城市有一個振動脈沖,對于分歧的操作,各部件的振動脈沖泛起的順序是不變的,振動波形具有秀的重復性,是以用振動旌旗燈號分析斷路器的動作特征是有用的,振動分析法對于斷路器機構的變形、潤滑故障診斷活絡度高,也是機構和滅弧室磨損、部件故障、裝配失誤等的特征表象[3]?梢栽谘b配投運時,經若干次劃定的例行操作,現場錄取該斷路器的振動波紋做“指紋”,作為診斷的參考。

2高壓斷路器在線監測的傳感器選型

綜上所述,斷路器工作狀態的檢測可采用電流、行程、振動三種類型的傳感器實現。為了不影響斷路器的正常工作,盡量采用非接觸檢測方式,傳感器在斷路器體外安裝,且無可調整部件,不需現場整定,受情況身分的影響小。2.1斷路器觸頭的開斷電流檢測斷路器觸頭的開斷電流為交流電流量,本文選用穿心型庇護CT實現。輸進旌旗燈號范圍為0-100A,輸出旌旗燈號峰峰值為-5V~+5V。2.2分合閘線圈電流檢測分合閘線圈電流為直流電流量,本文選用霍爾電撒播感器,安裝方式為傳感器鐵芯啟齒安裝,不影響斷路器的二次接線。輸進旌旗燈號范圍為0-20A,輸出旌旗燈號為4~20mA的直流電流;魻杺鞲衅魇腔诨魻枒脑。所謂霍爾應是指若在一半導體薄片的兩頭通以控制電流I,并在薄片垂直的標的目的上施加磁感應強度為B的磁場,則在垂直于電流和磁場標的目的上將發生電勢UH的現象,所發生的電動勢稱為霍爾電壓或霍爾電勢。當霍爾元件的材料和幾何尺寸肯定以后,霍爾電勢的年夜小正比于控制電流I和磁感應強度B,即UH=KHIB,對于肯定的霍爾元件而言,KH為常數;魻杺鞲衅鹘Y構簡單,頻率響應寬,可實現非接觸檢測。2.3斷路器動觸頭的行程檢測動觸頭的行程為直線位移,經由過程丈量連念頭構的角位移間接實現。本文彩用旋轉式光電編碼器實現。旋轉式光電編碼器的特點是重量輕、力矩小、靠得住性高,普遍用于各類角位移丈量的場所。光電編碼器由碼盤、光源和光電元件組成[4]。碼盤有三個碼道組成,外圈碼道為增量碼道,碼道上散布有相當數目的透光和不透光的扇形區;中心碼道為辨向碼道,扇行區位置與增量碼道錯開半個扇形區;內層碼道只有一條透光的狹縫。使用時碼盤隨被測方針一同旋轉,3對光源和光電元件安插在碼盤的兩側,位置對稱,則外層碼道的光電元件輸出的脈沖數反映了被測方針轉動角度的年夜;外層碼道與中心碼道的輸出相位差反映了被測方針的轉動標的目的;內層碼道的狹縫作為碼盤的基準位置,輸出旌旗燈號提供一個初始零位旌旗燈號。增量碼道上扇形區數目的幾多,決議了編碼器的分辨力。光源一般采用發光二極管,光電元件一般采用硅光電池或光電晶體管。旋轉式光電編碼器安裝在斷路器連念頭構的轉動軸上。2.4振動旌旗燈號檢測壓電式加速度傳感器是是振動丈量的主要傳感器形式。和其它類型的傳感器相比具有活絡度高、頻率范圍寬、線性動態范圍年夜、體積小、安裝形式多樣等一系列點。壓電式傳感器是基于壓電應的原理。所謂壓電應是指正壓電應,當沿著一定的標的目的對某些電介加力而使其變形時,內部發生極化現象,在它的兩個概況上發生極性相反的電荷,當外力往失落后,又重新恢復不帶電狀態,這類機械能轉化為電能的現象稱為正壓電應。壓電式加速度傳感器的主要部件包括殼體、壓電片和緊壓在壓電片上的量塊組成。由于量塊發生正比于加速度的慣性力,此力作用在壓電片上,由正壓電應使壓電片概況發生正比于加速度的電荷。2.5開進量裝配同時檢測斷路器動作的相關節點狀態,并將這些節點狀態和以上各類傳感器的輸出旌旗燈號相連系,用來分析各類機械性能。

3高壓斷路器在線監測系統的硬件結構

為了實現狀態檢修的目的,高壓斷路器在線監測系統應具有各類數據收集、旌旗燈號分析、故障診斷、數據經管等功能,而且具有秀的人機界面,系統中的各功能模塊能夠實時有用地通訊。系統結構以下圖所示。系統的焦點是散布式的斷路器在線監測裝配,該裝配采用模塊化背插結構,包括DSP主控板、MMI模件、模進、開進、開出模件和電源模件。斷路器在線監測裝配安裝在現場,它收集傳感器輸出旌旗燈號,進行在線分析處置后,將裝備狀態實時顯示在液晶面板(MMI);并經由過程CAN總線送往上位機(PC),上位機系統挪用運用算法,實時計較斷路器相關指標并累積歷史數據,給出歷史評價。DSP主控板是以TMS320VC33為焦點的智能控制模件,它的使命可分為4個方面:信息收集、處置計較分析、控制輸出和通訊。由于液晶模塊的驅動與現場顯示使命量較年夜,故設計中將顯示功能自力于DSP主控板,由以89C51為焦點的MMI模件自力執行顯示功能。DSP主控板與MMI模件用RS-232毗連,采用簡單的主從式串行通訊協議。而DSP主控板與上位機之間的距離較年夜、傳輸數據量也更年夜,上位機要憑據收到的數據進行更周密的推理,所以采用高靠得住、實時性強的CAN總線毗連。DSP芯片TMS320VC33是美國TI公司推出的TMS320C3X系列的浮點式數字旌旗燈號處置器,它是在原來的TMS320C31浮點DSP的根蒂根基上開發一個價格更低的版本,該產物以高速、低功耗、低成本、易于開發為顯著特點。由于采用了內部1.8V,外部3.3V供電,因而功耗比原有型號下降了年夜約一個數目級,帶有32b的高性能CPU,具有高速的浮點運算能力,能支持高達75MIPS的運行速度,而且帶有34K´32b(1.1Mb)的片內雙靜態RAM。片內存儲器可映照外設,其中包括一個串行口、2個32b按時器和一個DMA;具有法式指導功能,法式可以由低速的EPROM裝人到系統的高速RAM全速運行。DSP主控板以DSPVC33為焦點,擴大有存儲器模塊、通訊接口模塊、看門狗電路等。DSP的高速運算能力和運行速度使得對電流旌旗燈號的一周波108點高密度采樣、對角位移行程傳感器輸出的高頻脈沖采樣得以實現。

4裝配的軟件結構簡介

斷路器在線監測裝配的軟件包括DSP主控板軟件和MMI模件軟件。DSP主控板軟件是系統控制的焦點,MMI板的軟件依賴于DSP主控板的數據。DSP主控板的法式可劃分為監控法式、通訊法式、采樣法式和計較法式四個主要的功能模塊。監控法式是主輪回,采用仿嵌進式實時多使命操作系統的使命調劑機制,并對裝配自檢。采樣法式完成對輸進量高速采樣、錄波,生成時鐘等使命。計較法式完成斷路器操作時的各類在線監控指標的捕捉和計較。通訊法式按規約對通訊數據進行封裝,并發送或接收數據。

5結語

電氣裝備在線監測是變電站自動化的拓展功能,斷路器的狀態在線監測是其中的一項主要內容。本文介紹了一種基于高速浮點DSP的斷路器在線監測裝配,介紹了該裝配的監控功能和所采用的傳感技術。該裝配經由過程檢測故障電流、分合閘線圈電流波形、觸頭行程等旌旗燈號計較分析高壓斷路器的電壽命、機械壽命并評估斷路器的動作性能。該裝配已投進現場使用,性能穩定,果秀。

參考文獻

[1]徐國政,張節容,錢家驪等.高壓斷路器原理和運用[M].北京:清華年夜學出書社,2000XUGuo-zheng,ZHANGJie-rong,QIANJia-li.Principleandapplicationofhighvoltagecircuitbreaker.Beijing,TsinghuaUniversityPress,2000[2]常廣,王毅.高壓斷路器機械狀態在線監測裝配的研究[J].高壓電器,2003,39(2):44-46CHANGGuang,WANGYiAnon-linemechanicalconditionmonitoringdeviceforhighvoltagecircuitbreakers.HighVoltageApparatus,2003,39(2):44-46[3]郭賢珊,李仲夫,陳軒恕.斷路器操念頭構在線監測參數的選擇[J],高壓電器,2002,38(1):24-26,30GUOXian-shan,LIZhong-fu,CHENXuan-shu.Selectionon-linemonitoringparametersofcircuitbreakers’operatingmechanism[J],HighVoltageApparatus,2002,38(1):24-26,30[4]張國忠,趙家貴.檢測技術[M].北京:計量出書社,1997ZHANGGuo-zhong,ZHAOJia-gui.Beijing,ChinaJiLiangPress,1997
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