新型煤礦故障錄波器的設(shè)計(jì)

聶文艷，王仲根，鄭曉東，韓　芳

(1.淮南師范學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

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新型煤礦故障錄波器的設(shè)計(jì)

聶文艷1，王仲根2，鄭曉東1，韓芳1

(1.淮南師范學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

摘要：煤礦變電站要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，傳統(tǒng)的微機(jī)式故障錄波器已經(jīng)不能滿足要求。本文提出了一種雙CPU、分散式煤礦故障錄波器，故障錄波器數(shù)據(jù)采集單元采用高性能DSP芯片TMS320LF2812完成信號(hào)的采集與處理，數(shù)據(jù)管理單元采用S3C2410芯片完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示以及通信功能。測(cè)試結(jié)果表明了新型故障錄波器具有穩(wěn)定性好、通信能力強(qiáng)以及可以分散安裝的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：煤礦；故障錄波器；雙CPU；分散式

煤礦井下環(huán)境潮濕、粉塵較大，容易造成供電電纜漏電、短路等故障，從而造成瓦斯爆炸等危害。另外，由于繼電保護(hù)裝置的誤跳造成的斷電事故，這些用電安全直接影響到煤礦工人的生命安全以及原煤的生產(chǎn)效率。為了找出故障原因以及故障地點(diǎn)，工程師需要花費(fèi)大量的時(shí)間。因此，煤礦電力系統(tǒng)故障錄波器在煤礦供電系統(tǒng)中起著及其關(guān)鍵的作用，它可以為工程師提供故障發(fā)生前的電壓、電流以及開(kāi)關(guān)裝置的動(dòng)作，為工程師準(zhǔn)確掌握事故發(fā)生的原因、發(fā)生的地點(diǎn)以及采取何種防護(hù)措施，起著關(guān)鍵的作用。目前國(guó)內(nèi)煤礦多采用微機(jī)式故障錄波器，這種故障錄波器采用前后臺(tái)模式，前臺(tái)往往采用以DSP為核心的數(shù)據(jù)采集模塊，后臺(tái)是一臺(tái)工控機(jī)[1-2]。這種微機(jī)式故障錄波器，在數(shù)據(jù)同步采樣、數(shù)據(jù)通信、靈活性方面都存在不足。隨著煤礦變電站的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，傳統(tǒng)的微機(jī)式故障錄波器已經(jīng)不能滿足要求。隨著高性能芯片的快速發(fā)展，一些基于嵌入式系統(tǒng)的故障錄波器得到了發(fā)展[3-5]。鑒于此，本文提出了一種采用雙CPU、分散式結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)錄波器的前后臺(tái)模式，前端由4塊以DSP為核心的數(shù)據(jù)采集單元組成，對(duì)采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行處理、分析、故障判斷。故障數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送給后端數(shù)據(jù)管理單元，數(shù)據(jù)管理單元以ARM芯片為核心，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示以及遠(yuǎn)傳通信功能等。這種雙CPU、分散式錄波器采用模塊化設(shè)計(jì)，可以作為一個(gè)故障錄波器單元分散安裝在各個(gè)變電所開(kāi)關(guān)柜中，用戶可以根據(jù)需要，將幾個(gè)錄波器單元組網(wǎng)、協(xié)調(diào)工作。

1新型煤礦故障錄波器系統(tǒng)組成

新型煤礦故障錄波器采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理兩個(gè)單元。數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)量由用戶根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置，它由采集控制模塊、集線器和電源模塊三個(gè)部分組成，主要負(fù)責(zé)信號(hào)采集、記錄、判斷啟動(dòng)和傳輸故障數(shù)據(jù)等。本文設(shè)計(jì)的煤礦故障錄波器數(shù)據(jù)采集單元包含4塊采集控制模塊，可以同時(shí)采集24路模擬量，32路開(kāi)關(guān)量，采集控制模塊可以根據(jù)需要最多擴(kuò)充到6塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)采集控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)連接到數(shù)據(jù)管理單元，數(shù)據(jù)采集單元內(nèi)設(shè)計(jì)了GPS模塊電路，以保證各采集控制模塊同步采樣。數(shù)據(jù)管理單元，以ARM芯片為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示以及數(shù)據(jù)通信等功能。

1.1　數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元由4塊以DSP為核心的采集控制模塊以及電源模塊和集線器各一塊組成，完成對(duì)電壓、電流、開(kāi)關(guān)量等數(shù)據(jù)的采集和處理，如圖2所示。井下用電設(shè)備的模擬信號(hào)由一次交流互感器轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，最后送至A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行采樣。用電設(shè)備的開(kāi)關(guān)量信號(hào)不能直接送給CPU的I/O口，需經(jīng)過(guò)光電隔離電路處理后方可送入。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集單元采集到的模擬量信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和分析，如果滿足故障啟動(dòng)錄波條件，則立刻發(fā)出一個(gè)錄波脈沖信號(hào)，不同采集控制單元開(kāi)始同步錄波。一旦啟動(dòng)錄波，故障數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)管理單元。本系統(tǒng)中，DSP芯片采用TMS320LF2812，A/D采用了6通道16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364[6-7]。

煤礦井下的高電壓和高電流在經(jīng)過(guò)一次互感器轉(zhuǎn)換后，得到100 V的電壓和5 A的電流信號(hào)。100 V的電壓信號(hào)和5A的電流信號(hào)對(duì)于AD采集模塊而言信號(hào)較大，因此有必要對(duì)前面處理過(guò)的信號(hào)做進(jìn)一步調(diào)理，經(jīng)過(guò)調(diào)理后的電壓(-5 V~+5 V)、電流(0~5 A)信號(hào)直接送入AD模塊[8]。圖3和圖4分別為電壓、電流調(diào)理電路。

圖3電壓調(diào)理電路圖 圖4電流調(diào)理電路

開(kāi)關(guān)量信號(hào)需經(jīng)過(guò)光電隔離后才能送給DSP進(jìn)行處理，光電隔離電路如圖5所示。

1.2　數(shù)據(jù)管理單元

數(shù)據(jù)管理單元以ARM芯片S3C2410為核心，如圖6所示，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)[9]。一旦啟動(dòng)錄波后，與數(shù)據(jù)采集單元通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，將故障前后的電壓、電流數(shù)據(jù)保存，同時(shí)設(shè)計(jì)了觸摸屏接口電路，方便工作人員查閱故障數(shù)據(jù)文件，以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置等操作。另外為了大容量存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)，在IDE接口外接了一個(gè)大容量硬盤(pán)。

2系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，工程師可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行方式以及一些相關(guān)參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)置完成后，數(shù)據(jù)管理單元通過(guò)以太網(wǎng)接口給數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送指令，啟動(dòng)各個(gè)數(shù)據(jù)采集單元即開(kāi)始工作，對(duì)電壓、電流模擬量和開(kāi)關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算以用來(lái)判斷是否滿足錄波啟動(dòng)條件。如果滿足啟動(dòng)錄波條件，則立刻向所有相關(guān)的數(shù)據(jù)采集單元發(fā)出脈沖信號(hào)，作為啟動(dòng)錄波的起始信號(hào)，同時(shí)故障數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳到數(shù)據(jù)管理單元。錄波結(jié)束后，數(shù)據(jù)管理單元將緩沖區(qū)中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、保存并生成硬盤(pán)數(shù)據(jù)文件和配置文件，以便工程師對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行相量圖分析、功率、諧波、故障測(cè)距、阻抗圖等分析工作，準(zhǔn)確找出故障原因以及故障地點(diǎn)。系統(tǒng)整個(gè)程序流程如圖7所示。

3系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)方案以及整個(gè)工作流程，搭建了硬件平臺(tái)，在S3C2410芯片上移植了Linux操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了故障數(shù)據(jù)分析軟件。該軟件可以對(duì)電壓、電流實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，同時(shí)還可以對(duì)故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、故障測(cè)距等。圖8為諧波分析界面，通過(guò)諧波分析，可以更好地幫助工程師了解變壓器保護(hù)動(dòng)作行為。圖9為阻抗軌跡分析界面，通過(guò)阻抗軌跡圖可以形象的反映出繼電器阻抗軌跡動(dòng)作特性，準(zhǔn)確了解繼電器的動(dòng)作情況。從圖8，9可以看出，故障數(shù)據(jù)分析軟件具有功能強(qiáng)大、可視化界面好等優(yōu)點(diǎn)。

圖8諧波分析界面圖 圖9阻抗軌跡分析界面

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前煤礦故障錄波器存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于雙CPU、分散式的故障錄波器。新型錄波器采用以DSP為核心組成數(shù)據(jù)采集單元完成數(shù)據(jù)的采集與分析，采用以ARM為核心的數(shù)據(jù)管理單元完成故障數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示以及遠(yuǎn)傳通信等。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試可以看出新型煤礦故障錄波器能夠很好地完成電壓、電流的在線監(jiān)測(cè)以及故障數(shù)據(jù)分析，具有運(yùn)行速度快、穩(wěn)定性好、通信能力強(qiáng)、可以分散安裝等優(yōu)點(diǎn)。在煤礦供電系統(tǒng)的故障分析和在線監(jiān)控領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Design of a New Coal Mine Fault Oscillograph

NIE Wen-yan1, WANG Zhong-gen2, ZHENG Xiao-dong1, HAN Fang1

(1.School of Electronic Engineering, Huainan Normal University, Huainan 232001,China;

2. College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001,China)

Abstract:Traditional microcomputer fault oscillograph cannot meet the requirements of coal mine substation to digital and networked. A double CPU and distributed coal mine fault oscillograph is presented, where the device data acquisition unit of new fault oscillograph are collected and deal with by using high performance DSP chip TMS320LF2812, the data management unit is completed by using S3C2410 chip to storage data, display and communication function. Test results show that the new fault oscillograph could separately install in each substation and has stable operation and high communication capacity advantages.

Key words:cole mine, fault oscillographm, double CPU, distributed

中圖分類號(hào)：TD64

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-4260(2015)01-0052-04

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.015

作者簡(jiǎn)介：聶文艷，女，安徽壽縣人，碩士，淮南師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院講師， 研究方向?yàn)槊旱V自動(dòng)化、檢測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理。

基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目(2012SQRL175)和淮南市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013A4101)。

收稿日期：2014-04-20