DQZHAN訊：中低壓配電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由于配電設(shè)備量大面廣，對(duì)配電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測研究不夠深入，針對(duì)該情況，文章設(shè)計(jì)了一種配電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)以LabWindows/CVI為軟件開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合串行接口、USB接口，利用多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電設(shè)備狀態(tài)量的高速采集、實(shí)時(shí)顯示以及存儲(chǔ)等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能運(yùn)用于大規(guī)模數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，且具有可靠性高、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，為**獲取配電設(shè)備狀態(tài)信息提供解決思路與可行方法。

0引言

配電設(shè)備作為配電網(wǎng)的物理載體，其健康水平對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行至關(guān)重要。然而，隨著配電設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的增長，設(shè)備會(huì)在負(fù)荷、環(huán)境、外力等影響下發(fā)生老化、疲勞及磨損，導(dǎo)致性能逐漸降低，更有甚者造成突發(fā)事件，除此，智能電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)配電系統(tǒng)的可靠性提出更高的要求。因此，對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，**掌握配電設(shè)備的健康狀態(tài)，及時(shí)獲取設(shè)備劣化過程，是預(yù)防設(shè)備故障、保證配電網(wǎng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

在高壓配電網(wǎng)中，巡檢人員通過SCADA系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來獲取設(shè)備健康狀況，然而在中低壓配電網(wǎng)中，由于設(shè)備成本較低，中低壓配電設(shè)備很難配有相應(yīng)的遠(yuǎn)程終端單元，導(dǎo)致狀態(tài)監(jiān)測等研究在中低壓配電設(shè)備中仍處于落后狀態(tài)。目前狀態(tài)監(jiān)測工作僅憑借設(shè)備的外觀來判斷設(shè)備是否故障，或是通過萬用表、鉗形電流表等來獲取中低壓線路上的電壓、電流等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該狀態(tài)監(jiān)測方式不僅可能存在誤差，而且不能及時(shí)、**掌握配電設(shè)備健康狀況。本文針對(duì)中低壓配電設(shè)備，提出一種配電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電設(shè)備關(guān)鍵特征量的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)記錄等操作。為了能滿足上述需求，保證數(shù)據(jù)的完整性，采用多線程機(jī)制，在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)實(shí)時(shí)顯示、保存數(shù)據(jù)，來提高CPU的利用率，確保該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

電力巡檢人員提供設(shè)備運(yùn)行時(shí)的關(guān)鍵特征參數(shù)，是巡檢人員判斷設(shè)備是否健康，由此排除設(shè)備故障的重要手段。中低壓配電設(shè)備信息采集系統(tǒng)由傳感器、適配器、測試資源及上位機(jī)組成?？傮w方案見圖1。采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測出配電設(shè)備特征信號(hào)的頻率、幅值等信息，并通過相應(yīng)的分析提取設(shè)備運(yùn)行時(shí)的特征信號(hào)，判斷設(shè)備健康狀況。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)需求分析

由于該系統(tǒng)面向中低壓配電設(shè)備，設(shè)備量大面廣且種類繁多，能表征配電設(shè)備健康狀態(tài)的關(guān)鍵特征量主要有以下幾種：變壓器油溫、斷路器動(dòng)觸頭溫度、斷路器動(dòng)觸頭行程曲線、架空線路與電纜線路的負(fù)荷電流、電纜線路泄漏電流及局部放電等信號(hào)。針對(duì)上述狀態(tài)信息量，將這些狀態(tài)信息信號(hào)按頻率分成溫度這類變換緩慢信號(hào)、泄露電流等中速信號(hào)及局部放電等高速信號(hào)。

2.2傳感器與適配器

在配電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)中，傳感器用于獲取配電設(shè)備狀態(tài)信息量，將狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

為了測量配電設(shè)備狀態(tài)量信號(hào)，采用溫度傳感器、霍爾傳感器及加速度傳感器等，傳感器測量得到的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理單元轉(zhuǎn)換，使信號(hào)電壓范圍滿足測試資源的輸入要求。

2.3數(shù)據(jù)采集終端

配電設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的測試資源將信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。針對(duì)系統(tǒng)需求，選用3種不同采樣頻率的測試資源。由于RS485設(shè)備易于控制，成本低廉，且串口的傳輸速率能夠保證中低速信號(hào)數(shù)據(jù)的完整性，故對(duì)于溫度等變換緩慢的信號(hào)，采用10Hz的I/O模塊，對(duì)于泄露電流等變換較慢的信號(hào)，采用5400Hz的I/O模塊，為了能無失真地采集局部放電等高速信號(hào)，采用采集頻率可達(dá)10MHz的USB采集卡，并通過USB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，見圖2。

圖2上位機(jī)與多個(gè)測試資源通信

3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件需要對(duì)采集卡進(jìn)行控制以及對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，故本文采用NI公司推出的面向測控領(lǐng)域的LabWindows/CVI為軟件開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件控制，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理、存儲(chǔ)與顯示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件主要包含4大功能，即實(shí)時(shí)采集部分、顯示數(shù)據(jù)部分、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分及分析數(shù)據(jù)部分。其中實(shí)時(shí)采集部分主要負(fù)責(zé)從設(shè)備中實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，顯示數(shù)據(jù)部分則用于顯示實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)及分析后的數(shù)據(jù)，而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)部分則將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成TXT格式，分析數(shù)據(jù)部分則用于提取采集數(shù)據(jù)的特征。

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，若采用單線程，對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行輪詢，這樣就大大降低了CPU的利用率及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。例如，若軟件正從一個(gè)串口讀取數(shù)據(jù)，則軟件不僅丟失了其他串口或其他總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而且還不能更新用戶界面。故當(dāng)有大量任務(wù)需要并發(fā)進(jìn)行時(shí)，需要采用多線程技術(shù)，這樣不僅可以同時(shí)使用多個(gè)采集模塊，還能進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、保存等功能，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.1多線程的設(shè)計(jì)

線程的創(chuàng)建和銷毀都需要分配、釋放空間，對(duì)CPU的開銷很大。若大量線程頻繁的切換與釋放，會(huì)成為該軟件性能提升的瓶頸因素。故采用LabWindows/CVI中的線程池技術(shù)，對(duì)資源進(jìn)行復(fù)用：在任務(wù)還未到來之前，創(chuàng)建一定線程，放入空閑隊(duì)列中，這些線程起初處于睡眠狀態(tài)，不消耗CPU，僅占用較小的內(nèi)存空間，當(dāng)請(qǐng)求到來后，緩沖池給該請(qǐng)求分配空閑線程，將請(qǐng)求傳入此線程中進(jìn)行處理。通過采用線程池，避免了頻繁創(chuàng)建和銷毀線程，從而提高系統(tǒng)性能。在該軟件中，除主線程外，對(duì)每個(gè)串口設(shè)置一個(gè)線程，對(duì)USB采集卡設(shè)置一個(gè)采集線程、一個(gè)顯示線程、一個(gè)存儲(chǔ)線程。見圖3。

圖3線程池結(jié)構(gòu)圖

3.2主線程

主線程用于負(fù)責(zé)用戶界面操作，初始化輔助線程，并負(fù)責(zé)輔助線程調(diào)度。初始狀態(tài)時(shí)串口線程及USB線程處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)任務(wù)到來時(shí)，根據(jù)任務(wù)類型喚醒相應(yīng)線程來進(jìn)行處理，完成任務(wù)后返回線程池。

3.3串口線程

配電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)中的測試資源包含2種RS485設(shè)備，常用的多串口通信方式通常有如下幾種方式：采用單線程技術(shù)，通過設(shè)置定時(shí)器實(shí)現(xiàn)串口通信；對(duì)于所有串口設(shè)定一個(gè)讀線程與一個(gè)寫線程，其中，讀線程從所有串口中讀取數(shù)據(jù)，寫線程將讀取的數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)，而主線程則用于負(fù)責(zé)管理子線程及顯示數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能；對(duì)每個(gè)串口設(shè)置一個(gè)線程，該線程負(fù)責(zé)每個(gè)串口的讀取與寫入，而主線程則用于管理子線程等。由于兩個(gè)RS485設(shè)備的采集頻率相差較大，若對(duì)兩個(gè)串口同時(shí)設(shè)定一個(gè)讀線程和一個(gè)寫線程，這樣就會(huì)增加高采集頻率的采集設(shè)備的等待時(shí)間。故采用一個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè)串口，這樣每個(gè)串口的通信較為獨(dú)立，效率高。

3.4USB采集卡多線程的設(shè)計(jì)

為了確保USB采集卡連續(xù)高速的采集，針對(duì)該采集卡創(chuàng)建一個(gè)采集線程來確保采集的實(shí)時(shí)性，這就導(dǎo)致在該采集線程中不能有任何窗口等圖形操作，針對(duì)這種情況，再開辟一個(gè)子線程對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，而這個(gè)顯示線程起初進(jìn)入睡眠狀態(tài)，是采集線程通過事件激活顯示線程，使顯示線程對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，為了將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，采用同樣的方式，開辟存儲(chǔ)線程。

軟件運(yùn)行過程中，為了避免顯示線程阻塞間接導(dǎo)致保存線程丟失數(shù)據(jù)，故采用二級(jí)緩沖區(qū)來避免這一情況的發(fā)生。當(dāng)采集線程將一段大小的數(shù)據(jù)放入一塊緩沖區(qū)后，除了繼續(xù)采集外，還會(huì)改變緩沖區(qū)標(biāo)志，告之顯示線程可以將該緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示，當(dāng)顯示線程處理完數(shù)據(jù)后，發(fā)送消息給保存線程，然后再將下一次采集的數(shù)據(jù)放入**塊緩沖區(qū)，如此周而復(fù)始，這樣不僅不會(huì)丟失數(shù)據(jù)，而且顯示線程及保存線程有時(shí)間能處理緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。

4應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

斷路器作為配電網(wǎng)中*關(guān)鍵的保護(hù)和控制設(shè)備，其健康狀況直接關(guān)系到配電網(wǎng)的可靠性。國際大電網(wǎng)會(huì)議對(duì)電力部門的調(diào)查研究表明，機(jī)械故障占斷路器總故障的70.3%，故機(jī)械故障的診斷在斷路器的狀態(tài)監(jiān)測中占有重要地位。從分合閘線圈電流、動(dòng)觸頭行程曲線等信號(hào)可以判斷斷路器是否存在卡澀或接觸**，從而掌握斷路器機(jī)械操作系統(tǒng)的情況，由此來判斷斷路器的健康狀況。

現(xiàn)通過采集斷路器在分閘過程中的特征信號(hào)驗(yàn)證該配電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，配置測試資源USB采集卡的采樣速率為25kHz進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并經(jīng)過USB總線傳輸至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。其工作界面見圖4，該圖為斷路器分閘過程中的分閘線圈電流波形。

圖4軟件界面

圖5是斷路器在分閘過程中實(shí)測的動(dòng)觸頭行程曲線（a）、分閘線圈電流（b）及觸頭剛分信號(hào)（c）。圖（b）中的0為斷路器分命令到達(dá)時(shí)刻，t1為鐵芯開始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，t3為鐵芯撞到支持部分停止運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，圖（c）中t2為主觸頭分離時(shí)刻。

在斷路器分閘過程中，各個(gè)時(shí)間段與斷路器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且與示波器所得的信號(hào)趨勢(shì)一致，與實(shí)際情況相符。

圖5分閘實(shí)測的結(jié)果

5結(jié)語

本文詳細(xì)描述了中低壓配電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的總體方案、硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。通過該系統(tǒng)采集了永磁斷路器在分閘過程中的行程曲線、分閘線圈電流及剛分信號(hào)。本文所提出的中低壓配電設(shè)備狀態(tài)信息采集系統(tǒng)以LabWindows/CVI為平臺(tái)，采用模塊化思想，具有成本低及良好的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，通過利用多線程技術(shù)合理地配置及調(diào)度輔助線程，能實(shí)時(shí)采集大規(guī)模數(shù)據(jù)，滿足設(shè)計(jì)需求。通過采集斷路器的關(guān)鍵特征信號(hào)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能準(zhǔn)確獲取設(shè)備狀態(tài)信息，巡檢人員可通過采集中低壓配電設(shè)備特征信號(hào)來判斷設(shè)備健康狀況，從而采取相應(yīng)的維修措施，提高配電網(wǎng)可靠性，為**獲取中低壓配電設(shè)備狀態(tài)信息提供解決思路與可行方法。