基于工控机的真空断路器在线监测系统

基于工控机的真空断路器在线监测系统

王鑫 魏殿杰 王新宽 崔石勇（山东大学电气工程学院）

一、引言

真空断路器是电力系统中的一种重要的电气设备。它利用真空作为绝缘和灭弧介质,主要有控制和保护两种作用，即能根据电网的需要进行电力设备及线路的投切以及当电力设备或线路发生故障时，能将故障部分迅速从电网中切除，保证电网无故障部分可靠运行。

电力系统多年运行的实际数据表明，中高压断路器经常出现的故障有绝缘异常、通电异常和机械故障。而操动机构是断路器的重要组成部分。操动机构的动作可靠性决定了断路器的工作可靠性。据国内外资料统计，断路器机械故障占总故障的60%。故及时诊断出断路器的机械故障就有重要意义。断路器的检测技术经历了从离线测试、周期性再现检测、长期在线监测的发展过程。随着传感技术、计算机技术、光电技术、信号处理技术的发展，使对电气设备进行在线的状态监测，及时取得各种即使是微弱的信息成为可能。对这些信息进行处理和综合分析后，根据其数值的大小和变化趋势，可对设备的可靠性随时作出判断和对设备的剩余寿命作出预测，从而能早期发现潜在的故障。而且还能分析各种重要参数的变化趋势，判断有无故障的先兆，为设备的状态维修提供依据，从而增大设备的维修保养的周期，因而具有重要的经济意义。

本文就是在以上实际要求和理论的基础上，提出了一种基于工控机的对真空断路器进行在线状态监测的研究方法，它既可以减少突发性事故发生，提供设备可用率和安全可靠运行，同时可以降低设备强迫停运率和维修费用，从而延长设备的使用寿命。

二、设计思路

真空断路器的主要特点是其利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质，它的触头为对接式结构，它的机械特性表现为动触头相对与静触头的运动特性。合闸操作中，开关触头接触后动触头继续运动的距离为超行程，超行程的作用是保证触头在一定程度电磨损后仍能保持一定的接触压力和可靠的电接触，对于运行的开关，可以用超行程的减小值来表示触头的磨损量，以此间接估算真空断路器的剩余电寿命。通过断路器的行程和时间的关系可以实现断路器机械特性的监测。

三、数据采集

位移量采集：位移量采集是靠光电式行程传感器来实现的。其工作原理如下：把旋转光栅安装在断路器操动机构的主轴上，利用光栅和光电断续器的相对运动，经光电转换，将速度行程信号转换为电信号。经数据处理后可得断路器操作过程中的行程合速度随时间的变化关系。据此可计算出以下参数：动触头行程；超行程；刚分后及刚分前10ms内平均值等。

电流信号采集：电流信号的监测可选用补偿式霍尔电流传感器。合、分闸线圈的电流中含有可作为诊断机械故障用的丰富信息。

四、硬件配置

选用工业控制计算机和研华数据采集板PCI-1710。选用工业控制计算机作为主机是因为其与相同型号的PC机相比具有可以长期稳定运行的特点，并且以计算机为核心的监测系统可以提高系统的数据处理能力，增加分析诊断功能，并可发展为分级管理的分布式监测诊断系统。硬件结构图如图1所示。

图1 硬件结构框图

研华数据采集板PCI-1710是一种即插即用型的数据采集板，通过PCI扩展槽与计算机相连。PCI总线板具有即插即用的特性。在安装插卡时，用户不需要设置任何跳线和DIP拨码开关。实际上，所以与总线相关的配置，比如基地址、中断，均由即插即用功能完成。它本身包含五种最常用的测量和控制功能：12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出记计数器/定时器功能。

五、软件配置

Matlab6.0以上版本（Real-Time Windows Target，Simulink，Real-Time Workshop，）C编译器，在此系统中我们采用Visual C++6.0作为编译器。

Matlab6.0程序设计语言，利用其强大的计算、信号处理、和绘图功能速采集、存储的断路器电气量数据进行绘图、仿真，直观形象的监测电器开关的运行状态变化过程，提取能反映断路器运行状态的特征信号，实现信号的处理功能。

Simulink：使用方框图来进行实际系统和控制器的建模的环境，是一个用来对动态系统进行仿真、鼠标驱动的交互式图形系统。

C编译器：在Real-Time Workshop 使用C编译器将C代码编译成可执行代码。在matlab 窗口，键入mex-setup,按步骤向下操作，选择编译器。

Real-Time Windows Workshop :将Simulink Blocks编译成C代码。Real-Time Windows Target是Matlab把工控机作为Host和Target的实时采集的环境，它允许用户在normal模式下使用Simulink建模，利用Real-Time Workshop和C编译器编译产生可执行代码，运行应用在Simulink的External模式下的工作平台。Real-Time Windows Target使用Matlab的Real-Time kernel来保证应用在实时模式下，通过它，可以用和I/O驱动板连接的传感器和执行器代替物理系统模型。Matlab支持Advantech、NI、AD公司的ISA、PCI等BUS的100多个I/O卡。因此，我们可以利用它对信号进行实时采集、实时控制，并且实现在线调试。我们利用Matlab中的Real－Time Windows Target工具箱和数据采集卡来完成真空断路器基于Windows的实时采集系统。

六、设计过程

1、建模：

在Matlab的command窗口中键入Simulink,进入仿真环境，我们从Real-Time Windows Target工具箱中选中Analog Input和Digital Input，Real-Time Windows Target是一个与安装在工控机上I/O板通信的仿真模块，并从安装新板卡中选择研华的PCI-1710板，如图2所示。

图2 MATLAB 中的模型

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

2、设置参数

我们可以设置采样时间，输入通道数，输入范围和模块输出信号，如图3所示

图3 参数设置对话框

可以从Block Parameters对话框中打开所需要的I/O板。当使用PCI板时，应当安装制造商的驱动，否则可能在Real-Time Windows Target 不可见。

3、数据采集模式

在Mathlab环境下，一种可以在Normal方式下，即非实时方式下；另一种为External方式，这是Real-Time Windows Target的主要运行方式，它可以通过Real-Time Workshop 将仿真模块转换成C程序，并且通过编译器将C程序转换成可执行程序。在实时控制中，我们采用External模式，进行在线控制。如图4所示。

图4 采集模式设置对话框

当选中correct target之后，就可以运行了。

4、信号记录

信号记录就是把数据以变量形式保存到Matlab workshop然后以mat文件的形式保存到磁盘驱动器中，这样你就可以使用Matlab功能进行数据分析和Matlab绘图功能使其可视化。使用数据归档特性由外部模式控制板提供，你可以在执行过程中保存数据到文件。在仿真过程中不能保存数据到磁盘驱动器，你可以在仿真时或执行时以变量形式保存数据。使用Real-Time Windows Target的数据归档特性，必须在你的仿真模型中添加Scope块，必须在你的实时应用的执行运行过程中。

5、界面设计

在VC++6.0语言开发环境下编制人机交互操作界面进行控制。Matlab编程语言具有易于扩展的特点，利用其接口函数（Engine API）可以建立与VC++6.0语言的联接，实现在VC开发环境中直接调用Matlab编程语言，利用其计算、信号处理和图像处理功能可以将采集与存储的数据在不经过任何处理的情况下进行绘图与仿真，此功能只需要几个函数就可以实现。

七、结论

本文所述基于工控机和Matlab6.0的真空断路器在线状态监测故障诊断系统的研制，能够提高数据的处理能力，增强故障分析处理能力，对于状态监测具有一定的意义。