應(yīng)用于低壓斷路器測試的自動(dòng)化測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程武山，高 升

CHENG Wu-shan,GAO Sheng

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理是低壓斷路器測試的重要組成部分，是進(jìn)一步研究低壓斷路器機(jī)械/電氣特性，提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，高速瞬態(tài)波形記錄儀被廣泛應(yīng)用與低壓斷路器測控系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)更加集成化和專業(yè)化；網(wǎng)絡(luò)化采集系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)采集成為新的發(fā)展趨勢。

國外研制的低壓斷路器測控系統(tǒng)已趨于成熟，但是其價(jià)格昂貴，且不能適應(yīng)我國的應(yīng)用需求。河北工業(yè)大學(xué)研制的“電器試驗(yàn)數(shù)據(jù)高速采集與測控系統(tǒng)”最多能同時(shí)采集12通道的信號，采樣頻率達(dá)125KHz；上海工程技術(shù)大學(xué)與上海人民電器集團(tuán)聯(lián)合研制的“RMM-1型塑殼式低壓斷路器智能測試臺(tái)”可同時(shí)對三臺(tái)試品進(jìn)行測試，能夠快速計(jì)算各項(xiàng)試品參數(shù)[2～4]。

1 系統(tǒng)硬件組成與測試流程

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

近年來低壓斷路器試驗(yàn)測控系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心，逐步采用數(shù)字化采集方法[5～7]。采用美國Hi-Techniques公司的Synergy-P高速瞬態(tài)波形記錄儀作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及控制平臺(tái)，每臺(tái)試品配置一塊SY5116-8D-V采集卡，集成測試現(xiàn)場的電壓、電流傳感器，信號隔離放大器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及打印機(jī)組成測控系統(tǒng)硬件架構(gòu)，如圖1所示。傳感器獲得的模擬信號經(jīng)過隔離放大，接入采集卡的高速A/D通道，采集卡對每通道的模擬信號以最高2MS/s的速率采樣，轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字量送至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)計(jì)算。計(jì)算機(jī)以連續(xù)存儲(chǔ)的方式將采集卡送來的數(shù)據(jù)保存到本地硬盤。

圖1 測控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

對于每個(gè)試驗(yàn)回路，需采集三相電流、三相相電壓和三相線電壓共9路信號。可以僅采集兩路線電壓信號，第三路線電壓由另兩路信號計(jì)算得出。

1.2 測試流程

如圖2所示，測控系統(tǒng)的測試及控制流程可以描述為：1）試驗(yàn)設(shè)置。試驗(yàn)人員進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理界面，設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)和觸發(fā)方式；2）數(shù)據(jù)記錄。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)采集記錄到計(jì)算機(jī)；3）試驗(yàn)輸出。試驗(yàn)完成后讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行波形顯示，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示在軟件界面上，并生成一份標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)報(bào)告。4）更新數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)將所有數(shù)據(jù)結(jié)果、操作過程及試驗(yàn)信息寫入數(shù)據(jù)庫保存。

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)人員點(diǎn)擊開始試驗(yàn)按鈕之后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理：包括判斷上一次試驗(yàn)是否結(jié)束；安全關(guān)閉上一次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)文件；檢查系統(tǒng)硬件是否正常運(yùn)行，并為本次試驗(yàn)準(zhǔn)備足夠的硬盤空間。此外，數(shù)據(jù)采集模塊還必須具有試驗(yàn)中斷管理功能。如試品過載時(shí)，系統(tǒng)直接向PLC發(fā)送硬件中斷操作命令，在100ms內(nèi)快速切斷試驗(yàn)電源，保證試品安全。

2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能概述

測控系統(tǒng)軟件分為四大功能模塊，主要完成試驗(yàn)采集的設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、波形顯示及試驗(yàn)報(bào)告生成等功能。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是建立在.NET Framework 2.0集成化平臺(tái)下采用C#語言開發(fā)、測試通過，利用.NET集成化的開發(fā)環(huán)境、豐富的庫函數(shù)，充分發(fā)揮面向?qū)ο箝_發(fā)語言的靈活高效，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的軟件功能，簡化了開發(fā)步驟，并向試驗(yàn)人員提供更為美觀、人性化的試驗(yàn)人員界面。

圖2 測控系統(tǒng)測試及控制流程

2.2 控制模塊

控制模塊主要包含硬件設(shè)置、觸發(fā)方式選擇和數(shù)據(jù)系統(tǒng)初始化等功能，完成整個(gè)試驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制。測控系統(tǒng)軟件允許試驗(yàn)人員通過軟件界面來設(shè)置Synergy-P的硬件參數(shù)，包括采樣頻率、通道設(shè)置、記錄長度、觸發(fā)方式及死區(qū)門限值等。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、歷史數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)庫管理。在Synergy-P中，試驗(yàn)后的采集數(shù)據(jù)、電量參數(shù)、試驗(yàn)信息等數(shù)據(jù)將被保存在.tpd格式的二進(jìn)制文件中，每一個(gè)采集樣點(diǎn)用一個(gè)16位的無符號整形數(shù)來表示。

2.4 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，它包含一個(gè)靈活、強(qiáng)大和可拓展的電氣參數(shù)函數(shù)庫，通過時(shí)域和頻域分析，計(jì)算出各種電量參數(shù)，包括：峰-峰值、有效值、功率因數(shù)、合閘相角、通電時(shí)間、分段時(shí)間、燃弧時(shí)間、有功功率、無功功率、焦耳積分、電弧能量、電弧電壓、峰值電壓和峰值電流等。數(shù)據(jù)處理模塊還提供靈活的公式編輯器，將自定義函數(shù)添加到系統(tǒng)函數(shù)庫中，以滿足試驗(yàn)人員的分析需要。

2.5 數(shù)據(jù)輸出模塊

該模塊采用虛擬示波器技術(shù)顯示每通道采集到的試驗(yàn)波形，并對波形進(jìn)行多次放大，如圖4所示。傳統(tǒng)低壓斷路器測試波形通過光學(xué)示波器顯示，可觀察的通道有限。由于傳統(tǒng)光學(xué)示波器利用電子在電場中的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)波形顯示，顯示精度有限。虛擬示波器利用軟件方法，將采樣值顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，沒有精度誤差，可多通道同時(shí)顯示，功能靈活[8,9]。

圖3 虛擬示波器及數(shù)據(jù)輸出

低壓斷路器測試具有規(guī)范的試驗(yàn)制表規(guī)范。規(guī)范樣表存儲(chǔ)在系統(tǒng)文件夾中，試驗(yàn)完成后點(diǎn)擊菜單下的“打印報(bào)表”選項(xiàng)，即可根據(jù)選擇的樣表打印輸出試驗(yàn)報(bào)告。

3 信號頻率與初相的測量

在低壓斷路器測試中，采集到的每相數(shù)據(jù)包括相電壓和相電流兩路，其信號本質(zhì)是兩個(gè)同頻，初相和為90°的正弦波，如下式所示。

式中：Av,Ai——電流、電壓幅值；

f——頻率；

qv,qi——電流、電壓初相。

在試驗(yàn)參數(shù)中，兩個(gè)基本參數(shù)為：頻率f、初相位θ，其余參數(shù)如合閘相角、功率因數(shù)等均可以由此得出[10]。

對正弦波信號頻率和初相的計(jì)算分為時(shí)域和頻域兩種方法，這里采用頻域計(jì)算方法，其特點(diǎn)是對原信號中的噪聲不敏感。對采集到的信號填零至N＝2L個(gè)點(diǎn)后作快速傅里葉變換（FFT）；搜索頻譜中尖峰脈沖，它們分別對應(yīng)電壓、電流頻譜中的復(fù)數(shù)Ci(ki)＝Rei+j Imi，Cv(kv)＝Rev+j Imv。式中ki,kv表示尖峰值在譜序列中的索引。則可求得電壓、電流的頻率fi,fv和初相角qi,qv如式（2）所示。

式中：fi,fv——電流、電壓頻率；

N——FFT點(diǎn)數(shù)；

qi,qv——電流、電壓初相；

Rei,Imi——電流頻譜峰值的實(shí)部與虛部；

Rev,Imv——電壓頻譜峰值的實(shí)部與虛部。

需要注意的是，上式對應(yīng)時(shí)域信號的單位為秒（s），采集系統(tǒng)中常以毫秒作為單位，并考慮到電壓電流同頻率，因此頻率計(jì)算如（3）式所示。

4 結(jié)論

本文介紹了一種適用于低壓斷路器測試應(yīng)用的測控系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了其硬件結(jié)構(gòu)、軟件功能和測試流程，最后提出一種實(shí)用的試驗(yàn)波形參數(shù)計(jì)算方法。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是集成度高，功能完善，對于試驗(yàn)人員更為實(shí)用方便。本系統(tǒng)已經(jīng)在上海工程技術(shù)大學(xué)與上海人民電器集團(tuán)聯(lián)合研制的“RMM-1型塑殼式低壓斷路器智能測試臺(tái)”上獲得應(yīng)用，運(yùn)行一年，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，取得了良好的社會(huì)效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益。

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