基于工控機(jī)的真空斷路器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王鑫 魏殿杰 王新寬 崔石勇（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院）

一、引言

真空斷路器是電力系統(tǒng)中的一種重要的電氣設(shè)備。它利用真空作為絕緣和滅弧介質(zhì),主要有控制和保護(hù)兩種作用，即能根據(jù)電網(wǎng)的需要進(jìn)行電力設(shè)備及線路的投切以及當(dāng)電力設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)，能將故障部分迅速從電網(wǎng)中切除，保證電網(wǎng)無故障部分可靠運(yùn)行。

電力系統(tǒng)多年運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)表明，中高壓斷路器經(jīng)常出現(xiàn)的故障有絕緣異常、通電異常和機(jī)械故障。而操動(dòng)機(jī)構(gòu)是斷路器的重要組成部分。操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性決定了斷路器的工作可靠性。據(jù)國內(nèi)外資料統(tǒng)計(jì)，斷路器機(jī)械故障占總故障的60%。故及時(shí)診斷出斷路器的機(jī)械故障就有重要意義。斷路器的檢測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了從離線測(cè)試、周期性再現(xiàn)檢測(cè)、長期在線監(jiān)測(cè)的發(fā)展過程。隨著傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行在線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)取得各種即使是微弱的信息成為可能。對(duì)這些信息進(jìn)行處理和綜合分析后，根據(jù)其數(shù)值的大小和變化趨勢(shì)，可對(duì)設(shè)備的可靠性隨時(shí)作出判斷和對(duì)設(shè)備的剩余壽命作出預(yù)測(cè)，從而能早期發(fā)現(xiàn)潛在的故障。而且還能分析各種重要參數(shù)的變化趨勢(shì)，判斷有無故障的先兆，為設(shè)備的狀態(tài)維修提供依據(jù)，從而增大設(shè)備的維修保養(yǎng)的周期，因而具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

本文就是在以上實(shí)際要求和理論的基礎(chǔ)上，提出了一種基于工控機(jī)的對(duì)真空斷路器進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究方法，它既可以減少突發(fā)性事故發(fā)生，提供設(shè)備可用率和安全可靠運(yùn)行，同時(shí)可以降低設(shè)備強(qiáng)迫停運(yùn)率和維修費(fèi)用，從而延長設(shè)備的使用壽命。

二、設(shè)計(jì)思路

真空斷路器的主要特點(diǎn)是其利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)，它的觸頭為對(duì)接式結(jié)構(gòu)，它的機(jī)械特性表現(xiàn)為動(dòng)觸頭相對(duì)與靜觸頭的運(yùn)動(dòng)特性。合閘操作中，開關(guān)觸頭接觸后動(dòng)觸頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的距離為超行程，超行程的作用是保證觸頭在一定程度電磨損后仍能保持一定的接觸壓力和可靠的電接觸，對(duì)于運(yùn)行的開關(guān)，可以用超行程的減小值來表示觸頭的磨損量，以此間接估算真空斷路器的剩余電壽命。通過斷路器的行程和時(shí)間的關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)斷路器機(jī)械特性的監(jiān)測(cè)。

三、數(shù)據(jù)采集

位移量采集：位移量采集是靠光電式行程傳感器來實(shí)現(xiàn)的。其工作原理如下：把旋轉(zhuǎn)光柵安裝在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主軸上，利用光柵和光電斷續(xù)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將速度行程信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得斷路器操作過程中的行程合速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。據(jù)此可計(jì)算出以下參數(shù)：動(dòng)觸頭行程；超行程；剛分后及剛分前10ms內(nèi)平均值等。

電流信號(hào)采集：電流信號(hào)的監(jiān)測(cè)可選用補(bǔ)償式霍爾電流傳感器。合、分閘線圈的電流中含有可作為診斷機(jī)械故障用的豐富信息。

四、硬件配置

選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和研華數(shù)據(jù)采集板PCI-1710。選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為主機(jī)是因?yàn)槠渑c相同型號(hào)的PC機(jī)相比具有可以長期穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn)，并且以計(jì)算機(jī)為核心的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，增加分析診斷功能，并可發(fā)展為分級(jí)管理的分布式監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

研華數(shù)據(jù)采集板PCI-1710是一種即插即用型的數(shù)據(jù)采集板，通過PCI擴(kuò)展槽與計(jì)算機(jī)相連。PCI總線板具有即插即用的特性。在安裝插卡時(shí)，用戶不需要設(shè)置任何跳線和DIP撥碼開關(guān)。實(shí)際上，所以與總線相關(guān)的配置，比如基地址、中斷，均由即插即用功能完成。它本身包含五種最常用的測(cè)量和控制功能：12位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出記計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。

五、軟件配置

Matlab6.0以上版本（Real-Time Windows Target，Simulink，Real-Time Workshop，）C編譯器，在此系統(tǒng)中我們采用Visual C++6.0作為編譯器。

Matlab6.0程序設(shè)計(jì)語言，利用其強(qiáng)大的計(jì)算、信號(hào)處理、和繪圖功能速采集、存儲(chǔ)的斷路器電氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖、仿真，直觀形象的監(jiān)測(cè)電器開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)變化過程，提取能反映斷路器運(yùn)行狀態(tài)的特征信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理功能。

Simulink：使用方框圖來進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)和控制器的建模的環(huán)境，是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)的交互式圖形系統(tǒng)。

C編譯器：在Real-Time Workshop 使用C編譯器將C代碼編譯成可執(zhí)行代碼。在matlab 窗口，鍵入mex-setup,按步驟向下操作，選擇編譯器。

Real-Time Windows Workshop :將Simulink Blocks編譯成C代碼。Real-Time Windows Target是Matlab把工控機(jī)作為Host和Target的實(shí)時(shí)采集的環(huán)境，它允許用戶在normal模式下使用Simulink建模，利用Real-Time Workshop和C編譯器編譯產(chǎn)生可執(zhí)行代碼，運(yùn)行應(yīng)用在Simulink的External模式下的工作平臺(tái)。Real-Time Windows Target使用Matlab的Real-Time kernel來保證應(yīng)用在實(shí)時(shí)模式下，通過它，可以用和I/O驅(qū)動(dòng)板連接的傳感器和執(zhí)行器代替物理系統(tǒng)模型。Matlab支持Advantech、NI、AD公司的ISA、PCI等BUS的100多個(gè)I/O卡。因此，我們可以利用它對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)控制，并且實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。我們利用Matlab中的Real－Time Windows Target工具箱和數(shù)據(jù)采集卡來完成真空斷路器基于Windows的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。

六、設(shè)計(jì)過程

1、建模：

在Matlab的command窗口中鍵入Simulink,進(jìn)入仿真環(huán)境，我們從Real-Time Windows Target工具箱中選中Analog Input和Digital Input，Real-Time Windows Target是一個(gè)與安裝在工控機(jī)上I/O板通信的仿真模塊，并從安裝新板卡中選擇研華的PCI-1710板，如圖2所示。

圖2 MATLAB 中的模型

注意：Real-time windows target 不支持以下塊：Display，To Workspace，To File，Graph Blocks（除ScopeBlock）

2、設(shè)置參數(shù)

我們可以設(shè)置采樣時(shí)間，輸入通道數(shù)，輸入范圍和模塊輸出信號(hào)，如圖3所示

圖3 參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

可以從Block Parameters對(duì)話框中打開所需要的I/O板。當(dāng)使用PCI板時(shí)，應(yīng)當(dāng)安裝制造商的驅(qū)動(dòng)，否則可能在Real-Time Windows Target 不可見。

3、數(shù)據(jù)采集模式

在Mathlab環(huán)境下，一種可以在Normal方式下，即非實(shí)時(shí)方式下；另一種為External方式，這是Real-Time Windows Target的主要運(yùn)行方式，它可以通過Real-Time Workshop 將仿真模塊轉(zhuǎn)換成C程序，并且通過編譯器將C程序轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行程序。在實(shí)時(shí)控制中，我們采用External模式，進(jìn)行在線控制。如圖4所示。

圖4 采集模式設(shè)置對(duì)話框

當(dāng)選中correct target之后，就可以運(yùn)行了。

4、信號(hào)記錄

信號(hào)記錄就是把數(shù)據(jù)以變量形式保存到Matlab workshop然后以mat文件的形式保存到磁盤驅(qū)動(dòng)器中，這樣你就可以使用Matlab功能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和Matlab繪圖功能使其可視化。使用數(shù)據(jù)歸檔特性由外部模式控制板提供，你可以在執(zhí)行過程中保存數(shù)據(jù)到文件。在仿真過程中不能保存數(shù)據(jù)到磁盤驅(qū)動(dòng)器，你可以在仿真時(shí)或執(zhí)行時(shí)以變量形式保存數(shù)據(jù)。使用Real-Time Windows Target的數(shù)據(jù)歸檔特性，必須在你的仿真模型中添加Scope塊，必須在你的實(shí)時(shí)應(yīng)用的執(zhí)行運(yùn)行過程中。

5、界面設(shè)計(jì)

在VC++6.0語言開發(fā)環(huán)境下編制人機(jī)交互操作界面進(jìn)行控制。Matlab編程語言具有易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，利用其接口函數(shù)（Engine API）可以建立與VC++6.0語言的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)在VC開發(fā)環(huán)境中直接調(diào)用Matlab編程語言，利用其計(jì)算、信號(hào)處理和圖像處理功能可以將采集與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在不經(jīng)過任何處理的情況下進(jìn)行繪圖與仿真，此功能只需要幾個(gè)函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。

七、結(jié)論

本文所述基于工控機(jī)和Matlab6.0的真空斷路器在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)的研制，能夠提高數(shù)據(jù)的處理能力，增強(qiáng)故障分析處理能力，對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有一定的意義。