斷路器在線監測裝置的設計范文

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《電氣應用雜志》2014年第十二期

一、系統硬件設計

1.模擬信號量的測量模塊系統采集的模擬信號有:合分閘線圈電流信號、一次電流信號、合分閘控制電源電壓、儲能電機電壓、交流控制電源電壓、振動信號和行程信號，測量模塊如下。(1)合分閘線圈電流信號的測量本文選用霍爾電流傳感器，既可以測量交流電流，又可以測量直流電流的KT10A，接線圖如圖2所示。(2)一次電流信號的測量主回路相電流是交流信號，直接從電流互感器輸入，經霍爾電流傳感器KT100A將其變換成弱電信號。接線圖可將圖2中霍爾傳感器型號改為KT100A。(3)各種電壓信號的測量合分閘控制電源電壓、儲能電機電壓和交流控制電源電壓均用霍爾電壓傳感器KV25A/P。(4)振動信號的測量本設計采用加速度傳感器測量振動信號。2.開關量的測量模塊系統采集的開關量有:斷路器的輔助節點，隔離開關輔助節點的位置，小車的位置，儲能系統的狀態。本設計選用光耦隔離。3.調理電路模塊從傳感器得到的信號除了50Hz的工頻電壓信號，還可能參雜有高頻信號，因此設計低通濾波電路來抑制外部高頻信號的干擾。本文采用二階Sallen-Key低通濾波器，如圖3所示。4.A－D轉換模塊本文的A－D轉換模塊采用外擴的14位A－D芯片MAX125。MAX125每次采集可以有4個通道被同時采樣。各通道相互獨立，因此任一個通道的故障不會影響其他通道的運行。MAX125工作時序圖如圖4所示。地址寫入之后，采樣方式即被確定，A－D就開始采樣和轉換輸入信號，這些操作通過外部的CONVST信號的上升沿來啟動。采樣/保持器在上升沿到來之前跟蹤輸入信號;在CONVST的上升沿保持輸入電壓，輸入信號被采樣，各通道的轉換開始依次連續地進行［9］。在轉換完成之前，所有輸入的CONVST信號都將被忽略。當最后一個通道轉換完畢后，INT信號產生，其下降沿標志著轉換過程的結束，轉換結果保存在14位×4的RAM中。INT信號變為低電平后，采樣/保持器就返回到跟蹤狀態，為下一次采樣作準備。在讀數據的過程中，第1次的讀操作使INT信號變高。在讀取轉換所得的數字量時，CS、RD這2個信號需要同時為低電平，每一個RD信號對應著一個通道的數據，4個連續的讀脈沖可依次從數據總線讀取4個通道的數據。5.外設功能模塊除了上述模塊之外系統還設置了外設功能模塊。主控制器在讀取所測數據之后，為了防止掉電時數據丟失，選擇內部SDRAM存儲器對數據進行存儲。同時，將所得電參量數據輸出到LCD上進行顯示。為了確保系統的正常工作，需要提供系統電源。

二、嵌入式Linux驅動程序的設計

本設計采用外擴的ADC完成數據的采集，基于Socket的以太網完成數據的通信。需要完成A－D轉換驅動程序的設計移植、網卡驅動程序的移植和Socket通信程序的設計移植。1.Linux開發環境的構建嵌入式系統本身不具備自主開發能力，所以需要建立開發環境，完成以下內容:①建立交叉編譯環境。②建立內核環境。③建立應用程序集成開發環境。④ARM板上安裝Linux系統。2.A－D轉換驅動程序的設計移植圖5為A－D轉換驅動程序的原理圖，Linux在內核態下與硬件通信完成數據采集，再將轉換結果傳遞給用戶態下，實現數據轉換。采集的數據量包括電流、電壓和振動等模擬量。本設計采用外擴ADC芯片方式實現數據采集，當A－D轉換完成后產生A－D中斷，在中斷服務程序中來讀取。3.通信協議本監測裝置采用的通信規約完全遵循國標《遠動設備及系統第5部分傳輸規約第101篇基本遠動任務配套標準》。本標準規定了電網數據采集和監視控制系統(SCADA)中主站和子站(遠動終端)之間以問答方式進行數據傳輸的幀格式、鏈路層的傳輸規則、服務原語、應用數據結構、應用數據編碼、應用功能和報文格式。4.Socket通信程序設計移植本設計采用基于TCP/IP的以太網，在此基礎上設計上層通信模塊，通過調用Socket函數來實現各種功能，包括數據的接收和發送，數據的校驗等［10，11］。Socket［12-15］用于描述IP地址和端口，應用程序通常通過Socket向網絡發出請求或者應答網絡請求。服務器使用Socket監聽指定的端口，等待客戶連接請求，客戶連接后會話產生，會話完成后關閉連接。客戶端使用Socket指定服務器的端口發出連接請求，成功后打開會話，會話完成后關閉Socket。因此，通過Socket接口實現服務器和客戶端互相發送數據，雙方數據傳輸遵循數據交互的通信格式及發送和接收的順序。核心板內部存儲數據的SDRAM存儲器就相當于Socket的服務器端，包含Socket監聽和Sock-et接收處理兩個部分。Socket監聽部分采用多線程工作方式，讓監聽進程在一個固定的端口處進行監聽，如果收到請求處理請求，否則繼續在源端口負責監聽。Socket接收處理部分是服務器與客戶端進行交互的關鍵，只有符合預先設定的服務協議才能進行處理并把結果返回到客戶端，否則不處理客戶請求。本設計采用自帶TCP/IP協議的Linux操作系統，它可以直接調用底層的函數，驅動上層模塊完成Socket通信。設計的主要目的是要設計出TCP通信模塊，Socket為網絡通信提供了一種方式。Socket編程詳細過程如圖7所示。5.程序移植到Linux硬件開發平臺把應用程序載入到開發板的方法很多，這里A－D轉換驅動程序采用的是把ADC注冊成misc設備。Socket通信程序用LinuxNFS共享服務器來完成應用程序的載入。NFS建立成功后通過CP命令將交叉編譯過的TCP程序下載到開發板上，等待最后的測試。

三、系統測試

1.測試的環境和測試的條件(1)測試的環境測試的計算機上同時運行兩個操作系統，計算機用網絡線和串口與開發板相連接。測試環境分為以下兩個部分。1)在Windows平臺上安裝有Linux系統的虛擬機。在Linux終端上測試服務器端程序的運行。2)在Windows下的超級終端上測試并顯示開發板上程序運行的情況。(2)測試的方法1)計算機上啟動用虛擬機安裝的Linux系統，然后建立新的用戶終端，運行服務器端程序。2)啟動開發板并配置IP，確保嵌入式操作系統Linux成功移植并且正常啟動，網絡驅動完畢。3)在操作系統Linux下運行客戶端程序。4)對系統進行測試。2.功能及數據測試(1)數據采集準確度測試通過調變阻器阻值改變輸入電壓的大小，從表1可以模擬輸入電壓值與A－D轉換出來并經換算的電壓值最大相差不到0.01V，相對誤差在1%以內。(2)數據采集結果為模擬實際波形，本文還利用數字動態實時測試軟件，輸出口經霍爾電流傳感器測試過程及分析接到ARM的信號輸入端。通過數字動態實時回放測試模擬斷路器輸出信號，圖8為合閘時振動信號波形，圖9為合閘時線圈電流波形。實驗證明可以很好地采集到信號，為下一步的數據處理及故障診斷做基礎。(3)以太網接入測試服務器程序從客戶那里讀取一個字符增加它的值，然后再把它寫回去。服務器運行時，它創建一個套接字并開始等待客戶的連接。服務器連接狀態如下:運行客戶程序時，可以成功地連接到服務器客戶端，連接狀態如下:由以上狀態可以看出，以太網口可以進行正常的數據傳輸。(4)以太網數據傳輸速度測試通過以太網從上位機錄波數據到控制模塊，測得實際傳輸過程中傳輸速度數據如表2所示。由以上測得的實驗數據可以計算出，實際傳輸過程中數據傳輸速度約為9.2657Mbit/s。(5)以太網測試結果分析通過以上測試可知本文以太網數據傳輸率可達10Mbit/s，遠遠高于傳統通信485的傳輸速度，通過誤碼率測試可知幾乎沒有誤碼問題，并且在節點錯誤影響方面單個節點的錯誤對整個網絡沒有任何影響，系統網絡結構安全性好，穩定性好，網絡調試容易，維護成本低。

四、結束語

本文設計的地鐵供電變斷路器在線監測系統，由于采用了ARM和Linux系統，大大改進了斷路器在線監測系統的性能，采集數據更準確，傳輸數據更快速安全。系統具有功能強大，便于管理和多任務實時的特點。系統可為地鐵供電設備檢修提供可靠的科學依據，具有很好的應用和推廣價值。

作者：劉婧一徐麗杰王瑋倪平浩譚立佐單位：北京交通大學電氣工程學院 國網遼寧省電力有限公司沈陽供電公司