DQZHAN訊：中低壓配電設備狀態信息采集系統總體設計
由于配電設備量大面廣，對配電設備狀態監測研究不夠深入，針對該情況，文章設計了一種配電設備狀態信息采集系統。采集系統以LabWindows/CVI為軟件開發平臺，結合串行接口、USB接口，利用多線程技術，實現了對配電設備狀態量的高速采集、實時顯示以及存儲等功能。實驗結果表明，該系統能運用于大規模數據的實時采集，且具有可靠性高、可擴展性好等優點，為**獲取配電設備狀態信息提供解決思路與可行方法。
0引言
配電設備作為配電網的物理載體，其健康水平對配電網的運行至關重要。然而，隨著配電設備運行時間的增長，設備會在負荷、環境、外力等影響下發生老化、疲勞及磨損，導致性能逐漸降低，更有甚者造成突發事件，除此，智能電網的發展對配電系統的可靠性提出更高的要求。因此，對配電設備進行狀態監測，**掌握配電設備的健康狀態，及時獲取設備劣化過程，是預防設備故障、保證配電網正常運行的基礎。
在高壓配電網中，巡檢人員通過SCADA系統獲得實時數據來獲取設備健康狀況，然而在中低壓配電網中，由于設備成本較低，中低壓配電設備很難配有相應的遠程終端單元，導致狀態監測等研究在中低壓配電設備中仍處于落后狀態。目前狀態監測工作僅憑借設備的外觀來判斷設備是否故障，或是通過萬用表、鉗形電流表等來獲取中低壓線路上的電壓、電流等基礎數據。該狀態監測方式不僅可能存在誤差，而且不能及時、**掌握配電設備健康狀況。本文針對中低壓配電設備，提出一種配電設備狀態信息采集系統的設計方法，實現對配電設備關鍵特征量的信號采集、數據記錄等操作。為了能滿足上述需求，保證數據的完整性，采用多線程機制，在接收數據的同時實時顯示、保存數據，來提高CPU的利用率，確保該系統的實時性。
1系統總體設計方案
電力巡檢人員提供設備運行時的關鍵特征參數，是巡檢人員判斷設備是否健康，由此排除設備故障的重要手段。中低壓配電設備信息采集系統由傳感器、適配器、測試資源及上位機組成。總體方案見圖1。采集系統能夠準確測出配電設備特征信號的頻率、幅值等信息，并通過相應的分析提取設備運行時的特征信號，判斷設備健康狀況。
2系統硬件設計
2.1系統需求分析
由于該系統面向中低壓配電設備，設備量大面廣且種類繁多，能表征配電設備健康狀態的關鍵特征量主要有以下幾種：變壓器油溫、斷路器動觸頭溫度、斷路器動觸頭行程曲線、架空線路與電纜線路的負荷電流、電纜線路泄漏電流及局部放電等信號。針對上述狀態信息量，將這些狀態信息信號按頻率分成溫度這類變換緩慢信號、泄露電流等中速信號及局部放電等高速信號。
2.2傳感器與適配器
在配電設備狀態信息采集系統中，傳感器用于獲取配電設備狀態信息量，將狀態信息轉換成電信號。
為了測量配電設備狀態量信號，采用溫度傳感器、霍爾傳感器及加速度傳感器等，傳感器測量得到的信號經過信號調理單元轉換，使信號電壓范圍滿足測試資源的輸入要求。
2.3數據采集終端
配電設備狀態信息數據采集系統中的測試資源將信號進行A/D轉換。針對系統需求，選用3種不同采樣頻率的測試資源。由于RS485設備易于控制，成本低廉，且串口的傳輸速率能夠保證中低速信號數據的完整性，故對于溫度等變換緩慢的信號，采用10Hz的I/O模塊，對于泄露電流等變換較慢的信號，采用5400Hz的I/O模塊，為了能無失真地采集局部放電等高速信號，采用采集頻率可達10MHz的USB采集卡，并通過USB總線進行數據傳輸，見圖2。
圖2上位機與多個測試資源通信
3數據采集系統軟件設計
數據采集系統軟件需要對采集卡進行控制以及對采集信號進行數據處理，故本文采用NI公司推出的面向測控領域的LabWindows/CVI為軟件開發平臺，實現對數據采集硬件控制，并對數據進行基本處理、存儲與顯示。
數據采集系統軟件主要包含4大功能，即實時采集部分、顯示數據部分、存儲數據部分及分析數據部分。其中實時采集部分主要負責從設備中實時獲取數據，顯示數據部分則用于顯示實時采集的數據及分析后的數據，而存儲數據部分則將實時采集的數據存儲成TXT格式，分析數據部分則用于提取采集數據的特征。
由于數據采集系統對時間要求嚴格，若采用單線程，對每個設備進行輪詢，這樣就大大降低了CPU的利用率及系統的實時性。例如，若軟件正從一個串口讀取數據，則軟件不僅丟失了其他串口或其他總線傳輸的數據，而且還不能更新用戶界面。故當有大量任務需要并發進行時，需要采用多線程技術，這樣不僅可以同時使用多個采集模塊，還能進行實時顯示、保存等功能，提高系統的實時性。
3.1多線程的設計
線程的創建和銷毀都需要分配、釋放空間，對CPU的開銷很大。若大量線程頻繁的切換與釋放，會成為該軟件性能提升的瓶頸因素。故采用LabWindows/CVI中的線程池技術，對資源進行復用：在任務還未到來之前，創建一定線程，放入空閑隊列中，這些線程起初處于睡眠狀態，不消耗CPU，僅占用較小的內存空間，當請求到來后，緩沖池給該請求分配空閑線程，將請求傳入此線程中進行處理。通過采用線程池，避免了頻繁創建和銷毀線程，從而提高系統性能。在該軟件中，除主線程外，對每個串口設置一個線程，對USB采集卡設置一個采集線程、一個顯示線程、一個存儲線程。見圖3。
圖3線程池結構圖
3.2主線程
主線程用于負責用戶界面操作，初始化輔助線程，并負責輔助線程調度。初始狀態時串口線程及USB線程處于睡眠狀態，當任務到來時，根據任務類型喚醒相應線程來進行處理，完成任務后返回線程池。
3.3串口線程
配電設備狀態信息采集系統中的測試資源包含2種RS485設備，常用的多串口通信方式通常有如下幾種方式：采用單線程技術，通過設置定時器實現串口通信；對于所有串口設定一個讀線程與一個寫線程，其中，讀線程從所有串口中讀取數據，寫線程將讀取的數據寫入緩存區，而主線程則用于負責管理子線程及顯示數據、存儲數據等功能；對每個串口設置一個線程，該線程負責每個串口的讀取與寫入，而主線程則用于管理子線程等。由于兩個RS485設備的采集頻率相差較大，若對兩個串口同時設定一個讀線程和一個寫線程，這樣就會增加高采集頻率的采集設備的等待時間。故采用一個線程對應一個串口，這樣每個串口的通信較為獨立，效率高。
3.4USB采集卡多線程的設計
為了確保USB采集卡連續高速的采集，針對該采集卡創建一個采集線程來確保采集的實時性，這就導致在該采集線程中不能有任何窗口等圖形操作，針對這種情況，再開辟一個子線程對其進行實時顯示，而這個顯示線程起初進入睡眠狀態，是采集線程通過事件激活顯示線程，使顯示線程對采集的數據進行顯示，為了將數據實時存儲，采用同樣的方式，開辟存儲線程。
軟件運行過程中，為了避免顯示線程阻塞間接導致保存線程丟失數據，故采用二級緩沖區來避免這一情況的發生。當采集線程將一段大小的數據放入一塊緩沖區后，除了繼續采集外，還會改變緩沖區標志，告之顯示線程可以將該緩沖區的數據進行處理與顯示，當顯示線程處理完數據后，發送消息給保存線程，然后再將下一次采集的數據放入**塊緩沖區，如此周而復始，這樣不僅不會丟失數據，而且顯示線程及保存線程有時間能處理緩沖區的數據。
4應用實驗
斷路器作為配電網中*關鍵的保護和控制設備，其健康狀況直接關系到配電網的可靠性。國際大電網會議對電力部門的調查研究表明，機械故障占斷路器總故障的70.3%，故機械故障的診斷在斷路器的狀態監測中占有重要地位。從分合閘線圈電流、動觸頭行程曲線等信號可以判斷斷路器是否存在卡澀或接觸**，從而掌握斷路器機械操作系統的情況，由此來判斷斷路器的健康狀況。
現通過采集斷路器在分閘過程中的特征信號驗證該配電設備狀態信息采集系統，配置測試資源USB采集卡的采樣速率為25kHz進行實時采集并經過USB總線傳輸至上位機實時顯示與存儲。其工作界面見圖4，該圖為斷路器分閘過程中的分閘線圈電流波形。
圖4軟件界面
圖5是斷路器在分閘過程中實測的動觸頭行程曲線（a）、分閘線圈電流（b）及觸頭剛分信號（c）。圖（b）中的0為斷路器分命令到達時刻，t1為鐵芯開始運動時刻，t3為鐵芯撞到支持部分停止運動時刻，圖（c）中t2為主觸頭分離時刻。
在斷路器分閘過程中，各個時間段與斷路器運動狀態有著一一對應關系，且與示波器所得的信號趨勢一致，與實際情況相符。
圖5分閘實測的結果
5結語
本文詳細描述了中低壓配電設備狀態信息采集系統的總體方案、硬件設計與軟件設計。通過該系統采集了永磁斷路器在分閘過程中的行程曲線、分閘線圈電流及剛分信號。本文所提出的中低壓配電設備狀態信息采集系統以LabWindows/CVI為平臺，采用模塊化思想，具有成本低及良好的可擴展性等優點，通過利用多線程技術合理地配置及調度輔助線程，能實時采集大規模數據，滿足設計需求。通過采集斷路器的關鍵特征信號，驗證了該系統能準確獲取設備狀態信息，巡檢人員可通過采集中低壓配電設備特征信號來判斷設備健康狀況，從而采取相應的維修措施，提高配電網可靠性，為**獲取中低壓配電設備狀態信息提供解決思路與可行方法。
