摘要：针对中压配电断路器微机保护和在线监测共同的功能特点，设计了一种将两种功能融合、基于双CPU结构的综合监控装置。该装置具有相序和零序过流三段式保护、断相断线检测和故障录波的功能，通过对所需信号量的采集、存储和处理，实现对断路器机械特性、电寿命、二次回路完好性、环境湿度及导电连接处温度的监测，并利用大屏幕液晶实现故障信息和断路器状态参数的现场查看。在装置的软件设计中采用了μC/OS-II嵌入式操作系统，通过对任务的合理划分和优先级分配，提高了系统的稳定性、实时性、可靠性和可维护性。
关键词：在线监测；微机保护；RS485总线
1 引言
随着电力系统自动化的迅速发展和供电可靠性的日益提高，特别是目前电力部门正大力推行的变电站综合自动化，对断路器的可靠性提出了更高的要求，为了适应这种要求，构建断路器状态监控系统变得十分必要。笔者设计的断路器综合监控系统将断路器状态在线监测与微机保护单元相融合，采用双CPU结构，利用高性能单片机完成大容量的数据采集、存储与处理，并利用液晶显示模块实现微机保护故障信息和断路器状态参数查看及设置，系统的软件设计基于μC/OS-II嵌入式实时操作系统。
2 硬件设计
2.1总体硬件结构
监控系统不但要实时监测三相电压、电流，判断配电网是否出现故障，还要在出现故障时控制断路器，并在断路器动作过程中监测断路器的状态。由于断路器分合闸的时间很短，通常都在毫秒级，而对于电网故障的保护动作实时性要求非常高，断路器状态监测的参数较多，为了保证微机保护动作和对断路器状态参数采集的实时性，整个系统采用双CPU结构，主CPU采用飞思卡尔MC9S12XDP512，单片机为带协处理器的双核单片机，具有512KFLASH，32KRAM，4KEEPROM，可以满足监控系统大量数据存储的需要，16通道10位精度A/D转换器，另外还具有CAN、SCI、SPI等通信模块，便于监控单元与远程监控总站的通讯。
2.2主要硬件设计
2.2.1三相电流电压及零序电流电压监测
利用电流电压互感器实现对三相电流电压的监测，CT二次侧额定电流为5A，一般要求监测装置能监测20倍过流，因此选用传输比为100A/3.53V的电流/电压传感器，电网上出现故障时，监控装置也要通过该电流/电压传感器进行故障录波，记录分闸前后的三相电流，该电流可以用作触头电寿命监测；对于零序电流的检测采用超微晶材料制成的高灵敏零序电流互感器结合有源滤波器实现小电流测量保护；对于电压测量采用将电压转变为电流的测量方法，选用SPT204A测量型小电流互感器，该互感器体积小、精度高，线性度0.1％，耐冲击性强，额定输入电流2mA，因此需要外接变流电阻使原边额定电压时电流为2mA。
2.2.2分合闸线圈电流测量电路
通过对分合闸线圈电流的监测能直接反映分合闸铁心是否出现卡涩及弹簧操动机构脱扣的状态，同时也能实现对二次回路完好性的监控，笔者采用L18P系列霍尔电流传感器测量分合闸线圈电流，电路霍尔传感器成本低，响应时间小于5μs，内置温度补偿电路，体积小，便于直接在电路板上安装，适用于断路器线圈的交直流电流采样。对交流操作的断路器，霍尔电流传感器的输出信号为交流信号，不能直接作为单片机A/D口的输入，采用绝对值电路将交流信号做绝对值处理，再利用符号电路获取电流的正负值。
2.2.3温湿度监测
导电连接处会因电磨损、机械操作引起的机械振动等原因，使接触条件恶化，接触电阻增加，引起接触点的温度升高，如果过热会引起绝缘老化甚至击穿，从而引发重大事故，而导电连接处又处于高电压大电流的状态，不易直接测量，红外测温技术具有非接触式、可在线测量的优点，对于断路器内需要的多点温度监测，笔者采用基于RS485总线的分布式多点红外测温技术，每一个红外温度传感器由热电堆探测器和MEGA16单片机组成，通过RS485总线与监控单元的从CPU构成主从式总线型网络拓扑系统，采用主从方式进行多机通信，这种拓扑结构具有可测128点、接线少的优点。该传感器的敏感元件为高分子湿敏电阻，湿度准确度±5%，5V供电，最大耗电电流5mA，内部集成变换电路，输出电压信号可以直接供A/D采样。
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3 软件设计与实现
3.1任务的划分和优先级分配
实时操作系统中的任务又称为进程,是一段具有一定功能的独立程序，操作系统按不同优先级别给各任务分配不同的CPU时间,多个应用程序分别在自己的时间片内访问CPU,致使微观上轮流运行,宏观上并发运行的多任务效果。该监控单元根据各模块要实现的不同功能划分了如下任务。
1）数据采样任务。主要完成对三相电流电压输入的采样，并将采样结果存放在数据缓存区，为故障判断任务的调用做好准备，为保证数据采集的实时性，将该任务放在定时器中断中完成，优先级最高。
2）通讯任务。该任务完成与从单片机的通讯任务，接受从单片机采集的状态监测数据
3）键盘任务。完成对键盘的扫描，根据健值向消息邮箱发送消息，实现人机交互功能。
4）液晶显示任务。根据消息邮箱中收到的键值进行相应的页面更新显示，另外还要进行实时时钟显示和三相电压、电流以及零序电压、电流的实时显示。
3.2任务的调度
1）系统首先完成外围设备和I/O口的初始化以及μC/OS初始化，然后创建各个任务，启动系统任务调度。开出任务和SPI通讯任务由于需要信号量触发进入等待状态。系统按优先级顺序运行键盘任务，液晶显示任务和自检任务，由于这几个任务对实时性要求不是很高，所以将液晶任务设为每5个时钟节拍运行一次，键盘任务每12个时钟节拍运行一次，自检任务每15个时钟节拍运行一次。
2）由于液晶既要实时显示日期和时间也需要根据键盘值进行相应的页面跳转，液晶任务和键盘任务之间通过消息邮箱进行通讯，为了保证时间显示能够精确到秒，必须保证液晶任务每1s读时钟一次，可以通过调节液晶任务的等待时钟节拍来实现。
3）为了保证按时采样，将采样任务放在定时器中断OSTickISR中完成，如果其他任务发生错误或程序出现异常，定时采样中断依然能打断其他任务保证采样任务的正常运行，不至于使一个任务的异常波及到所有其他任务的正常运行。采样任务完成后将触发保护任务，保护任务从数据缓冲区提取采样任务采样的数据，进行运算后判断是否有故障，如果发生故障则通过OSSemPost发出跳闸信号量，触发开出任务。开出任务也可以通过按键触发，以实现手动分合闸功能，因此键盘任务也可以通过信号量触发开出任务。开出任务执行完后触发SPI通讯任务接受从CPU采集的状态参数在线监测数据。
3.3从CPU软件设计与实现
从CPU主要负责断路器状态的监测，正常运行状态下，从CPU监测环境湿度和母线连接处的温度，若温湿度超标则报警。当电网出现故障并被主CPU监测到后，主CPU发出分闸指令，同时给从CPU触发信号，采集断路器分闸过程中线圈电流电压、触头行程和开关状态，采样完成后将这些数据通过SPI通讯口发送到主CPU给故障诊断用，对断路器状态的采样频率为10kHz，由于采样状态参数较多，为确保所有状态参数采样的及时完成，采用轮流采样的方式，对于精读要求比较高的触头位移，每个采样中断都采样，而对于线圈电压电流和触点状态可以不需要这么高的采样频率，每次采样中断只采其中一个参数，即每0.3ms采样一次。
4 实验结果及数据分析
断路器机械特性在线监测的参数主要包括：分合闸时间、分合闸速度、触头开距、超行程、分合闸同期性以及合闸弹跳时间。对于在
线监测，由于主触点处于高电压、大电流的状态，触头开关状态的确定是一个难点，这就导致了分合闸时间、超程等参数无法确定，实际应用中可以先通过离线测试测得分合闸过程中主触点和辅助触点分合的时间差，在线监测时再利用测得的时间差和辅助触点的开关时刻推算主触点的开关状态变化时刻。通过分合闸线圈电流电压可以对二次回路完好性进行监测，可以看到由于线圈呈感性，分合闸线圈交流侧电流的相位稍滞后于线圈电压，外部电源经过整流后才与线圈相连，由于整流桥的续流作用，真正流过线圈的电流没有过零点，若线圈损坏，会导致阻抗变化，线圈电流也会变化，通过与正常值比较，可以对线圈状态进行监测。
5 结语
研制的路器综合监控装置将传统的微机保护功能和断路器在线监测功能相融合，降低了断路器监控设备配置的复杂性，节省了硬件资源，避免了数据重复采样。在微机保护功能的基础上实现了对断路器机械特性、电寿命、二次回路完好性、导电连接处温度和环境湿度的在线监测。实验结果表明，测得状态参数的误差小于2%。监控装置利用大屏幕液晶实现微机保护故障信息和断路器状态信息的下位机查看，具有良好的人机交互界面以及串口和CAN通信接口，软件开发基于嵌入式操作系统平台，提高了整个系统的稳定性、实时性和可靠性，也使软件的可移植性、可扩展性和可维护性得到了很大的提高。
参考文献
[1]尹项根,基于DSP的高压断路器综合在线监测装置,2007.
[2]武建文,适用于新标准的断路器机械特性测试装置,2011.
[3]李志兵,断路器电容器介损随电压,2013.
论文作者:高琰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/17
标签：断路器论文; 电流论文; 状态论文; 在线论文; 线圈论文; 电压论文; 实时论文; 《电力设备》2017年第17期论文;