新型煤矿故障录波器的设计

聂文艳，王仲根，郑晓东，韩　芳

(1.淮南师范学院 电气信息工程学院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大学 电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001)



新型煤矿故障录波器的设计

聂文艳1，王仲根2，郑晓东1，韩芳1

(1.淮南师范学院 电气信息工程学院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大学 电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001)

摘要：煤矿变电站要实现数字化、网络化，传统的微机式故障录波器已经不能满足要求。本文提出了一种双CPU、分散式煤矿故障录波器，故障录波器数据采集单元采用高性能DSP芯片TMS320LF2812完成信号的采集与处理，数据管理单元采用S3C2410芯片完成数据存储、显示以及通信功能。测试结果表明了新型故障录波器具有稳定性好、通信能力强以及可以分散安装的优点。

关键词：煤矿；故障录波器；双CPU；分散式

煤矿井下环境潮湿、粉尘较大，容易造成供电电缆漏电、短路等故障，从而造成瓦斯爆炸等危害。另外，由于继电保护装置的误跳造成的断电事故，这些用电安全直接影响到煤矿工人的生命安全以及原煤的生产效率。为了找出故障原因以及故障地点，工程师需要花费大量的时间。因此，煤矿电力系统故障录波器在煤矿供电系统中起着及其关键的作用，它可以为工程师提供故障发生前的电压、电流以及开关装置的动作，为工程师准确掌握事故发生的原因、发生的地点以及采取何种防护措施，起着关键的作用。目前国内煤矿多采用微机式故障录波器，这种故障录波器采用前后台模式，前台往往采用以DSP为核心的数据采集模块，后台是一台工控机[1-2]。这种微机式故障录波器，在数据同步采样、数据通信、灵活性方面都存在不足。随着煤矿变电站的数字化、网络化发展，传统的微机式故障录波器已经不能满足要求。随着高性能芯片的快速发展，一些基于嵌入式系统的故障录波器得到了发展[3-5]。鉴于此，本文提出了一种采用双CPU、分散式结构代替传统录波器的前后台模式，前端由4块以DSP为核心的数据采集单元组成，对采集的电压、电流信号进行处理、分析、故障判断。故障数据通过以太网传送给后端数据管理单元，数据管理单元以ARM芯片为核心，完成数据的存储、显示以及远传通信功能等。这种双CPU、分散式录波器采用模块化设计，可以作为一个故障录波器单元分散安装在各个变电所开关柜中，用户可以根据需要，将几个录波器单元组网、协调工作。

1新型煤矿故障录波器系统组成

新型煤矿故障录波器采用模块化设计，主要包含数据采集、数据管理两个单元。数据采集单元的数量由用户根据实际情况进行配置，它由采集控制模块、集线器和电源模块三个部分组成，主要负责信号采集、记录、判断启动和传输故障数据等。本文设计的煤矿故障录波器数据采集单元包含4块采集控制模块，可以同时采集24路模拟量，32路开关量，采集控制模块可以根据需要最多扩充到6块，其结构如图1所示。每个采集控制模块通过以太网连接到数据管理单元，数据采集单元内设计了GPS模块电路，以保证各采集控制模块同步采样。数据管理单元，以ARM芯片为核心，采用模块化设计，完成数据的存储、显示以及数据通信等功能。

1.1　数据采集单元

数据采集单元由4块以DSP为核心的采集控制模块以及电源模块和集线器各一块组成，完成对电压、电流、开关量等数据的采集和处理，如图2所示。井下用电设备的模拟信号由一次交流互感器转换后，再经过信号调理电路进行调理，最后送至A/D转换电路进行采样。用电设备的开关量信号不能直接送给CPU的I/O口，需经过光电隔离电路处理后方可送入。通过对数据采集单元采集到的模拟量信号和开关量信号进行计算和分析，如果满足故障启动录波条件，则立刻发出一个录波脉冲信号，不同采集控制单元开始同步录波。一旦启动录波，故障数据通过以太网实时传送到数据管理单元。本系统中，DSP芯片采用TMS320LF2812，A/D采用了6通道16位模/数转换器ADS8364[6-7]。

煤矿井下的高电压和高电流在经过一次互感器转换后，得到100 V的电压和5 A的电流信号。100 V的电压信号和5A的电流信号对于AD采集模块而言信号较大，因此有必要对前面处理过的信号做进一步调理，经过调理后的电压(-5 V~+5 V)、电流(0~5 A)信号直接送入AD模块[8]。图3和图4分别为电压、电流调理电路。

图3电压调理电路图 图4电流调理电路

开关量信号需经过光电隔离后才能送给DSP进行处理，光电隔离电路如图5所示。

1.2　数据管理单元

数据管理单元以ARM芯片S3C2410为核心，如图6所示，运行Linux操作系统[9]。一旦启动录波后，与数据采集单元通过以太网实现数据的传送，将故障前后的电压、电流数据保存，同时设计了触摸屏接口电路，方便工作人员查阅故障数据文件，以及对系统进行设置等操作。另外为了大容量存储故障数据，在IDE接口外接了一个大容量硬盘。

2系统程序流程

系统上电后，首先进行初始化，工程师可以通过触摸屏设置系统运行方式以及一些相关参数。系统设置完成后，数据管理单元通过以太网接口给数据采集单元发送指令，启动各个数据采集单元即开始工作，对电压、电流模拟量和开关量进行实时采集，并对采集的数据进行处理、计算以用来判断是否满足录波启动条件。如果满足启动录波条件，则立刻向所有相关的数据采集单元发出脉冲信号，作为启动录波的起始信号，同时故障数据通过以太网实时传到数据管理单元。录波结束后，数据管理单元将缓冲区中的故障数据进行整理、保存并生成硬盘数据文件和配置文件，以便工程师对故障数据进行相量图分析、功率、谐波、故障测距、阻抗图等分析工作，准确找出故障原因以及故障地点。系统整个程序流程如图7所示。

3系统测试及结果分析

根据整个系统模块化的设计方案以及整个工作流程，搭建了硬件平台，在S3C2410芯片上移植了Linux操作系统，并在此基础上开发了故障数据分析软件。该软件可以对电压、电流实时进行监测与分析，同时还可以对故障录波数据进行分析、故障测距等。图8为谐波分析界面，通过谐波分析，可以更好地帮助工程师了解变压器保护动作行为。图9为阻抗轨迹分析界面，通过阻抗轨迹图可以形象的反映出继电器阻抗轨迹动作特性，准确了解继电器的动作情况。从图8，9可以看出，故障数据分析软件具有功能强大、可视化界面好等优点。

图8谐波分析界面图 图9阻抗轨迹分析界面

4结束语

针对目前煤矿故障录波器存在的不足，本文设计了一种基于双CPU、分散式的故障录波器。新型录波器采用以DSP为核心组成数据采集单元完成数据的采集与分析，采用以ARM为核心的数据管理单元完成故障数据的存储、显示以及远传通信等。通过系统测试可以看出新型煤矿故障录波器能够很好地完成电压、电流的在线监测以及故障数据分析，具有运行速度快、稳定性好、通信能力强、可以分散安装等优点。在煤矿供电系统的故障分析和在线监控领域具有广泛的应用前景。

参考文献:

[1] 陈昊琳, 张国庆, 郭志忠. 故障录波器发展历程及现状分析[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38( 5): 148 -152.

[2] 毛学英. 基于单片机的智能电力系统故障录波仪浅析[J]. 电子技术与软件工程, 2013(12): 156-157.

[3] 聂文艳, 王仲根. 分散式煤矿电力系统故障录波器的设计[J]. 煤炭工程, 2013(6): 18-20.

[4] 严桂, 贾存良, 黄文芳, 等. 基于嵌入式操作系统的故障录波器通信接口设计[J]. 测控技术, 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, 黄文芳. 基于嵌入式电力故障录波器的设计[J]. 仪表技术与传感器, 2010(9): 65-67.

[7] 叶水光, 郝学磊.DSP与MSP430的电力系统故障录波器设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2011(7): 61-64.

[8] 严 桂, 贾存良, 黄文芳. 基于嵌入式系统的电力故障录波器[J]. 仪表技术与传感器, 2008(1): 47-49.

[9] 马忠梅, 马广云. ARM嵌入式处理器结构与应用基础[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 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

中图分类号：TD64

文献标识码：A

文章编号：1007-4260(2015)01-0052-04

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

作者简介：聂文艳，女，安徽寿县人，硕士，淮南师范学院电气信息工程学院讲师， 研究方向为煤矿自动化、检测技术、信号处理。

基金项目：安徽省高等学校优秀青年人才基金项目(2012SQRL175)和淮南市科技计划项目(2013A4101)。

收稿日期：2014-04-20