（模式识别与智能系统专业论文）高压开关机械特性测试仪的研究与设计.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 4 l l lllil t l l l li i i i i l l i l l lil i i i 1 7 3 9 5 7 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：虽瞳堕日期：竺! ! ：堇：丝 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：翅建璺 指导教师签名：墨r 立至一一 日期： 3 l o s 矽 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近年来，随着我国电力事业的迅速发展，人们对于电力系统的可靠性和安全性的要求 越来越高。电力设备j 下朝着大型化、自动化和智能化的方向发展。高压开关是电力系统中 最重要的控制和保护设备，在电网中的作用至关重要，其故障带来的后果是十分严重的。 一旦电力系统发生故障，即使只引起生产设备短暂的停止工作，也会造成巨大的损失。为 保证高压开关安全稳定的运行，必须定期对其机械特性参数进行检测。 本文在分析传统测量高压开关机械特性参数方法的基础上，针对传统测试方法的不 足，提出了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的嵌入式高压开关测试仪系统。本文的主要工作包 括：在硬件设计中采用模块化的理念，重点论述了s c i 串口通信模块、合闸电阻模块、u s b 读写模块、c p l d 复杂可编程逻辑器件、s p i 串e l f l a s h 等硬件模块：在软件设计中，分析 了系统功能和任务调度方案，引入了源码公开的嵌入式实时操作系统t c o s i i ，并按功 能将系统进行划分，详细论述了模拟量采集任务、数字量处理模块、键盘扫描任务和通信 任务。 最后论述了系统的实现和测试过程，并模拟现场测试环境，给出了合闸、分闸、合 分闸的测试结果。本测试仪的设计达到预期设计目标，与同类型普通测试仪相比，它添加 并实现了u 盘存储功能和合闸电阻测试功能，使得此款测试仪的实用性和性价比更高。 关键词：d s p ，高压丌关，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，合闸电阻，i t c o s 一1 1 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t hc h i n a sr a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r y , t h es e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d e d t h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t i s d e v e l o p i n gi n al a r g e ，a u t o m a t e da n di n t e l l i g e n tt r e n d a st h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o l a n d p r o t e c t i o ne q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m ，h i g h v o l t a g es w i t c hp l a y sa v i t a lr o l ei nt h e 鲥d ，a n y f a u l s eo fh i g h v o l t a g es w i t c hm a yc a u s e ss e r i o u sc o n s e q u e n c e s e v e nam i n is u s p e n s i o no ft h e w o r k i n gp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，c a nc a u s e sg r e a tl o s s i n o r d e rt og u a r a n t e et h es a f e t ya n d s t a b i l i t yo fh i g h - v o l t a g es w i t c h ，i ti se s s e n t i a lt ot e s ti t sm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cp e r i o d i c a l l y i nt l l i st h e s i s b a s e do na n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n to fh i g h - v o l t a g es w i t c ho f m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，o nt h ep u r p o s eo fe l i m i n a t i n gt h es e t b a c k so ft r a d i t i o n a lt e s t ，t h e e m b e d d e dh i g h v o l t a g es w i t c hb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 12d s pc h i pa r ep r o p o s e d n l em a i nw o r k o ft h i st h e s i si n c l u d e s ：t a k i n gam o d u l a rd e s i g nc o n c e p to nt h eh a r d w a r e ，a n dm a i n l yd i s c u s s i n g ad e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i t ，s u c ha s ，s c is e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c l o s i n gr e s i s t a n c e m o d u l e ，c p l d ，s p is e r i a lf l a s h ；i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ep a p e ra n a l y z e ss y s t e mf u n c t i o na n d t h em e t h o do ft a s ks c h e d u l e ，a n di n t r o d u c e st h eo p e ns o u r c e se m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o n s y s t e muq | o s i i 。a n dd i v i d e st h es y s t e ma c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o np a r t 。a f t e rd i v i d i n gt h e s y s t e m ，t h et h e s i sd i s c u s s e s t h et a s ko fa n a l o ga c q u i s i t i o n , d i 西t a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，t h e k e y b o a r ds c a n n i n gt a s ka n dc o m m u n i c a t i o n t a s k t h ei m p l e m e n to fe n t i r es y s t e ma n dt e s t i n gp r o c e s si sd i s c u s s e da tl a s t f u r t h e r m o r e ，w e s i m u l a t et h ep r a c t i c a le n v i r o n m e n ta n dg e tm et e s t i n gr e s u l to fs w i t c h - o na n ds w i t c h - o f f a c c o r d i n gt ot h ef i n a ld e s i g nr e s u l t ，o u rt e s t i n ga p p a r a t u sc a na c h i e v eo u re x p e c t e de f f e c t a n d t h ee x t r au s bd i s ks t o r a g ef u n c t i o na n ds t i c k - o nc l o s i n gr e s i s t a n c et e s t i n gf u n c t i o nc o m p a r e d w i t ho t h e rs i m i l a ra p p a r a t u sm a k ei t sp r a c t i c a b i l i t ya n dh i g h e rc a p a b i l i t yt h a no t h e rs i m i l a r p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：d s p , h i g h - v o l t a g es w i t c h ，t m s 3 2 0 f 2 8 12 ，c l o s i n gr e s i s t a n c e ，g c o s 一1 1 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义1 1 2 国内外高压开关机械特性测试仪的现状2 1 3 本论文内容及组织结构3 第二章高压开关机械特性分析和系统设计5 2 1 高压开关基本概念5 2 1 1 高压开关5 2 1 2 高压开关工作原理5 2 2 高压开关机械特性6 2 3 常用机械性能测试方法：8 2 4 系统需求分析9 2 5 系统总体方案设定9 2 6 本章小结1 0 第三章整机系统硬件设计与实现1 l 3 1 系统总体设计一1 l 3 2 主要模块设计1 2 3 2 1d s p 芯片的选取1 2 3 2 2 电源设计1 2 3 2 3c p l d 设计1 3 3 2 4 合闸电阻设计1 4 3 2 5u s b 接口电路设计1 6 3 2 6 外部通信接口设计1 7 3 2 7 串口f l a s h 1 8 3 2 8 触头刚分1 习1 1 合时刻的确定1 9 3 3 系统硬件电路实现2 0 3 4 本章小结2 2 第四章高压开关整机软件设计2 3 4 1 系统软件整体结构2 3 4 2b s p 驱动包设计2 4 4 2 1d s p 系统的b o o t l o a d e r 设置2 4 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 4 2 2 系统初始化和设备驱动程序2 5 4 3g c o s 一口移植2 6 4 3 1g c o s 一口简介2 6 4 3 2 g c o s h 在f 2 8 1 2 上的移植2 7 4 4 嵌入式软件开发2 8 4 4 1 主程序设计2 8 4 4 2 应用程序设计2 8 4 5 本章小结3 1 第五章系统调试和实验结果3 2 5 1 系统调试3 2 5 1 1 硬件调试3 2 5 1 2 软件调试3 2 5 1 3 系统联调3 3 5 2 总体测试结果与分析3 3 5 3 本章小结3 6 第六章总结与展望3 8 6 1 总结3 8 6 2 展望3 8 参考文献3 9 研究生期间发表的论文4 2 致谢4 3 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 随着科技和工业技术的发展，我国电力行业的发展势头迅猛。自1 9 9 8 年我国开始实 施城乡电网改造工程和西电东送工程以来，电力行业迅速蓬勃发展给输配电设备制造业 创造了巨大的市场需求，市场规模也随着时常需求而迅速扩大。据统计资料表明，我国 今后几年将追加装机3 0 0 0 万千瓦的电源建设，年增装机容量上升至u 2 5 0 0 万千瓦，即年增 装机可增力h 3 0 4 0 ，而且与新增装机较直接的一些开关设备市场容量将会有更大扩 容，并且具有更好的市场需求。除了电力工业自身持续、稳定、快速发展外，“十一五” 期间，我国投入到电网改造的资金达8 5 0 0 亿元，国家电网公司大力发展高压电网行业， 据有关资料统计显示：2 0 0 7 年，我国高压开关行业实现工业总产值6 3 1 0 7 6 亿元，2 0 0 8 年 实现工业总产值9 6 0 9 7 亿元，同比增长率为1 8 8 3 ，高压开关行业仍处于高发展势头。由 于电网的快速、高效的发展和电力自动化装置在电力行业的广泛使用，电网的安全性和 可靠性必然成为人们同益关注的焦点。这就需要高压开关设备对电网进行实时监控和保 护，在电网发生事故时，它能迅速切断故障点，保障电网无故障部分能安全有效的运行【l 硎。 高压开关设备被广泛用于1 0 k v 到5 0 0 k v 的电力系统中，是开关电器中最为关键的一 种电气设备，它作为绝缘和灭弧设备的装置，在工作中对电网起到重要的控制和保护作 用【3 4 】。在正常工作时，根据电网的需要将电力设备或线路接入电路或断开电路；当电路 发生故障时，高压开关能迅速、自动的切断故障电流，使电力系统中其他无故障部分安 全运行，用以减小停电范围，保护其他电力设备。高压开关工作状态的好坏将直接影响 电力系统的安全性和可靠性，并且由于高压开关装置被安装在露天环境下，因此其工作 要经受电的、热的、大气等方面的影响，其使用寿命备受关注，现阶段评价高压开关使 用寿命长短的方法是对高压开关机械特性参数的测型n 】。根据i e c 6 2 2 7 1 。1 0 0 ( 国内版本 g b l 9 8 4 2 0 0 3 ) 的新标准的规定，对高压开关机械特性参数进行测量。在新标准中规定： 每一种高压开关产品均有行程特性的标准曲线，当总行程超过2 0 m m 时，将总行程的5 迭加到参考曲线上，产生两条曲线，这两条曲线就是该产品的包络线；在总行程小于或 等于2 0 m m 时，将2 m 朋迭加到标准曲线上生成两条曲线，这两条曲线也是产品的包络线。 两种情况下的包络线可以在总行程5 或2 研m 以内上下移动，当被测试产品的曲线完 全处于其中之一的包络线中，则表明所测试高压开关的机械特性合格。否则为不合格i r ，j 。 1 1 2 研究意义 根据国家电网公司2 0 0 4 年报告指出，在2 0 0 4 年由于高压开关引起的事故多达4 6 台次， 比2 0 0 3 年增加l o 台次，总事故为3 4 6 台次，l 匕2 0 0 3 增加5 4 台次。国家电网公司对近年高压 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 开关事故分析报告指出，由于高压开关质量不合格造成的事故占6 9 6 ，其他自然条件原 因造成的事故比重较轻，这一对比提醒我国高压开关企业必须严格按照新标准规定，生 产、制造和测量高压开关设备，并充分说明我国高压开关的质量、测试方法均需提高， 并且测量手段的提高是避免高压开关事故发生的重要条件【8 l 。 高压开关在电网中的主要功能是关合、开断、保护、控制、调节和测量电力线路。 因此，它是电力系统中必不可少的器件，对其机械特性参数的测量非常重要，机械特性参 数是评价高压开关寿命的重要参数。据国内外不完全统计，绝大多数高压开关的事故都 是由于机械缺陷所造成的。日本由于机械故障造成的事故率为9 0 ，国际电工委员会统计 的数据为8 8 ，我国电力部门统计的数据为8 5 左右。当电力系统出现短路等异常时，高 压开关将发生拒动、误动、慢分和三相不同期等机械故障，这有可能造成恶性事故，甚 至可以引起设备爆炸，给人民生命和国家财产带来巨大的损失。所以高压开关机械特性 的检测显得尤为重要。 高压开关机械特性主要有速度、分( 合) 闸时间、行程和量程等，在高压开关的生 产、安装和调试的过程中均必须检测其机械特性，它也是判断该高压开关质量是否合格、 以及高压开关能否安全用于电网的重要指标。因此，对于高压开关机械特性的测量要精 确且必须对其机械特性定期进行检测，分析测量参数，从而评定高压开关的好坏以及使 用寿命，减少事故的发生。 经过几十年的发展，特别是“十一五 以后，我国电网事业的快速发展，使得高压 开关生产企业纷纷实施技术改造，采用新技术增加产品性能，满足市场的需求，提高市 场竞争力。同时，由于我国高压开关企业起步较晚，与国外先进公司的产品差距还是比 较大的，因此，我国要大力发展高压开关测试产业【9 1 。 1 2 国内外高压开关机械特性测试仪的现状 由于国外高压开关行业起步较早，因此技术也较为先进。高压开关行业的龙头主要 集中在欧洲和日本。女l l s i e m e n s 、a b b 、a l s t o m 、s c h n e i d e r 、p r o g r a m m a 、w e i s 、三菱、 日立、东芝等。他们的产品开发周期短、制造技术先进、对市场需求反映迅速、测量准 确。其代表性产品为瑞士的p r o g r a m m a 、美国的r t r 4 8c i r c u i tb r e a k e rr e s p o n s e r e c o r d e r s 等产品，硬件采用工控机和数据采集卡形式。此产品的优点为对高压开关机械 特性参数能进行准确的测量，并且用户界面美观。缺点是只能针对某型高压开关，软件 实现功能较为单一，售价高昂，体积较大，不符合野外测试要求，并且纯英文界面，给 使用者带来了不便【l 。 因此，国内各高压开关厂家开始自行研发用于测量高压开关机械特性参数的仪器。 传统的测量方法是通过电子秒表、故障测试仪、示波器等测试仪表进行，但由于此测试 方法只有在高压开关进行大修时才能检测，并且检测时间较长、测试导线较复杂，基于 这些特点，随后国内研究出基于单片机的高压开关测试仪系统，将单片机作为主c p u ，通 过采集光电传感器上的信号来测量高压开关的行程和时间，进而测量高压开关机械特性 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 参数。但是这些测试仪不足之处在于其分辨率太低，只有l m m 左右，且不易提高】。如： 若想提高分辨率，如达到0 5 m m 。一方面需要将光栅的间隔缩短到0 5 m m ，另一方面还要 考虑c p u 在编码器通过0 5 m m 光栅所需要的时间能否完成1 次a d 转换。其次，当断路器在 分、合闸过程中，动触头有个弹跳过程，必须加硬件电路来进行方向判断，否则会产生 累加误差【1 2 】。并且由于国内开发的高压开关机械特性测试仪只能对测试数据进行一次性 存储，且机内存储容量有限，因此无法满足大容量数据的存储和查询，另外，由于国内 测量仪中有些数据处理需通过p c 机进行，而测量仪与p c 机的通信均采用串口方式进行， 随着测量数据的加大，传输数据会越来越慢，通信时间越来越长，因此无法满足现在系 统对实时性的要求。另外，现有仪器大多只能对单断口开关进行测量，数据处理、分析 能力都不强。所以急需一种机械特性测试仪，这种测试仪在功能上不但要具备同类仪器 的功能，而且还要能满足新标准的要求。在采样的幅值精度和时间精度上都要比老仪器 有所提高；可以对多断口开关进行测量、分析；并且能对测量的大量数据进行保存和数 据的回读。 随着大规模可编程逻辑器件f p g a 和c p l d 的出现，传统的由各个电路联合实现整体逻 辑的设计方案已经成为过去，现在已实现基于c p l d 或f p g a 的芯片级硬件电路设计，并且 由于d s p 芯片的快速发展，使数字信号处理技术用于完成检测任务成为可能，增加了系统 的数据处理能力和系统的实时性。现在对测试仪的基本要求是在满足国家g b l 9 8 4 2 0 0 3 规定外，在采用幅值和采样精度上均要比以前的仪器有所提高，性能有所提高并且具有 实时性【l3 1 。 1 3 本论文内容及组织结构 本文基于上述技术要求，以及客户需求，提出了一种基于d s p 和嵌入式操作系统的 高压开关测试仪研究与设计。该系统以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心数据处理模块和以m a x 7 1 2 8 为核心控制模块。在d s p 中嵌入z c o s i i ，增加系统智能化程度。根据系统功能要求， 提出系统总体需求分析，并分别设计出系统硬件的实现电路和软件流程。 总体论文内容安排如下： 第一章，简单介绍了本课题研究的背景、意义和国内外高压开关发展的现状和 发展趋势，进而提出测量高压开关机械特性的必要性。 第二章，简单介绍高压开关的工作原理和机械特性参数定义，在此基础上提出 高压开关测试系统的总体设计方案。 第三章，在对测试系统进行需求分析的基础上，提出系统总体硬件设计方案， 确定系统主要硬件模块实现芯片，详细介绍了c p l d 内部实现方法和 s p i 、s c i 、u s b 和合闸电阻硬件实现电路，并给出整体原理图、p c b 和 最终实物图。 第四章， 首先简要的介绍i j c o s 一口操作系统和a c o s i i 的移植过程，然后在 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 软件平台上，建立系统任务，并根据测试系统功能要求，提出系统软 件整体流程图，划分用户级任务，包括模拟量采集任务、数字量采集 任务、键盘任务、液晶显示任务、通信任务、打印任务和u s b 任务。 第五章，简单介绍系统调试的原理和过程，重点介绍硬件调试和软件调试方法， 最后给出系统的测试结果。 最后，总结了本测试系统研究所取得的成果和实现的功能，分析了研究中的不 足，在此基础上提出了对高压开关测试仪系统设计的展望。 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 第二章高压开关机械特性分析和系统设计 2 1 高压开关基本概念 2 1 1 高压开关 在电力系统中规定额定电压在1 i o k v 以上的输配电断路器称为高压开关。如图2 1 所示为真空断路器结构图。高压开关是电力系统中最重要的控制和保护设备。一方面， 高压开关根据电网运行需要，将电力设备或线路投入退出电网的运行，它在其中起到控 制的作用；另一方面，在电力系统设备或线路发生故障时，高压开关可以及时的切断故 障点，保障电网中其他无故障的部分安全、有效的运行，这种作用称为保护作用。总之， 高压开关是一种能够开断、关合和承载运行线路的正常电流，也能在电力系统规定时间 内关合、开断和承载规定的异常电流( 如过载电流和短路电流) 的开关设备，并且高压 开关的可靠性直接关系到整个电网的安全和稳定【悼1 5 】。 2 1 2 高压开关工作原理 图2 1 真空断路器结构图 下面以真空断路器为例，介绍高压开关的工作原理。真空断路器是高压开关的一种， 它是利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器。自从1 9 6 2 年美国g e 公司研制成功 第一台真空断路器以来其研制和开发己取得了很快的发展，由于它具有分断能力强、 寿命长、维修量小、电弧不外露、安全可靠、体积小、重量轻、噪声小、可在环境恶劣、 操作频繁的条件下工作的显著特点，因而得到了广泛的应用【1 6 1 。真空断路器主要由导电 回路，绝缘系统，密封件和壳体组成。如图2 2 为真空断路器本体结构图。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 2 真空断路器本体结构 1 导电杆绝缘套管组合体2 真空灭弧室3 绝缘隔离罩4 导电夹5 软连结6 绝缘控杆 7 转轴8 外壳9 分闸弹簧1 0 电流互感器1 1 出线套管1 2 操作机构1 3 传动机构 整体结构为三相共箱式。其中高压载流回路由导电夹、软连接等经过灭弧室两端的 动、静导电杆组成。断路器的全部使命主要体现在动、静触头的分、合闸动作上，因此 研究断路器的分合闸操作是必不可少的。断路器合分闸操作是操动机构通过绝缘拉杆、 触头弹簧等同真空灭弧室内的动导电杆相连，由动导电杆带动动静触头同时接通、分断， 完成一次合分闸操作。合闸过程是当操动机构的合闸线圈通电时，合闸电磁铁被吸合， 带动动导电杆运动，使动、静触头接通，完成合闸过程；分闸操作是当操动机构的分闸 线圈通电时，分闸电磁铁被吸合，从而使锁扣释放，在分闸弹簧以及本身重力作用下动、 静触头迅速分闸，完成分闸过程【l 卜1 3 】。 2 2 高压开关机械特性 机械特性参数是保证高压开关能正常工作的重要依据。机械特性参数的定义和计算 是通过高压开关的行程时间曲线来描述。在合闸时，动触头迅速移动，并接触静触头， 使高压开关导通，接入负载。但由于动触头存在惯性，还会运动到最高点，然后在返回 到平衡点，形成一个振荡过程。因此，在行程时间曲线上出现一个超调的过程。如图2 3 所示的行程时间曲线，来定义高压开关的机械特性参数【1 9 之o 】。 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 s ( m m l s l s 二 s 3 图2 3 动触头行程一时同曲线 ( 1 ) 行程：在合分闸操作中，高压开关动触头从起始位置到动触头运动到任一位置，动触 头总的位移。 ( 2 ) 超行程：合闸操作中，高压开关的动触头接触静触头后动触头继续运动的距离。 。 s = s 2 一s 3( 2 1 ) ( 3 ) 时间行程特性：在合分操作中，高压开关的动触头运动的行程与时间的关系。 ( 4 ) 触头开距：在分闸位置时，高压开关各级动静触头之间或其连接的任何导电部分之间 的总间隙。 s = 黾( 2 2 ) ( 5 ) 全程平均速度：高压开关合闸过程中，动触头在整个合闸过程中运动的平均速度。 s v 2 子 ( 2 3 ) 、 i ( 6 ) 触头刚合速度：高压开关合闸过程中，动触头与静触头在合闸过程中接触瞬间的运动 速度。 ，= 5 ( t i 。) ( 2 4 ) ( 7 ) 合闸时间：从接到合闸指令瞬间起到动触头和静触头都接触的瞬间的时间间隔。 注：a 合( 闸) 时间包括丌关合闸所必需的并与开关组成一体的任何辅助设备的 动作时间。b 对装有并联电阻的开关，需把与并联电阻串联的触头都接触瞬间前的合 闸时间和主触头都接触瞬间前的合( 闸) 时间作出区别【1 8 】。 t = ( 2 5 ) ( 8 ) 分闸速度：高压开关在分闸过程中动触头的运动速度。 ( 9 ) 分闸时间：从接到分闸指令瞬间起，到动静触头分离的瞬间的时间间隔。 ( 1 0 ) 弹跳时间：在合闸过程中，由于机械碰撞的弹力，使动触头和静触头接触后要经过反 复的弹跳才能最终达到一个稳定的时间( 即三相触头都已经稳定关合) 。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 1 ) 触头刚分速度：高压开关在分闸过程中，动触头和静触头分离的瞬间的运动速度。 ( 1 2 ) 高压开关分闸同期性：高压开关在分闸时，各极间或同一极各高压断口问的动触头和 静触头分离瞬问的最大时间差异。 ( 1 3 ) 高压开关合闸同期性：高压开关在合闸时，各极问或同一极各高压断口问的动触头和 静触头接触瞬问的最大时间差异。 ( 1 4 ) 合分时问：在合闸操作过程中，从动触头和静触头开始接触的瞬间起到随后的分闸 操作时动触头和静触头分离的瞬间的时间间隔。 ( 1 5 ) 分合时间：在分闸过程中，从动触头和静触头开始分离的瞬间到开始动触头和静触 头重新接触的瞬间的时间间隔。 ( 1 6 ) 时间电流特性：在规定的操作条件下，用电流和时间函数表示的曲线。 为了全面准确地检测真空开关的机械特性参数，需要运用适当的检测手段，对开关的分 合闸线圈电压电流、触头接触信号( 检测动静触头接触与否) 、动触头行程曲线、储能时 间( 针对弹簧储能机构) 进行采集和分析，进而得到各个机械特性参数。 下节将重点介绍一些传统的测量高压开关机械特性参数的方法，在此基础上提出了 一种新的测量高压开关机械特性的方法，并提出总体设计方案。 2 3 常用机械性能测试方法 由于高压开关频繁的关合动作和过度的拆卸检修等操作，均使高压开关的可靠性下 降。如何判定高压开关的可靠性就成为人们关注的焦点。当高压开关的零部件发生变化 时，高压开关的机械特性就相应发生改变。因此，判断高压开关可靠性的重要指标就是 测量高压开关的机械特性参数，通过测量、对比标准数据从而得出高压开关运行状况的 信息。 现阶段对高压开关机械特性的检测主要集中在定期检修或停电期间，通过对机械特 性参数的测试，确定高压开关性能的优劣，从而进行更换部件等操作。这种检修策略经 历了以下几个阶段的发展 2 1 - 2 2 】： 1 早期较传统的测试方法是检修人员采用机械装置( 如：数字电压表、电子秒表、示波 器、电磁振荡、同步灯和测速仪等) 对测量目标进行简单测试。这种测试方法必须在 高压开关进行大修或进行定期维护时才能进行测量，不能进行在线测量，极大不方便 客户。它的缺点集中体现在设备体积较大、运输困难、测量误差较大，读取的记录数 据要经过人工处理和计算，并且由于在测试时所需测试接线相对复杂和检修工作时间 较长，因此非常不方便非专业人士的测量并且专业人员在进行测量时由于要进行高空 作业，因此其安全性也是需要考虑的方面。综上考虑，开发新型高压开关测试仪器件 是必然趋势。 2 随着模拟、数字电路的普及，研发出集装箱式高压开关机械特性测试仪。该仪器具有 上述用机械装置测试仪表的功能，并且接线相对简单，携带方便。但由于此测试仪的 组成部分仍由直流电源测速器控制门电路和同期灯等部件组成，因此其自动化程度相 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 对较低并且测试功能并不完全。 3 9 0 年代后期，随着微电子技术和计算机技术的发展和应用，出现了微机型高压开关机 械特性测试仪。最初许多生产厂家采用8 位的单片机作为主c p u 应用于机械特性参数的 测量，但由于单片机自身实时性差、处理速度和运算能力有限，在需要处理大量实时 数据的情况下就达不到要求，因此它逐渐被日渐成熟的d s p 芯片所取代，d s p 依靠它强 大的数字处理和运算能力，非常适合用于监控系统。 本测试系统采用t i 公司c 2 0 0 0 系y u d s p 芯片为主处理器，主要处理采集模拟电压、电 流信号，并对它进行处理后通过显示器显示，并集成c p l d 芯片，用于系统控制，同步d s p 指令和控制系统输入、输出。并且d s p 中嵌入小型操作系统g c o s 一口，增加了系统的实 时性，并且使系统智能化程度也得到提升，满足目前市场对测试系统的要求【2 3 之4 1 。 2 4 系统需求分析 高压开关测试仪系统主要完成对高压开关的机械特性参数( 如合分闸时间、弹跳时 间、行程、平均速度、刚速度、超行程等) 的测量并对测试数据进行计算、存储和显示。 测试系统可实现合闸、分闸、合分闸、合分合闸测试。测试系统有1 6 路模拟采集通道， 每路采集通道的采样速率为1 0 h z s ，分辨率是1 2 位，在1 秒钟可完成对1 0 条测试数据及波 形的存储；支持u s b 接口，方便客户将测试数据及波形保存到u s b 中，且c p u 与u s b 的通 信方式为主从式；支持测量合闸电阻的功能，使客户随时准确掌握高压开关的使用情况； 支持历史数据的随时读取，由于此系统要对所测数据均进行存储，因此需要大容量的存 储器；打印数据，对任何条件查询到的数据进行打印；当测试系统工作环境恶劣时，系 统要能自动消除被测信号中的噪声和干扰，使系统测试数据信噪比不低于5 0 d b ；测试系 统确保通信信息具有有效性与可靠性，保证通信可靠性，通信数据的误码率不大于l 。 对于通信来说，系统的可靠性、安全性是首要的。测试系统的元器件成本控制在5 0 0 0 元 以内，人工成本控制在2 0 0 0 0 元以内； 2 5 系统总体方案设定 本测试系统是基于d s p 的高压开关测试仪系统，它主要由数据采集模块、控制模块、 通信模块组成。并在客户要求下添力h u s b 模块、合闸电阻模块、打印机等辅助模块。如 图2 4 给出系统的总体结构框图。其中数据采集模块主要由d s p 完成对三相电信号的采集； 控制模块由c p l d 为核心，它主要完成对继电器的控制、同步d s p 发出的动作命令，并且 完成c p u 和慢速外设速度匹配问题；通信模块主要完成与p c 机的通信，通过r s 2 3 2 接口将 测试仪上的数据传给p c 机，然后通过p c 机对数据进行分析，并且系统增力n u s a 读写模块 和合闸电阻测量模块，方便用户保存测量数据并且通过对合闸电阻的测量完成对高压开 关寿命的评测【2 引。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 r 。、 3 2 路开关量输入 模 ，豫集鼻恕i 拟 7 i 模块 ， 伍巾”* 扶。 量 输 入 1r 串口通信bp c 机 1 6 一 路继电器 开 关 量 输线圈 出 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 第三章整机系统硬件设计与实现 根据前一章对系统总体方案的介绍，本章将分模块详细介绍系统硬件实现的方法并 详细介绍主要模块硬件电路图和整体硬件实现电路图。 3 。1 系统总体设计 根据高压开关测试系统对实时性和数据处理能力的要求，本系统选用的c p u 是t i 公司推出的在控制领域性价比极高的定点3 2 位d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，该款芯片功耗 较低、内核和i o 供电均在5 v 以下，与同类产品相比耗电量较低；内部集成多个外设， 非常方便用户扩展接口【2 3 1 。整个系统采用模块化设计思想，将系统细分为8 大模块，如 图3 1 所示，分别为控制模块、人机接口模块、液晶显示模块、打印机模块、键盘模块、 u s b 读写模块、合闸电阻模块、通信模块。此设计采用模块化的设计思想极大的方便了 用户程序的开发与维护。 其中串口f l a s h a t 4 5 d b 0 4 1 通过s p i 口与主机d s p 进行通信，用来保存经a d 转 化经过d s p 计算处理的数据，它可以在掉电后不丢失数据且该芯片功耗低，最低可工作在 2 5 v ，容量大、读写速度快、外围电路少，因此非常适合用于便携式的场合。外扩的s r a m 使用2 5 6 k x l 6 位的i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 ，主要用于调试过程中对变量和程序的零时存储。高压 开关测试系统与p c 机的通讯采用r s 2 3 2 方式，通过r s 2 3 2 接口将采样所得数据传入p c 机做进一步的处理。数据采集时，首先通过a d 转换器件把1 6 路通道的模拟信号通过 d s p 的a d 转换进行处理，然后将处理后的数据存储于f l a s h 中，通过l c d 直接显示 或发送至p c 机进行后处理。c p l d 主要完成开关量的输出、键盘的扫描和同步d s p 发出的 合f 食指令o l 电源i ：时钟电路1 厂i 磊 r 矗盘i 矗1 l j 一一i o t 一一1 - o 暖 u一一_ 1，画 i 矗矗l 土。一。洲。_ i j 一 c p i d 一一打印机接口： 。二 a 5 。 1 0 。 e p m 7 1 2 8 一 m a x j 2 3 2 接h 电路i _ + s c i a 名、 j 2d ”) i l 。卜 光电耦台器 el j7 - i j j 一，机_ 刑5 3 2 0 f 2 8 2 t一一j 一 u s b i i 卖赢一湖。一粼缌1 传勰“ ；模块卜湖b _ ” 1 传感器信号_ 卜a d a 1 7 - a ! _ _ r a m 图3 1 高压开关测试系统整体结构图 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 主要模块设计 这一节主要针对高压开关的硬件设计模块进行详细介绍，主要硬件设计模块包括d s p 芯片的选取、d s p 与c p l d 接口电路设计、电源设计、合闸电阻设计、u s b 读写模块设计、 外部通信接口设计。下面将分模块进行详细的介绍和分析。 3 2 1d s p 芯片的选取 选择合适的c p u 是保证系统安全、可靠运行的标志。高压开关测试仪系统要求c p u 具有实时处理能力和较强的数据处理能力，因此d s p 芯片是系统c p u 的首选。在d s p 的 2 0 0 0 系列芯片中t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的性价比最高。f 2 8 1 2 的主频为1 5 0 m h z ，每个指令周期为 6 6 7 n s ；内部采用多总线的哈佛结构，将总线的操作时序分为取指令、指令译码、取操 作数和执行指令四个独立阶段；内部功耗较低，内核和i o 分别供电1 8 v 和3 3 v ；片内集 成1 8 k 枣1 6 b 的s r a m 、1 2 8 k 木1 6 b 的片上f l a s h 、l k * 1 6 b 的o t p r o m 、4 k 幸1 6 b 的引导r o m ，且 配有外部存储器接 x i n t f ，分为5 个区( 分别是z o n e o 、1 、2 、6 、7 ) 和四个片选信号【2 0 】【2 2 1 。 由于f 2 8 1 2 内部1 2 8 k 的f l a s h 以足够程序存储器使用，因此不用外扩r o m ，但需外扩数据 存储器r a m ，高压开关测试系统分配z o n e 6 给外扩的r a m 使用，映射地址为0 x 1 0 0 0 0 0 h 0 x l80 0 0 0 h ；分配z o n e 0 给c p l d 用，映射地址为o x 2 0 0 0 h o x 4 0 0 0 h ；f 2 8 1 2 片上集成 丰富的外设资源( 如s c i 、s p i 、m c b s p 、事件管理器e v a 和e v b ) ，非常方便用户扩展使用； 开发语言支持汇编和a n s i c c + + 语言，d s p 可移植c o s 一操作系统，方便用户程序 的开发 2 5 - 2 6 1 。 3 2 2 电源设计 对于嵌入式系统来说电源品质的好坏直接影响到嵌入式系统开发的成败，因此整个系 统模块的供电至关重要。整个系统所需电压规格是5 v 、3 3 v 、3 3 v a 、1 8 v ，外部供电 电压为5 v ，c p u 的内核所需电压为1 8 v ，其它外设所需电压为3 3 v 。考虑到f 2 8 1 2 的 i o 口先于内核上电，后于内核掉电。系统所需最大供电电流约为4 5 0 m a ( 3 3 v 电压供电) ， 综上考虑，选用t i 公司专用电源芯片t p s 7 0 1 5 1 ，此