智能型高压断路器机械参数测试系统的研发.pdf

2 0 1 3年 1 O月 第 4 1卷 第 5期 ( 总第 2 2 8 期 ) Oc t 2 0 1 3 Vo 1 4 1 No 5( S e r No 2 2 8 ) 智能型高压断路器机械参数 测试 系统的研发 Re s e a r c h a n d De v e l op me n t o n M e c ha ni c a l Pa r a me t e r s Te s t i ng Sy s t e m f o r Sma r t HV Ci r c ui t Br e a k e r 高 菲 ， 刘 畅 ， 刘 昊 ， 刘晓峰 ( 1 东北 电力 大学 ， 吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ； 2 国 网铁 岭供 电公 司 ， 辽 宁 铁 岭 1 1 2 0 0 0 ) 摘要 ： 针对 目前 高压断路器机械性 能参 数测试设备抗 干扰性能较低 ， 无法对多断 口同时进行测量等 问题 ， 提 出一 种采用 可编程 片上 系统 ( s 0P C) 的新 型断路 器测试 系统 ， 其 硬件部 分设 计以 现场可编程 门阵列 ( F P G A) 为 核心器 件 ， 软件部分 采用超高速集成 电路 硬件描述语 言( VHD L) 开发各功能模块 并集成于 E P 1 C 1 2 Q 芯片 ， 实现控制信息 传 递 、 时间与位移 开关量采集 、 数据处 理与运算 等功 能。实 际测试表 明 ， 该 测试系统具有 电路 简单 ， 抗干扰 性能优 良， 测试精度 较高 ， 便 于现场测试等特点 。 关键词 ： 高压 断路器 ； 机械参 数 ； F P G A； VH DL； S 0P C Ab s t r a c t ： A n e w t y p e o f c i r c u i t b r e a k e r t e s t i n g s y s t e m b a s e d o n S OPC h a s b e e n p r o p o s e d a c c o r d i n g t o t h e l o w a n t i j a mmi n g p e r f o r ma n c e s a n d n o n e mu l t i t e r mi n a l t e s t i n g f u n c t i o n o f t h e c u r r e n t HV c i r c u i t b r e a k e r me c h a n i c a l p a r a me t e r s t e s t i n g d e v i c e s Th e k e y p a r t o f t h e h a r d wa r e i s FP GA a n d t he s o f t wa r e h a s b e e n p r o g r a mme d b y VHDL wi t h a l l f u n c t i o n i n g mo d u l e s i n t e g r a t e d i n EP1 C1 2 Q c h i p，wh i c h c o u l d f u l f i l l t h e f u n c t i o n s o f c o n t r o l i n f o r ma t i o n t r a n s f e r ，t i me a n d d i s p l a c e me n t s wi t c h i n g v a l u e a c q u i s i t i o n，d a t a p r o c e s s a n d c a l c u l a t i o n P r a c t i c a l t e s t i n g s h o ws t h a t t h e s y s t e m h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c i r c u i t s i mp l e，g o o d a n t i j a mmi n g p e r f o r ma n c e，h i g h e r t e s t i n g p r e c i s i o n a n d c o n v i n c e f o r f i e l d t e s t i n g Ke y wo r d s ： HV c i r c u i t b r e a k e r ；me c h a n i c a l p a r a me t e r s ；FP GA； VHDL； S OP C 中图分类号 ： TM5 6 1 文 献标 志码 ： A 文章 编号： 1 0 0 9 5 3 0 6 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 0 9 0 4 高压断路器机械参数是判断高压断路器性能的 重要参数之一 。 高压断路器在投入运行前或检修后 ， 应按规程 1 - 2 要求对动触头行程、 速度 ， 动静触头合 分闸同期 、 动作时间等机械参数进行测试。目前 ， 常 用的便携式高压断路器机械参数测试设备主要存在 两个问题 ： 一是 同期测试方法值得商榷 。文献 3 6 均 以单片机作为核心器件 ， 其运行时控制程序是顺 序执行的 ， 无法实现 同一时刻对高压 断路器 u、 V、 W 三相的 3或 6个 断 口进行断开或闭合时间 的测 量 ， 因 而 无 法 满 足 D L T 8 4 6 - 2 0 0 4和 GB 1 9 8 4 2 0 0 3要求。二是抗干扰 能力差， 现有测试设备采用 接触式测量方法 ， 即用导线将断路器 的断 口与测试 仪器连接获得断路器断 口合 分闸信息 ， 测试仪受到 强电磁干扰。虽然测试仪器 内部采用光耦器件进行 隔离 ， 但在 2 2 0 k V 以上场地仍然会 出现测试 结果 误差较大甚至无法正常工作的现象 。 文献 7 8 提出 的设计方案以单片机作 为系统核心器件 ， P F GA 作 为数据处理单元 ， 虽然提高了测试的准确性 ， 但仍未 能解决抗干扰问题 ， 而且其设计软硬件相对复杂 ， 多 用于高压断路器的在线运行监测 ， 无法在安装或检 修 现 场使 用。本 文 提 出的 以现 场 可编 程 门阵列 ( F P GA) 为核心器件 ， 测试 设备与被测 断路器采 用非接触无线通信方式的便携式高压断路器机械参 数测试系统则较好地解决 了上述 2个问题 。 1 系统主要功能与技术指标 1 1 主要 测试 功能 高压断路器各断口的固有合 分闸时间； 相间不 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 8 1 1 作者简介 ： 高 菲 ( 1 9 8 9 ) ， 女 ， 硕 士研 究生 ， 研 究方向为 电力 系统继 电保护与安全 自动控 制。 9 2 0 1 3年 1 O月 第 4 l卷 第 5 期 ( 总第 2 2 8期 ) Oc t 2 01 3 Vo t 4 1 No 5( S e r No 2 2 8 ) 同期时间以及 同相不同期时间； 高压断路器的全行 程、 空行程 和接触行程 ； 高压断路器的最大合 分闸 速度、 刚性分 合 闸速度 ； 真空断路器的反弹及全行 程 ； 真空断路器的弹跳时间、 速度 。 1 2主要 技术 指标 时间分辨率 1 0 s ； 行程分辨率 0 2 mm； 速度分 辨率 0 0 2 s ； 同时可测 1 6个断 口； 工作电源 AC 2 2 0 V， 5 0 Hz 1 O 9 5 ； 功率不大 于 5 5 w ； 主机质量 5 kg。 2 系统硬件 电路设计 系统 由 F P GA器件 、 启动 电路、 位移传感器 、 无 线发信模块 、 无线收信模块 、 L C D触摸屏 、 微型打印 机 7部分构成。系统整体设计框 图如图 1所示 。 图 1 系统 整 体 框 图 2 1 E P 1 Ol 2 a 的 开发 利用超高速集成 电路硬件描述语言 ( VHD I ) 开 发各功能模块L l ， 实现控制信息传递、 时 间与位移 开关量采集、 数据处理与运算等功能。各功能模块 为 ： 时间计数器 、 位移计数器 、 数据处理与运算模块、 L C D触摸屏驱动模块 、 微型打 印机驱动模块等 。这 些模块集成在 E P 1 C 1 2 Q 内部 ， 使测试 系统集成 度 高 ， 电路简单 ， 提高了测试系统的抗干扰能力 。 2 2无线收 发模 块 无线收发模块电路如 图 2所示 。编码与解码 电 路 核 心 器 件 为 C MOS工 艺 低 功 耗 通用 编 解 码 集 成 1 0 断路器 编 发 码 射 电 电 断口 K 路 路 芯 片 P T 2 2 6 2 2 2 7 2 。P T2 2 6 2 2 2 7 2有 6位 ( D O D5 ) 数据端管脚和 1 2 位 ( A0 一 Al 1 ) 三态地址端管脚 ( 悬 空 ， 接高电平 ， 接低电平 ) ， 地址端管脚可任意组合 ， 最多可提供 5 3 1 4 4 1地址码 。 发射与接收电路的核心 器 件 为微 型发射模块 ( F 0 5 P) 与接收模块 ( J O 4 V) 。 F 0 5 P与 J 0 4 V采用 S MT工艺 ， 性能稳定 。 适合短距 离数据传输 ， 加天线后参考距离不小于 1 5 0 m。 2 3断路 器启 动 电路 为了确保断路器与本测试系统在时间上完全 同 步， 本测试系统配备一套 以固态继 电器为核心 的开 关 电路。 当发出合 分闸命令时 ， E P 1 C 1 2 Q 可以同时 启动高压断路器操作 回路和测试系统各工作模块 ， 使断路器与测试系统同步启动。 3 测试系统原理 测 试 系 统 以 E P 1 C1 2 Q 为核 心 器 件 ， 当 经 L C D 触摸屏发 出合 分闸指令后 ， E P 1 C1 2 Q 同步启动断 路器进行合 分闸操作及其内部各功能模块 ， 记录断 路器各个断 口的合 分 闸时间和断路器动触头全行 程等参数 。经过数据处理、 运算、 比对 ， 在 L C D上显 示测试结果， 打印输 出测试结果。 3 1 时间测 试原 理 测试 系统发出合闸命令时 ， E P1 C1 2 Q启动各个 断 口的合 闸时间计数器， 记录 1 0 0 k Hz 标准时间脉 冲信号个数。当该相断口 K闭合时， 启动无线发射 模块 ， 无线接收模块接收到有效信息后向 E P I C 1 2 Q 发出合 闸结束命令 ， E P 1 C 1 2 Q停 止该相断 口计时。 从系统发出合闸命令到断口 K 闭合 ， 为断路器该断 口的固有合闸时间 t n ； 从断 口 K 闭合到 E P I C1 2 Q 停止计时为无线收发模块信息传递时间 t c o ； 该相断 口计数器记录 的总时间为 t ； 断路器 断 口固有合 闸 时 间为 一 一 o 。 t c o 可 实际 测量得 到 。同理 可测得 断 口的固有分闸时间， 得到所有断 口固有合 分闸时 间 ， 计 算 出断路 器相 问不 同期 时间 、 同相 不 同期 时间 等参数 。 7 接 解 测试各断 收 码 电 电 路 路 图 2 无线收发 系统模块示意 图 l o弓 I 脚 2 0 1 3年 1 O月 第 4 1卷 第 5期 ( 总第 2 2 8期) 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r oc t 2 0 1 3 Vo 1 4 1 No 5 ( S e r No 2 2 8 ) 3 2行程 、 速 度测试 原 理 旋转编码器安装在断路器的传动机构上 ， 当进 行合 分闸操作时， 断路器传动机构带动旋转编码器 转动， 编码器将位移量转换成数字信号， 每个脉冲周 期为 0 2 mm。 用 E P1 C1 2 Q记录来至旋转编码器的 脉冲数量， 便可折算出动触头的全行程。 再与该断 口 合 分闸时间配合 ， 可 以计算出动触头 的空行程 、 接 触行程、 最大速度 、 刚分 合速度等参数 。 4 系统软件程序 设计 测试 系 统 主程序 框 图如 图 3所示 。 根 据 F Y一 5 6 6 4 4 8型 L C D 和 MP A 微 型 打 印 机 的工 作 时序 特 点 ， 可 以利 用 VHD L语 言设 计 Mo o r e单 进 程状 态 机 来控 制 L C D 和 打 印机 。L C D 状态机用 1 MHz 信号驱动 ， 打印机状态机用 1 k Hz 信号驱动， 即可满足时序要求 。 5 测试 系统关键性技术 与现场试验 5 1 关键技 术 5 1 1 多断 口同时测量 F P GA作为硬件并行器件， 其 每个 I O都可以 独立运行 ， 完全可 以真实描绘出高压断路器各断 口 图 3 测 试系统主程序 框图 2 0 1 3年 1 O月 第 4 1卷 第 5期( 总第 2 2 8期) oc t 2 0 13 Vo 1 4 1 No 5( S e r No 2 2 8 ) 同时或分时动作的全过程 。另外 ， F P GA 的 I o资 源丰富， 不需要 I O 口扩展 ， 可 以直接驱动外围 电 路， 使系统 电路简单 ， 集成度高 ， F P GA 器件代替单 片机 是解 决此 类 问题 较 好 的方案 。 5 1 2 系统 抗干 扰性 能 采用无线通信技术 传递断路器断 口的状态信 息 ， 使断路器与测试设备隔离 ， 这样 ， 断 口上的感 应 静电就不会被导线引到测试仪器上 ， 可以有效地解 决接触式测量带来的干扰问题。 5 1 3 动 触头 正反转 断路器在动作过程中， 由于惯性的原因， 存在过 冲现象。 断路器的行程是 以位移来计算的， 如果不能 区分 正反转用路程代替位移， 就会造成测试结果误 差。本系统采用高精度的旋转编码器作为行程测试 的传感器 ， 该编码器可输出 2路互差 9 0 。 的信号。根 据编码器输出信号的特点 ， 配备 1个 J K触发器就 可 以设 计成 一个 既能 记 录长度 又能记 录正反 方 向的 位 移测 量部 件 。 5 1 4 触 头 弹跳 触头弹跳是指从动静触头接触到最后的相对静 止有 一 个 多次 接 触 又分 开 的 过程 ， 影 响 时 间参 数 的 测试结果 ， 采用合闸时断口状态相“ 与” ， 分闸时断口 状态相“ 或” 的方法可消除中间的弹跳 。 5 2 现 场试 验 使用本测试系统样机对陕西电网某 2 2 0 k V 变 电所 S F 。 断 路器进 行 实际测 试 ， 测试结 果 见表 1 。本 测试系统抗干扰性能较好 ， 测试精度完全满足 DL T 8 4 6 -2 0 0 4 、 G B 1 9 8 4 -2 0 0 3要求 。由于测试条件 不具 备 ， 因 此， 本 次 测试 结果 不 包括 行 程 与速 度 参 数 。 表 1 某 2 2 0 k V变电所 L W2 5 3 6 3 Y型 S F 6 断路器试验数据 m s 实测值 85 93 85 6 6 84 9 1 85 7 5 86 7 2 26 1 8 25 9 4 2 7 8 6 2 6 57 2 4 91 3 7 2 3 84 3 63 3 77 3 51 2 4 2 2 37 2 45 2 23 2 6 6 1 84 1 62 1 5 7 1 43 1 5 4 13 4 1 4 2 1 1 3 1 3 7 1 29 6 结束语 本 文 提 出 的基 于 F P GA 无 线 智 能 型 高 压 断路 器机械参数测试 系统的设计方案 ， 具备较高抗干扰 能力 ， 测试准确度和测试精度较高 ， 完全满足 D L T 8 4 6 -2 0 0 4 、 GB 1 9 8 4 -2 0 0 3对 高 压断路 器 测试 要 求。该测试系统的设计简化了硬件 电路 ， 操作方便， 便 于携带 ， 适用 于 现场测 试 。实 际应用 表 明