CN103267502A - 一种基于dsp便携式断路器触头行程记录仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于DSP便携式断路器触头行程记录仪及方法，属于电性能监测技术领域，该装置包括电源模块和信号调理模块、采集模块、DSP和USB通讯模块，采用角位移传感器对断路器的触头进行测量，克服直线位移传感器体积大，受安装空间和安装位置的限制；采用USB通讯，克服了RS232或RS485通讯速度有限，传输方式单一，灵活性也较差问题；USB使系统具有直观的接口界面、良好的可扩展性、支持即插即用，而DSP则具备处理复杂运算的能力，能够满足复杂工业环境所需求的大量运算的要求，本发明提供了一种全新的数据传输解决方案，使断路器触头行程记录系统便于移动，使用更加灵活方便。

Description

一种基于DSP便携式断路器触头行程记录仪及方法

技术领域

本发明属于电性能监测技术领域，具体涉及一种基于DSP便携式断路器触头行程记录仪及方法。

背景技术

在早期的传统的断路器触头行程记录方法中，检修试验人员使用电秒表、同步灯、光线示波器、电磁振荡器和转鼓测速仪等进行测试记录。这些方法不但占用现场面积大，测试时接线和操作复杂，读取记录的数据要进行人工处理和计算，而且测量的误差大，检修工作的时间长，设备运输也困难。另一方面原有的通讯系统由于多采用RS232或者RS485通讯，串口RS-232传输距离最大约为15m，最高速率为20KBPS，且其只能支持点对点通信；而串口RS-485/422最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/s。上述两种通讯方式都不具备超远距离收集数据迅速性、便捷性，使对断路器触头行程的记录和分析手段有限。同时高压断路器的检测装置普遍还局限于单板集成结构的设计，会因某个器件的损坏而影响到整个装置的工作，降低了检测装置的便携性和灵活性。

对断路器机械特性的检测，主要是在设备交接及停电期间结合定期检修进行预防性试验，从而进行更换部件和进行操作机构的机械特性检查等。经验表明，频繁的操作及过度的拆卸检修会降低高压断路器的动作可靠性。因此，对高压断路器实施状态诊断或实时在线监测，尤其是对断路器触头行程的监测记录，有助于掌握其运行特性及变化趋势，提前发现潜在的设备故障隐患，全面监控断路器的各项状态指标，降低设备故障率，提高电力系统的安全和可靠性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种便携式断路器触头行程的记录装置及方法，以达到简化结构、提高工作稳定性、提高记录断路器触头行程的便捷性、灵活性，缩短测试时间、简化测试过程和解决传输方式单一性的目的。

一种基于DSP便携式断路器触头行程记录仪，包括电源模块和信号调理模块，还包括采集模块、DSP和USB通讯模块，其中，

采集模块：是用于通过内部角位移传感器采集断路器触头行程信号的装置；

DSP：是用于对调理后的断路器触头行程信号进行去噪处理，并将处理后的行程信号传送至USB通讯模块的装置；

USB通讯模块：是用于将去噪处理后的断路器触头行程信号保存至该模块内部的U盘和SD卡中，并采用并行传输的方式将断路器触头行程信号传送至计算机数据库中的装置。

采用基于DSP便携式断路器触头行程记录仪进行记录的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用采集模块内部的角位移传感器对断路器触头行程信号采集；

步骤2、采用信号调理模块将采集的断路器触头行程信号转换为0～3V的电压信号，并将调节后的电压信号发送至DSP；

步骤3、采用DSP内部的AD转换模块对输入的电压信号进行模数转换，并采用小波分析的方法对转换后的数据进行去噪处理；

步骤3-1、采用小波变换的方法重构行程信号；

步骤3-2、采用尺度函数将行程信号分解成低频成分和高频成分；

步骤3-3、采用递归算法构造去噪后的行程信号；

步骤4、采用FFT滤波平滑算法对去噪后的信号进行平滑处理；

步骤5、将经过去噪、平滑处理后的行程信号送至USB通讯模块内部的U盘或者SD卡中保存，以备送入上位机中；

步骤6、通过USB通讯模块将断路器触头行程信号发送至上位机进行监控。

本发明优点：

本发明一种基于DSP便携式断路器触头行程记录仪及方法，本发明采用角位移传感器对断路器的触头进行测量，克服了直线位移传感器体积较大，受到安装空间和安装位置的限制；本发明采用USB通讯，USB控制芯片通过并行数据线及辅助线与DSP相连，并通过接口和通讯电缆与上位机或者U盘相连，克服了RS232或RS485通讯速度有限，传输方式单一，灵活性也较差等问题。USB使系统具有直观的接口界面、良好的可扩展性、支持即插即用，而DSP则具备处理复杂运算的能力，能够满足复杂工业环境所需求的大量运算的要求，他们的结合提供了一种全新的数据传输解决方案，使断路器触头行程记录系统便于移动，使用更加灵活方便；另外，本发明可将所有处理过的数据存入U盘或者SD卡中，不仅灵活性好，还可以对一段时间的监测数据进行分析，对断路器开断状况做出判断，预测断路器状态变化趋势。

附图说明

图1为本发明一种实施例的断路器触头行程记录仪的结构示意图；

图2为本发明一种实施例的DSP芯片引脚示意图，其中，（a）图为两边引脚，（b）如未另两边引脚；

图3为本发明一种实施例的信号调理模块的电路图；

图4为本发明一种实施例的USB通信模块电路图；

图5为本发明一种实施例的电源模块电路图；

图6为本发明一种实施例的基于DSP便携式断路器触头行程记录方法流程图；

图7为本发明一种实施例的上位机显示触头行程波形，其中，（a）图为分闸波形，（b）图为合闸波形；

图8为本发明一种实施例的示波器显示的触头行程波形，其中，（a）图为分闸波形，（b）图为合闸波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

如图1所示，一种基于DSP便携式断路器触头行程记录仪，包括电源模块4和信号调理模块3，采集模块2、DSP5和USB通讯模块6，其中，采集模块2是用于通过内部角位移传感器采集断路器触头行程信号的装置；DSP5是用于对调理后的断路器触头行程信号进行去噪处理，并将处理后的行程信号传送至USB通讯模块6的装置；USB通讯模块6是用于将去噪处理后的断路器触头行程信号保存至该模块内部的U盘和SD卡中，并采用并行传输的方式将断路器触头行程信号传送至计算机数据库中的装置。

本发明实施例中，采集模块2中采用DHWDJ-1736F角位移传感器采集行程信号，通过在断路器的主轴安装联动装置，将主轴的角位移转换成与动触头相对应的直线位移。

如图2所示，本发明实施例中采用TMS320F28335型DSP，DSP内部的时钟模块提供质量较高的工作时钟信号，从而保证系统稳定可靠的工作。由于高压断路器运行在强电磁环境中，高压断路器在线监测采集数据不可避免地会带有这样或者那样的干扰，因此，本发明实施例中采用小波分析算法，将算法写入DSP运行程序中，有效去除各种干扰的影响且保证波形不失真。

如图3所示，本发明实施例中信号调理模块3采用了由OPA177构成的放大电路，所述的OPA177是精密双极性运算放大器，本实施例中将两个OPA177连接到一起构成两级放大电路，其中4脚和7脚分别接到-12v和+12v电源上，为OPA177提供电源；OPA177芯片的1脚与8脚之间串联两个10K电阻，从两电阻之间加入+12v电源，从而抑制温漂；芯片通过XCDPZH引脚将采集模块采集的行程信号经过20K电阻输入到OPA177中，OPA177的2脚、6脚分别连接DSP的ADCINA0引脚、ADCINA1引脚，OPA177的5脚悬空。

如图4所示，本发明实施例中USB通讯模块6采用的是在DSP的控制下，具有U盘和SD卡文件管理功能、USB-HOST主机接口功能和USB设备接口功能的CH376S芯片。CH376S芯片具有通用的被动并行接口，可以直接连接DSP，本发明实施例中CH376S芯片的15、16、17、18、19、20、21、22引脚依次连接DSP的AD0、AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7引脚（如图2中（a）图和（b）图所示）。CH376S的TXD引脚通过1KΩ左右的下拉电阻接地或者直接接地，从而使CH376工作于并口方式。USB总线包括一对5V电源线和一对数据信号线，通常，+5V电源线是红色，接地线是黑色，D+信号线是绿色，D-信号线是白色，如表1所示。

表1USB电缆线数字编号与颜色

USB插座USB HOST可以直接连接USB设备，必要时可以在提供给USB设备的+5V电源线上串接具有限流作用的快速电子开关，USB电源电压必须是5V。电容C40用于CH376S内部电源节点退耦，C40是容量为4700pF到0.02μF的独石或者高频瓷片电容。电容CJ16用于外部电源退耦，CJ16是容量为0.1μF的独石或者高频瓷片电容。晶体X1、电容C42和C43用于CH376S的时钟振荡电路。USB-HOST主机方式要求时钟频率比较准确，晶体X1的频率是12MHz±0.4‰，C42和C43是容量为15pF～30pF的独石或高频瓷片电容。

为使CH376S可靠复位，电源电压从0V上升到5V的上升时间应该少于100ms。如果电源上电过程较慢并且电源断电后不能及时放电，那么CH376将不能可靠复位。可以在RSTI引脚与VCC之间跨接一个容量为0.1μF或者0.47μF的电容延长复位时间。

如果CH376的电源电压为3.3V，那么应该将V3引脚与VCC引脚短接，共同输入3.3V电压，并且电容C40可以省掉。

本发明实施例中在线路板PCB上，退耦电容C42和C43的位置靠近于与芯片CH376的相连的引脚；使D+和D-信号线贴近平行布线，在两侧提供地线或者覆铜，以减少来自外界的信号干扰；并缩短XI和XO引脚相关信号线的长度；在相关元器件周边环绕地线或者覆铜，以减少高频时钟对外界的干扰。

通用串行总线(USB)以其传输速度快、占用资源少、真正的即插即用等优点正在逐步成为通用的计算机与外设的接口而取代传统的RS232总线。高速数据传输，USB1.1是12Mb/s，USB2.0高达480Mb/S。方便的设备互连，USB OTG支持点对点通信，例如U盘直接互连，无需PC。

如图5所示，是本发明的电源模块4，该系统由12V太阳能电源或者蓄电池供电，通过LM1117得到5V电源，为了能使DSP正常工作，系统还需要产生3.3V和1.8V电源，本发明实施例中采用TI公司生产的专用给DSP供电的TPS767D318型芯片。运放供电所用的正负电源可外接，或者外接由MAX775电路变换得到的正电源负电压，图4中电路提供了-12V电压。

采用基于DSP便携式断路器触头行程记录仪进行记录的方法，方法流程如图6所示，包括以下步骤：

步骤1、采用采集模块内部的角位移传感器对断路器触头行程信号采集；

步骤2、采用信号调理模块将采集的断路器触头行程信号转换为0～3V的电压信号，并将调节后的电压信号发送至DSP；

步骤3、采用DSP内部的AD转换模块对输入的电压信号进行模数转换，并采用小波分析的方法对转换后的数据进行去噪处理；

步骤3-1、采用小波变换的方法重构行程信号；

连续小波的离散形式公式如下：

ψ_m,n(t)=a₀ ^m/2ψ(a₀ ^mt-nb₀)    m,n∈Z  a₀>1  b₀>0        (1)

式中：ψ_m,n(t)表示小波函数，ψ为小波函数，t表示时间，a₀ ^m为小波变化的尺度；nb₀为小波变换的平移；a₀,b₀,m和n是为了离散化取值设置的系数；

行程信号f∈L²(R)的离散小波变换形式，如公式（2）所示：

$C_f(m,n)=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}f\left(t\right){\stackrel{\‾}{\mathrm{\ψ}}}_{m,n}\left(t\right)\mathrm{dt}$ m,n∈Z              (2)

其中，C_f(m,n)表示行程信号的离散小波变换函数，f(t)表示为行程信号；

表示ψ_m,n(t)的反函数；

为了计算方便构造规范二进制正交基框架具有以下形式：ψ_m,n(t)=2^m/2ψ(2^mt-n)，显然是由式(1)将a₀=2，b₀=0得到的。这样利用正交小波基构造的框架下，实现信号的重构算法。

利用正交小波基构造的框架进行公式重构，所述的正交小波基构造的框架即公式（1）中a₀=2，b₀=0时；

重构后的行程信号的表示方式如公式（3）所示：

$f\left(t\right)=\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}{C}_f(m,n)\·{\mathrm{\ψ}}_{m,n}\left(t\right)$ m,n∈Z              (3)

步骤3-2、采用尺度函数将行程信号进行分解成低频成分和高频成分；

为了构造标准正交基引入了尺度函数如公式（4）所示：

k∈Z             (4)

其中，φ_j,k(x)表示尺度函数，j、k均为系数，

将行程信号f(t)分解成小于2^-J的低频成分A_Jf(t)和频率介于2^-j和2^-j-1之间的成分D_jf(t)，如公式（5）所示：

$f\left(t\right)=A_{J}f\left(t\right)+\underset{j=I+l}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{j}f\left(t\right)---\left(5\right)$

其中， $A_{J}f\left(t\right)=\underset{k\∈Z}{\mathrm{\Σ}}{C}_{J,k}{\mathrm{\φ}}_{J,k}\left(t\right)$ 为信号f(t)中频率小于2^-J的部分；

$D_{j}f\left(t\right)=\underset{k\&Element;Z}{\mathrm{\&Sigma;}}{D}_{j,k}{\mathrm{\&psi;}}_{j,k}\left(t\right)$ 为信号f(t)中频率介于2^-j和2^-j-1的之间的部分，(I-1)≤j≤J，I<J-1；I是系数。

步骤3-3、采用递归算法构造去噪后的行程信号；

每一段频率成分A_Jf(t)和D_jf(t)又分解成具有相同频率程区不同相位的成分。如果尺度函数

与小波函数ψ的能量分别集中在X=a和X=b附近，则

和D_j,kψ_j,k(t)的能量就分别集中在t=2^j(k+a)和t=2^j(k+b)附近。可见，时域中的分别率随频率的大小而调节，高频精密，低频粗疏，根据算法将信号f(t)作如上分解，则由具体问题出发，能够区分有效信号与噪声信号，将与噪声对应的参数C_J,k和D_j,k，((I-1)≤j≤J，I<J-1)设置为零；本发明实施例中采用递归算法将行程信号加权求平均数，无限接近理想值

去噪后的行程信号如公式（6）所示：

其中，

表示去噪后的行程信号；A_I表示I段的频率成分，

表示I段的噪声对应的参数，；

步骤4、采用FFT滤波平滑算法对去噪后的信号进行平滑处理；

去噪后的数据后还要对其进行平滑，本发明实施例中采用FFT滤波平滑算法，该算法通过FFT计算数据平滑小窗内的数据的频率成分，然后将频率大于1/(nΔt)的成分去除，达到平滑的目的。其中，n是所选窗口内数据的点数，Δt是相邻数据点间的时间差。

步骤5、将经过去噪、平滑处理后的行程信号送至USB通讯模块内部的U盘或者SD卡中保存，以备送入上位机中；

步骤6、通过USB通讯模块将断路器触头行程信号发送至上位机进行监控。

如图7和图8所示，可以说明本装置该装置测量精准、跟踪效果好，此时行程信号波形稳定，断路器行程性能良好。

Claims (2)

1.一种基于DSP便携式断路器触头行程记录仪，包括电源模块和信号调理模块，其特征在于：还包括采集模块、DSP和USB通讯模块，其中，

采集模块：是用于通过内部角位移传感器采集断路器触头行程信号的装置；

DSP：是用于对调理后的断路器触头行程信号进行去噪处理，并将处理后的行程信号传送至USB通讯模块的装置；

USB通讯模块：是用于将去噪处理后的断路器触头行程信号保存至该模块内部的U盘和SD卡中，并采用并行传输的方式将断路器触头行程信号传送至计算机数据库中的装置。

2.采用权利要求1所述的基于DSP便携式断路器触头行程记录仪进行记录的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、采用采集模块内部的角位移传感器对断路器触头行程信号采集；

步骤2、采用信号调理模块将采集的断路器触头行程信号转换为0～3V的电压信号，并将调节后的电压信号发送至DSP；

步骤3、采用DSP内部的AD转换模块对输入的电压信号进行模数转换，并采用小波分析的方法对转换后的数据进行去噪处理；

步骤3-1、采用小波变换的方法重构行程信号；

步骤3-2、采用尺度函数将行程信号分解成低频成分和高频成分；

步骤3-3、采用递归算法构造去噪后的行程信号；

步骤4、采用FFT滤波平滑算法对去噪后的信号进行平滑处理；

步骤5、将经过去噪、平滑处理后的行程信号送至USB通讯模块内部的U盘或者SD卡中保存，以备送入上位机中；

步骤6、通过USB通讯模块将断路器触头行程信号发送至上位机进行监控。

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