智能断路器状态检测系统的研究与实现

【摘 要】分析了断路器在线状态检测的重要性。研究了断路器运行检测原理，开发了一种高效断路器检测系统。

【关键词】智能；断路器；检测系统

0 引言

断路器作为电力系统的重要设备之一，且兼具控制与保护的双重功能，直接影响电网的安全稳定。相对其他静止的电力设备，断路器是需要进行不断动作的设备部件，因此断路器结构复杂，零部件多样。在设备运行过程中，其零部件磨损，功能参数发生变化，设备出现故障将不可避免。

为提高设备寿命周期，使设备处于良好的运行工况下，保障电网的安全稳定运行，对断路器进行适时地检修维护显得尤为重要。过去，包括断路器在内的电力设备，一直采取定期检修维护的方法。但由于设备运行环境、使用条件、甚至不同设备间均存在较大差异，因此统一的维修周期，既缺乏针对性，也存在检修成本的资源浪M。

断路器在线检测系统能实时了解断路器的运行状态，减少过早或不必要的停电试验与检修。可显著提高电力系统的可靠性和经济性。

1 电流检测原理

断路器在分、合闸过程中线圈电流变化曲线最能反应当前断路器的工作状态。国内外广泛的应用实例，充分证明了断路器控制回路波形监测技术是一项行之有效的断路器操作机构状态检测技术。

分合闸过程线圈中电流的变化可根据等效电路推导如公式1所示，根据该公式可以分析出线圈电流的波形轨迹，即铁芯运动关键时刻点及该时刻电流值，如图1。

2 总体方案

为更好满足现场多变的应用需求，断路器状态检测系统硬件采用ARM+FPGA双核结构，软件采用RT Linux操作系统，应用层使用C语言进行程序设计。这样既保证了数据采集、获取的实时性，也保证了检测系统丰富的外设接口。系统组成如图2所示。

本断路器状态监测系统方案主要由以下部分组成：

1）断路器。作为监控对象，主要采集断路器线圈分、合闸电流、电压数据。

2）检测装置。主要负责断路器数据采集、数据处理，数据显示及状态预警机制。

3）检测主站。为实现无人值守，所有的断路器数据都包括数据上送功能，集中显示，通过在数据中心查看断路器的运行状态。

3 硬件平台设计

智能断路器状态检测系统采用ARM+FPGA双核硬件平台，FPGA主要进行断路器电流、电压数据采集，采集后的数据实时传输到ARM进行数据分析处理。

总体硬件模块如图3所示。

图3 硬件模块图

硬件模块介绍如下：

（1）FPGA模块。为保证采集速率，采用FPGA阵列，速率可到300MHz；

（2）ARM核心板。为满足嵌入式及低功耗现场需求，本次采用ARM作为主处理器单元，主频500MHz，且CPU主板通过连接件的方式与底板互联；

（3）底板。方便外设扩展，底板提供了丰富的外设接口，网口、USB口等等；

（4）显示。为方便实时及历史数据的查看，提供了高分辨率显示屏用于数据显示及查看。

（5）状态指示灯。为调试及现场操作提供方便，本装置提供了状态指示灯模块，通过状态指示灯的颜色显示即可反映当前断路器的工作状态。

4 软件平台设计

4.1 系统平台设计

对电力系统而言，系统的实时性和可靠性[10]是要求的关键，而Linux、Window CE、VxWorks 等嵌入式系统，均存在开放性、稳定性、实时性或高收费方面的问题。智能断路器检测系统在开源Linux系统的基础上搭载实时Xenomai微内核，该双内核系统架构既具有Linux系统既具有Linux丰富的驱动接口，也具有硬实时系统的优点，系统结构如4所示。

图4 软件系统图

从软件系统图中可以得知，双内核的系统架构更方便不同应用需求的处理，对于实时性要求高的应用运行于Xenomai内核，而实时性不高的应用运行于Linux内核。

4.2 应用软件设计

当断路器进行分、合闸时，FPGA把采集到电流、电压数据进行上送，当ARM CPU接收到FPGA上送的数据后即调用数据分析模块、状态诊断模块、数据存储模块、数据上送模块等进行分析处理，同时把当前数据波形及分析结果在显示屏上进行显示，当出现故障时，显示面板进行告警显示。

实时波形数据与分析结果以文件的方式保存在现地装置中，同时可以以太网方式上送波形数据与分析结果到远程服务器进行查看、显示，便于远程值守。

软件设计采用模块化方法，软件模块结构如图5所示。

5 结语

智能在线监测装置实现断路器状态监测的核心在于分、合闸线圈电流波形的采集及系统组网方案。本文介绍的系统方案，运用了大数据分析、模糊诊断等技术手段，大大提高了线圈分析的可靠性。

该系统实现了检测断路器运行状态的目的，系统响应快速、可靠稳定，平台不仅具有现地显示还具有远程服务展示功能，满足了现场调试及远程监控的要求，系统同时具有61850通讯接口，满足了不同厂家设备互联互通的功能。

针对目前智能变电站推广日益广泛的现实，具有良好的应用前景。

【参考文献】

[1]赵琦，姚庆梅.基于ARM及嵌入式操作系统的通信管理机[J].山东建筑大学学报，2009，23（1）：54-58.

[2]马林可.数字化变电站系统通讯管理机的应用与研究[J].工业控制计算机，2010，23（5）：121-122.

[3]雷体文，蔡迅华，曾宇.基于消息机制的变电站智能通讯管理机[J].自动化与信息工程，2007，28（1）：18-20.

[4]王松月，杨福兴.基于ARM920T嵌入式通信控制系统设备驱动开发[J].电力自动化设备，2006，26（6）：75-78.

[5]刘双才.基于COLDFIRE MCF5270电力通讯管理机的设计[J].工业控制计算机，2008，21（12）：74-75.

[6]王方勇，朱维涛，徐礼春.基于嵌入式实时操作系统的硅片传输系统设计[J].仪器仪表学报，2005，26（Z8）：474-476.

[7]朱乐，冯惠阳，李斌.基于RISC架构的多串口网口通信管理装置[J].水电自动化与大坝监测，2011，35（4）：35-38.

[8]单惠平，杨树元.PowerPC主机处理器的网口设计开发[J].计算机工程，2006，32（3）：264-266.

[9]刘航，刘全，凌俊银.一种基于嵌入式Linux操作系统通信管理机的设计与实现[J].电力系统保护与控制，2009，37（1）：76-78.

[10]陈杰，杜伟春，王振岳，等.基于嵌入式技术的工业通信管理机的开发及应用[J].电力系统保护与控制，2010，38（11）：113-116.