由于配电设备量大面广，对配电设备状态监测研究不够深入，针对该情况，文章设计了一种配电设备状态信息采集系统。采集系统以LabWindows/CVI为软件开发平台，结合串行接口、USB接口，利用多线程技术，实现了对配电设备状态量的高速采集、实时显示以及存储等功能。实验结果表明，该系统能运用于大规模数据的实时采集，且具有可靠性高、可扩展性好等优点，为全面获取配电设备状态信息提供解决思路与可行方法。
0引言
配电设备作为配电网的物理载体，其健康水平对配电网的运行至关重要。然而，随着配电设备运行时间的增长，设备会在负荷、环境、外力等影响下发生老化、疲劳及磨损，导致性能逐渐降低，更有甚者造成突发事件，除此，智能电网的发展对配电系统的可靠性提出更高的要求。因此，对配电设备进行状态监测，全面掌握配电设备的健康状态，及时获取设备劣化过程，是预防设备故障、保证配电网正常运行的基础。
在高压配电网中，巡检人员通过SCADA系统获得实时数据来获取设备健康状况，然而在中低压配电网中，由于设备成本较低，中低压配电设备很难配有相应的远程终端单元，导致状态监测等研究在中低压配电设备中仍处于落后状态。目前状态监测工作仅凭借设备的外观来判断设备是否故障，或是通过万用表、钳形电流表等来获取中低压线路上的电压、电流等基础数据。该状态监测方式不仅可能存在误差，而且不能及时、全面掌握配电设备健康状况。本文针对中低压配电设备，提出一种配电设备状态信息采集系统的设计方法，实现对配电设备关键特征量的信号采集、数据记录等操作。为了能满足上述需求，保证数据的完整性，采用多线程机制，在接收数据的同时实时显示、保存数据，来提高CPU的利用率，确保该系统的实时性。
1系统总体设计方案
电力巡检人员提供设备运行时的关键特征参数，是巡检人员判断设备是否健康，由此排除设备故障的重要手段。中低压配电设备信息采集系统由传感器、适配器、测试资源及上位机组成。总体方案见图1。采集系统能够准确测出配电设备特征信号的频率、幅值等信息，并通过相应的分析提取设备运行时的特征信号，判断设备健康状况。
图1系统总体设计方案
2系统硬件设计
2.1系统需求分析
由于该系统面向中低压配电设备，设备量大面广且种类繁多，能表征配电设备健康状态的关键特征量主要有以下几种：变压器油温、断路器动触头温度、断路器动触头行程曲线、架空线路与电缆线路的负荷电流、电缆线路泄漏电流及局部放电等信号。针对上述状态信息量，将这些状态信息信号按频率分成温度这类变换缓慢信号、泄露电流等中速信号及局部放电等高速信号。
2.2传感器与适配器
在配电设备状态信息采集系统中，传感器用于获取配电设备状态信息量，将状态信息转换成电信号。
为了测量配电设备状态量信号，采用温度传感器、霍尔传感器及加速度传感器等，传感器测量得到的信号经过信号调理单元转换，使信号电压范围满足测试资源的输入要求。
2.3数据采集终端
配电设备状态信息数据采集系统中的测试资源将信号进行A/D转换。针对系统需求，选用3种不同采样频率的测试资源。由于RS485设备易于控制，成本低廉，且串口的传输速率能够保证中低速信号数据的完整性，故对于温度等变换缓慢的信号，采用10Hz的I/O模块，对于泄露电流等变换较慢的信号，采用5400Hz的I/O模块，为了能无失真地采集局部放电等高速信号，采用采集频率可达10MHz的USB采集卡，并通过USB总线进行数据传输，见图2。
图2上位机与多个测试资源通信
3数据采集系统软件设计
数据采集系统软件需要对采集卡进行控制以及对采集信号进行数据处理，故本文采用NI公司推出的面向测控领域的LabWindows/CVI为软件开发平台，实现对数据采集硬件控制，并对数据进行基本处理、存储与显示。
数据采集系统软件主要包含4大功能，即实时采集部分、显示数据部分、存储数据部分及分析数据部分。其中实时采集部分主要负责从设备中实时获取数据，显示数据部分则用于显示实时采集的数据及分析后的数据，而存储数据部分则将实时采集的数据存储成TXT格式，分析数据部分则用于提取采集数据的特征。
由于数据采集系统对时间要求严格，若采用单线程，对每个设备进行轮询，这样就大大降低了CPU的利用率及系统的实时性。例如，若软件正从一个串口读取数据，则软件不仅丢失了其他串口或其他总线传输的数据，而且还不能更新用户界面。故当有大量任务需要并发进行时，需要采用多线程技术，这样不仅可以同时使用多个采集模块，还能进行实时显示、保存等功能，提高系统的实时性。
3.1多线程的设计
线程的创建和销毁都需要分配、释放空间，对CPU的开销很大。若大量线程频繁的切换与释放，会成为该软件性能提升的瓶颈因素。故采用LabWindows/CVI中的线程池技术，对资源进行复用：在任务还未到来之前，创建一定线程，放入空闲队列中，这些线程起初处于睡眠状态，不消耗CPU，仅占用较小的内存空间，当请求到来后，缓冲池给该请求分配空闲线程，将请求传入此线程中进行处理。通过采用线程池，避免了频繁创建和销毁线程，从而提高系统性能。在该软件中，除主线程外，对每个串口设置一个线程，对USB采集卡设置一个采集线程、一个显示线程、一个存储线程。见图3。
图3线程池结构图
3.2主线程
主线程用于负责用户界面操作，初始化辅助线程，并负责辅助线程调度。初始状态时串口线程及USB线程处于睡眠状态，当任务到来时，根据任务类型唤醒相应线程来进行处理，完成任务后返回线程池。
3.3串口线程
配电设备状态信息采集系统中的测试资源包含2种RS485设备，常用的多串口通信方式通常有如下几种方式：采用单线程技术，通过设置定时器实现串口通信；对于所有串口设定一个读线程与一个写线程，其中，读线程从所有串口中读取数据，写线程将读取的数据写入缓存区，而主线程则用于负责管理子线程及显示数据、存储数据等功能；对每个串口设置一个线程，该线程负责每个串口的读取与写入，而主线程则用于管理子线程等。由于两个RS485设备的采集频率相差较大，若对两个串口同时设定一个读线程和一个写线程，这样就会增加高采集频率的采集设备的等待时间。故采用一个线程对应一个串口，这样每个串口的通信较为独立，效率高。
3.4USB采集卡多线程的设计
为了确保USB采集卡连续高速的采集，针对该采集卡创建一个采集线程来确保采集的实时性，这就导致在该采集线程中不能有任何窗口等图形操作，针对这种情况，再开辟一个子线程对其进行实时显示，而这个显示线程起初进入睡眠状态，是采集线程通过事件激活显示线程，使显示线程对采集的数据进行显示，为了将数据实时存储，采用同样的方式，开辟存储线程。
软件运行过程中，为了避免显示线程阻塞间接导致保存线程丢失数据，故采用二级缓冲区来避免这一情况的发生。当采集线程将一段大小的数据放入一块缓冲区后，除了继续采集外，还会改变缓冲区标志，告之显示线程可以将该缓冲区的数据进行处理与显示，当显示线程处理完数据后，发送消息给保存线程，然后再将下一次采集的数据放入第二块缓冲区，如此周而复始，这样不仅不会丢失数据，而且显示线程及保存线程有时间能处理缓冲区的数据。
4应用实验
断路器作为配电网中最关键的保护和控制设备，其健康状况直接关系到配电网的可靠性。国际大电网会议对电力部门的调查研究表明，机械故障占断路器总故障的70.3%，故机械故障的诊断在断路器的状态监测中占有重要地位。从分合闸线圈电流、动触头行程曲线等信号可以判断断路器是否存在卡涩或接触不良，从而掌握断路器机械操作系统的情况，由此来判断断路器的健康状况。
现通过采集断路器在分闸过程中的特征信号验证该配电设备状态信息采集系统，配置测试资源USB采集卡的采样速率为25kHz进行实时采集并经过USB总线传输至上位机实时显示与存储。其工作界面见图4，该图为断路器分闸过程中的分闸线圈电流波形。
图4软件界面
图5是断路器在分闸过程中实测的动触头行程曲线（a）、分闸线圈电流（b）及触头刚分信号（c）。图（b）中的0为断路器分命令到达时刻，t1为铁芯开始运动时刻，t3为铁芯撞到支持部分停止运动时刻，图（c）中t2为主触头分离时刻。
在断路器分闸过程中，各个时间段与断路器运动状态有着一一对应关系，且与示波器所得的信号趋势一致，与实际情况相符。
图5分闸实测的结果
5结语
本文详细描述了中低压配电设备状态信息采集系统的总体方案、硬件设计与软件设计。通过该系统采集了永磁断路器在分闸过程中的行程曲线、分闸线圈电流及刚分信号。本文所提出的中低压配电设备状态信息采集系统以LabWindows/CVI为平台，采用模块化思想，具有成本低及良好的可扩展性等优点，通过利用多线程技术合理地配置及调度辅助线程，能实时采集大规模数据，满足设计需求。通过采集断路器的关键特征信号，验证了该系统能准确获取设备状态信息，巡检人员可通过采集中低压配电设备特征信号来判断设备健康状况，从而采取相应的维修措施，提高配电网可靠性，为全面获取中低压配电设备状态信息提供解决思路与可行方法。
作者简介
余柳玉，女，硕士研究生，研究方向为配电自动化、检测技术与自动化装置。
袁海文，男，教授，博士，博士生导师，教授，主要研究方向为电力电子技术、检测技术与自动化装置、嵌入式工程应用。
引文信息
余柳玉，袁海文，马钊，等.中低压配电设备状态信息采集系统总体设计及其实现中的关键软硬件技术[J].供用电，2016,33（1）：21-24.
原标题：【特别策划】中低压配电设备状态信息采集系统总体设计 及其实现中的关键软硬件技术
