断路器在线监测装置的设计范文

《电气应用杂志》2014年第十二期

一、系统硬件设计

1.模拟信号量的测量模块系统采集的模拟信号有:合分闸线圈电流信号、一次电流信号、合分闸控制电源电压、储能电机电压、交流控制电源电压、振动信号和行程信号，测量模块如下。(1)合分闸线圈电流信号的测量本文选用霍尔电流传感器，既可以测量交流电流，又可以测量直流电流的KT10A，接线图如图2所示。(2)一次电流信号的测量主回路相电流是交流信号，直接从电流互感器输入，经霍尔电流传感器KT100A将其变换成弱电信号。接线图可将图2中霍尔传感器型号改为KT100A。(3)各种电压信号的测量合分闸控制电源电压、储能电机电压和交流控制电源电压均用霍尔电压传感器KV25A/P。(4)振动信号的测量本设计采用加速度传感器测量振动信号。2.开关量的测量模块系统采集的开关量有:断路器的辅助节点，隔离开关辅助节点的位置，小车的位置，储能系统的状态。本设计选用光耦隔离。3.调理电路模块从传感器得到的信号除了50Hz的工频电压信号，还可能参杂有高频信号，因此设计低通滤波电路来抑制外部高频信号的干扰。本文采用二阶Sallen-Key低通滤波器，如图3所示。4.A－D转换模块本文的A－D转换模块采用外扩的14位A－D芯片MAX125。MAX125每次采集可以有4个通道被同时采样。各通道相互独立，因此任一个通道的故障不会影响其他通道的运行。MAX125工作时序图如图4所示。地址写入之后，采样方式即被确定，A－D就开始采样和转换输入信号，这些操作通过外部的CONVST信号的上升沿来启动。采样/保持器在上升沿到来之前跟踪输入信号;在CONVST的上升沿保持输入电压，输入信号被采样，各通道的转换开始依次连续地进行［9］。在转换完成之前，所有输入的CONVST信号都将被忽略。当最后一个通道转换完毕后，INT信号产生，其下降沿标志着转换过程的结束，转换结果保存在14位×4的RAM中。INT信号变为低电平后，采样/保持器就返回到跟踪状态，为下一次采样作准备。在读数据的过程中，第1次的读操作使INT信号变高。在读取转换所得的数字量时，CS、RD这2个信号需要同时为低电平，每一个RD信号对应着一个通道的数据，4个连续的读脉冲可依次从数据总线读取4个通道的数据。5.外设功能模块除了上述模块之外系统还设置了外设功能模块。主控制器在读取所测数据之后，为了防止掉电时数据丢失，选择内部SDRAM存储器对数据进行存储。同时，将所得电参量数据输出到LCD上进行显示。为了确保系统的正常工作，需要提供系统电源。

二、嵌入式Linux驱动程序的设计

本设计采用外扩的ADC完成数据的采集，基于Socket的以太网完成数据的通信。需要完成A－D转换驱动程序的设计移植、网卡驱动程序的移植和Socket通信程序的设计移植。1.Linux开发环境的构建嵌入式系统本身不具备自主开发能力，所以需要建立开发环境，完成以下内容:①建立交叉编译环境。②建立内核环境。③建立应用程序集成开发环境。④ARM板上安装Linux系统。2.A－D转换驱动程序的设计移植图5为A－D转换驱动程序的原理图，Linux在内核态下与硬件通信完成数据采集，再将转换结果传递给用户态下，实现数据转换。采集的数据量包括电流、电压和振动等模拟量。本设计采用外扩ADC芯片方式实现数据采集，当A－D转换完成后产生A－D中断，在中断服务程序中来读取。3.通信协议本监测装置采用的通信规约完全遵循国标《远动设备及系统第5部分传输规约第101篇基本远动任务配套标准》。本标准规定了电网数据采集和监视控制系统(SCADA)中主站和子站(远动终端)之间以问答方式进行数据传输的帧格式、链路层的传输规则、服务原语、应用数据结构、应用数据编码、应用功能和报文格式。4.Socket通信程序设计移植本设计采用基于TCP/IP的以太网，在此基础上设计上层通信模块，通过调用Socket函数来实现各种功能，包括数据的接收和发送，数据的校验等［10，11］。Socket［12-15］用于描述IP地址和端口，应用程序通常通过Socket向网络发出请求或者应答网络请求。服务器使用Socket监听指定的端口，等待客户连接请求，客户连接后会话产生，会话完成后关闭连接。客户端使用Socket指定服务器的端口发出连接请求，成功后打开会话，会话完成后关闭Socket。因此，通过Socket接口实现服务器和客户端互相发送数据，双方数据传输遵循数据交互的通信格式及发送和接收的顺序。核心板内部存储数据的SDRAM存储器就相当于Socket的服务器端，包含Socket监听和Sock-et接收处理两个部分。Socket监听部分采用多线程工作方式，让监听进程在一个固定的端口处进行监听，如果收到请求处理请求，否则继续在源端口负责监听。Socket接收处理部分是服务器与客户端进行交互的关键，只有符合预先设定的服务协议才能进行处理并把结果返回到客户端，否则不处理客户请求。本设计采用自带TCP/IP协议的Linux操作系统，它可以直接调用底层的函数，驱动上层模块完成Socket通信。设计的主要目的是要设计出TCP通信模块，Socket为网络通信提供了一种方式。Socket编程详细过程如图7所示。5.程序移植到Linux硬件开发平台把应用程序载入到开发板的方法很多，这里A－D转换驱动程序采用的是把ADC注册成misc设备。Socket通信程序用LinuxNFS共享服务器来完成应用程序的载入。NFS建立成功后通过CP命令将交叉编译过的TCP程序下载到开发板上，等待最后的测试。

三、系统测试

1.测试的环境和测试的条件(1)测试的环境测试的计算机上同时运行两个操作系统，计算机用网络线和串口与开发板相连接。测试环境分为以下两个部分。1)在Windows平台上安装有Linux系统的虚拟机。在Linux终端上测试服务器端程序的运行。2)在Windows下的超级终端上测试并显示开发板上程序运行的情况。(2)测试的方法1)计算机上启动用虚拟机安装的Linux系统，然后建立新的用户终端，运行服务器端程序。2)启动开发板并配置IP，确保嵌入式操作系统Linux成功移植并且正常启动，网络驱动完毕。3)在操作系统Linux下运行客户端程序。4)对系统进行测试。2.功能及数据测试(1)数据采集准确度测试通过调变阻器阻值改变输入电压的大小，从表1可以模拟输入电压值与A－D转换出来并经换算的电压值最大相差不到0.01V，相对误差在1%以内。(2)数据采集结果为模拟实际波形，本文还利用数字动态实时测试软件，输出口经霍尔电流传感器测试过程及分析接到ARM的信号输入端。通过数字动态实时回放测试模拟断路器输出信号，图8为合闸时振动信号波形，图9为合闸时线圈电流波形。实验证明可以很好地采集到信号，为下一步的数据处理及故障诊断做基础。(3)以太网接入测试服务器程序从客户那里读取一个字符增加它的值，然后再把它写回去。服务器运行时，它创建一个套接字并开始等待客户的连接。服务器连接状态如下:运行客户程序时，可以成功地连接到服务器客户端，连接状态如下:由以上状态可以看出，以太网口可以进行正常的数据传输。(4)以太网数据传输速度测试通过以太网从上位机录波数据到控制模块，测得实际传输过程中传输速度数据如表2所示。由以上测得的实验数据可以计算出，实际传输过程中数据传输速度约为9.2657Mbit/s。(5)以太网测试结果分析通过以上测试可知本文以太网数据传输率可达10Mbit/s，远远高于传统通信485的传输速度，通过误码率测试可知几乎没有误码问题，并且在节点错误影响方面单个节点的错误对整个网络没有任何影响，系统网络结构安全性好，稳定性好，网络调试容易，维护成本低。

四、结束语

本文设计的地铁供电变断路器在线监测系统，由于采用了ARM和Linux系统，大大改进了断路器在线监测系统的性能，采集数据更准确，传输数据更快速安全。系统具有功能强大，便于管理和多任务实时的特点。系统可为地铁供电设备检修提供可靠的科学依据，具有很好的应用和推广价值。

作者：刘婧一徐丽杰王玮倪平浩谭立佐单位：北京交通大学电气工程学院 国网辽宁省电力有限公司沈阳供电公司