基于工控機的真空斷路器在線監測系統

王鑫 魏殿杰 王新寬 崔石勇（山東大學電氣工程學院）

一、引言

真空斷路器是電力系統中的一種重要的電氣設備。它利用真空作為絕緣和滅弧介質,主要有控制和保護兩種作用，即能根據電網的需要進行電力設備及線路的投切以及當電力設備或線路發生故障時，能將故障部分迅速從電網中切除，保證電網無故障部分可靠運行。

電力系統多年運行的實際數據表明，中高壓斷路器經常出現的故障有絕緣異常、通電異常和機械故障。而操動機構是斷路器的重要組成部分。操動機構的動作可靠性決定了斷路器的工作可靠性。據國內外資料統計，斷路器機械故障占總故障的60%。故及時診斷出斷路器的機械故障就有重要意義。斷路器的檢測技術經歷了從離線測試、周期性再現檢測、長期在線監測的發展過程。隨著傳感技術、計算機技術、光電技術、信號處理技術的發展，使對電氣設備進行在線的狀態監測，及時取得各種即使是微弱的信息成為可能。對這些信息進行處理和綜合分析后，根據其數值的大小和變化趨勢，可對設備的可靠性隨時作出判斷和對設備的剩余壽命作出預測，從而能早期發現潛在的故障。而且還能分析各種重要參數的變化趨勢，判斷有無故障的先兆，為設備的狀態維修提供依據，從而增大設備的維修保養的周期，因而具有重要的經濟意義。

本文就是在以上實際要求和理論的基礎上，提出了一種基于工控機的對真空斷路器進行在線狀態監測的研究方法，它既可以減少突發性事故發生，提供設備可用率和安全可靠運行，同時可以降低設備強迫停運率和維修費用，從而延長設備的使用壽命。

二、設計思路

真空斷路器的主要特點是其利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質，它的觸頭為對接式結構，它的機械特性表現為動觸頭相對與靜觸頭的運動特性。合閘操作中，開關觸頭接觸后動觸頭繼續運動的距離為超行程，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，對于運行的開關，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間的關系可以實現斷路器機械特性的監測。

三、數據采集

位移量采集：位移量采集是靠光電式行程傳感器來實現的。其工作原理如下：把旋轉光柵安裝在斷路器操動機構的主軸上，利用光柵和光電斷續器的相對運動，經光電轉換，將速度行程信號轉換為電信號。經數據處理后可得斷路器操作過程中的行程合速度隨時間的變化關系。據此可計算出以下參數：動觸頭行程；超行程；剛分后及剛分前10ms內平均值等。

電流信號采集：電流信號的監測可選用補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械故障用的豐富信息。

四、硬件配置

選用工業控制計算機和研華數據采集板PCI-1710。選用工業控制計算機作為主機是因為其與相同型號的PC機相比具有可以長期穩定運行的特點，并且以計算機為核心的監測系統可以提高系統的數據處理能力，增加分析診斷功能，并可發展為分級管理的分布式監測診斷系統。硬件結構圖如圖1所示。

圖1 硬件結構框圖

研華數據采集板PCI-1710是一種即插即用型的數據采集板，通過PCI擴展槽與計算機相連。PCI總線板具有即插即用的特性。在安裝插卡時，用戶不需要設置任何跳線和DIP撥碼開關。實際上，所以與總線相關的配置，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量和控制功能：12位A/D轉換、D/A轉換、數字量輸入、數字量輸出記計數器/定時器功能。

五、軟件配置

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

Matlab6.0程序設計語言，利用其強大的計算、信號處理、和繪圖功能速采集、存儲的斷路器電氣量數據進行繪圖、仿真，直觀形象的監測電器開關的運行狀態變化過程，提取能反映斷路器運行狀態的特征信號，實現信號的處理功能。

Simulink：使用方框圖來進行實際系統和控制器的建模的環境，是一個用來對動態系統進行仿真、鼠標驅動的交互式圖形系統。

C編譯器：在Real-Time Workshop 使用C編譯器將C代碼編譯成可執行代碼。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把工控機作為Host和Target的實時采集的環境，它允許用戶在normal模式下使用Simulink建模，利用Real-Time Workshop和C編譯器編譯產生可執行代碼，運行應用在Simulink的External模式下的工作平臺。Real-Time Windows Target使用Matlab的Real-Time kernel來保證應用在實時模式下，通過它，可以用和I/O驅動板連接的傳感器和執行器代替物理系統模型。Matlab支持Advantech、NI、AD公司的ISA、PCI等BUS的100多個I/O卡。因此，我們可以利用它對信號進行實時采集、實時控制，并且實現在線調試。我們利用Matlab中的Real－Time Windows Target工具箱和數據采集卡來完成真空斷路器基于Windows的實時采集系統。

六、設計過程

1、建模：

在Matlab的command窗口中鍵入Simulink,進入仿真環境，我們從Real-Time Windows Target工具箱中選中Analog Input和Digital Input，Real-Time Windows Target是一個與安裝在工控機上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、設置參數

我們可以設置采樣時間，輸入通道數，輸入范圍和模塊輸出信號，如圖3所示

圖3 參數設置對話框

可以從Block Parameters對話框中打開所需要的I/O板。當使用PCI板時，應當安裝制造商的驅動，否則可能在Real-Time Windows Target 不可見。

3、數據采集模式

在Mathlab環境下，一種可以在Normal方式下，即非實時方式下；另一種為External方式，這是Real-Time Windows Target的主要運行方式，它可以通過Real-Time Workshop 將仿真模塊轉換成C程序，并且通過編譯器將C程序轉換成可執行程序。在實時控制中，我們采用External模式，進行在線控制。如圖4所示。

圖4 采集模式設置對話框

當選中correct target之后，就可以運行了。

4、信號記錄

信號記錄就是把數據以變量形式保存到Matlab workshop然后以mat文件的形式保存到磁盤驅動器中，這樣你就可以使用Matlab功能進行數據分析和Matlab繪圖功能使其可視化。使用數據歸檔特性由外部模式控制板提供，你可以在執行過程中保存數據到文件。在仿真過程中不能保存數據到磁盤驅動器，你可以在仿真時或執行時以變量形式保存數據。使用Real-Time Windows Target的數據歸檔特性，必須在你的仿真模型中添加Scope塊，必須在你的實時應用的執行運行過程中。

5、界面設計

在VC++6.0語言開發環境下編制人機交互操作界面進行控制。Matlab編程語言具有易于擴展的特點，利用其接口函數（Engine API）可以建立與VC++6.0語言的聯接，實現在VC開發環境中直接調用Matlab編程語言，利用其計算、信號處理和圖像處理功能可以將采集與存儲的數據在不經過任何處理的情況下進行繪圖與仿真，此功能只需要幾個函數就可以實現。

七、結論

本文所述基于工控機和Matlab6.0的真空斷路器在線狀態監測故障診斷系統的研制，能夠提高數據的處理能力，增強故障分析處理能力，對于狀態監測具有一定的意義。