聶文艷，王仲根，鄭曉東，韓　芳

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

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新型煤礦故障錄波器的設計

聶文艷1，王仲根2，鄭曉東1，韓芳1

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

摘要：煤礦變電站要實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化，傳統(tǒng)的微機式故障錄波器已經(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、顯示以及通信功能。測試結(jié)果表明了新型故障錄波器具有穩(wěn)定性好、通信能力強以及可以分散安裝的優(yōu)點。

關鍵詞：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，工程師需要花費大量的時間。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、電流以及開關裝置的動作，為工程師準確掌握事故發(fā)生的原因、發(fā)生的地點以及采取何種防護措施，起著關鍵的作用。目前國內(nèi)煤礦多采用微機式故障錄波器，這種故障錄波器采用前后臺模式，前臺往往采用以DSP為核心的數(shù)據(jù)采集模塊，后臺是一臺工控機[1-2]。這種微機式故障錄波器，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)絡化發(fā)展，傳統(tǒng)的微機式故障錄波器已經(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)錄波器的前后臺模式，前端由4塊以DSP為核心的數(shù)據(jù)采集單元組成，對采集的電壓、電流信號進行處理、分析、故障判斷。故障數(shù)據(jù)通過以太網(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、顯示以及遠傳通信功能等。這種雙CPU、分散式錄波器采用模塊化設計，可以作為一個故障錄波器單元分散安裝在各個變電所開關柜中，用戶可以根據(jù)需要，將幾個錄波器單元組網(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計，主要包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理兩個單元。數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)量由用戶根據(jù)實際情況進行配置，它由采集控制模塊、集線器和電源模塊三個部分組成，主要負責信號采集、記錄、判斷啟動和傳輸故障數(shù)據(jù)等。本文設計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，可以同時采集24路模擬量，32路開關量，采集控制模塊可以根據(jù)需要最多擴充到6塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個采集控制模塊通過以太網(wǎng)連接到數(shù)據(jù)管理單元，數(shù)據(jù)采集單元內(nèi)設計了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，采用模塊化設計，完成數(shù)據(jù)的存儲、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，完成對電壓、電流、開關量等數(shù)據(jù)的采集和處理，如圖2所示。井下用電設備的模擬信號由一次交流互感器轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過信號調(diào)理電路進行調(diào)理，最后送至A/D轉(zhuǎn)換電路進行采樣。用電設備的開關量信號不能直接送給CPU的I/O口，需經(jīng)過光電隔離電路處理后方可送入。通過對數(shù)據(jù)采集單元采集到的模擬量信號和開關量信號進行計算和分析，如果滿足故障啟動錄波條件，則立刻發(fā)出一個錄波脈沖信號，不同采集控制單元開始同步錄波。一旦啟動錄波，故障數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實時傳送到數(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)過一次互感器轉(zhuǎn)換后，得到100 V的電壓和5 A的電流信號。100 V的電壓信號和5A的電流信號對于AD采集模塊而言信號較大，因此有必要對前面處理過的信號做進一步調(diào)理，經(jīng)過調(diào)理后的電壓(-5 V~+5 V)、電流(0~5 A)信號直接送入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

開關量信號需經(jīng)過光電隔離后才能送給DSP進行處理，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，運行Linux操作系統(tǒng)[9]。一旦啟動錄波后，與數(shù)據(jù)采集單元通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，將故障前后的電壓、電流數(shù)據(jù)保存，同時設計了觸摸屏接口電路，方便工作人員查閱故障數(shù)據(jù)文件，以及對系統(tǒng)進行設置等操作。另外為了大容量存儲故障數(shù)據(jù)，在IDE接口外接了一個大容量硬盤。

2系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，工程師可以通過觸摸屏設置系統(tǒng)運行方式以及一些相關參數(shù)。系統(tǒng)設置完成后，數(shù)據(jù)管理單元通過以太網(wǎng)接口給數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送指令，啟動各個數(shù)據(jù)采集單元即開始工作，對電壓、電流模擬量和開關量進行實時采集，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理、計算以用來判斷是否滿足錄波啟動條件。如果滿足啟動錄波條件，則立刻向所有相關的數(shù)據(jù)采集單元發(fā)出脈沖信號，作為啟動錄波的起始信號，同時故障數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實時傳到數(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)進行整理、保存并生成硬盤數(shù)據(jù)文件和配置文件，以便工程師對故障數(shù)據(jù)進行相量圖分析、功率、諧波、故障測距、阻抗圖等分析工作，準確找出故障原因以及故障地點。系統(tǒng)整個程序流程如圖7所示。

3系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

根據(jù)整個系統(tǒng)模塊化的設計方案以及整個工作流程，搭建了硬件平臺，在S3C2410芯片上移植了Linux操作系統(tǒng)，并在此基礎上開發(fā)了故障數(shù)據(jù)分析軟件。該軟件可以對電壓、電流實時進行監(jiān)測與分析，同時還可以對故障錄波數(shù)據(jù)進行分析、故障測距等。圖8為諧波分析界面，通過諧波分析，可以更好地幫助工程師了解變壓器保護動作行為。圖9為阻抗軌跡分析界面，通過阻抗軌跡圖可以形象的反映出繼電器阻抗軌跡動作特性，準確了解繼電器的動作情況。從圖8，9可以看出，故障數(shù)據(jù)分析軟件具有功能強大、可視化界面好等優(yōu)點。

圖8諧波分析界面圖 圖9阻抗軌跡分析界面

4結(jié)束語

針對目前煤礦故障錄波器存在的不足，本文設計了一種基于雙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、顯示以及遠傳通信等。通過系統(tǒng)測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)測以及故障數(shù)據(jù)分析，具有運行速度快、穩(wěn)定性好、通信能力強、可以分散安裝等優(yōu)點。在煤礦供電系統(tǒng)的故障分析和在線監(jiān)控領域具有廣泛的應用前景。

參考文獻:

[1] 陳昊琳, 張國慶, 郭志忠. 故障錄波器發(fā)展歷程及現(xiàn)狀分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38( 5): 148 -152.

[2] 毛學英. 基于單片機的智能電力系統(tǒng)故障錄波儀淺析[J]. 電子技術與軟件工程, 2013(12): 156-157.

[3] 聶文艷, 王仲根. 分散式煤礦電力系統(tǒng)故障錄波器的設計[J]. 煤炭工程, 2013(6): 18-20.

[4] 嚴桂, 賈存良, 黃文芳, 等. 基于嵌入式操作系統(tǒng)的故障錄波器通信接口設計[J]. 測控技術, 2013, 32(10): 116-120.

[5] Wenyan Nie, Zhonggen Wang. Design of A double CPU and Distributed Coal Mine Fault Oscillograph[J]. Advanced Materials Research, 2013(11): 306-309.

[6] 周天沛, 黃文芳. 基于嵌入式電力故障錄波器的設計[J]. 儀表技術與傳感器, 2010(9): 65-67.

[7] 葉水光, 郝學磊.DSP與MSP430的電力系統(tǒng)故障錄波器設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2011(7): 61-64.

[8] 嚴 桂, 賈存良, 黃文芳. 基于嵌入式系統(tǒng)的電力故障錄波器[J]. 儀表技術與傳感器, 2008(1): 47-49.

[9] 馬忠梅, 馬廣云. ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應用基礎[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2003: 67-73.

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：TD64

文獻標識碼：A

文章編號：1007-4260(2015)01-0052-04

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

作者簡介：聶文艷，女，安徽壽縣人，碩士，淮南師范學院電氣信息工程學院講師， 研究方向為煤礦自動化、檢測技術、信號處理。

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

收稿日期：2014-04-20