一種六氟化硫高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統的製作方法

2024-02-12 09:52:15 2

專利名稱：一種六氟化硫高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種六氟化硫(SF6)高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統。該系 統能夠實時智能監測SF6高壓斷路器電氣狀態參數、機械狀態參數以及絕緣狀態參數，並能 對SF6高壓斷路器狀態及性能進行綜合評估，實現設備的健康管理，從而提高電力系統自動 化水平及可靠性，有效預防電力系統由於SF6高壓斷路器本體故障所引起的災害。其中涉 及數據採集技術、信號處理技術、智能推理技術、先進控制技術和CAN總線通訊技術。CAN總 線通訊技術在系統硬體結構中對應CAN總線控制器MCP2515和PCI1680U板卡，在系統軟體 結構中對應CAN總線通信線程。該系統屬於信號處理與監測類技術領域。 背景技術：
SF6高壓斷路器作為電力系統中一種重要的電力設備，對系統的安全運行異常 重要，其健康狀況近年來逐漸成為電網公司關注的焦點。國際大電網會議分別在1974 1977年和1988 1991年兩次在世界範圍內對63KV及以上的SF6高壓斷路器的可靠性做 了世界性大範圍的調查，調查結果均表明，SF6高壓斷路器操作機構的機械故障和SF6氣體 絕緣故障在所有故障中佔有相當大的比重，這兩種故障的發生概率的總和在主要故障中佔 51.2%，在次要故障中更是佔到了 79%。國內對SF6高壓斷路器中各個部件的故障概率的很 多調查結果也顯示機械故障和SF6氣體絕緣故障在所有的故障之中佔有相當大的比重，同 時，通過狀態監測分析了解SF6高壓斷路器觸頭磨損情況對及時更換元件有著重要的意義。 在對SF6高壓斷路器的診斷與檢修中，以往國內都採用離線例行試驗與操作對SF6高壓斷路 器進行定期檢修，這種計劃性的預防檢修盲目性大，不僅費時和費力，而且頻繁的操作及過 度的拆卸檢修會降低SF6高壓斷路器工作的可靠性，甚至在檢修時會引入一些新的故障。2009年中國國家電網公司以奉獻清潔能源、促進經濟發展、服務社會和諧為基本 使命，提出了立足自主創新，加快建設以特高壓電網為骨幹網架，各級電網協調發展，具有 信息化、數位化、自動化、互動化特徵的統一的堅強智能電網的發展目標。因此，對SF6高壓 斷路器的狀態實行智能監測及實施健康管理，對於提高電力系統自動化水平及可靠性，及 時解決故障問題，避免出現電力事故，挽救財產損失具有重大的意義。目前，SF6高壓斷路器狀態監測主要有以下三種方法。第一種方法是基於單片機的 在線監測裝置，這種裝置僅僅監測SF6高壓斷路器的部分狀態參數，例如，SF6壓力與SFjM 度或合分線圈電流值等；當監測多個狀態參數時，需安裝較多的監測設備，佔地空間大，接 線複雜，且精確度不高，無智能推理及健康管理功能。第二種方法是基於DSP的在線監測系 統，這些晶片處理速度比單片機快，分析參量精確，但監測量仍單一，上位機管理系統僅儲 存單一狀態參數，無法進行多參量信息融合實現智能診斷。第三種方法是基於工控機的方 法，這種方法在一定程度上彌補了前兩種方法監測參量不全的缺點，能存儲大部分參量信 息數據，但無法進行多參量信息融合實現智能診斷及健康管理，且佔地空間大。針對以上問題，提出一種SF6高壓斷路器智能監測與健康管理系統。該系統採用 了 ARM+FPGA+IPC的體系結構，集採集、計量、智能推理、通訊、健康管理功能於一體，實時智能監測現場多臺SF6高壓斷路器的電氣狀態、機械狀態、絕緣狀態參數，採用先進信號處理 技術及算法提取特徵量，並結合系統信息實現智能推理及智能控制功能。為提高系統的實 時性和抗幹擾能力，採用CAN總線通訊技術與上位機通信，在上位機實現設備的健康綜合管理。

發明內容
1、目的本發明的目的是提供一種3&高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統。該系統採用了 ARM+FPGA+IPC (先進RISC機器+可編程邏輯門陣列+工業控制計算機)的 體系結構，集採集、計量、智能推理、通訊、健康管理功能於一體，實時智能監測現場多臺SF6 高壓斷路器的電氣狀態、機械狀態、絕緣狀態參數，採用先進信號處理技術及算法提取特徵 量，並結合系統信息實現智能推理及智能控制功能，並採用CAN總線通訊技術將監測結果 及智能推理結果實時傳送到上位機。2、技術方案本發明一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統，它由硬體 結構和軟體結構兩大部分構成。該硬體結構分為下位機和上位機兩部分，其之間的關係是 下位機安裝在現場SF6高壓斷路器機構櫃檯下，上位機安裝在主控室電力測量櫃檯上，它們 之間通過CAN總線網絡實現通訊；硬體結構示意圖如圖1所示。其中，下位機硬體負責數據 的採集、處理及傳輸，下位機硬體部分包括基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元、數據採 集單元、智能控制輸出單元、數據存儲單元及CAN總線通訊單元；它們之間的邏輯關係是 基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元控制數據採集單元採集數據，並將數據存入數據存 儲單元，存儲完畢後，基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元調用數據存儲單元的數據進 行處理及智能推理，並將智能推理結果輸出至智能控制輸出單元，同時，將處理後的數據通 過CAN總線通訊單元傳送到上位機。上位機硬體部分由監控中心伺服器單元和CAN總線通 訊單元(PCI1680U板卡)組成，其之間的關係是PCI1680U板卡插入監控中心伺服器單元 PCI插槽中，實現與下位機的通信。上位機硬體負責監測數據的接受、控制命令的發送及人 機接口界面顯示。相應的，軟體結構也分為下位機和上位機兩部分。下位機軟體負責驅動 下位機的硬體完成電氣狀態、機械狀態及絕緣狀態數據採集，對採集的數據採用小波分析、 包絡分析、經驗模態分解技術、模糊推理技術等先進的信號處理技術及算法進行特徵提取， 計算出SF6高壓斷路器機構合分時間、行程、SF6壓力、SF6溼度、合分線圈電流、觸頭磨損量、 振動衝擊時間等參數，並結合系統狀態信息執行智能推理功能實現對SF6高壓斷路器的智 能控制及診斷；最後，下位機軟體通過CAN總線通訊單元將監測處理結果發送到上位機監 控中心。上位機軟體負責驅動上位機CAN總線通訊單元硬體完成與下位機的數據通訊，並 建立人機互動界面和實現監測信息的管理，為檢修人員提供信息來源，同時結合設備歷史 運行信息，進行智能推理，實現對設備性能狀態評估及壽命預測。(1)硬體結構所述基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元是下位機硬體的核心，它控制數據採 集單元採集電氣狀態、機械狀態、絕緣狀態信息，並將採集數據存入數據存儲單元；然後，該 單元調用數據存儲單元中的數據完成電氣狀態、機械狀態、絕緣狀態特徵參數的計算，並結 合系統信息實現智能推理及智能控制功能，使它具有自動識別SF6高壓斷路器的工作狀態、 自動調整SF6高壓斷路器的操作信息、自動記錄關鍵信息、自動對SF6高壓斷路器的元器件和操作進行診斷等能力；最後，所有監測結果通過CAN總線通訊單元向上位機監控服務中心發送。基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元由EP3C25Q240C8N晶片和S3C2440A晶片 構成。其之間的關係是S3C2440A晶片埠 E (GPE) 16個I/O接口及埠 F (GPF) 4個I/O接 口分別與EP3C25Q240C8N晶片20個I/O接口直連實現通信。EP3C25Q240C8N晶片是Altera 公司的Cyclone系列大規模可編程邏輯器件，具有豐富的可編程和片內RAM資源，具有高速 並行處理能力，工作輸入時鐘頻率設定為50MHz，主要用於對AD採集進行控制和獲取I/O接 口的數字信息。S3C2440A是ARM 920T內核的32位RISC微處理器，工作主頻高達400MHz， 它是下位機部分的核心，負責控制整個監測流程及數據處理，並傳送監測結果到上位機監 控服務中心。所述數據採集單元由AD7490模數轉換器、數字I/O (輸入輸出接口)接口、數字信 號調理電路及模擬信號調理電路組成，其之間的關係是數字傳感器輸出信號經過數字信 號調理電路實現電平轉換，並將結果輸出至數字I/O接口 ；模擬傳感器輸出信號經過模擬 信號調理電路進行信號調理和濾波，並將結果輸出至AD7490模數轉換器進行電壓轉換；模 擬量採集和數字I/O量採集同時進行，其結構如圖2所示。模擬量數據採集是傳感器調理 後的模擬信號，它包括行程信號、SF6壓力、SF6溼度、溫度、合分線圈電流、振動信號、一次電 流信號等。數字量數據採集是傳感器調理後的數位訊號，它包括開關觸頭位置、限位開關等 狀態信息。本發明的採集信號電路結構如圖3所示，這種採集結構實現多狀態多參量信號 的實時採集。其工作原理為基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元不斷從電力系統中 採集某些特定信息，據此來判別斷路器當前的工作狀態，同時處於操作的準備狀態。當斷路 器不動作時，由ARM內部自帶的10位AD採集斷路器的SF6壓力、SF6溼度以及現場溫度，同 時，ARM的I/O接口採集斷路器觸頭信息等，並將監測數據保存在數據存儲單元。當斷路器 動作時，FPGA控制AD7490模數轉換器實現行程信號、合分線圈電流、振動信號及一次電流 信號的實時採集，同時，FPGA的I/O接口採集觸頭信息、限位開關等，最後，將所有監測數據 保存在數據存儲單元。AD7490晶片為16路12位精度的模數轉換晶片，通過SPI接口方式 與FPGA處理器相連。該數位訊號調理電路由光藕、貼片電阻、退耦電容、濾波電容及普通穩 壓二極體等組成；該模擬信號調理電路由貼片電阻、取樣電阻、退耦電容、濾波電容、頻率補 償電容及電壓跟隨器等組成；系統所用傳感器包括PT100溫度傳感器、GEMS3100壓力傳感 器、DMP248溼度傳感器、VSM003A電壓傳感器、CSA025A電流傳感器、M353B02加速度傳感器、 LWH-250MM行程傳感器、CHF-*G電流傳感器。所述數據存儲單元由SDRAM(同步動態隨機存取存儲器)和FLASH(快閃記憶體)兩種 存儲器組成，它們之間的位置連接關係是通過地址總線和數據總線與外部存儲器接口連 接。SDRAM採用2片HY57561620 SDRAM晶片，存儲容量達到64兆位，用來存儲數據和實現 上電後的應用程式加載。FLASH採用K9F1208 FLASH晶片，存儲容量達到64兆位，用來固化 bootloader引導程序和應用程式。兩片HY57561620 SDRAM晶片和一片K9F1208FLASH晶片 通過地址總線和數據總線與外部存儲器接口連接。基於FPGA和ARM的智能控制及處理單 元通過外部存儲器接口實現與數據存儲單元數據的讀寫，其存儲操作結構如圖4所示。所述智能控制輸出單元是基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元執行邏輯推理 的輸出結果，它由ARM埠 G (GPG) 10個I/O接口和光電隔離電路組成，其之間的關係是 ARM埠 G (GPG) 10個I/O接口輸出的數位訊號經光電隔離電路將低電壓值轉換為SF6高壓斷路器執行機構控制電路需要的標準電壓值。ARM埠 G(GPG) 10個I/O接口電平經過光電 隔離電路驅動控制斷路器動作的繼電器，實現斷路器在零電壓下關合，在零電流下分斷，從 而提高斷路器的分斷能力。所述CAN總線通訊單元由上位機通信模塊和下位機通信模塊組成，它們之間通過 CAN總線網絡相連。下位機通信模塊由MCP2515控制器和MCP2551發送器組成，負責下位機 數據的發送和接受。上位機通信模塊採用PCI 1680U板卡，它負責接受下位機傳來的數據 及發送上位機控制命令。所述監控中心伺服器單元是採用工控機，它用來存儲、顯示並管理監測的信息。所述CAN總線通訊單元是PCI1680U板卡，它直接插入工控機PCI插槽中，實現與 下位機的通訊。CAN總線網絡採用星型連接組網，分別對位於不同地點多臺SF6高壓斷路器 進行監測，各個下位機分別向監控中心伺服器發送監測數據。監控中心伺服器可實現對多 個下位機的遠程配置和數據接收。整個裝置的工作過程是當登陸上位機的軟體系統後，上位機首先根據默認配置 或工作人員的設定向指定編號的下位機發送控制參數，完成對下位機的遠程配置。然後，下 位機中的基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元控制數據採集單元，並將數據存儲在數據 存儲單元中，最後，基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元調用數據存儲單元的數據進行 信號特徵提取和參數計算，同時，結合系統信息進行智能推理與智能控制，綜合評估設備性 能及壽命。(2)軟體結構本發明的軟體結構也分為下位機和上位機兩個部分所述下位機軟體，它是基於FPGA和ARM晶片的智能控制及處理程序，負責控制下 位機的硬體實現各傳感器信號採集、信號處理以及CAN總線通訊。它包括兩個部分，一個是 FPGA處理器程序，另一個是ARM處理器程序。其之間的關係是FPGA處理器程序接受ARM處 理器程序的控制命令實現數據採集，採集完畢後，FPGA處理器程序傳送採集的數據給ARM 處理器程序，並在ARM處理器程序中對數據進行分析與智能推理。該FPGA處理器程序在 Windows作業系統下，使用QuarusII軟體，採用Verilog語言編寫，FPGA處理器外部時鐘為 50MHz。FPGA處理器程序分為2個處理線程，分別為數據採集線程、數據傳輸線程。該ARM 處理器程序在嵌入式Linux作業系統平臺下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編 譯；Linux系統內核精簡、高效且穩定，能夠充分發揮硬體的功能，該ARM處理器主時鐘頻率 為400MHz。ARM處理器程序分為4個處理線程，分別為控制線程、數據處理線程、CAN總線通 信線程、智能推理線程。各線程間的關係如下CAN總線通訊線程接收上位機的控制參數並 傳遞給控制線程，控制線程根據這些控制參數配置數據採集線程，數據採集線程實現對信 號進行採集後，啟動數據傳輸線程，FPGA至ARM數據傳輸結束後，運行數據處理線程及智能 推理線程，最後將處理結果通過CAN總線通訊線程發送到上位機，各軟體線程間關係如圖5 所示。該控制線程負責完成程序基本參數的設置，如絕緣狀態參數採集時間間隔、數據 採集時序控制、定時數據傳輸控制等。下位機的CAN總線通訊線程接收來自上位機的控制 參數，並把控制參數傳遞給控制線程，由控制線程來實現下位機各參數的配置。該控制線程 在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯。
該數據採集線程包括模擬量採集和數字量採集兩部分，其之間的關係是模擬量 採集和數字量採集並行進行。模擬量採集負責各傳感器信號的採集，把各傳感器輸出的模 擬量通過AD7490晶片和ARM內部AD進行換轉。其中，模擬量包括SF6壓力、SF6溼度、現場溫 度、振動、一次電流、合分線圈電流、行程信號。模擬量採集又包括FPGA處理器控制AD7490 晶片採集和ARM內部AD定時採集兩部分，其之間的關係是斷路器動作時，由FPGA處理器 控制AD7490晶片採集；斷路器不動作時，由ARM內部AD定時採集。FPGA處理器控制AD7490 晶片採集的模擬量包括振動、一次電流、合分線圈電流、行程信號；ARM內部AD採集包括SF6 壓力、SF6溼度、現場溫度。數字量採集包括FPGA處理器I/O埠採集和ARM處理器I/O端 口採集兩部分，其之間的關係是斷路器動作時，由FPGA處理器I/O埠採集；斷路器不動 作時，由ARM處理器I/O埠定時採集。數字量採集負責監測I/O埠的狀態，通過I/O端 口狀態的變化反應當前SF6高壓斷路器觸頭狀態信息和限位開關等信息。該數據採集線程 中ARM內部AD定時採集及對應的數字量採集程序在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言 編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯；該數據採集線程中FPGA處理器控制AD7490晶片採集 及對應的數字量採集程序在Windows作業系統下，採用QuarusII軟體，Verilog語言編寫。
該數據傳輸線程包含ARM處理器接受數據和FPGA處理器發送數據兩部分，其之間 的關係是ARM處理器接受FPGA處理器發送的數據。該線程負責ARM處理器與FPGA處理 器的數據傳輸，本發明設計了一種雙FIFO交替數據傳輸方案。在FPGA處理器中定製8K*16 位的雙FIFO結構，ARM控制線程啟動數據採集命令後，FPGA處理器控制AD7490晶片進行信 號採集，每次採集的數據存滿雙FIFO結構其中之一 FIFO後，FPGA處理器向ARM處理器發 送中斷數據傳輸信號，由ARM處理器讀取FPGA處理器中定製的FIFO中存儲的數據，同時， FPGA處理器將採集的數據繼續存放在另外一個空FIFO中，這樣實現數據雙FIFO交替傳輸， 提高系統實時性，該數據傳輸結構如圖6所示。該數據傳輸線程中ARM處理器接受數據程 序在Windows作業系統下，採用QuarusII軟體，Verilog語言編寫；該數據傳輸線程中FPGA 處理器發送數據程序在Windows作業系統下，採用QuarusII軟體，Verilog語言編寫。該數據處理線程是系統的軟體核心。該線程負責完成機械狀態、電氣狀態、絕緣狀 態信號的分析與處理，計算SF6高壓斷路器各項狀態參數。該部分的軟體處理流程圖如圖 7所示。在SF6高壓斷路器正常運行情況下，對SF6壓力、SFjM度及控制櫃溫度進行採集並 分析，將壓力值轉換為20°C的壓力值，並設定閾值，超過閾值範圍，在上位機產生報警信號。 在SF6高壓斷路器動作情況下，對一次電流、合分線圈電流、振動信號、行程信號採集，並採 用先進信號處理技術對信號進行處理。其中，一次電流用於SF6高壓斷路器磨損觸頭的估 算，SF6高壓斷路器觸頭的絕對電磨損總量一定，根據不同SF6高壓斷路器的隊-I。曲線，求 得任意大小開斷電流I。的對應允許開斷次數N1，通過各次電磨損量的綜合計算，以可求出 該SF6高壓斷路器的相對電壽命。合分線圈電流波形變化代表了電磁鐵動鐵芯在脫扣或釋 能過程中的動作情況以及合分閘線圈中電阻值的變化情況，基於小波分析方法分析合分線 圈電流參數可作為診斷SF6高壓斷路器機械作業系統的重要依據。振動事件辨識是SF6高 壓斷路器振動信號監測中的重要內容，由正常情況下錄取的指紋波形成標準信號，採用先 進的小波分析和經驗模態分解方法對信號進行分析和處理，將待測狀態下振動信號包絡與 標準信號包絡的特徵量進行比較，根據其偏差大小以及結合合分線圈電流信號的處理結果 綜合判斷SF6高壓斷路器健康狀況。分析斷路器動作時行程信號，能提高SF6高壓斷路器動作中的合間速度、分間速度、平均速度、最大速度等信息，速度是體現SF6高壓斷路器性能的一項重要指標，速度過小，加大燃弧時間，加速設備老化；速度過大，增加合分運動的衝擊 力，對機構牢固影響大，通過速度的分析可判斷SF6高壓斷路器機構的工作性能。該數據處 理線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯。該智能推理線程負責綜合來自感知功能獲取的信息、執行功能反饋的信息、系統 的控制信息進行智能推理；智能控制線程綜合這些特徵信息，可自動識別斷路器的工作 狀態、自動調整斷路器的操作信息、自動記錄關鍵信息、自動對斷路器的元器件和操作進 行診斷；智能控制線程的輸出一方面為執行功能提供操作指令，另一方面為系統提供斷 路器工作狀態信息。該智能推理線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用 arm-linux-gcc編譯器編譯。該CAN總線通訊線程由下位機CAN總線通訊線程和上位機CAN總線通訊線程組 成，其之間的關係是下位機CAN總線通訊線程與上位機CAN總線通訊線程通過CAN總線 通訊網絡實現通信。下位機CAN總線通訊線程負責向上位機發送斷路器狀態監測的計算結 果、智能推理結果及接收上位機發送到下位機的控制參數。上位機CAN總線通訊線程負責 接收下位機發送到上位機的監測數據及向下位機發送系統配置與控制參數。該下位機CAN 總線通訊線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編 譯；該上位機CAN總線通訊線程在Windows作業系統下，使用Visual C++6. 0軟體，採用C++ 語言編寫。所述上位機軟體，採用VC++6. 0編寫，並利用SQL Server 2000開發後臺資料庫， 它包括人機互動、CAN總線通訊、資料庫和智能推理四部分；其之間的關係是CAN總線通訊 接受下位機數據，並將結果保存至資料庫，數據保存完畢後，系統調用資料庫數據進行智能 推理，對故障結果進行報警提示，從而實現人機互動。人機互動功能允許操作人員查看數據 庫中設備運行的歷史數據及通過CAN總線通訊向下位機傳遞控制參數實現對設備進行控 制。上位機軟體結構如圖8所示。該人機互動部分採用大液晶屏顯示，支持鍵盤、滑鼠及觸 摸屏輸入，它負責數據及波形的顯示並提供控制參數設置窗口，實現工作人員和系統的交 互。該CAN總線通訊部分是PCI1680U，它由工控機負責驅動工作，實現數據的發送和接收。 該資料庫部分存儲監測信息，並實現管理與查詢等功能。該智能推理部分是結合資料庫中 設備歷史信息採用先進算法進行數據分析。上位機軟體的工作流程是在管理人員登陸後 首先和指定編號的下位機進行連接，並向下位機發送管理人員設定的控制參數，對下位機 進行遠程配置；當斷路器不動作時，下位機將按照控制參數定時採集SF6壓力、SF6溼度、溫 度及開關狀態信息，通過CAN總線網絡將計算結果發送到上位機，上位機將接收到的信息 進行顯示並將信息保存入資料庫。當斷路器動作時，下位機實時採集SF6高壓斷路器機械 狀態、電氣狀態信息並將數據在ARM處理器中進行快速處理，最後通過CAN總線網絡發送 到上位機，上位機將接收到的參數計算結果和智能推理結果進行顯示並將信息保存入數據 庫，同時，結合SF6高壓斷路器歷史信息，採用設備評估理論，估算設備性能及壽命。斷路器 不動作時，下位機可以根據控制參數設定的時間間隔定時向上位機發送數據，對絕緣參數 進行監測。斷路器動作情況下，下位機能實時智能監測設備的機械狀態和電氣狀態信息，並 結合系統信息進行智能推理，從而實現對SF6高壓斷路器的智能監測與健康管理。3、優點及功效
本發明一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統，其優點和有益效果如 下1.系統採用先進處理器和先進信號處理技術實現對SF6高壓斷路器狀態的智能監控，監測參數全面，系統實時性好；2.系統自動化程度高，能綜合感知功能獲取的信息、執行功能反饋的信息及系統 的控制信息進行智能推理，具有可自動識別SF6高壓斷路器的工作狀態、自動調整SF6高壓 斷路器的操作信息、自動記錄關鍵信息、自動對SF6高壓斷路器的元器件和操作進行診斷等 能力，實現了對SF6高壓斷路器的狀態無人實時智能監測；3.具備一套完整的健康管理系統，操作方便，能記錄現場多臺SF6高壓斷路器歷史 運行信息，具備智能評估設備性能和壽命功能。4.系統通CAN總線網絡組網，可以實現多對一的通訊方式，CAN總線通訊方式數據 傳輸速率高，傳輸距離遠，比較適合於電廠、電站等電磁輻射、幹擾比較強的場合。5.系統接線簡單，安裝方便，佔地空間小，具有高可靠、長壽命、強抗電磁幹擾功 能。


圖1本發明硬體結構方框示意2數據採集單元結構3採集信號電路結構4數據存儲單元結構5線程軟體流程示意6數據傳輸單元結構7下位機軟體結構示意8上位機軟體結構示意圖
具體實施例方式本發明一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統的硬體結構可以分為下 位機和上位機兩大部分。硬體結構示意如圖1所示。其中下位機由基於FPGA和ARM的智 能控制及處理單元、數據採集單元、數據存儲單元、智能控制輸出單元、CAN總線通信單元組 成。上位機由監控中心伺服器單元和PCI1680U板卡通訊單元組成。所述基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元由EP3C25Q240C8N晶片和S3C2440A 晶片構成。EP3C25Q240C8N晶片是Altera公司的Cyclone系列大規模可編程邏輯器件， 具有豐富的可編程和片內RAM資源，具有高速並行處理能力，工作輸入時鐘頻率為50MHz。 S3C2440A是ARM 920T內核的32位RISC微處理器，工作主頻高達400MHz，它是下位機 部分的核心，負責控制整個監測流程，具有高速的信號處理能力。EP3C25Q240C8N晶片和 S3C2440A晶片採用核心板形式構建，核心板與信號採集板分開且電源單獨供電，供電電壓 為+5V，經LMl 117晶片轉換為3. 3V工作電壓，核心板長為5. 5cm,寬為3. 4cm,採用6層板布 線方式，核心板雙排插針直插在數據採集板插座上。所述數據採集單元由AD7490晶片、數字I/O接口、模擬信號調理電路及數位訊號調理電路組成，負責採集模擬量輸出或數字量輸出的傳感器信號，其結構如圖2所示。模擬信號調理電路對模擬量傳感器輸出的信號進行調理和濾波；數位訊號調理電路對數字量 傳感器輸出的數位訊號進行調理。AD7490晶片和數字I/O接口則分別採集調理後的模擬 信號和數位訊號。AD7490晶片為16路12位精度的模數轉換晶片，採用SPI接口方式與 EP3C25Q240C8N晶片相連，實現對振動、一次電流、行程、合分線圈電流信號採集，採樣時間 為360ms，每通道的採樣頻率為25Hz，AD7490晶片參考電壓設置為2. 5V，配置控制寄存器為 雙邊工作模式，即電壓測量範圍為0 5V。數字I/O接口採用EP3C25Q240C8N晶片上的10 個數字I/O接口及S3C2440A晶片上的15個數字I/O接口分別經過信號調理的數字傳感器 輸出的信號，實現對開關觸頭等信息的採集，採集信號電路結構圖如圖3所示。數據採集單 元集成在數據採集板上，採集板長為17. 5cm，寬為11. 5cm，採用4層板布線方式，數據採集 板左側留出核心板雙排插座位置。採集板單獨供電，供電的電壓等級為+5V、士 12V、士 15V。 該數位訊號調理電路由光藕、貼片電阻、退耦電容、濾波電容及普通穩壓二極體等組成；該 模擬信號調理電路由貼片電阻、取樣電阻、退耦電容、濾波電容、頻率補償電容及電壓跟隨 器等組成；系統所用傳感器包括PT100溫度傳感器、GEMS3100壓力傳感器、DMP248溼度傳 感器。VSM003A電壓傳感器、CSA025A電流傳感器、BZ1183加速度傳感器、LWH-250MM行程 傳感器、CHF-*G電流傳感器。所述數據存儲單元由SDRAM (同步動態隨機存取存儲器)和FLASH (快閃記憶體)兩種存 儲器組成。SDRAM採用2片HY57561620 SDRAM晶片，存儲容量達到64兆位，用來存儲數據 和實現上電後的應用程式加載。FLASH採用K9F1208 FLASH晶片，存儲容量達到64兆位， 用來固化bootloader引導程序和應用程式。兩片HY57561620 SDRAM晶片和一片K9F1208 FLASH晶片通過地址總線和數據總線與外部存儲器接口連接。基於ARM的控制及處理單元 通過外部存儲器接口實現與數據存儲單元數據的讀寫。數據存儲單元與EP3C25Q240C8N芯 片和S3C2440A晶片共存於核心板上，數據存儲單元結構如圖4所示。所述智能控制輸出單元是基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元執行邏輯推理 的輸出結果，它由ARM埠 G(GPG)中10個I/O接口和光電隔離電路組成，其之間的關係是 ARM埠 G 10個I/O接口輸出的數位訊號經光電隔離電路將低電壓值轉換為控制SF6高壓 斷路器執行機構控制電路需要的標準電壓值。ARM埠 G 10個I/O接口電平經過光電隔離 電路驅動控制斷路器動作的繼電器，實現斷路器在零電壓下關合，在零電流下分斷，從而提 高斷路器的分斷能力，智能控制輸出單元和對應的調理電路位於信號採集板上。所述上位機監控中心伺服器單元採用工控機實現，工控機選用4U機架式一體化 工作機(AWS-4U-084)，放置於控制室電力配電採集櫃檯上，負責存儲、顯示和管理監測數 據。監控中心工作人員可以通過上位機軟體進行人機互動實現對監測參數的分析和管理。所述CAN總線通訊單元由上位機通信線程和下位機通信線程組成，它們之間通過 CAN總線網絡相連。下位機通信線程採用MCP2515控制器和MCP2551發送器組成，負責下位 機數據的發送和接受。上位機採用研華科技公司產品PCI1680U板卡，該板卡直接插入工控 機PCI插槽中，它負責接受下位機傳來的數據及發送上位機控制命令；上位機和下位機通 信線程間採用CAN總線通信協議實現數據的高速可靠傳輸。CAN總線網絡採用星型連接組 網，數據傳輸線採用雙絞線。在現場各需要檢測狀態的斷路器機構櫃下，安裝下位機，利用 CAN總線網絡組網，可分別對位於不同地點的多個SF6高壓斷路器進行監測，各個下位機分別向監控中心伺服器發送監測數據。整個裝置的工作過程是當登陸上位機的軟體系統後，上位機首先根據默認配置或工作人員的設定向指定編號的下位機發送信號採集時間間隔等控制參數，完成對下位機 的遠程配置。然後，下位機中的基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元控制模擬量數據採 集單元和數字量數據採集單元，並將採集的數據存儲在數據存儲單元中。基於FPGA和ARM 的智能控制及處理單元調用數據存儲單元的數據進行信號特徵提取、參數計算和結合系統 信息進行智能推理，評估設備性能及壽命。本發明一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統的軟體設計分為下位機 和上位機兩個部分。 下位機程序是基於FPGA和ARM晶片的智能控制及處理程序，負責控制下位機的硬 件實現傳感器信號採集、信號處理以及CAN總線通訊。下位機軟體程序包括兩個部分，一個 是FPGA處理器程序，另一個是基於ARM處理器程序。該FPGA處理器程序採用在Windows 作業系統下，使用QuarusII軟體，Verilog語言編寫，FPGA處理器外部時鐘為50MHz。FPGA 處理器程序分為2個處理線程，分別為數據採集線程、數據傳輸線程。該ARM處理器程序在 嵌入式Linux作業系統平臺下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯；Linux系 統內核精簡、高效且穩定，能夠充分發揮硬體的功能，該ARM處理器主時鐘頻率為400MHz。 ARM程序分為4個處理線程，分別為控制線程、數據處理線程、CAN總線通信線程，智能推理 線程。各線程間的關係如下CAN總線通訊線程接收上位機的控制參數並傳遞給控制線程， 控制線程根據這些控制參數配置數據採集線程，數據採集線程實現對信號進行採集後，啟 動數據傳輸線程，FPGA至ARM數據傳輸結束後，運行數據處理線程及智能推理線程，最後將 處理結果通過CAN通訊線程發送給上位機。各軟體線程間關係如圖5所示。所述控制線程負責完成程序基本參數的設置，如絕緣參數採集時間間隔、電氣設 備的添加與減少、維修記錄操作、數據傳輸方式控制、數據採集時序控制等。上位機程序可 以通過CAN總線通訊線程向下位機傳遞控制參數，下位機的CAN總線通訊線程接收來自上 位機的控制參數，並把控制參數傳遞給控制線程，由控制線程來實現下位機參數的配置。該 控制線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯。該數據採集線程包括模擬量採集和數字量採集兩部分，其之間的關係是模擬量 採集和數字量採集並行進行。模擬量採集負責各傳感器信號的採集，把各傳感器輸出的模 擬量通過AD7490晶片和ARM內部AD進行換轉。其中，模擬量包括SF6壓力、SF6溼度、現場溫 度、振動、一次電流、合分線圈電流、行程信號。模擬量採集又包括FPGA處理器控制AD7490 晶片採集和ARM內部AD定時採集兩部分，其之間的關係是斷路器動作時，由FPGA處理器 控制AD7490晶片採集；斷路器不動作時，由ARM內部AD定時採集。FPGA處理器控制AD7490 晶片採集的模擬量包括振動、一次電流、合分線圈電流、行程信號；ARM內部AD採集包括SF6 壓力、SF6溼度、現場溫度。數字量採集包括FPGA處理器I/O埠採集和ARM處理器I/O端 口採集兩部分；其之間的關係是斷路器動作時，由FPGA處理器I/O埠採集；斷路器不動 作時，由ARM I/O埠定時採集。數字量採集負責監測I/O埠的狀態，通過I/O埠狀態 的變化反應當前SF6高壓斷路器觸頭狀態信息和限位開關等信息。該數據採集線程中ARM 內部AD定時採集及對應的數字量採集程序在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫， 用arm-linux-gcc編譯器編譯；該數據採集線程中FPGA處理器控制AD7490晶片採集及對應的數字量採集程序在Windows作業系統下，採用QuarusII軟體，Verilog語言編寫。該數據傳輸線程包含ARM處理器接受數據和FPGA處理器發送數據兩部分，其之間 的關係是ARM處理器接受FPGA處理器發送的數據。該線程負責ARM處理器與FPGA處理 器的數據傳輸，本發明設計了一種雙FIFO交替數據傳輸方式。在FPGA處理器中定製8K*16 位的雙FIFO結構，ARM控制線程啟動數據採集命令後，FPGA處理器控制AD7490晶片進行信 號採集，每次採集的數據存滿雙FIFO結構其中之一 FIFO後，FPGA處理器向ARM處理器發 送中斷數據傳輸信號，由ARM處理器讀取FPGA處理器中定製的FIFO中存儲的數據，同時， FPGA處理器將採集的數據繼續存放在另外一個空FIFO中，這樣實現數據雙FIFO交替傳輸， 提高系統實時性，該數據傳輸結構如圖6所示。該數據傳輸線程中ARM處理器接受數據程 序在Windows作業系統下，採用QuarusII軟體，Verilog語言編寫；該數據傳輸線程中FPGA 處理器發送數據程序在Windows作業系統下，採用QuarusII軟體，Verilog語言編寫。
所述信號處理線程是裝置的軟體核心。該線程負責完成機械、電氣、絕緣信號的處 理與分析，計算SF6高壓斷路器各項狀態參數，該軟體的流程圖如圖7所示。在斷路器不動 作時，每個6小時自動採集SF6壓力、SF6溼度及控制櫃溫度，並進行信號處理，同時將壓力 值轉換為20°C的壓力值。對SF6壓力與SF6溼度分別設定報警閾值，超過閾值範圍，在上位 機產生報警信號。在斷路器動作時，採集一次電流、合分閘線圈電流、振動信號及行程信號， 並進行信號處理，採集時間為360ms，每通道的採集頻率為25KHz。其中，一次電流採集用於 SF6高壓斷路器磨損觸頭的估算，分析斷路器的剩餘壽命；合分線圈電流波形變化代表了電 磁鐵動鐵芯在脫扣或釋能過程中的動作情況以及合分閘線圈中電阻值的變化情況，基於小 波分析方法分析合分線圈電流參數可作為診斷SF6高壓斷路器機械作業系統的重要依據。 振動事件辨識是SF6高壓斷路器振動信號監測中的重要內容，由正常情況下錄取的指紋波 形成標準信號，採用先進的小波分析和經驗模態分解方法對振動信號進行分析和處理，將 待測狀態下振動信號包絡與標準信號包絡比較，提取信號特徵量，根據其特徵量偏差大小 以及結合合分線圈電流信號的特徵提取結果，採用智能推理技術評估SF6高壓斷路器健康 狀況。分析斷路器動作時行程信號，能提取動作中的合間速度、分間速度、平均速度、最大速 度等信息。速度是體現SF6高壓斷路器性能的一項重要指標，速度過小，加大燃弧時間，增 加觸頭磨損量，易引起設備故障；速度過大，增加合分運動的衝擊力，對機構牢固性影響大。 該信號處理線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編 譯。所述智能推理線程負責綜合來自感知功能獲取的信息、執行功能反饋的信息，系 統的控制信息進行智能推理；具有可自動識別斷路器的工作狀態、自動調整斷路器的操作 信息、自動記錄關鍵信息、自動對斷路器的元器件和操作進行診斷等能力。該智能推理線程 在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯。該CAN總線通訊線程由下位機CAN總線通訊線程和上位機CAN總線通訊線程組 成，其之間的關係是下位機CAN總線通訊線程與上位機CAN總線通訊線程通過CAN總線 通訊網絡實現通信。下位機CAN總線通訊線程負責向上位機發送斷路器狀態監測的計算結 果、智能推理結果及接收上位機發送到下位機的控制參數。上位機CAN總線通訊線程負責 接收下位機發送到上位機的監測數據及向下位機發送系統配置與控制參數。該下位機CAN 總線通訊線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯；該上位機CAN總線通訊線程在Windows作業系統下，使用Visual C++6. O軟體，採用C++
語言編寫。 上位機軟體在Windows作業系統環境下，採用VC++6. 0編寫並利用SQL Server2000開發後臺資料庫，上位機軟體結構如圖8所示。該人機互動部分採用大液晶顯示，支持 鍵盤、滑鼠及觸控螢幕輸入，它負責數據及波形的顯示並提供控制參數設置窗口，實現工作人 員和裝置的交互。工控機負責驅動CAN通訊單元工作，實現數據的發送和接收。資料庫部 分存儲監測信息，並實現管理與查詢等功能。上位機軟體的工作流程是在管理人員登陸後 首先和指定編號的下位機進行連接，並向下位機發送管理人員設定的控制參數，對下位機 進行遠程配置；在斷路器不動作時，下位機根據控制參數設定對絕緣狀態進行監測，定時通 過CAN總線網絡向上位機發送數據。在默認設置情況下，下位機每隔6小時向上位機發送 一次SF6壓力、SF6溼度及現場溫度數據，數據超過設定閾值，產生報警信息，提示值班人員 進行處理，同時上位機把數據保存到資料庫，為以後查看數據及波形曲線提供數據來源。當 斷路器動作時，下位機實時採集斷路器機械、電氣狀態信息並將數據在ARM處理器中進行 快速處理並執行智能推理功能，最後通過CAN總線網絡發送到上位機。上位機將接收到的 計算結果進行顯示並將信息保存入資料庫，同時，結合斷路器的歷史信息，執行智能推理功 能，估算設備性能及壽命，從而實現對設備的智能監測與健康管理。
權利要求
一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統，其特徵在於它由硬體結構和軟體結構兩大部分構成；該硬體結構分為下位機和上位機兩部分，其之間的關係是下位機安裝在現場SF6高壓斷路器機構櫃檯下，上位機安裝在主控室電力測量櫃檯上，它們之間通過CAN總線網絡實現通訊；其中，下位機硬體負責數據的採集、處理及傳輸，下位機硬體部分包括基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元、數據採集單元、智能控制輸出單元、數據存儲單元及CAN總線通訊單元；它們之間的邏輯關係是基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元控制數據採集單元採集數據，並將數據存入數據存儲單元，存儲完畢後，基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元調用數據存儲單元的數據進行處理及智能推理，並將智能推理結果輸出至智能控制輸出單元，同時，將處理後的數據通過CAN總線通訊單元傳送到上位機；上位機硬體部分由監控中心伺服器單元和CAN總線通訊單元即PCI1680U板卡組成，其之間的關係是PCI1680U板卡插入監控中心伺服器單元PCI插槽中，實現與下位機的通信；上位機硬體負責監測數據的接受、控制命令的發送及人機接口界面顯示；相應的，軟體結構也分為下位機和上位機兩部分；下位機軟體負責驅動下位機的硬體完成電氣狀態、機械狀態及絕緣狀態數據採集，對採集的數據採用小波分析、包絡分析、經驗模態分解技術、模糊推理技術等先進的信號處理技術及算法進行特徵提取，計算出SF6高壓斷路器機構合分時間、行程、SF6壓力、SF6溼度、合分線圈電流、觸頭磨損量和振動衝擊時間參數，並結合系統狀態信息執行智能推理功能實現對SF6高壓斷路器的智能控制及診斷；最後，下位機軟體通過CAN總線通訊單元將監測處理結果發送到上位機監控中心；上位機軟體負責驅動上位機CAN總線通訊單元硬體完成與下位機的數據通訊，並建立人機互動界面和實現監測信息的管理，為檢修人員提供信息來源，同時結合設備歷史運行信息，進行智能推理，實現對設備性能狀態評估及壽命預測；所述基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元是下位機硬體的核心，它控制數據採集單元採集電氣狀態、機械狀態、絕緣狀態信息，並將採集數據存入數據存儲單元；然後，該單元調用數據存儲單元中的數據完成電氣狀態、機械狀態、絕緣狀態特徵參數的計算，並結合系統信息實現智能推理及智能控制功能，使它具有自動識別SF6高壓斷路器的工作狀態、自動調整SF6高壓斷路器的操作信息、自動記錄關鍵信息、自動對SF6高壓斷路器的元器件和操作進行診斷等能力；最後，所有監測結果通過CAN總線通訊單元向上位機監控服務中心發送；基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元由EP3C25Q240C8N晶片和S3C2440A晶片構成，其之間的關係是S3C2440A晶片埠E(GPE)16個I/O接口及埠F(GPF)4個I/O接口分別與EP3C25Q240C8N晶片20個I/O接口直連實現通信；EP3C25Q240C8N晶片是Altera公司的Cyclone系列大規模可編程邏輯器件，工作輸入時鐘頻率設定為50MHz，用於對AD採集進行控制和獲取I/O接口的數字信息；S3C2440A是ARM 920T內核的32位RISC微處理器，工作主頻高達400MHz，它是下位機部分的核心，負責控制整個監測流程及數據處理，並傳送監測結果到上位機監控服務中心；所述數據採集單元由AD7490模數轉換器、數字I/O即輸入輸出接口、數位訊號調理電路及模擬信號調理電路組成，其之間的關係是數字傳感器輸出信號經過數位訊號調理電路實現電平轉換，並將結果輸出至數字I/O接口；模擬傳感器輸出信號經過模擬信號調理電路進行信號調理和濾波，並將結果輸出至AD7490模數轉換器進行電壓轉換；模擬量採集和數字I/O量採集同時進行，模擬量數據採集是傳感器調理後的模擬信號，它包括行程信號、SF6壓力、SF6溼度、溫度、合分線圈電流、振動信號和一次電流信號；數字量數據採集是傳感器調理後的數位訊號，它包括開關觸頭位置、限位開關狀態信息；這種採集結構實現多狀態多參量信號的實時採集；AD7490模數轉換器為16路12位精度的模數轉換晶片，通過SPI接口方式與FPGA處理器相連；該數位訊號調理電路由光藕、貼片電阻、退耦電容、濾波電容及普通穩壓二極體組成；該模擬信號調理電路由貼片電阻、取樣電阻、退耦電容、濾波電容、頻率補償電容及電壓跟隨器組成；所述數據存儲單元由SDRAM即同步動態隨機存取存儲器和FLASH即快閃記憶體兩種存儲器組成，它們之間的位置連接關係是通過地址總線和數據總線與外部存儲器接口連接；SDRAM採用2片HY57561620 SDRAM晶片，存儲容量64兆位，用來存儲數據和實現上電後的應用程式加載；FLASH採用K9F1208 FLASH晶片，存儲容量64兆位，用來固化bootloader引導程序和應用程式；兩片HY57561620 SDRAM晶片和一片K9F1208 FLASH晶片通過地址總線和數據總線與外部存儲器接口連接；基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元通過外部存儲器接口實現與數據存儲單元數據的讀寫；所述智能控制輸出單元是基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元執行邏輯推理的輸出結果，它由ARM埠G即GPG10個I/O接口和光電隔離電路組成，其之間的關係是ARM埠G即GPG10個I/O接口輸出的數位訊號經光電隔離電路將低電壓值轉換為SF6高壓斷路器執行機構控制電路需要的標準電壓值；ARM埠G即GPG10個I/O接口電平經過光電隔離電路驅動控制斷路器動作的繼電器，實現斷路器在零電壓下關合，在零電流下分斷，從而提高斷路器的分斷能力；所述CAN總線通訊單元由上位機通信模塊和下位機通信模塊組成，它們之間通過CAN總線網絡相連；下位機通信模塊由MCP2515控制器和MCP2551發送器組成，負責下位機數據的發送和接受；上位機通信模塊是PCI 1680U板卡，它負責接受下位機傳來的數據及發送上位機控制命令；所述監控中心伺服器單元是採用工控機，它用來存儲、顯示並管理監測的信息；所述CAN總線通訊單元是PCI1680U板卡，它直接插入工控機PCI插槽中，實現與下位機的通訊；CAN總線網絡採用星型連接組網，分別對位於不同地點多臺SF6高壓斷路器進行監測，各個下位機分別向監控中心伺服器發送監測數據，監控中心伺服器可實現對多個下位機的遠程配置和數據接收；所述下位機軟體，它是基於FPGA和ARM晶片的智能控制及處理程序，負責控制下位機的硬體實現各傳感器信號採集、信號處理以及CAN總線通訊；它包括兩個部分，一個是FPGA處理器程序，另一個是ARM處理器程序，其之間的關係是FPGA處理器程序接受ARM處理器程序的控制命令實現數據採集，採集完畢後，FPGA處理器程序傳送採集的數據給ARM處理器程序，並在ARM處理器程序中對數據進行分析與智能推理；該FPGA處理器程序在Windows作業系統下，使用QuarusII軟體，採用Verilog語言編寫，FPGA處理器外部時鐘為50MHz；FPGA處理器程序分為2個處理線程，分別為數據採集線程、數據傳輸線程；該ARM處理器程序在嵌入式Linux作業系統平臺下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯，主時鐘頻率為400MHz；ARM處理器程序分為4個處理線程，分別為控制線程、數據處理線程、CAN總線通信線程、智能推理線程；各線程間的關係如下CAN總線通訊線程接收上位機的控制參數並傳遞給控制線程，控制線程根據這些控制參數配置數據採集線程，數據採集線程實現對信號進行採集後，啟動數據傳輸線程，FPGA至ARM數據傳輸結束後，運行數據處理線程及智能推理線程，最後將處理結果通過CAN總線通訊線程發送到上位機；所述上位機軟體，採用VC++6.0編寫，並利用SQL Server 2000開發後臺資料庫，它包括人機互動、CAN總線通訊、資料庫和智能推理四部分；其之間的關係是CAN總線通訊接受下位機數據，並將結果保存至資料庫，數據保存完畢後，系統調用資料庫數據進行智能推理，對故障結果進行報警提示，從而實現人機互動；人機互動功能允許操作人員查看資料庫中設備運行的歷史數據及通過CAN總線通訊向下位機傳遞控制參數實現對設備進行控制；該人機互動部分採用大液晶屏顯示，支持鍵盤、滑鼠及觸控螢幕輸入，它負責數據及波形的顯示並提供控制參數設置窗口，實現工作人員和系統的交互；該CAN總線通訊部分是PCI1680U，它由工控機負責驅動工作，實現數據的發送和接收；該資料庫存儲監測信息，並實現管理與查詢功能；該智能推理是結合資料庫中設備歷史信息採用先進算法進行數據分析。
2.根據權利要求1所述的一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統，其特徵 在於該控制線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器 編譯；該控制線程負責完成程序基本參數的設置即絕緣狀態參數採集時間間隔、數據採集 時序控制、定時數據傳輸控制；下位機的CAN總線通訊線程接收來自上位機的控制參數，並 把控制參數傳遞給控制線程，由控制線程來實現下位機各參數的配置。
3.根據權利要求1所述的一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統，其特徵 在於該數據採集線程包括模擬量採集和數字量採集兩部分，其之間的關係是模擬量採 集和數字量採集並行進行；模擬量採集負責各傳感器信號的採集，把各傳感器輸出的模擬 量通過AD7490晶片和ARM內部AD進行換轉；其中，模擬量包括SF6壓力、SF6溼度、現場溫 度、振動、一次電流、合分線圈電流、行程信號；模擬量採集又包括FPGA處理器控制AD7490 晶片採集和ARM內部AD定時採集兩部分，其之間的關係是斷路器動作時，由FPGA處理器 控制AD7490晶片採集；斷路器不動作時，由ARM內部AD定時採集；FPGA處理器控制AD7490 晶片採集的模擬量包括振動、一次電流、合分線圈電流、行程信號；ARM內部AD採集包括SF6 壓力、SF6溼度、現場溫度；數字量採集包括FPGA處理器I/O埠採集和ARM處理器I/O端 口採集兩部分，其之間的關係是斷路器動作時，由FPGA處理器I/O埠採集；斷路器不動 作時，由ARM處理器I/O埠定時採集；數字量採集負責監測I/O埠的狀態，通過I/O端 口狀態的變化反應當前SF6高壓斷路器觸頭狀態信息和限位開關信息；該數據採集線程中 ARM內部AD定時採集及對應的數字量採集程序在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編 寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯；該數據採集線程中FPGA處理器控制AD7490晶片採集及 對應的數字量採集程序在Windows作業系統下，採用QuarusII軟體，Verilog語言編寫。
4.根據權利要求1所述的一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統，其特徵 在於該數據傳輸線程包含ARM處理器接受數據和FPGA處理器發送數據兩部分，其之間的 關係是ARM處理器接受FPGA處理器發送的數據；該線程負責ARM處理器與FPGA處理器的 數據傳輸，在FPGA處理器中定製8K*16位的雙FIFO結構，ARM控制線程啟動數據採集命令 後，FPGA處理器控制AD7490晶片進行信號採集，每次採集的數據存滿雙FIFO結構其中之 一 FIFO後，FPGA處理器向ARM處理器發送中斷數據傳輸信號，由ARM處理器讀取FPGA處 理器中定製的FIFO中存儲的數據，同時，FPGA處理器將採集的數據繼續存放在另外一個空FIFO中，這樣實現數據雙FIFO交替傳輸，提高系統實時性；該數據傳輸線程中ARM處理器 接受數據程序在Windows作業系統下，採用QuarusII軟體，Verilog語言編寫；該數據傳輸 線程中FPGA處理器發送數據程序在Windows作業系統下，採用QuarusII軟體，Verilog語g編與。
5.根據權利要求1所述的一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統，其特徵 在於該數據處理線程是負責完成機械狀態、電氣狀態、絕緣狀態信號的分析與處理，計算 SF6高壓斷路器各項狀態參數；在SF6高壓斷路器正常運行情況下，對SF6壓力、SF6溼度及 控制櫃溫度進行採集並分析，將壓力值轉換為20°C的壓力值，並設定閾值，超過閾值範圍， 在上位機產生報警信號；在SF6高壓斷路器動作情況下，對一次電流、合分線圈電流、振動信 號、行程信號採集，並採用信號處理技術對信號進行處理；其中，一次電流用於SF6高壓斷路 器磨損觸頭的估算，SF6高壓斷路器觸頭的絕對電磨損總量一定，根據不同SF6高壓斷路器 的隊-I。曲線，求得任意大小開斷電流I。的對應允許開斷次數N1，通過各次電磨損量的綜合 計算，即可求出該SF6高壓斷路器的相對電壽命；合分線圈電流波形變化代表了電磁鐵動鐵 芯在脫扣、釋能過程中的動作情況以及合分閘線圈中電阻值的變化情況，基於小波分析方 法分析合分線圈電流參數可作為診斷SF6高壓斷路器機械作業系統的重要依據；振動事件 辨識是SF6高壓斷路器振動信號監測中的重要內容，由正常情況下錄取的指紋波形成標準 信號，採用小波分析和經驗模態分解方法對信號進行分析和處理，將待測狀態下振動信號 包絡與標準信號包絡的特徵量進行比較，根據其偏差大小以及結合合分線圈電流信號的處 理結果綜合判斷SF6高壓斷路器健康狀況；分析斷路器動作時行程信號，能提高SF6高壓斷 路器動作中的合間速度、分間速度、平均速度、最大速度信息，速度是體現SF6高壓斷路器性 能的一項重要指標，速度過小，加大燃弧時間，加速設備老化；速度過大，增加合分運動的衝 擊力，對機構牢固影響大，通過速度的分析可判斷SF6高壓斷路器機構的工作性能；該數據 處理線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯。
6.根據權利要求1所述的一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統，其特徵 在於該智能推理線程負責綜合來自感知功能獲取的信息、執行功能反饋的信息、系統的控 制信息進行智能推理；智能控制線程綜合這些特徵信息，可自動識別斷路器的工作狀態、自 動調整斷路器的操作信息、自動記錄關鍵信息、自動對斷路器的元器件和操作進行診斷；智 能控制線程的輸出一方面為執行功能提供操作指令，另一方面為系統提供斷路器工作狀態 信息；該智能推理線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編 譯器編譯。
7.根據權利要求1所述的一種SF6高壓斷路器狀態智能監測與健康管理系統，其特徵 在於該CAN總線通訊線程由下位機CAN總線通訊線程利上位機CAN總線通訊線程組成，其 之間的關係是下位機CAN總線通訊線程與上位機CAN總線通訊線程通過CAN總線通訊網 絡實現通信；下位機CAN總線通訊線程負責向上位機發送斷路器狀態監測的計算結果、智 能推理結果及接收上位機發送到下位機的控制參數；上位機CAN總線通訊線程負責接收下 位機發送到上位機的監測數據及向下位機發送系統配置與控制參數；該下位機CAN總線通 訊線程在嵌入式Linux作業系統下，採用C語言編寫，用arm-linux-gcc編譯器編譯；該上 位機CAN總線通訊線程在Windows作業系統下，使用Visual C++ 6. O軟體，採用C++語言 編與。
全文摘要
一種SF6高壓斷路器智能監測與健康管理系統由硬體和軟體兩部分構成該硬體分為下位機和上位機；下位機硬體包括基於FPGA和ARM的智能控制及處理單元、數據採集單元、數據存儲單元、智能控制輸出單元、CAN總線通訊單元；上位機硬體由監控中心伺服器單元和PCI 1680U板卡組成，上位機和下位機通過CAN總線網絡實現通訊。該軟體也分為下位機和上位機；下位機軟體負責驅動下位機硬體完成機械、電氣、絕緣狀態數據採集和特徵提取，結合系統信息實現智能推理及智能控制，驅動CAN總線通訊單元將處理後的結果一起發送到上位機；上位機軟體負責驅動上位機PCI 1680U板卡完成通訊，並實現人機互動界面和智能化監測信息管理。它實現了對SF6高壓斷路器狀態及性能的全面監測。
文檔編號G05B19/418GK101825894SQ20101016733
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者胡曉光, 黃建 申請人:北京航空航天大學