CN201725208U - 一种六氟化硫高压断路器状态智能监测与健康管理系统 - Google Patents

Abstract

一种SF₆高压断路器智能监测与健康管理系统由硬件和软件两部分构成：该硬件分为下位机和上位机；下位机硬件包括基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元、智能控制输出单元、CAN总线通讯单元；上位机硬件由监控中心服务器单元和PCI 1680U板卡组成，上位机和下位机通过CAN总线网络实现通讯。该软件也分为下位机和上位机；下位机软件负责驱动下位机硬件完成机械、电气、绝缘状态数据采集和特征提取，结合系统信息实现智能推理及智能控制，驱动CAN总线通讯单元将处理后的结果一起发送到上位机；上位机软件负责驱动上位机PCI 1680U板卡完成通讯，并实现人机交互界面和智能化监测信息管理。它实现了对SF₆高压断路器状态及性能的全面监测。

Description

一种六氟化硫高压断路器状态智能监测与健康管理系统

(一)技术领域：

本实用新型涉及一种六氟化硫(SF₆)高压断路器状态智能监测与健康管理系统。该系统能够实时智能监测SF₆高压断路器电气状态参数、机械状态参数以及绝缘状态参数，并能对SF₆高压断路器状态及性能进行综合评估，实现设备的健康管理，从而提高电力系统自动化水平及可靠性，有效预防电力系统由于SF₆高压断路器本体故障所引起的灾害。其中涉及数据采集技术、信号处理技术、智能推理技术、先进控制技术和CAN总线通讯技术。CAN总线通讯技术在系统硬件结构中对应CAN总线控制器MCP2515和PCI1680U板卡，在系统软件结构中对应CAN总线通信线程。该系统属于信号处理与监测类技术领域。

(二)背景技术：

SF₆高压断路器作为电力系统中一种重要的电力设备，对系统的安全运行异常重要，其健康状况近年来逐渐成为电网公司关注的焦点。国际大电网会议分别在1974～1977年和1988～1991年两次在世界范围内对63KV及以上的SF₆高压断路器的可靠性做了世界性大范围的调查，调查结果均表明，SF₆高压断路器操作机构的机械故障和SF₆气体绝缘故障在所有故障中占有相当大的比重，这两种故障的发生概率的总和在主要故障中占51.2％，在次要故障中更是占到了79％。国内对SF₆高压断路器中各个部件的故障概率的很多调查结果也显示机械故障和SF₆气体绝缘故障在所有的故障之中占有相当大的比重，同时，通过状态监测分析了解SF₆高压断路器触头磨损情况对及时更换元件有着重要的意义。在对SF₆高压断路器的诊断与检修中，以往国内都采用离线例行试验与操作对SF₆高压断路器进行定期检修，这种计划性的预防检修盲目性大，不仅费时和费力，而且频繁的操作及过度的拆卸检修会降低SF₆高压断路器工作的可靠性，甚至在检修时会引入一些新的故障。

2009年中国国家电网公司以奉献清洁能源、促进经济发展、服务社会和谐为基本使命，提出了立足自主创新，加快建设以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展，具有信息化、数字化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网的发展目标。因此，对SF₆高压断路器的状态实行智能监测及实施健康管理，对于提高电力系统自动化水平及可靠性，及时解决故障问题，避免出现电力事故，挽救财产损失具有重大的意义。

目前，SF₆高压断路器状态监测主要有以下三种方法。第一种方法是基于单片机的在线监测装置，这种装置仅仅监测SF₆高压断路器的部分状态参数，例如，SF₆压力与SF₆湿度或合分线圈电流值等；当监测多个状态参数时，需安装较多的监测设备，占地空间大，接线复杂，且精确度不高，无智能推理及健康管理功能。第二种方法是基于DSP的在线监测系统，这些芯片处理速度比单片机快，分析参量精确，但监测量仍单一，上位机管理系统仅储存单一状态参数，无法进行多参量信息融合实现智能诊断。第三种方法是基于工控机的方法，这种方法在一定程度上弥补了前两种方法监测参量不全的缺点，能存储大部分参量信息数据，但无法进行多参量信息融合实现智能诊断及健康管理，且占地空间大。

针对以上问题，提出一种SF₆高压断路器智能监测与健康管理系统。该系统采用了ARM+FPGA+IPC的体系结构，集采集、计量、智能推理、通讯、健康管理功能于一体，实时智能监测现场多台SF₆高压断路器的电气状态、机械状态、绝缘状态参数，采用先进信号处理技术及算法提取特征量，并结合系统信息实现智能推理及智能控制功能。为提高系统的实时性和抗干扰能力，采用CAN总线通讯技术与上位机通信，在上位机实现设备的健康综合管理。

(三)实用新型内容：

1、目的：本实用新型的目的是提供一种SF₆高压断路器状态智能监测与健康管理系统。该系统采用了ARM+FPGA+IPC(先进RISC机器+可编程逻辑门阵列+工业控制计算机)的体系结构，集采集、计量、智能推理、通讯、健康管理功能于一体，实时智能监测现场多台SF₆高压断路器的电气状态、机械状态、绝缘状态参数，采用先进信号处理技术及算法提取特征量，并结合系统信息实现智能推理及智能控制功能，并采用CAN总线通讯技术将监测结果及智能推理结果实时传送到上位机。

2、技术方案：本实用新型一种SF₆高压断路器状态智能监测与健康管理系统，它由硬件结构和软件结构两大部分构成。该硬件结构分为下位机和上位机两部分，其之间的关系是：下位机安装在现场SF₆高压断路器机构柜台下，上位机安装在主控室电力测量柜台上，它们之间通过CAN总线网络实现通讯；硬件结构示意图如图1所示。其中，下位机硬件负责数据的采集、处理及传输，下位机硬件部分包括基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元、数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元及CAN总线通讯单元；它们之间的逻辑关系是：基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元控制数据采集单元采集数据，并将数据存入数据存储单元，存储完毕后，基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行处理及智能推理，并将智能推理结果输出至智能控制输出单元，同时，将处理后的数据通过CAN总线通讯单元传送到上位机。上位机硬件部分由监控中心服务器单元和CAN总线通讯单元(PCI1680U板卡)组成，其之间的关系是：PCI1680U板卡插入监控中心服务器单元PCI插槽中，实现与下位机的通信。上位机硬件负责监测数据的接受、控制命令的发送及人机接口界面显示。相应的，软件结构也分为下位机和上位机两部分。下位机软件负责驱动下位机的硬件完成电气状态、机械状态及绝缘状态数据采集，对采集的数据采用小波分析、包络分析、经验模态分解技术、模糊推理技术等先进的信号处理技术及算法进行特征提取，计算出SF₆高压断路器机构合分时间、行程、SF₆压力、SF₆湿度、合分线圈电流、触头磨损量、振动冲击时间等参数，并结合系统状态信息执行智能推理功能实现对SF₆高压断路器的智能控制及诊断；最后，下位机软件通过CAN总线通讯单元将监测处理结果发送到上位机监控中心。上位机软件负责驱动上位机CAN总线通讯单元硬件完成与下位机的数据通讯，并建立人机交互界面和实现监测信息的管理，为检修人员提供信息来源，同时结合设备历史运行信息，进行智能推理，实现对设备性能状态评估及寿命预测。

(1)硬件结构：

所述基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元是下位机硬件的核心，它控制数据采集单元采集电气状态、机械状态、绝缘状态信息，并将采集数据存入数据存储单元；然后，该单元调用数据存储单元中的数据完成电气状态、机械状态、绝缘状态特征参数的计算，并结合系统信息实现智能推理及智能控制功能，使它具有自动识别SF₆高压断路器的工作状态、自动调整SF₆高压断路器的操作信息、自动记录关键信息、自动对SF₆高压断路器的元器件和操作进行诊断等能力；最后，所有监测结果通过CAN总线通讯单元向上位机监控服务中心发送。基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元由EP3C25Q240C8N芯片和S3C2440A芯片构成。其之间的关系是：S3C2440A芯片端口E(GPE)16个I/O接口及端口F(GPF)4个I/O接口分别与EP3C25Q240C8N芯片20个I/O接口直连实现通信。EP3C25Q240C8N芯片是Altera公司的Cyclone系列大规模可编程逻辑器件，具有丰富的可编程和片内RAM资源，具有高速并行处理能力，工作输入时钟频率设定为50MHz，主要用于对AD采集进行控制和获取I/O接口的数字信息。S3C2440A是ARM 920T内核的32位RISC微处理器，工作主频高达400MHz，它是下位机部分的核心，负责控制整个监测流程及数据处理，并传送监测结果到上位机监控服务中心。

所述数据采集单元由AD7490模数转换器、数字I/O(输入输出接口)接口、数字信号调理电路及模拟信号调理电路组成，其之间的关系是：数字传感器输出信号经过数字信号调理电路实现电平转换，并将结果输出至数字I/O接口；模拟传感器输出信号经过模拟信号调理电路进行信号调理和滤波，并将结果输出至AD7490模数转换器进行电压转换；模拟量采集和数字I/O量采集同时进行，其结构如图2所示。模拟量数据采集是传感器调理后的模拟信号，它包括行程信号、SF₆压力、SF₆湿度、温度、合分线圈电流、振动信号、一次电流信号等。数字量数据采集是传感器调理后的数字信号，它包括开关触头位置、限位开关等状态信息。本实用新型的采集信号电路结构如图3所示，这种采集结构实现多状态多参量信号的实时采集。其工作原理为：基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元不断从电力系统中采集某些特定信息，据此来判别断路器当前的工作状态，同时处于操作的准备状态。当断路器不动作时，由ARM内部自带的10位AD采集断路器的SF₆压力、SF₆湿度以及现场温度，同时，ARM的I/O接口采集断路器触头信息等，并将监测数据保存在数据存储单元。当断路器动作时，FPGA控制AD7490模数转换器实现行程信号、合分线圈电流、振动信号及一次电流信号的实时采集，同时，FPGA的I/O接口采集触头信息、限位开关等，最后，将所有监测数据保存在数据存储单元。AD7490芯片为16路12位精度的模数转换芯片，通过SPI接口方式与FPGA处理器相连。该数字信号调理电路由光藕、贴片电阻、退耦电容、滤波电容及普通稳压二极管等组成；该模拟信号调理电路由贴片电阻、取样电阻、退耦电容、滤波电容、频率补偿电容及电压跟随器等组成；系统所用传感器包括PT100温度传感器、GEMS3100压力传感器、DMP248湿度传感器、VSM003A电压传感器、CSA025A电流传感器、M353B02加速度传感器、LWH-250MM行程传感器、CHF-^*G电流传感器。

所述数据存储单元由SDRAM(同步动态随机存取存储器)和FLASH(闪存)两种存储器组成，它们之间的位置连接关系是：通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接。SDRAM采用2片HY57561620SDRAM芯片，存储容量达到64兆位，用来存储数据和实现上电后的应用程序加载。FLASH采用K9F1208 FLASH芯片，存储容量达到64兆位，用来固化bootloader引导程序和应用程序。两片HY57561620 SDRAM芯片和一片K9F1208FLASH芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接。基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元通过外部存储器接口实现与数据存储单元数据的读写，其存储操作结构如图4所示。

所述智能控制输出单元是基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元执行逻辑推理的输出结果，它由ARM端口G(GPG)10个I/O接口和光电隔离电路组成，其之间的关系是：ARM端口G(GPG)10个I/O接口输出的数字信号经光电隔离电路将低电压值转换为SF₆高压断路器执行机构控制电路需要的标准电压值。ARM端口G(GPG)10个I/O接口电平经过光电隔离电路驱动控制断路器动作的继电器，实现断路器在零电压下关合，在零电流下分断，从而提高断路器的分断能力。

所述CAN总线通讯单元由上位机通信模块和下位机通信模块组成，它们之间通过CAN总线网络相连。下位机通信模块由MCP2515控制器和MCP2551发送器组成，负责下位机数据的发送和接受。上位机通信模块采用PCI 1680U板卡，它负责接受下位机传来的数据及发送上位机控制命令。

所述监控中心服务器单元是采用工控机，它用来存储、显示并管理监测的信息。

所述CAN总线通讯单元是PCI1680U板卡，它直接插入工控机PCI插槽中，实现与下位机的通讯。CAN总线网络采用星型连接组网，分别对位于不同地点多台SF₆高压断路器进行监测，各个下位机分别向监控中心服务器发送监测数据。监控中心服务器可实现对多个下位机的远程配置和数据接收。

整个装置的工作过程是：当登陆上位机的软件系统后，上位机首先根据默认配置或工作人员的设定向指定编号的下位机发送控制参数，完成对下位机的远程配置。然后，下位机中的基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元控制数据采集单元，并将数据存储在数据存储单元中，最后，基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行信号特征提取和参数计算，同时，结合系统信息进行智能推理与智能控制，综合评估设备性能及寿命。

(2)软件结构

本实用新型的软件结构也分为下位机和上位机两个部分

所述下位机软件，它是基于FPGA和ARM芯片的智能控制及处理程序，负责控制下位机的硬件实现各传感器信号采集、信号处理以及CAN总线通讯。它包括两个部分，一个是FPGA处理器程序，另一个是ARM处理器程序。其之间的关系是：FPGA处理器程序接受ARM处理器程序的控制命令实现数据采集，采集完毕后，FPGA处理器程序传送采集的数据给ARM处理器程序，并在ARM处理器程序中对数据进行分析与智能推理。该FPGA处理器程序在Windows操作系统下，使用QuarusII软件，采用Verilog语言编写，FPGA处理器外部时钟为50MHz。FPGA处理器程序分为2个处理线程，分别为数据采集线程、数据传输线程。该ARM处理器程序在嵌入式Linux操作系统平台下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译；Linux系统内核精简、高效且稳定，能够充分发挥硬件的功能，该ARM处理器主时钟频率为400MHz。ARM处理器程序分为4个处理线程，分别为控制线程、数据处理线程、CAN总线通信线程、智能推理线程。各线程间的关系如下：CAN总线通讯线程接收上位机的控制参数并传递给控制线程，控制线程根据这些控制参数配置数据采集线程，数据采集线程实现对信号进行采集后，启动数据传输线程，FPGA至ARM数据传输结束后，运行数据处理线程及智能推理线程，最后将处理结果通过CAN总线通讯线程发送到上位机，各软件线程间关系如图5所示。

该控制线程负责完成程序基本参数的设置，如绝缘状态参数采集时间间隔、数据采集时序控制、定时数据传输控制等。下位机的CAN总线通讯线程接收来自上位机的控制参数，并把控制参数传递给控制线程，由控制线程来实现下位机各参数的配置。该控制线程在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译。

该数据采集线程包括模拟量采集和数字量采集两部分，其之间的关系是：模拟量采集和数字量采集并行进行。模拟量采集负责各传感器信号的采集，把各传感器输出的模拟量通过AD7490芯片和ARM内部AD进行换转。其中，模拟量包括SF₆压力、SF₆湿度、现场温度、振动、一次电流、合分线圈电流、行程信号。模拟量采集又包括FPGA处理器控制AD7490芯片采集和ARM内部AD定时采集两部分，其之间的关系是：断路器动作时，由FPGA处理器控制AD7490芯片采集；断路器不动作时，由ARM内部AD定时采集。FPGA处理器控制AD7490芯片采集的模拟量包括振动、一次电流、合分线圈电流、行程信号；ARM内部AD采集包括SF₆压力、SF₆湿度、现场温度。数字量采集包括FPGA处理器I/O端口采集和ARM处理器I/O端口采集两部分，其之间的关系是：断路器动作时，由FPGA处理器I/O端口采集；断路器不动作时，由ARM处理器I/O端口定时采集。数字量采集负责监测I/O端口的状态，通过I/O端口状态的变化反应当前SF₆高压断路器触头状态信息和限位开关等信息。该数据采集线程中ARM内部AD定时采集及对应的数字量采集程序在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译；该数据采集线程中FPGA处理器控制AD7490芯片采集及对应的数字量采集程序在Windows操作系统下，采用QuarusII软件，Verilog语言编写。

该数据传输线程包含ARM处理器接受数据和FPGA处理器发送数据两部分，其之间的关系是：ARM处理器接受FPGA处理器发送的数据。该线程负责ARM处理器与FPGA处理器的数据传输，本实用新型设计了一种双FIFO交替数据传输方案。在FPGA处理器中定制8K*16位的双FIFO结构，ARM控制线程启动数据采集命令后，FPGA处理器控制AD7490芯片进行信号采集，每次采集的数据存满双FIFO结构其中之一FIFO后，FPGA处理器向ARM处理器发送中断数据传输信号，由ARM处理器读取FPGA处理器中定制的FIFO中存储的数据，同时，FPGA处理器将采集的数据继续存放在另外一个空FIFO中，这样实现数据双FIFO交替传输，提高系统实时性，该数据传输结构如图6所示。该数据传输线程中ARM处理器接受数据程序在Windows操作系统下，采用QuarusII软件，Verilog语言编写；该数据传输线程中FPGA处理器发送数据程序在Windows操作系统下，采用QuarusII软件，Verilog语言编写。

该数据处理线程是系统的软件核心。该线程负责完成机械状态、电气状态、绝缘状态信号的分析与处理，计算SF₆高压断路器各项状态参数。该部分的软件处理流程图如图7所示。在SF₆高压断路器正常运行情况下，对SF₆压力、SF₆湿度及控制柜温度进行采集并分析，将压力值转换为20℃的压力值，并设定阈值，超过阈值范围，在上位机产生报警信号。在SF₆高压断路器动作情况下，对一次电流、合分线圈电流、振动信号、行程信号采集，并采用先进信号处理技术对信号进行处理。其中，一次电流用于SF₆高压断路器磨损触头的估算，SF₆高压断路器触头的绝对电磨损总量一定，根据不同SF₆高压断路器的N₁-I_C曲线，求得任意大小开断电流I_C的对应允许开断次数N₁，通过各次电磨损量的综合计算，即可求出该SF₆高压断路器的相对电寿命。合分线圈电流波形变化代表了电磁铁动铁芯在脱扣或释能过程中的动作情况以及合分闸线圈中电阻值的变化情况，基于小波分析方法分析合分线圈电流参数可作为诊断SF₆高压断路器机械操作系统的重要依据。振动事件辨识是SF₆高压断路器振动信号监测中的重要内容，由正常情况下录取的指纹波形成标准信号，采用先进的小波分析和经验模态分解方法对信号进行分析和处理，将待测状态下振动信号包络与标准信号包络的特征量进行比较，根据其偏差大小以及结合合分线圈电流信号的处理结果综合判断SF₆高压断路器健康状况。分析断路器动作时行程信号，能提高SF₆高压断路器动作中的合闸速度、分闸速度、平均速度、最大速度等信息，速度是体现SF₆高压断路器性能的一项重要指标，速度过小，加大燃弧时间，加速设备老化；速度过大，增加合分运动的冲击力，对机构牢固影响大，通过速度的分析可判断SF₆高压断路器机构的工作性能。该数据处理线程在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译。

该智能推理线程负责综合来自感知功能获取的信息、执行功能反馈的信息、系统的控制信息进行智能推理；智能控制线程综合这些特征信息，可自动识别断路器的工作状态、自动调整断路器的操作信息、自动记录关键信息、自动对断路器的元器件和操作进行诊断；智能控制线程的输出一方面为执行功能提供操作指令，另一方面为系统提供断路器工作状态信息。该智能推理线程在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译。

该CAN总线通讯线程由下位机CAN总线通讯线程和上位机CAN总线通讯线程组成，其之间的关系是：下位机CAN总线通讯线程与上位机CAN总线通讯线程通过CAN总线通讯网络实现通信。下位机CAN总线通讯线程负责向上位机发送断路器状态监测的计算结果、智能推理结果及接收上位机发送到下位机的控制参数。上位机CAN总线通讯线程负责接收下位机发送到上位机的监测数据及向下位机发送系统配置与控制参数。该下位机CAN总线通讯线程在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译；该上位机CAN总线通讯线程在Windows操作系统下，使用Visual C++ 6.0软件，采用C++语言编写。

所述上位机软件，采用VC++6.0编写，并利用SQL Server 2000开发后台数据库，它包括人机交互、CAN总线通讯、数据库和智能推理四部分；其之间的关系是：CAN总线通讯接受下位机数据，并将结果保存至数据库，数据保存完毕后，系统调用数据库数据进行智能推理，对故障结果进行报警提示，从而实现人机交互。人机交互功能允许操作人员查看数据库中设备运行的历史数据及通过CAN总线通讯向下位机传递控制参数实现对设备进行控制。上位机软件结构如图8所示。该人机交互部分采用大液晶屏显示，支持键盘、鼠标及触摸屏输入，它负责数据及波形的显示并提供控制参数设置窗口，实现工作人员和系统的交互。该CAN总线通讯部分是PCI1680U，它由工控机负责驱动工作，实现数据的发送和接收。该数据库部分存储监测信息，并实现管理与查询等功能。该智能推理部分是结合数据库中设备历史信息采用先进算法进行数据分析。上位机软件的工作流程是：在管理人员登陆后首先和指定编号的下位机进行连接，并向下位机发送管理人员设定的控制参数，对下位机进行远程配置；当断路器不动作时，下位机将按照控制参数定时采集SF₆压力、SF₆湿度、温度及开关状态信息，通过CAN总线网络将计算结果发送到上位机，上位机将接收到的信息进行显示并将信息保存入数据库。当断路器动作时，下位机实时采集SF₆高压断路器机械状态、电气状态信息并将数据在ARM处理器中进行快速处理，最后通过CAN总线网络发送到上位机，上位机将接收到的参数计算结果和智能推理结果进行显示并将信息保存入数据库，同时，结合SF₆高压断路器历史信息，采用设备评估理论，估算设备性能及寿命。断路器不动作时，下位机可以根据控制参数设定的时间间隔定时向上位机发送数据，对绝缘参数进行监测。断路器动作情况下，下位机能实时智能监测设备的机械状态和电气状态信息，并结合系统信息进行智能推理，从而实现对SF₆高压断路器的智能监测与健康管理。

3、优点及功效：

本实用新型一种SF₆高压断路器状态智能监测与健康管理系统，其优点和有益效果如下：

1.系统采用先进处理器和先进信号处理技术实现对SF₆高压断路器状态的智能监控，监测参数全面，系统实时性好；

2.系统自动化程度高，能综合感知功能获取的信息、执行功能反馈的信息及系统的控制信息进行智能推理，具有可自动识别SF₆高压断路器的工作状态、自动调整SF₆高压断路器的操作信息、自动记录关键信息、自动对SF₆高压断路器的元器件和操作进行诊断等能力，实现了对SF₆高压断路器的状态无人实时智能监测；

3.具备一套完整的健康管理系统，操作方便，能记录现场多台SF₆高压断路器历史运行信息，具备智能评估设备性能和寿命功能。

4.系统通CAN总线网络组网，可以实现多对一的通讯方式，CAN总线通讯方式数据传输速率高，传输距离远，比较适合于电厂、电站等电磁辐射、干扰比较强的场合。

5.系统接线简单，安装方便，占地空间小，具有高可靠、长寿命、强抗电磁干扰功能。

(四)附图说明：

图1本实用新型硬件结构方框示意图

图2数据采集单元结构图

图3采集信号电路结构图

图4数据存储单元结构图

图5线程软件流程示意图

图6数据传输单元结构图

图7下位机软件结构示意图

图8上位机软件结构示意图

(五)具体实施方式

本实用新型一种SF₆高压断路器状态智能监测与健康管理系统的硬件结构可以分为下位机和上位机两大部分。硬件结构示意如图1所示。其中下位机由基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元、数据采集单元、数据存储单元、智能控制输出单元、CAN总线通信单元组成。上位机由监控中心服务器单元和PCI1680U板卡通讯单元组成。

所述基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元由EP3C25Q240C8N芯片和S3C2440A芯片构成。EP3C25Q240C8N芯片是Altera公司的Cyclone系列大规模可编程逻辑器件，具有丰富的可编程和片内RAM资源，具有高速并行处理能力，工作输入时钟频率为50MHz。S3C2440A是ARM 920T内核的32位RISC微处理器，工作主频高达400MHz，它是下位机部分的核心，负责控制整个监测流程，具有高速的信号处理能力。EP3C25Q240C8N芯片和S3C2440A芯片采用核心板形式构建，核心板与信号采集板分开且电源单独供电，供电电压为+5V，经LM1117芯片转换为3.3V工作电压，核心板长为5.5cm，宽为3.4em，采用6层板布线方式，核心板双排插针直插在数据采集板插座上。

所述数据采集单元由AD7490芯片、数字I/O接口、模拟信号调理电路及数字信号调理电路组成，负责采集模拟量输出或数字量输出的传感器信号，其结构如图2所示。模拟信号调理电路对模拟量传感器输出的信号进行调理和滤波；数字信号调理电路对数字量传感器输出的数字信号进行调理。AD7490芯片和数字I/O接口则分别采集调理后的模拟信号和数字信号。AD7490芯片为16路12位精度的模数转换芯片，采用SPI接口方式与EP3C25Q240C8N芯片相连，实现对振动、一次电流、行程、合分线圈电流信号采集，采样时间为360ms，每通道的采样频率为25Hz，AD7490芯片参考电压设置为2.5V，配置控制寄存器为双边工作模式，即电压测量范围为0～5V。数字I/O接口采用EP3C25Q240C8N芯片上的10个数字I/O接口及S3C2440A芯片上的15个数字I/O接口分别经过信号调理的数字传感器输出的信号，实现对开关触头等信息的采集，采集信号电路结构图如图3所示。数据采集单元集成在数据采集板上，采集板长为17.5cm，宽为11.5cm，采用4层板布线方式，数据采集板左侧留出核心板双排插座位置。采集板单独供电，供电的电压等级为+5V、±12V、±15V。该数字信号调理电路由光藕、贴片电阻、退耦电容、滤波电容及普通稳压二极管等组成；该模拟信号调理电路由贴片电阻、取样电阻、退耦电容、滤波电容、频率补偿电容及电压跟随器等组成；系统所用传感器包括PT100温度传感器、GEMS3100压力传感器、DMP248湿度传感器。VSM003A电压传感器、CSA025A电流传感器、BZ1183加速度传感器、LWH-250MM行程传感器、CHF-^*G电流传感器。

所述数据存储单元由SDRAM(同步动态随机存取存储器)和FLASH(闪存)两种存储器组成。SDRAM采用2片HY57561620 SDRAM芯片，存储容量达到64兆位，用来存储数据和实现上电后的应用程序加载。FLASH采用K9F1208 FLASH芯片，存储容量达到64兆位，用来固化bootloader引导程序和应用程序。两片HY57561620 SDRAM芯片和一片K9F1208 FLASH芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接。基于ARM的控制及处理单元通过外部存储器接口实现与数据存储单元数据的读写。数据存储单元与EP3C25Q240C8N芯片和S3C2440A芯片共存于核心板上，数据存储单元结构如图4所示。

所述智能控制输出单元是基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元执行逻辑推理的输出结果，它由ARM端口G(GPG)中10个I/O接口和光电隔离电路组成，其之间的关系是：ARM端口G 10个I/O接口输出的数字信号经光电隔离电路将低电压值转换为控制SF₆高压断路器执行机构控制电路需要的标准电压值。ARM端口G 10个I/O接口电平经过光电隔离电路驱动控制断路器动作的继电器，实现断路器在零电压下关合，在零电流下分断，从而提高断路器的分断能力，智能控制输出单元和对应的调理电路位于信号采集板上。

所述上位机监控中心服务器单元采用工控机实现，工控机选用4U机架式一体化工作机(AWS-4U-084)，放置于控制室电力配电采集柜台上，负责存储、显示和管理监测数据。监控中心工作人员可以通过上位机软件进行人机交互实现对监测参数的分析和管理。

所述CAN总线通讯单元由上位机通信线程和下位机通信线程组成，它们之间通过CAN总线网络相连。下位机通信线程采用MCP2515控制器和MCP2551发送器组成，负责下位机数据的发送和接受。上位机采用研华科技公司产品PCI1680U板卡，该板卡直接插入工控机PCI插槽中，它负责接受下位机传来的数据及发送上位机控制命令；上位机和下位机通信线程间采用CAN总线通信协议实现数据的高速可靠传输。CAN总线网络采用星型连接组网，数据传输线采用双绞线。在现场各需要检测状态的断路器机构柜下，安装下位机，利用CAN总线网络组网，可分别对位于不同地点的多个SF₆高压断路器进行监测，各个下位机分别向监控中心服务器发送监测数据。

整个装置的工作过程是：当登陆上位机的软件系统后，上位机首先根据默认配置或工作人员的设定向指定编号的下位机发送信号采集时间隔等控制参数，完成对下位机的远程配置。然后，下位机中的基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元控制模拟量数据采集单元和数字量数据采集单元，并将采集的数据存储在数据存储单元中。基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行信号特征提取、参数计算和结合系统信息进行智能推理，评估设备性能及寿命。

本实用新型一种SF₆高压断路器状态智能监测与健康管理系统的软件设计分为下位机和上位机两个部分。

下位机程序是基于FPGA和ARM芯片的智能控制及处理程序，负责控制下位机的硬件实现传感器信号采集、信号处理以及CAN总线通讯。下位机软件程序包括两个部分，一个是FPGA处理器程序，另一个是基于ARM处理器程序。该FPGA处理器程序采用在Windows操作系统下，使用QuarusII软件，Verilog语言编写，FPGA处理器外部时钟为50MHz。FPGA处理器程序分为2个处理线程，分别为数据采集线程、数据传输线程。该ARM处理器程序在嵌入式Linux操作系统平台下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译；Linux系统内核精简、高效且稳定，能够充分发挥硬件的功能，该ARM处理器主时钟频率为400MHz。ARM程序分为4个处理线程，分别为控制线程、数据处理线程、CAN总线通信线程，智能推理线程。各线程间的关系如下：CAN总线通讯线程接收上位机的控制参数并传递给控制线程，控制线程根据这些控制参数配置数据采集线程，数据采集线程实现对信号进行采集后，启动数据传输线程，FPGA至ARM数据传输结束后，运行数据处理线程及智能推理线程，最后将处理结果通过CAN通讯线程发送给上位机。各软件线程间关系如图5所示。

所述控制线程负责完成程序基本参数的设置，如绝缘参数采集时间间隔、电气设备的添加与减少、维修记录操作、数据传输方式控制、数据采集时序控制等。上位机程序可以通过CAN总线通讯线程向下位机传递控制参数，下位机的CAN总线通讯线程接收来自上位机的控制参数，并把控制参数传递给控制线程，由控制线程来实现下位机参数的配置。该控制线程在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译。

该数据采集线程包括模拟量采集和数字量采集两部分，其之间的关系是：模拟量采集和数字量采集并行进行。模拟量采集负责各传感器信号的采集，把各传感器输出的模拟量通过AD7490芯片和ARM内部AD进行换转。其中，模拟量包括SF₆压力、SF₆湿度、现场温度、振动、一次电流、合分线圈电流、行程信号。模拟量采集又包括FPGA处理器控制AD7490芯片采集和ARM内部AD定时采集两部分，其之间的关系是：断路器动作时，由FPGA处理器控制AD7490芯片采集；断路器不动作时，由ARM内部AD定时采集。FPGA处理器控制AD7490芯片采集的模拟量包括振动、一次电流、合分线圈电流、行程信号；ARM内部AD采集包括SF₆压力、SF₆湿度、现场温度。数字量采集包括FPGA处理器I/O端口采集和ARM处理器I/O端口采集两部分；其之间的关系是：断路器动作时，由FPGA处理器I/O端口采集；断路器不动作时，由ARM I/O端口定时采集。数字量采集负责监测I/O端口的状态，通过I/O端口状态的变化反应当前SF₆高压断路器触头状态信息和限位开关等信息。该数据采集线程中ARM内部AD定时采集及对应的数字量采集程序在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译；该数据采集线程中FPGA处理器控制AD7490芯片采集及对应的数字量采集程序在Windows操作系统下，采用QuarusII软件，Verilog语言编写。

该数据传输线程包含ARM处理器接受数据和FPGA处理器发送数据两部分，其之间的关系是：ARM处理器接受FPGA处理器发送的数据。该线程负责ARM处理器与FPGA处理器的数据传输，本实用新型设计了一种双FIFO交替数据传输方式。在FPGA处理器中定制8K*16位的双FIFO结构，ARM控制线程启动数据采集命令后，FPGA处理器控制AD7490芯片进行信号采集，每次采集的数据存满双FIFO结构其中之一FIFO后，FPGA处理器向ARM处理器发送中断数据传输信号，由ARM处理器读取FPGA处理器中定制的FIFO中存储的数据，同时，FPGA处理器将采集的数据继续存放在另外一个空FIFO中，这样实现数据双FIFO交替传输，提高系统实时性，该数据传输结构如图6所示。该数据传输线程中ARM处理器接受数据程序在Windows操作系统下，采用QuarusII软件，Verilog语言编写；该数据传输线程中FPGA处理器发送数据程序在Windows操作系统下，采用QuarusII软件，Verilog语言编写。

所述信号处理线程是装置的软件核心。该线程负责完成机械、电气、绝缘信号的处理与分析，计算SF₆高压断路器各项状态参数，该软件的流程图如图7所示。在断路器不动作时，每个6小时自动采集SF₆压力、SF₆湿度及控制柜温度，并进行信号处理，同时将压力值转换为20℃的压力值。对SF₆压力与SF₆湿度分别设定报警阈值，超过阈值范围，在上位机产生报警信号。在断路器动作时，采集一次电流、合分闸线圈电流、振动信号及行程信号，并进行信号处理，采集时间为360ms，每通道的采集频率为25KHz。其中，一次电流采集用于SF₆高压断路器磨损触头的估算，分析断路器的剩余寿命；合分线圈电流波形变化代表了电磁铁动铁芯在脱扣或释能过程中的动作情况以及合分闸线圈中电阻值的变化情况，基于小波分析方法分析合分线圈电流参数可作为诊断SF₆高压断路器机械操作系统的重要依据。振动事件辨识是SF₆高压断路器振动信号监测中的重要内容，由正常情况下录取的指纹波形成标准信号，采用先进的小波分析和经验模态分解方法对振动信号进行分析和处理，将待测状态下振动信号包络与标准信号包络比较，提取信号特征量，根据其特征量偏差大小以及结合合分线圈电流信号的特征提取结果，采用智能推理技术评估SF₆高压断路器健康状况。分析断路器动作时行程信号，能提取动作中的合闸速度、分闸速度、平均速度、最大速度等信息。速度是体现SF₆高压断路器性能的一项重要指标，速度过小，加大燃弧时间，增加触头磨损量，易引起设备故障；速度过大，增加合分运动的冲击力，对机构牢固性影响大。该信号处理线程在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译。

所述智能推理线程负责综合来自感知功能获取的信息、执行功能反馈的信息，系统的控制信息进行智能推理；具有可自动识别断路器的工作状态、自动调整断路器的操作信息、自动记录关键信息、自动对断路器的元器件和操作进行诊断等能力。该智能推理线程在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译。

该CAN总线通讯线程由下位机CAN总线通讯线程和上位机CAN总线通讯线程组成，其之间的关系是：下位机CAN总线通讯线程与上位机CAN总线通讯线程通过CAN总线通讯网络实现通信。下位机CAN总线通讯线程负责向上位机发送断路器状态监测的计算结果、智能推理结果及接收上位机发送到下位机的控制参数。上位机CAN总线通讯线程负责接收下位机发送到上位机的监测数据及向下位机发送系统配置与控制参数。该下位机CAN总线通讯线程在嵌入式Linux操作系统下，采用C语言编写，用arm-linux-gcc编译器编译；该上位机CAN总线通讯线程在Windows操作系统下，使用Visual C++6.0软件，采用C++语言编写。

上位机软件在Windows操作系统环境下，采用VC++6.0编写并利用SQL Server 2000开发后台数据库，上位机软件结构如图8所示。该人机交互部分采用大液晶显示，支持键盘、鼠标及触摸屏输入，它负责数据及波形的显示并提供控制参数设置窗口，实现工作人员和装置的交互。工控机负责驱动CAN通讯单元工作，实现数据的发送和接收。数据库部分存储监测信息，并实现管理与查询等功能。上位机软件的工作流程是：在管理人员登陆后首先和指定编号的下位机进行连接，并向下位机发送管理人员设定的控制参数，对下位机进行远程配置；在断路器不动作时，下位机根据控制参数设定对绝缘状态进行监测，定时通过CAN总线网络向上位机发送数据。在默认设置情况下，下位机每隔6小时向上位机发送一次SF₆压力、SF₆湿度及现场温度数据，数据超过设定阈值，产生报警信息，提示值班人员进行处理，同时上位机把数据保存到数据库，为以后查看数据及波形曲线提供数据来源。当断路器动作时，下位机实时采集断路器机械、电气状态信息并将数据在ARM处理器中进行快速处理并执行智能推理功能，最后通过CAN总线网络发送到上位机。上位机将接收到的计算结果进行显示并将信息保存入数据库，同时，结合断路器的历史信息，执行智能推理功能，估算设备性能及寿命，从而实现对设备的智能监测与健康管理。

Claims (1)

1.一种SF₆高压断路器状态智能监测与健康管理系统，其特征在于：它由硬件结构和软件结构两大部分构成；该硬件结构分为下位机和上位机两部分，其之间的关系是：下位机安装在现场SF₆高压断路器机构柜台下，上位机安装在主控室电力测量柜台上，它们之间通过CAN总线网络实现通讯；下位机硬件部分包括基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元、数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元及CAN总线通讯单元；它们之间的逻辑关系是：基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元控制数据采集单元采集数据，并将数据存入数据存储单元，存储完毕后，基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行处理及智能推理，并将智能推理结果输出至智能控制输出单元，同时，将处理后的数据通过CAN总线通讯单元传送到上位机；上位机硬件部分由监控中心服务器单元和CAN总线通讯单元即PCI1680U板卡组成，其之间的关系是：PCI1680U板卡插入监控中心服务器单元PCI插槽中，实现与下位机的通信；

所述基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元是由EP3C25Q240C8N芯片和S3C2440A芯片构成，其之间的关系是：S3C2440A芯片端口E即GPE16个I/O接口及端口F即GPF4个I/O接口分别与EP3C25Q240C8N芯片20个I/O接口直连实现通信；EP3C25Q240C8N芯片是Altera公司的Cyclone系列大规模可编程逻辑器件，工作输入时钟频率设定为50MHz，用于对AD采集进行控制和获取I/O接口的数字信息；S3C2440A是ARM 920T内核的32位RISC微处理器，工作主频高达400MHz；

所述数据采集单元由AD7490模数转换器、数字I/O即输入输出接口、数字信号调理电路及模拟信号调理电路组成，其之间的关系是：数字传感器输出信号经过数字信号调理电路实现电平转换，并将结果输出至数字I/O接口；模拟传感器输出信号经过模拟信号调理电路进行信号调理和滤波，并将结果输出至AD7490模数转换器进行电压转换；模拟量采集和数字I/O量采集同时进行，模拟量数据采集是传感器调理后的模拟信号，它包括行程信号、SF₆压力、SF₆湿度、温度、合分线圈电流、振动信号和一次电流信号；数字量数据采集是传感器调理后的数字信号，它包括开关触头位置、限位开关状态信息；AD7490模数转换器为16路12位精度的模数转换芯片，通过SPI接口方式与FPGA处理器相连；该数字信号调 理电路由光藕、贴片电阻、退耦电容、滤波电容及普通稳压二极管组成；该模拟信号调理电路由贴片电阻、取样电阻、退耦电容、滤波电容、频率补偿电容及电压跟随器组成；

所述数据存储单元由SDRAM即同步动态随机存取存储器和FLASH即闪存两种存储器组成，它们之间的位置连接关系是：通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接；SDRAM采用2片HY57561620SDRAM芯片，存储容量64兆位，FLASH采用K9F1208FLASH芯片，存储容量64兆位，用来固化bootloader引导程序和应用程序；两片HY57561620SDRAM芯片和一片K9F1208FLASH芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接；基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元通过外部存储器接口实现与数据存储单元数据的读写；

所述智能控制输出单元是基于FPGA和ARM的智能控制及处理单元执行逻辑推理的输出结果，它由ARM端口G即GPG10个I/O接口和光电隔离电路组成，其之间的关系是：ARM端口G即GPG10个I/O接口输出的数字信号经光电隔离电路将低电压值转换为SF₆高压断路器执行机构控制电路需要的标准电压值；ARM端口G即GPG10个I/O接口电平经过光电隔离电路驱动控制断路器动作的继电器；

所述CAN总线通讯单元由上位机通信模块和下位机通信模块组成，它们之间通过CAN总线网络相连；下位机通信模块由MCP2515控制器和MCP2551发送器组成，上位机通信模块是PCI 1680U板卡；

所述监控中心服务器单元是采用工控机；

所述CAN总线通讯单元是PCI1680U板卡；CAN总线网络采用星型连接组网。 

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