徐建國，潘玲玲，柏春玲，張 海，裴玉杰

(國網(wǎng)撫順供電公司，遼寧 撫順 113008)

SF6斷路器氣體狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

徐建國，潘玲玲，柏春玲，張 海，裴玉杰

(國網(wǎng)撫順供電公司，遼寧 撫順 113008)

針對(duì)目前SF6氣體狀態(tài)監(jiān)測方法布線復(fù)雜、精度不高、數(shù)據(jù)管理不夠科學(xué)等缺點(diǎn)，提出了一種新的設(shè)計(jì)方案。將整個(gè)系統(tǒng)分成采集器、集中器、監(jiān)控軟件3個(gè)部分，采用ZigBee無線通信、以太網(wǎng)等通信方式，可對(duì)多臺(tái)SF6斷路器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)，通過組態(tài)軟件建立友好的用戶界面及數(shù)據(jù)庫，對(duì)斷路器氣體狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及管理，從而對(duì)斷路器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更加有效評(píng)估。

SF6斷路器；在線監(jiān)測；ZigBee；以太網(wǎng)

Abstract:Aiming at the shortcoming of traditional measurement of the state of SF6gas and proposing a novel system design which divide the whole system into three parts: data acquisition unit,data concentrators and monitoring software. ZigBee wireless net and Ethernet communication are used to realizereal-time monitoring of SF6circuit breaker. Meanwhile, by using Configuration Softwarethe system constructs user-friendly interface and database to display and management the data of SF6gas which offer an effective evaluation of the running state of the circuit breaker.

Keywords：SF6circuit breaker; on-line monitoring; ZigBee; Ethernet

SF6氣體作為一種良好的絕緣介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于高壓斷路器。若SF6氣體密度降低，會(huì)造成斷路器耐壓強(qiáng)度降低、開斷容量下降，同時(shí)濕度的超標(biāo)也會(huì)引起SF6氣體絕緣性能的大幅降低[1]。有資料表明，SF6電力設(shè)備故障中，含水量超標(biāo)和SF6氣體泄漏導(dǎo)致密度降低是造成電力事故的主要原因之一[2]，其中本體SF6氣體泄漏引起的故障占38%[3]。為了保障SF6斷路器的安全運(yùn)行，必須對(duì)SF6氣體的密度和濕度進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。

目前，SF6氣體在線監(jiān)測主要存在以下幾個(gè)問題：在線監(jiān)測系統(tǒng)不完善，多數(shù)都是針對(duì)單一或幾個(gè)參數(shù)的在線監(jiān)測，不利于故障的診斷；采用RS485或CAN總線組建有線網(wǎng)絡(luò)，布線復(fù)雜，成本過高，不易維護(hù);數(shù)據(jù)的保存、處理不系統(tǒng)，缺乏科學(xué)管理；用戶界面不夠友好，不利于斷路器日常監(jiān)測。該監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)以上問題都進(jìn)行了有效改進(jìn)，更有利于在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用[4-5]。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)功能的分析，從功能實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化的角度，將整個(gè)系統(tǒng)分成3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)集中器和監(jiān)控中心，如圖1所示。采集器安裝在斷路器上，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與集中器通信，減少了布線，縮短了施工周期。監(jiān)控中心與采集器之間通過以太網(wǎng)通信，采用Modbus/TCP協(xié)議，與現(xiàn)場總線相比，它具有開放性好、通信速率高、技術(shù)成熟、穩(wěn)定性和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，充分利用了組態(tài)軟件人機(jī)界面美觀、形象的特點(diǎn)，同時(shí)通過建立數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)歷史和橫向管理。

將整個(gè)系統(tǒng)分成3個(gè)部分, 使得系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，當(dāng)監(jiān)測目標(biāo)增多時(shí)，只需增加若干個(gè)數(shù)據(jù)采集器，不需要改變軟硬件，同時(shí)系統(tǒng)具有很好的移植性，只需要改變采集器的功能，就可應(yīng)用于變電站其他電力設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器由AVR128主控芯片和溫度、壓力、濕度傳感器及ZigBee無線通信模塊組成，AVR128是Atmel公司提供的8位高性能單片機(jī)，它自帶有8路10位的AD，可直接對(duì)傳感器的輸出模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ZigBee通信采用英國Jennic公司的JN5139模塊，它是一款低功耗、低成本，適合于IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的無線收發(fā)協(xié)議的無線微控制器，集成了32-bit RISC的處理器和完全兼容2.4 GHz的IEEE802.15.4協(xié)議的無線收發(fā)裝置，內(nèi)置了64 KB的ROM和96 KB的RAM，為用戶提供了便利、低成本的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)解決方案，采集器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集器硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.2數(shù)據(jù)集中器

數(shù)據(jù)集中器的主控芯片采用SamSung公司的高性能ARM920T內(nèi)核處理器S3C2440，該芯片具有豐富的外設(shè)接口，包括LCD、SDRAM、Nand Flash、SPI、UART等，工作主頻最高可達(dá)535 MHz，能夠滿足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控的要求，集中器的主要外設(shè)模塊如圖3所示，其中LCD和按鍵用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，用戶可以通過它來修改集中器的IP地址，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，這樣，即使在現(xiàn)場，工作人員也能了解斷路器的SF6氣體狀態(tài)；DM9000是一款10/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)卡，通過它實(shí)現(xiàn)集中器與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信；ZigBee通信模塊用來實(shí)現(xiàn)與采集器通信；SDRAM作為系統(tǒng)的主存，Nand Flash用來保存程序和數(shù)據(jù)。

圖3 集中器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)是采集器和集中器之間的數(shù)據(jù)傳輸橋梁，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)集中器可以采集各個(gè) ZigBee節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，集中器與采集器之間是一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)，其中采集器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，與集中器連接的ZigBee模塊是網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，所有的節(jié)點(diǎn)設(shè)備只能通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。為了方便對(duì)斷路器的管理，需要對(duì)每臺(tái)斷路器進(jìn)行編號(hào)，采用的方案是讓協(xié)調(diào)器管理節(jié)點(diǎn)號(hào)，當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)設(shè)備加入時(shí)，協(xié)調(diào)器給它分配下一個(gè)未使用的節(jié)點(diǎn)號(hào)，協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)設(shè)備程序流程如圖4、圖5所示。

圖4 協(xié)調(diào)器程序流程

圖5 節(jié)點(diǎn)設(shè)備程序流程

因?yàn)閴毫蜐穸戎蹈h(huán)境溫度相關(guān)，采集器利用經(jīng)驗(yàn)公式，將采集到的壓力和濕度轉(zhuǎn)換到20 ℃時(shí)的值，這樣可以有效提高測量值的精度，從而增大系統(tǒng)準(zhǔn)確度。

2.2集中器軟件設(shè)計(jì)

為了更好地發(fā)揮硬件性能，在S3C2440上移植了Linux操作系統(tǒng)。集中器軟件設(shè)計(jì)采用了多線程編程技術(shù)，根據(jù)對(duì)集中器功能的分析，將整個(gè)程序分為3個(gè)線程：主線程、ZigBee線程及Modbus/TCP線程。

主線程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，創(chuàng)建ZigBee線程和Modbus/TCP線程，之后進(jìn)入循環(huán)，等待用戶按鍵事件，與用戶進(jìn)行交互。

ZigBee線程讀取ZigBee無線模塊傳來的數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)，直接處理數(shù)據(jù)；當(dāng)無數(shù)據(jù)時(shí)，線程被阻塞，操作系統(tǒng)調(diào)度其他線程運(yùn)行，直到數(shù)據(jù)到來時(shí)，線程被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行，程序流程如圖6所示。

數(shù)據(jù)處理部分解析出設(shè)備的編號(hào)、壓力、濕度值，保存到全局?jǐn)?shù)組中，保存數(shù)據(jù)的同時(shí)，保存接收數(shù)據(jù)的時(shí)間，因?yàn)閆igBee節(jié)點(diǎn)間隔一定的周期傳送數(shù)據(jù)，若超過幾個(gè)周期都沒有新的數(shù)據(jù)到達(dá)，則可以判斷出該ZigBee節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了故障，主線程中定義了1個(gè)定時(shí)器，每隔一斷時(shí)間，它就會(huì)對(duì)ZigBee線程保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，對(duì)接收時(shí)間超過設(shè)定周期的節(jié)點(diǎn)，將其壓力、濕度修改為零，從而標(biāo)識(shí)出現(xiàn)故障的節(jié)點(diǎn)。最后設(shè)置新數(shù)據(jù)到達(dá)標(biāo)志，讓主線程更新用戶界面顯示的數(shù)據(jù)。

圖6 ZigBee線程流程圖

Modbus/TCP基于TCP協(xié)議，通信端口是RFC1700中指定的特殊端口號(hào)502。網(wǎng)絡(luò)程序通常采用客戶/服務(wù)器模型，Modbus通信線程實(shí)現(xiàn)的功能基于1個(gè)Modbus應(yīng)用服務(wù)器，它響應(yīng)監(jiān)控中心的請(qǐng)求，并為其服務(wù)，而且為了應(yīng)對(duì)多個(gè)客戶的同時(shí)到達(dá)，要設(shè)計(jì)成一個(gè)并發(fā)服務(wù)器，比較常用的方法為每當(dāng)新的客戶到來時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，讓它為客戶服務(wù)，這樣程序設(shè)計(jì)簡單，不過創(chuàng)建進(jìn)程增加了資源的開銷，包括內(nèi)存和用于進(jìn)程間切換的處理器時(shí)間，同時(shí)數(shù)據(jù)的交互也更加麻煩，新創(chuàng)建的子進(jìn)程要讀取ZigBee線程保存的數(shù)據(jù)，需要通過專門的進(jìn)程間通信機(jī)制。

采用I/O復(fù)用設(shè)計(jì)技巧，通過調(diào)用select函數(shù)，該函數(shù)允許進(jìn)程指示內(nèi)核等待多個(gè)事件中的任意一個(gè)發(fā)生，并且在任一事件到來時(shí)被喚醒。程序流程如圖7所示。

圖7 Modbus/TCP流程圖

首先調(diào)用select(maxfd+1, &fdset, NULL, NULL, NULL)等待客戶請(qǐng)求，這里的客戶請(qǐng)求包括新的TCP客戶要求建立連接及已經(jīng)建立連接的客戶請(qǐng)求通信。當(dāng)有客戶請(qǐng)求時(shí)，返回請(qǐng)求個(gè)數(shù)，沒有請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等到請(qǐng)求到來時(shí)被喚醒，斷續(xù)執(zhí)行。其中fdset是文件描述符集合，maxfd是fdset中最大文件描述符的值。初始時(shí)，fdset中只有套接口監(jiān)聽描述符，用求監(jiān)聽TCP建立連接請(qǐng)求。

如果套接口監(jiān)聽描述符上有事件發(fā)生，表示有新的客戶要求建立連接，這時(shí)為該客戶生成一個(gè)已連接描述符，加入到fdset中，更新maxfd，這樣下次調(diào)用select時(shí)，就會(huì)監(jiān)聽這個(gè)描述符中的事件，從而和客戶進(jìn)行通信。

接下來依次處理已連接描述符上的事件，每個(gè)已連接描述符都代表一個(gè)已經(jīng)建立連接的客戶，先讀取客戶發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，解析出地址、功能號(hào)、數(shù)據(jù)偏移、數(shù)據(jù)長度，得到這些信息之后，就從ZigBee線程保存的數(shù)據(jù)處獲取客戶請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，發(fā)送給它，處理完所有請(qǐng)求之后，返回select處繼續(xù)等待下一次請(qǐng)求。

2.3監(jiān)控軟件

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用紫金橋公司的Realinfo組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Realinfo可以很方便構(gòu)造自己需要的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，其突出特點(diǎn)是實(shí)時(shí)多任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)、各類參數(shù)波形圖形顯示、設(shè)備異常報(bào)警等多個(gè)任務(wù)同時(shí)在1臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，監(jiān)控軟件功能結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 監(jiān)控軟件功能結(jié)構(gòu)圖

軟件的功能包括對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線顯示，建立數(shù)據(jù)庫，方便對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，對(duì)密度超過報(bào)警值的斷路器信息進(jìn)行保存，從而可以根據(jù)歷史信息對(duì)斷路器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更加科學(xué)的判斷。

3 結(jié)束語

SF6斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，其可靠運(yùn)行直接影響電網(wǎng)的安全。該系統(tǒng)是一種基于ZigBee無線通信和以太網(wǎng)的分布式SF6氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)分成采集器、集中器、監(jiān)控軟件3個(gè)部分，可對(duì)多臺(tái)SF6斷路器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)，通過組態(tài)軟件，建立友好的用戶界面及數(shù)據(jù)庫，對(duì)斷路器氣體狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及管理，從而對(duì)斷路器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更加有效評(píng)估，目前已進(jìn)入試運(yùn)行階段，運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足了設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)為SF6斷路器的安全可靠運(yùn)行提供了保障，從根本上降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用和事故發(fā)生率，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

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Development of On-Line Monitoring System for SF6Circuit Breaker

XU Jianguo, PAN Lingling,BAI Chunling, ZHANG Hai,PEI Yujie

(State Grid Fushun Power Supply Company，F(xiàn)ushun, Liaoning 113008,China)

TM561

A

1004-7913(2017)07-0014-04

2017-05-11)

徐建國(1971)，男，高級(jí)工程師，主要從事電力生產(chǎn)技術(shù)管理工作。