智能高壓開關(guān)設(shè)備是智能變電站的核心設(shè)備之一，它由開關(guān)設(shè)備本體和智能組件組成，具有測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動(dòng)化的特征。相比傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備，智能開關(guān)設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的信息接口，融狀態(tài)監(jiān)測(cè)、測(cè)控保護(hù)、信息通信等技術(shù)于一體，可滿足智能電網(wǎng)電力流、信息流、業(yè)務(wù)流一體化的需求。
國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議以及中國(guó)電力研究院關(guān)于某類型斷路器故障的統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示: 斷路器的大多數(shù)故障( 主要故障的 70% 和次要故障的 86% ) 發(fā)生在機(jī)械機(jī)構(gòu)，主要涉及操作機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置和輔助裝置等［1］?？梢?，對(duì)于高壓斷路器實(shí)施機(jī)械特性的監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解其運(yùn)行狀況，掌握其運(yùn)行特性變化及變化趨勢(shì)，對(duì)提高其運(yùn)行可靠性極為重要。因此，本文介紹了一種自主研制開發(fā)的智能高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測(cè)試系統(tǒng)及應(yīng)用效果。
1 測(cè)試系統(tǒng)需求分析
高壓斷路器由操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，通過(guò)傳動(dòng)部件的傳遞和變換，使動(dòng)觸頭得到運(yùn)動(dòng)速度，并具有一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。高壓開關(guān)機(jī)械特性試驗(yàn)是指對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備速度、時(shí)間、壓力、應(yīng)力等機(jī)械參數(shù)的測(cè)量。當(dāng)前對(duì)高壓斷路器機(jī)械特性測(cè)試主要有以下兩個(gè)方面:
1) 行程信號(hào)，即測(cè)量行程—時(shí)間特性曲線;
2) 分( 合) 線圈電流信號(hào)，即測(cè)量電流—時(shí)間特性曲線。
通過(guò)對(duì)這兩個(gè)信號(hào)的測(cè)量，再結(jié)合主回路電流信息或輔助節(jié)點(diǎn)信息，可以計(jì)算出分( 合) 閘時(shí)間、觸頭行程、剛分( 合) 速度、分( 合) 閘*大速度、分( 合) 閘平均速度等反映斷路器機(jī)構(gòu)機(jī)械動(dòng)作特性的參數(shù); 將分( 合) 線圈電流波形與標(biāo)準(zhǔn)波形比對(duì)分析，還可以掌握電磁鐵鐵芯運(yùn)動(dòng)的大致情況［2 － 3］。
終上所述，該測(cè)試系統(tǒng)主要完成開關(guān)設(shè)備動(dòng)觸頭行程信號(hào)，分、合閘線圈及儲(chǔ)能電流信號(hào)的測(cè)量及分析，測(cè)試系統(tǒng)基本組成如圖 1 所示。
1. 1 動(dòng)觸頭位移行程特性的監(jiān)測(cè)
目前，高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測(cè)試主要對(duì)主觸頭行程、超程，及分合閘時(shí)間和速度進(jìn)行測(cè)量［4］。由于斷路器動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)形式為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷路器機(jī)械特性直接、準(zhǔn)確測(cè)量的前提是能在動(dòng)觸頭或在與動(dòng)觸頭位移量完全相同的部位安裝線位移傳感器，但是高壓斷路器無(wú)法在其滅弧室內(nèi)安裝傳感器，也就無(wú)法直接測(cè)量斷路器的機(jī)械特性。
因此為了測(cè)量斷路器的機(jī)械特性，可以采用間接測(cè)量方法，就是測(cè)量和動(dòng)觸頭位移密切相關(guān)的轉(zhuǎn)軸的角位移，根據(jù)轉(zhuǎn)軸角位移和斷路器動(dòng)觸頭線位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系折算出動(dòng)觸頭的行程特性曲線。目前多采用光電式位移傳感器和差動(dòng)變壓器式位移傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路配合進(jìn)行檢測(cè)，其他常用的還有增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器或直線光電編碼器。
光柵式位移傳感器( 又稱光柵尺) 一般是利用刻在某種載體( 如玻璃、晶態(tài)陶瓷或鋼帶等) 上的隔扇作為測(cè)量的基準(zhǔn)［5 － 7］，其工作原理是利用感知光
度變化的光電池掃描的方法進(jìn)行測(cè)量。光纖投射到已調(diào)整好的光柵上時(shí)，變化產(chǎn)生摩爾條紋圖案，當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，圖像的光強(qiáng)度將發(fā)生周期性的變化，這種變化被光電池接收后，經(jīng)電子信號(hào)處理，便可達(dá)到檢測(cè)位移量的目的。
設(shè)置了編碼類型以及脈沖計(jì)數(shù)類型，就可以利用式( 1) 把數(shù)值信息轉(zhuǎn)換為位置信息:
θ = Edge_CountxN × 360° ( 1)
式中: θ 為旋轉(zhuǎn)角度; N 為軸每旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中，編碼器所生成的脈沖數(shù)目; x 為編碼類型; Edge_Count為脈沖點(diǎn)數(shù)。
直線位移和角度一般按照線性關(guān)系處理，從而可以計(jì)算出動(dòng)觸頭位移量。
1. 2 分合閘及儲(chǔ)能電機(jī)電流的監(jiān)測(cè)
分合閘及儲(chǔ)能電機(jī)電流是通過(guò)霍爾電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)的?；魻栯娏鱾鞲衅魇歉鶕?jù)安培定律原理，利用霍爾器件來(lái)測(cè)量載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生正比于該電流的磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)大小( 磁路) 與霍爾器件的輸出具有良好的線性關(guān)系，因此霍爾器件輸出的電壓信號(hào) U0 可以間接反映出被測(cè)電流 I1 的大小。電流傳感器經(jīng)過(guò)了電 － 磁 － 電 的 絕 緣 隔 離轉(zhuǎn)換。
操作線圈電流傳感器為閉環(huán)霍爾電流傳感器，采用磁平衡式( 或稱磁補(bǔ)償式、零磁通式) 原理。原邊電流( Ix ) 產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)一個(gè)副邊線圈的電流( Im ) 所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，使霍爾元件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原、副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí)，有N1 × Ix = N2 × Im ( 2)
式中: N1、N2 為原、副邊線圈的匝數(shù)。根據(jù)式( 2) ，只要知道一二次線圈的匝數(shù)和二次補(bǔ)償電流的大小，就可以計(jì)算得到被測(cè)電流的數(shù)值，其補(bǔ)償原理如圖 2 所示。通過(guò)對(duì)二次補(bǔ)償電流Im 進(jìn)行電流電壓變換、AD 采樣就可以得到被測(cè)電、流的大小。
圖 2 所示的霍爾電流傳感器是單電源供電，如果采用正負(fù)雙電源供電，則二次補(bǔ)償線圈中的電流可以為正負(fù)兩個(gè)方向，從而保證能夠測(cè)試正負(fù)電流。
1. 3 開發(fā)平臺(tái)的選擇
LabVIEW 是基于圖形的開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境。由于采用流程圖的圖形化編程方式，也被稱為 G 語(yǔ)言( graphical language，圖形編程語(yǔ)言) ，它是*早出現(xiàn)的編譯型的圖形化編程語(yǔ)言。它對(duì)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)設(shè)計(jì)提供了豐富完善的功能圖標(biāo)，用戶只需要連接調(diào)用，就可以免去自己編寫程序的麻煩，且提供了豐富完善的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及各種接口總線和常用儀器的驅(qū)動(dòng)程序［8 － 9］。
利用 LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)可編程儀器的控制，很大程度上提高了編程效率。因此，本系統(tǒng)選擇 LabVIEW 作為虛擬儀器開發(fā)的語(yǔ)言。
1. 4 基于 MySQL 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)管理的**階段，與手工操作和文件管理相比，數(shù)據(jù)庫(kù)具有快速準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、冗余度小、可修改性和可擴(kuò)充性等明顯的優(yōu)點(diǎn)，非常適合大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理［10］。
LabVIEW 本身并不能直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，但是由于 LabVIEW 提供了豐富的外部程序接口，例 如Active 和． NET。LabVIEW 與數(shù)據(jù)庫(kù)連接有很多種方法，其中 ADO 是使用*為廣泛的技術(shù)，因?yàn)?ADO組件集成于 Windows 操作系統(tǒng)中。
ODBC 是微軟公司開放服務(wù)結(jié)構(gòu)中有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)重要組成部分，它通過(guò)建立一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，*重要的是一組對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的標(biāo)準(zhǔn) API，即應(yīng)用程序編程接口，它通過(guò) SQL 來(lái)實(shí)現(xiàn)其大部分的功能。對(duì)于 ODBC 本身，它也提供了對(duì) SQL 語(yǔ)言的支持，因此用戶可以直接將 SQL 語(yǔ)句傳遞給 ODBC。
ADO 和 ODBC 訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)方式如圖 3 所示。
圖 3 中的 ODBC 驅(qū)動(dòng)程序是針對(duì)每一類 DBMS的，ODBC 函數(shù)調(diào)用與數(shù)據(jù)源交互是通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式實(shí)現(xiàn)的，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)由數(shù)據(jù)庫(kù)廠商直接提供給用戶。ODBC 到數(shù)據(jù)庫(kù)的接口形式就是通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)源，它是用來(lái)標(biāo)識(shí)需要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)以及相應(yīng)的各種參數(shù)。在與數(shù)據(jù)庫(kù)連接之前，必須在ODBC 數(shù)據(jù)源管理器中建立數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源名是通過(guò) DSN( Data Source Name) 來(lái)標(biāo)識(shí)的。
LabSQL VIs 按照 ADO 對(duì)象分為三類，并分別位于不同的文件夾下: Command、Connection 和 Recordset。Command VIs 的功能是完成ADO 操作，例如創(chuàng)建或刪除一個(gè) Command，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行讀或?qū)懙?。Connection VIs 用于管理 LabVIEW 與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接。Recordset VIs用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)行各種操作，例如創(chuàng)建或刪除一條記錄，對(duì)記錄中的某一條目進(jìn)行讀寫等。
2 測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)從被測(cè)對(duì)象開始，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的信號(hào)處理，將信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)經(jīng)軟件進(jìn)行處理后保存至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和管理，其流程如圖 4 所示。
在 LabVIEW 環(huán)境中控制各種 DAQ 板卡完成特定的功能，都離不開 DAQ 驅(qū)動(dòng)程序的支持。NI 公司對(duì)其全部的 DAQ 產(chǎn)品提供了專門的驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，因此，在 LabVIEW 下應(yīng)用 NI 公司的 DAQ 產(chǎn)品無(wú)須專門考慮驅(qū)動(dòng)程序的問(wèn)題。
在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，還要對(duì)采集卡進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。首先進(jìn)行通道設(shè)置，當(dāng)有多路信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，必須為數(shù)據(jù)采集卡指定特定通道進(jìn)行操作。在數(shù)據(jù)采集卡上，不同的檢測(cè)信號(hào)送入不同的通道，所以要對(duì)不同的信號(hào)采集對(duì)應(yīng)不同的地址。在數(shù)據(jù)采集中按通道表列出的順序掃描通道，在數(shù)據(jù)輸出過(guò)程中按通道表列出的順序刷新，數(shù)據(jù)采集流程如圖 5 所示。
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為 7 大模塊和若干個(gè)子模塊，各模塊分別實(shí)現(xiàn)獨(dú)立功能。另外，模塊之間耦合度低，使整個(gè)程序結(jié)構(gòu)更加清晰，降低了程序開發(fā)過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率，提高了程序的可靠性。采集系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖6 所示。
3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析
利用機(jī)械特性測(cè)試儀( KOCOS) 和所研制系統(tǒng)同時(shí)對(duì)樣機(jī)特性進(jìn)行測(cè)試，并記錄測(cè)試結(jié)果。機(jī)械特性測(cè)試儀是專業(yè)斷路器自動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，能夠測(cè)試包括斷路器、負(fù)載開關(guān)、隔離開關(guān)和接地開關(guān)等開關(guān)的機(jī)械參數(shù)，滿足從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)到全自動(dòng)出廠測(cè)試的任何應(yīng)用場(chǎng)合，適用于各種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所有的測(cè)試可以手動(dòng)或自動(dòng)地完成，所有測(cè)量輸入都經(jīng)過(guò)特殊的線性光電耦合電路連接到儀器內(nèi)部，保證系統(tǒng)在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中保持極高的精度和線性頻率響應(yīng)，具有極強(qiáng)的抗干擾性和可靠性。在智能 GIS 機(jī)械特性測(cè)試中，常將開關(guān)特性測(cè)試儀作為測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)，將其與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果誤差是否滿足相關(guān)的規(guī)范和要求。機(jī)械特性測(cè)試儀與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共用同一位移編碼器，調(diào)試過(guò)程中需通過(guò)接線端子將位移傳感器的信號(hào)同時(shí)傳遞給開關(guān)特性測(cè)試儀和測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試方案如圖 7 所示，小電流信號(hào)采集方案類似于位移傳感器信號(hào)采集。
分閘時(shí)間和合閘時(shí)間的測(cè)量要用到分、合閘線圈接到指令的時(shí)刻，所以機(jī)械特性儀要用到電流傳感器。小電流傳感器可對(duì)斷路器的分合閘線圈電流和儲(chǔ)能電機(jī)電流進(jìn)行測(cè)量，由接收裝置采集其輸出信號(hào)，繪制出分合閘線圈的電流和儲(chǔ)能電機(jī)電流曲線，進(jìn)而掌握、分析機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況。每組小電流傳感器包括 3 個(gè)操作線圈電流傳感器和 1 個(gè)儲(chǔ)能電機(jī)電流傳感器。
對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備，大多情況下，小電流傳感器布置在智能組件柜內(nèi)，用于監(jiān)測(cè)分合閘線圈電流和儲(chǔ)能電機(jī)電流等信息。位移傳感器布置在斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)斷路器傳動(dòng)軸上，傳感器信號(hào)信息直接上傳至主 IED。
在聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)過(guò)程中，都需對(duì)斷路器進(jìn)行分合閘操作，以保證開關(guān)設(shè)備處于正常狀態(tài)。
同時(shí)，通過(guò) KOCOS 和測(cè)試系統(tǒng)需將所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所研制測(cè)試系統(tǒng)的誤差分析。
每次特性分別記錄 KOCOS 和測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)得的行程曲線，合閘時(shí)間、分閘時(shí)間、合閘速度、分閘速度、儲(chǔ)能電機(jī)電流等特征參量，及重合閘過(guò)程中的合分時(shí)間、分合時(shí)間、一次電流、二次電流、合閘電流等。KOCOS 測(cè)量數(shù)據(jù)作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)判定測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量誤差。表 1 為本公司某型號(hào)產(chǎn)品機(jī)械特性試驗(yàn)?zāi)炒蔚挠涗浉袷郊皩?shí)驗(yàn)結(jié)果，是在1 000 次開關(guān)設(shè)備壽命實(shí)驗(yàn)室中所選取的任意一組樣本值。
從表 1 可以看出，所有試驗(yàn)特征數(shù)據(jù)誤差均在相關(guān)技術(shù)要求規(guī)定范圍內(nèi)，能夠較好的滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
4 結(jié) 語(yǔ)
1) 基于數(shù)據(jù)庫(kù)的智能高壓開關(guān)設(shè)備機(jī)械特性測(cè)試系統(tǒng)具有較好的數(shù)據(jù)管理能力和較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢，為后期測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)及新功能的增加奠定了基礎(chǔ)。
2) 基于 NI 硬件和 LabVIEW 的測(cè)試系統(tǒng)，具有攜帶方便，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理方功能強(qiáng)大，便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。
3) 智能高壓開關(guān)設(shè)備一次廠家能夠根據(jù)實(shí)際需求開發(fā)更有針對(duì)性的測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)品，打破了目前
相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)的壟斷。
