針對變電站隔離開關(guān)智能I/O裝置故障的軟件分析

基于虛擬儀表的理念和方法，參照Fluke示波表波形操作顯示的方法完成了軟件人機(jī)交互界面的設(shè)計。所設(shè)計的軟件符合用戶技術(shù)規(guī)范書的要求，并投入工程應(yīng)用。

1.引言

隔離開關(guān)智能I/O裝置是智能變電站的一種一次設(shè)備的智能組件，主要用于隔離開關(guān)工作狀態(tài)的監(jiān)控，并接收間隔層設(shè)備下達(dá)的命令控制隔離開關(guān)分合，監(jiān)控操作機(jī)構(gòu)儲能電機(jī)的工作狀態(tài)，一旦電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常，立即切斷電機(jī)操作電源，防止電機(jī)損壞，并記錄電機(jī)異常時電機(jī)工作電壓、電流等工作參數(shù)的波形數(shù)據(jù)。電機(jī)故障后，還要利用裝置記錄的電機(jī)啟動波形和故障波形數(shù)據(jù)定量分析故障原因，用于改進(jìn)電機(jī)設(shè)計或?yàn)殡姍C(jī)選型提供依據(jù)。

根據(jù)與協(xié)作企業(yè)簽訂的技術(shù)規(guī)范書[1],課題組在完成裝置本體設(shè)計的同時，還要完成儲能電機(jī)故障波形分析軟件設(shè)計，用于裝置記錄波形的后臺分析顯示。

根據(jù)教育部推行的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃，本創(chuàng)新訓(xùn)練團(tuán)隊(duì)選取上述項(xiàng)目中波形分析軟件設(shè)計作為研究課題，完成軟件需求分析、概要設(shè)計、編碼調(diào)試、應(yīng)用推廣等方面的創(chuàng)新過程訓(xùn)練，并設(shè)計與實(shí)現(xiàn)了該軟件項(xiàng)目的。

2.需求分析

根據(jù)本創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申報表提出的實(shí)施方案,本項(xiàng)目主要完成一種操作機(jī)構(gòu)儲能電機(jī)啟動和故障波形分析軟件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，其啟動和故障波形由智能I/O裝置實(shí)時運(yùn)行過程中記錄，并保存在裝置的非易失性存儲器中。為了實(shí)現(xiàn)對故障波形的分析顯示，首先需要實(shí)現(xiàn)智能I/O裝置的通信協(xié)議包，獲取其采集和記錄的波形數(shù)據(jù)；根據(jù)裝置記錄的波形信息的特點(diǎn)，需要設(shè)計相應(yīng)的信息對象模型，對采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理、存儲和訪問操作；按照技術(shù)規(guī)范書的要求，選取傅里葉變換算法計算基波分量的有效值，并選用均方根算法計算交流信號的有效值；設(shè)計友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對所獲取波形的顯示、平移、放大/縮小等操作，為電機(jī)專業(yè)工程師分析故障原因提供直觀的分析工具。

3.概要設(shè)計

根據(jù)上述分析，本軟件主要由人機(jī)交互界面、底層串行通信線程、Modbus協(xié)議軟件包和數(shù)據(jù)對象訪問操作等四部分組成，各部分的信息交互關(guān)系如圖1所示。

圖1中各組成模塊主要的訪問操作和數(shù)據(jù)流向關(guān)系如下：操作人員通過用戶界面發(fā)出通信請求后，相應(yīng)的界面操作函數(shù)立即向通信線程發(fā)送指定的請求消息；通信線程收到消息后，調(diào)用Modbus協(xié)議包中的相應(yīng)函數(shù)組織請求報文，并調(diào)用串口通信對象中的發(fā)送函數(shù)將請求命令發(fā)送給智能I/O裝置；之后等待接收裝置的響應(yīng)報文，并調(diào)用解幀函數(shù)提取裝置上報的信息，并將提取的數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)對象之中。

4.軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)用戶需求，在界面上顯示馬達(dá)工作的電壓、電流的有效值，電壓電流的直流分量和基波分量的有效值。智能I/O裝置進(jìn)行交流信號采樣時，每周波采樣24個點(diǎn)的數(shù)據(jù)。這里選用每周波24點(diǎn)采樣的離散均方根算法和傅里葉變換算法[2]進(jìn)行交流采樣數(shù)據(jù)的處理，離散均方根算法的計算方法如式（1）、（2）所示：

式中N=24為一周波內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)，k表示第k次采樣。

傅里葉變換算法計算電壓電流有效值的算法思想如下：假設(shè)交流電氣信號的離散表示如式（3）所示：

將一周采樣的2 4個采樣點(diǎn)代入公式（4）和（5），計算得出Xs和Xc,再由Xs和Xc計算基波的有效值。

4.2 數(shù)據(jù)對象管理

本軟件需要管理的波形信息對象包括3個電機(jī)啟動波形和8個故障波形。每個電機(jī)啟動波形由750個周波的交流采樣信號組成，每個故障波形由故障前30個周波和故障后20個周波，共計50個周波的交流采樣信號組成。此外，本軟件還需要管理電機(jī)運(yùn)行參數(shù)對象。軟件實(shí)現(xiàn)時，采用C++面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ蛯λ@取的信息進(jìn)行管理和訪問操作，設(shè)計了三個類CProcessWaveData、CFaultWaveData和CConfigData分別對上述三種信息對象進(jìn)行封裝管理。為了方便起見，3.1節(jié)選用的數(shù)據(jù)處理方法封裝在前兩個類中，用于波形信息的分析處理。每個類設(shè)計了專門的屬性訪問方法，用于通信協(xié)議包和人機(jī)交互界面模塊訪問信息對象中的數(shù)據(jù)。

4.3 Modbus通信協(xié)議包

智能I/O裝置采用Modbus協(xié)議[3,4]與便攜式主機(jī)通信，將錄波信息上傳給主機(jī)。

由于錄波信息量大，Modbus協(xié)議的基本命令不支持此類詳細(xì)的傳送，為此智能I/O裝置擴(kuò)展了3條命令用于發(fā)送錄波信息。

其中2條命令分別用于傳送啟動波形和故障波形的概貌信息，1條命令用于傳送交流采樣信號的波形信息。

由于Modbus協(xié)議報文通信的流程有比較嚴(yán)格的時序要求，為了實(shí)現(xiàn)正常的報文通信，本文設(shè)計了一個專門的子線程用于實(shí)現(xiàn)底層Modbus報文交互。

Modbus協(xié)議包主要實(shí)現(xiàn)報文發(fā)送/接收、組幀/解幀、通信出錯檢測等功能，其中組幀/解幀部分要與數(shù)據(jù)對象管理和人機(jī)交互兩個模塊進(jìn)行信息交互，通過接口函數(shù)獲取這兩個模塊的信息參數(shù)用于組幀，將解幀獲得的數(shù)據(jù)信息保存到數(shù)據(jù)對象之中。本文設(shè)計的Modbus協(xié)議包以主方式工作，即由本軟件主動向智能I/O裝置發(fā)送命令并控制報文通信的過程。為此，軟件設(shè)計一個OnRunTime運(yùn)行時函數(shù)來實(shí)現(xiàn)報文接收，報文發(fā)送和報文通信超時的判斷。這個運(yùn)行時函數(shù)相當(dāng)于Modbus協(xié)議的主循環(huán)函數(shù)，定時查詢用戶下達(dá)的通信任務(wù)，同時檢測異步串口收發(fā)報文的情況，完成報文收發(fā)和通信流程的控制。

OnRunTime函數(shù)工作流程如圖2所示。

軟件實(shí)現(xiàn)時，設(shè)計了CSerial和CModbus兩個類分別實(shí)現(xiàn)串口訪問和Modbus通信協(xié)議包。由于采用了多線程軟件設(shè)計方法，在線程間消息傳遞和信息交互時采用了臨界區(qū)、信號量等機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步和互斥操作，防止訪問沖突。

4.4 人機(jī)交互界面

應(yīng)用軟件采用V C + +集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計，并選用MFC基于對話框的應(yīng)用程序框架完成軟件的編碼實(shí)現(xiàn)。人機(jī)交互界面設(shè)計時，基于虛擬儀表的設(shè)計思路，模仿電機(jī)工程師熟悉的Fluke數(shù)字式示波表界面，進(jìn)行波形顯示操作。

軟件操作界面設(shè)計的核心是曲線的繪制，曲線選擇、放大/縮小、平移操作和信號分析。曲線繪制是在對話框中開辟專門的曲線顯示區(qū)域，使用VC應(yīng)用程序框架中WM_PAINT消息處理函數(shù)OnPaint來繪制曲線；對于智能I/O裝置中保存的最近3條儲能電機(jī)啟動曲線和8條故障錄波曲線，采用List控件列表對其管理和輸出顯示，用戶在List控件中選擇相應(yīng)的波形進(jìn)行顯示；界面設(shè)計時，模仿Fluke示波表設(shè)置一組改變時間間隔和量程按鈕，對曲線進(jìn)行橫向和縱向放大/縮小操作，設(shè)置左移和右移按鈕對曲線進(jìn)行平移操作。除波形分析顯示之外，軟件實(shí)現(xiàn)了串口配置、儲能電機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場參數(shù)等輔助功能。軟件人機(jī)交互主界面如圖3所示。

5.驗(yàn)證測試

軟件開發(fā)階段工作完成之后，對所實(shí)現(xiàn)的軟件功能進(jìn)行了驗(yàn)證測試。測試的項(xiàng)目主要包括如下兩個方面。

5.1 與智能I/O裝置通信功能

通信功能檢測方法為：采用軟件設(shè)計的報文監(jiān)視對話框監(jiān)視報文通信流程和報文的內(nèi)容，觀測顯示的報文信息與預(yù)設(shè)的通信流程是否一致，對比智能I/O裝置與本軟件顯示的內(nèi)容，檢查兩邊顯示的內(nèi)容是否完全一致。測試過程如下：將后臺主機(jī)與智能I/O裝置通信線連接好，配置好通信參數(shù)，啟動數(shù)據(jù)召喚，軟件自動與裝置建立通信連接，并自動召喚裝置記錄的波形數(shù)據(jù)。報文信息窗口顯示的報文內(nèi)容如圖4所示，通過分析從報文信息窗口捕獲的報文幀信息分析軟件通信的流程，報文信息的內(nèi)容，可以判斷報文通信過程流暢無中斷現(xiàn)象，報文內(nèi)容正確。兩側(cè)設(shè)備顯示的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容相同，說明軟件與裝置的通信功能正確，數(shù)據(jù)處理結(jié)果正確。

5.2 圖形的繪制與操作

通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖5右側(cè)中間啟動和故障概貌信息列表框中的事件，選擇當(dāng)前分析顯示的錄波曲線；每個錄波曲線記錄有三相電壓、三相電流和操縱桿角度7條曲線，通過設(shè)定曲線顯示選項(xiàng)按鈕，可以選擇當(dāng)前顯示的曲線及曲線的顏色等參數(shù)，圖5選擇顯示了第二條啟動波形中Ua和Ia兩條曲線。通過減小/增大量程操作可以對曲線縱向放大/縮小，通過減小/增大間隔操作可以對曲線橫向縮小/放大操作，通過曲線左/右移操作可以平移曲線。每次進(jìn)行曲線操作之后，都核查所繪制曲線與數(shù)據(jù)源的一致性，表明圖形繪制與操作都符合要求。

6.結(jié)論

針對智能變電站隔離開關(guān)智能I/O裝置項(xiàng)目故障錄波信息后臺分析的需求，本文對軟件需求進(jìn)行了分析，并提出了概要設(shè)計方案，著重闡述了軟件的具體設(shè)計思想和方法，最后對所設(shè)計軟件的通信功能和圖形繪制操作進(jìn)行驗(yàn)證測試。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的儲能電機(jī)故障波形分析軟件的符合規(guī)范要求。項(xiàng)目設(shè)計完成之后，交付用戶在工程現(xiàn)場應(yīng)用。