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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (5): 35-39  DOI: 10.11991/yykj.201606013
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引用本文  

成梁, 刘颖异, 袁海文. 低压配电设备通用自动测试系统的设计与实现[J]. 应用科技, 2017, 44(5), 35-39. DOI: 10.11991/yykj.201606013.
CHENG Liang, LIU Yingyi, YUAN Haiwen. Design and implementation of the general automatic test system for low voltage power distribution equipment[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(5), 35-39. DOI: 10.11991/yykj.201606013.

基金项目

国家电网公司“千人计划”专项(EPRIPDKJ(2014)2863)

通信作者

成梁, E-mail:chengliangxq@163.com

作者简介

成梁(1990-), 男, 硕士研究生;
刘颖异(1982-), 女, 讲师, 博士

文章历史

收稿日期:2016-06-17
网络出版日期:2017-03-31
低压配电设备通用自动测试系统的设计与实现
成梁, 刘颖异, 袁海文    
北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院, 北京 100191
摘要:为解决低压配电设备状态信息检测仪器存在功能单一、使用不便且无电子化存储功能等问题,设计了一种通用自动测试系统。在硬件方面,自动测试设备集成多种测试资源,模拟量输入电路和矩阵开关,实现资源的灵活复用;软件方面,自动测试软件基于LabWindows/CVI开发,利用多线程技术和多缓冲区技术,实现数据的实时高速采集,图形显示以及存储。实验结果表明,该系统能够完成对多种配电设备多种状态信息的采集,弥补现有检测设备的不足,方便现场人员的检修,为低压配电设备状态信息获取提供了新的解决方案。
关键词配电设备    设备检修    自动测试系统    矩阵开关    模拟量输入电路    多线程技术    多缓冲    多通道    
Design and implementation of the general automatic test system for low voltage power distribution equipment
CHENG Liang, LIU Yingyi, YUAN Haiwen    
School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
Abstract: The information detection instruments used for low voltage power distribution equipment have such defects as sole function, inconvenient use and without electronic storage function, a general automatic test system was designed in the paper. On the aspect of hardware, the system integrates various testing resources, analog input circuit and matrix switch, it can realize the flexible reuse of resource; on the aspect of software, on the basis of LabWindows/CVI development, by utilizing multi-threading technology and multi buffer zone technology, the automatic test software can realize high-speed data acquisition, graphic display and storage. The experimental results show that the system can acquire a variety of status information of various power distribution equipment, make up for the lack of existing detection equipment and facilitate the overhaul of site personnel, so as to provide a new solution for the acquisition of the status information of low-voltage distribution equipment.
Key words: distribution equipment    equipment overhaul    automatic test system    matrix switch    analog input circuit    multi-thread technology    multi-buffer    multi-channel    

配电设备主要包括变压器、开关设备、电缆和架空线路,是配电网的重要组成部分,其性能状况直接影响着整个配电网的运行安全,获取配电设备的状态信息对于配电网健康运行至关重要[1-2]。高压配电设备安装有必要的在线或离线监测设备[3-4],然而对于量大面广的低压配电设备,其状态信息获取装置大多功能单一,需要多种测试设备才能完成对配电设备的状态检测,使用十分不便,且由于这些测试装置大多没有电子化存储数据的功能,增加了信息漏记甚至错记的可能,不利于准确获取配电设备的状态信息。

针对以上问题,文中研制了一种针对低压配电设备的信息数据通用自动测试系统,通过对硬件资源的灵活配置,实现对多种配电设备、多种状态参量的测量,也可以对一批设备进行批量化的自动测试,解决现有检测设备种类多样却不通用的问题;同时,上位机软件可以完成信息数据的实时显示和存储,并能对数据进行简单的处理,解决了现有检测仪器没有电子化存储功能的问题,方便了现场人员的使用。

1 系统总体方案设计

系统总体方案设计如图 1所示。配电设备通用自动测试系统由测试资源、开关系统、模拟量输入电路及上位机组成。

图 1 通用自动测试系统总体设计

针对不同的测试对象选择合适的传感器阵列,将需要测量的物理量转化为电量;模拟量输入电路对传感器输出的标准信号进行隔离保护;开关系统可以灵活配置开关状态,避免插头的反复插拔,提高测试的通用性;测试资源以低速模拟量采集和中速模拟量采集为主,以高速模拟量采集作为补充,满足实际测试需求;自动测试软件实现对测试资源和矩阵开关的配置,通道的选择,完成对信息数据的实时采集、显示、存储和简单的数据处理。

2 硬件设计 2.1 测试资源选择

通用自动测试系统测试资源的选择需要同时考虑4种配电设备的测试需求,根据被测信号的种类和频率来确定测试资源的型号。以断路器为例,能表征断路器健康状况的关键状态信息如图 2所示。

图 2 断路器关键状态信息

分析可知,断路器关键状态信息中的低频信号包括绝缘电阻、温度等;中频信号包括动触头行程、固有分合闸线圈电流等;高频信号为局部放电。同样,对于变压器、电缆线路和架空线路,也是以中低频信号为主,高频信号只有局部放电。因此,在测试资源的选择上要以中低速采集通道为主,设置少量高速采集通道。

综上所述,选择EDA9017高精度低速模拟量采集模块,配置25路标准±10 V差分电压信号采集通道,A/D速率达到10 Hz以上;选择USB2821中速模拟量采集模块,配置25路标准±10 V差分电压采集通道,A/D转换速率达到100 kHz;选择HS3高速模拟量采集模块,配置2路标准±10 V电压采集通道,A/D转换速率达到10 MHz。

2.2 开关系统设计

开关系统连接测试资源和模拟量输入电路,是整个系统的枢纽[5-6],能够实现测试资源和被测对象之间的任意连接,提高系统的通用性。开关系统的设计应该遵循模块化可拓展的原则,在保证信号稳定切换的前提下尽量选择灵活性更高的拓扑结构。

2.2.1 开关系统拓扑结构

开关系统的拓扑结构包括以下几种:通用开关、多路开关、树型开关和矩阵开关[7]。与其他几种拓扑结构相比,矩阵开关配置规模最大、成本最高,其最小配置规模是输入通道数与输出通道数的乘积,但是它在配置通道上具有最大的灵活性,考虑到测试资源与模拟量输入电路之间需要频繁切换对应的连接关系,选择矩阵开关是最合理的。

矩阵开关采用两线模式,每个通道包括信号高线和信号低线,各通道之间没有公共端的设计,而是相互独立,能够减少通道之间的互相影响,保证信号稳定。其电路连接图如图 3所示。

图 3 矩阵开关示意
2.2.2 开关模块选择及驱动电路设计

开关模块的选择主要考虑两点,一是开关模块能够在撤掉电压后锁定当前的工作状态,保证通道切换后稳定的连接关系;二是每个通道都有独立的地线,防止不同通道之间的干扰,因此选择欧姆龙公司的G6HK-2继电器。

控制模块选用ARK24043D,该模块为非集电极隔离输出模块,有16路数字量输出通道,输出高电平为TTL电平5 V,由于继电器的最低驱动电压为9 V,不足以直接驱动继电器动作,需要用三极管放大来达到驱动电压,驱动电路如图 4所示,三极管型号为C9014,限流电阻R阻值选择30 kΩ。

图 4 继电器驱动电路
2.2.3 矩阵开关控制过程

继电器初始状态为断开,行H控制线和行L控制线均为高电平,列控制线为低电平,当3条控制线的电平状态均改变时,继电器处于工作状态,行H和列H信号线导通,行L和列L信号线导通;接下来需要锁定工作状态,先将行L控制线电压变为低电平,再将行H控制线电压变为低电平,最后将列控制线的电压变为高电平,则完成工作状态的锁定;如果需要解除锁定状态,则先分别改变行H、行L和列控制线的电平状态,使其处于工作状态,再按照先行H再行L最后列控制线的顺序,分别改变其电平状态,则继电器处于初始状态。

矩阵开关规模设计为10×10,在使用时可以通过多个矩阵开关之间的级联或者矩阵开关与多路开关的自由组合来构建多种灵活的开关结构,满足实际的测试需求。

2.3 模拟量输入电路设计

模拟量输入电路的主要功能是电源隔离和信号隔离。电源隔离采用电源隔离芯片WRA1221CS-2W,输入电压为12 V,输出电压为±12 V,为本模块内的芯片供电,提高了系统的稳定性。

信号隔离可以防止各种脉冲波动对信号的影响,选用信号隔离运放ISO124实现模拟信号的隔离,该芯片具有线性度好、实用性较强、带宽范围较宽等优点,其电路连接图如图 5所示。为了防止电路通过电源形成的正反馈通路而引起的寄生振荡,消除电路之间的寄生耦合,在芯片供电电源正负极和地之间都连接了大小为1 μF的退耦电容。同时,为了防止隔离电路前后通过地线回路产生信号干扰,输入端和输出端采用独立的地,实现其在电气上的隔离。

图 5 模拟信号隔离电路
3 软件设计

自动测试软件主要功能是完成测试资源的参数配置,控制矩阵开关,实现系统的灵活连接,对配电设备的状态信息进行采集、显示和存储。该软件基于LabWindows/CVI软件平台开发,由配置模块、采集模块和数据管理模块3个模块组成。其架构图如图 6所示。

图 6 自动测试软件架构图

数据管理模块功能是以图像的形式显示选定的历史数据,功能较简单,文中主要介绍配置模块和采集模块的设计。

3.1 配置模块设计

配置模块功能是根据测试的设备类型、型号、信号类型等确定传感器的类型、测试端口和通道等,并能够将配置保存下来,方便下次使用。

首先确定保存配置用到的数据库类型。由于数据库只需要保存相关的配置信息,需求较简单,所以选择ACCESS数据库,通过底层访问技术ODBC建立软件与数据库的接口,ACCESS数据库操作简单,易于扩展,方便用户操作与管理,适合自动测试软件使用[8-9]

参数配置数据库包含以下字段:被测设备类型、信号类型、采样率、测试资源通道、矩阵开关输入通道、矩阵开关输出通道、单位和增益,在配置页面下可以对表的内容进行插入、修改、删除等操作,方便用户管理信息,点击确定后,系统完成对硬件的配置,其流程如图 7所示。

图 7 数据配置流程

当需要更换被测对象时,不需要改动测试资源和开关系统的硬件配置,只需要更改配置模块的相关信息即可完成对硬件资源的重新配置,避免了重新设计上位机软件,提高了软件的灵活性及扩展性,同时为后续的采集等工作提供了极大的便利,降低了成本,缩短了开发周期。

3.2 采集模块设计

采集模块的主要功能是实现硬件通信、多通道数据采集、数据显示和存储,是自动测试软件最核心的部分。本系统需要同时对不同频率的信号进行采集,对实时性的要求较高,因此采用多线程技术,并使用LabWindows/CVI的线程池对多线程进行管理[10-13]:程序初始化时,创建所有线程,将其保存在队列中处于休眠状态,当需要用到某个线程时再将其状态激活。

根据对测试资源采集频率的分析,在线程池中设置主线程、低速采集线程和中高速采集线程,其中主线程负责管理调度各个线程。

3.2.1 低速采集线程

低速采集采样频率较低,不会因为数据处理不及时而造成数据丢失、线程阻塞等问题,可以在同一个线程内完成数据的读取、显示和存储,所以选择用单个线程完成完整的信号采集流程。

考虑到低速采样通道数较多,对2个EDA9017低速模拟量采集模块设置2个独立的低速采集线程,可以提高数据采集效率,避免2个采集卡之间的干扰。

3.2.2 中高速采集线程

中高速采集过程对系统的实时性要求较高,如果从串口读取数据、画图和数据存储都在同一个线程内按顺序执行,效率较低,且容易造成数据处理不及时等问题,为此创建数据读取、画图和数据存储3个子线程,画图线程和数据保存线程初始处于休眠状态,当采集线程采集到一定数量的数据后产生事件激活画图线程,同理,画图线程在完成画图任务后产生事件激活数据保存线程,流程如图 8所示。同时,为了防止数据错乱和丢失,采用了多缓冲区技术[14-15],3个线程分别指向不同的缓冲区,保证数据传输的稳定。

图 8 中高速采集多线程示意
4 试验

为了验证自动测试系统的性能,将其应用在断路器分闸过程的监测上。断路器在配电网中起到重要的保护作用,其运行状态的好坏直接决定着配电网的安全运行。本次试验通过检测触头刚分信号、分闸线圈电流和动触头行程3个物理量来分析断路器工作状态。图 9是自动测试软件的采集界面图。

图 9 自动测试软件采集界面图

通过配置模块对测试资源的通道及矩阵开关进行配置,采样频率设置为25 kHz,采样时间设置为100 ms,在16.4 ms时进行合闸操作。采集的触头刚分信号、分闸线圈电流和动触头行程如图 10

图 10 断路器分闸状态检测结果

通用自动测试系统采集的数据波形与示波器波形显示一致。在16.4 ms时刻发出触发信号后,分闸线圈电流逐渐增大,此时动触头行程不变,表示动触头暂未动作,当线圈电流达到一定大小时,电磁的吸力超过动触头的重力和弹簧弹力之和时,动触头开始运动,之后电流渐渐减小,直到铁芯撞击到掣子弯板时,电流小幅增大,之后动触头继续运动直到分闸结束。

5 结论

文中设计并实现了一种低压配电设备通用自动测试系统,详细介绍了其软硬件设计方案。该自动测试系统具有如下特点:1)集成了不同的测试资源,通过矩阵开关实现资源和通道的灵活配置;2)模块化的硬件设计保证了系统具有良好的可扩展性,可以根据需求扩展硬件资源;3)自动测试软件可以实现对硬件资源的管理和实时高效数据采集,电子化数据存储解决了当前仪器没有数据存储功能的缺陷,方便现场检修人员使用。低压配电设备通用自动测试系统简化了获取配电设备状态信息的手段,为维护配电网的安全运行提供数据基础,具有较高的实用价值和社会经济效益。

参考文献
[1] 李志伟. 城市配电网规划设计介绍[J]. 电工电气, 2011(7): 62-64. (0)
[2] 吴宇红, 章建森. 低压配电设备故障诊断及运行监控系统[J]. 机电工程, 2014, 31(6): 795-799. (0)
[3] LU Shengye, REPO S, GIUSTINA D D, et al. Real-time low voltage network monitoring-ICT architecture and field test experience[J]. IEEE transactions on smart grid, 2015, 6(4): 2002-2012. DOI:10.1109/TSG.2014.2371853 (0)
[4] 岑建福, 伍燕咏. 10kV配电线路实时监测及智能分析系统的研究开发[J]. 电气技术, 2012(4): 57-58. (0)
[5] 丁超, 邓士杰, 唐力伟, 等. 基于TEDS和矩阵开关技术的自动测试系统[J]. 计算机测量与控制, 2015, 23(8): 2647-2649, 2653. (0)
[6] 阳志高, 刘旺锁, 胡金华. 自动测试平台开关系统设计研究[J]. 计算机测量与控制, 2007, 15(1): 19-20, 51. (0)
[7] 于劲松, 李行善, 徐波. 自动测试系统中的信号开关设计[J]. 测控技术, 2004, 23(8): 62-64. (0)
[8] 王珊, 萨师煊. 数据库系统概论[J]. 中国大学教学, 2014(9): 98. (0)
[9] 孟小峰, 周龙骧, 王珊. 数据库技术发展趋势[J]. 软件学报, 2004, 15(12): 1822-1836. (0)
[10] 倪笑宇, 徐军, 戴美魁, 等. LabWindows/CVI多线程技术在油门测试软件中的应用[J]. 自动化与仪表, 2015, 30(5): 62-64. (0)
[11] 单体强, 陈雷, 张万发. LabWindows/CVI多线程技术的应用研究[J]. 电子设计工程, 2012, 20(15): 52-54, 58. DOI:10.3969/j.issn.1674-6236.2012.15.018 (0)
[12] TAO Menglun, CHEN Dingfang, LU Quanguo, et al. Real-time virtual instrument platform based on multi-thread technique[J]. Advanced materials research, 2012, 468-471: 2903-2907. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.468-471 (0)
[13] YANG Zhixing, WANG Yunling. Design and implementation of spectrum synthetic based on virtual instrument[C]//Proceedings of the 11th International Conference on Electronic Measurement & Instruments. Harbin, China, 2013:275-278. (0)
[14] 杨泽林, 李先发. 基于双指针环形缓冲区的数据采集系统设计[J]. 仪表技术与传感器, 2016(11): 67-69. DOI:10.3969/j.issn.1002-1841.2016.11.017 (0)
[15] 李晔, 樊燕红, 姜竞赛, 等. 多缓冲区技术在DSP语音存储系统中的应用[J]. 计算机应用与软件, 2014(3): 131-133, 141. (0)