基于分時復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

謝 勇，酈忠偉，鐘天翔，王 雷

（華能國際電力股份有限公司玉環(huán)電廠，浙江玉環(huán) 317604）

在電網(wǎng)和電力系統(tǒng)中，電流和電壓出現(xiàn)細微的異常變化都可能會使電力系統(tǒng)在短時間內(nèi)出現(xiàn)故障，給電力企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。因此，需對電氣設(shè)備的回路狀態(tài)進行實時監(jiān)測[1]。

傳統(tǒng)的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)大多采用PC 機與上位機相連的方式，構(gòu)建了獨特的回路狀態(tài)監(jiān)測模型，然后利用C 語言編程來分析回路狀態(tài)數(shù)據(jù)中故障發(fā)生的位置，根據(jù)電氣設(shè)備的回路狀態(tài)，確定回路狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲空間，使電氣設(shè)備回路狀態(tài)信號保持定向排列，由排列方式判斷出電氣設(shè)備在回路過程中是否發(fā)生故障。但隨著對電氣設(shè)備的不斷改進，這種傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)逐漸顯現(xiàn)出諸多弊端，例如系統(tǒng)難以及時監(jiān)測電氣設(shè)備在回路過程中發(fā)生了故障，且監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度低，只能存儲少量數(shù)據(jù)，難以實現(xiàn)低功耗監(jiān)測，監(jiān)測效率低下[2-3]。

針對以上傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，該文設(shè)計了基于分時復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于分時復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源電路設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的電源電路決定了整個監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況。在電路的輸入端存在電氣設(shè)備的差分信號，這類信號會引起較大的共模干擾，并且共模干擾所產(chǎn)生的電流較大。當(dāng)電源電路參數(shù)不對稱時，差分信號引發(fā)的干擾會對監(jiān)測系統(tǒng)的正常監(jiān)測產(chǎn)生嚴(yán)重影響，電源電路抗干擾能力較好，與其他電源芯片相比，在頻率方面，該電源芯片擁有最高的共模抑制比，其他電源芯片的共模抑制比在150 Hz 頻率處就開始下降[4-5]。

一般情況下，工作頻率為20 kHz 的電源芯片，其共模抑制比保持在90 dB 上下，所以該電源芯片可以抑制各類信號的干擾以及線路諧波，極大地降低了濾波要求。同時考慮到電氣設(shè)備的差分信號中夾雜著電壓信號，太高的電壓會影響電源電路的電壓穩(wěn)定性，因此電源電路的電壓控制在3.3～12 V，電流控制在1.8～4.1 A，確保電氣設(shè)備在回路過程中不在截止區(qū)或放大區(qū)[6-7]。

1.2 采集器設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的采集器選擇TI 公司最新推出的TD7364，該采集器具有200 MHz 的采樣時鐘，采集器的采樣頻率為180 MSPS。采集器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2 可知，該文設(shè)計的采集器具有4 位ECL輸出口和多個USB 接口，可通過引腳的數(shù)量選擇單、雙口采集方式。由于該采集器的引腳為16 個，所以采集方式選擇單口方式，只有在電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，采集器才可采用兩口交替采集方式，這樣可以快速采集電氣設(shè)備狀態(tài)異常數(shù)據(jù)，從而確定故障產(chǎn)生原因。采集器可與邏輯電平直接相連，其輸出信號帶寬為400 MHz，功耗為150 mW。該采集器具有功耗低的特點，其電路電壓為3.3 V，電流為1.2 A，電路為整個器件供電，采樣時鐘外部設(shè)有多個串行通信接口，處理器可通過串行通信接口處理采集到的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并由邏輯控制單元完成對采樣數(shù)據(jù)的控制。

盡管采集器采用3.3 V 的工作電源，但在電路設(shè)計時，為保證采集器能夠采集到完整的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)，應(yīng)提供模擬、數(shù)字兩路不同的3.3 V 電源，以此減小信噪比帶來的影響[8-10]。

1.3 處理器設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)中存儲了大量的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用處理器對數(shù)據(jù)進行控制和處理，可節(jié)省數(shù)據(jù)控制的時間，并使電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)快速顯示、存儲和監(jiān)測，因此在選擇處理器時，需要選用功耗低、數(shù)據(jù)處理性能高、速度快的處理器，基于這些方面，該文設(shè)計的處理器選用TD 公司生產(chǎn)的TI7369，方便電氣信號的采樣交流和處理通道的轉(zhuǎn)換，多個通信接口和UART 接口保證了監(jiān)測系統(tǒng)與上位機之間的交流，實現(xiàn)了對電氣設(shè)備的自動化處理[11-12]。

處理器具有32 位內(nèi)部數(shù)據(jù)線和16 位地址總線，尋址空間為8 MB，采樣率最高可達8 GSPS，內(nèi)核電壓為4.2 V，各種接口電壓為1.2 V 或3.3 V，在處理器處于休眠模式時，功耗為2 mW，在正常處理數(shù)據(jù)時，功耗為400 mW[13-14]。處理器的芯片選用三星公司生產(chǎn)的SI9836，該芯片有4 個通道，每個通道的采樣率最高可達2 GSPS，可方便處理器實時處理電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.4 存儲器設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的存儲器選擇TI 公司生產(chǎn)的TH2736，芯片選用三星公司推出的H8H6F04R 芯片，采用并行存儲電路并行存儲電氣設(shè)備回路狀態(tài)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入存儲器的芯片內(nèi)，保證了數(shù)據(jù)的完整性。該芯片具有4 230 Mbit 的存儲容量，大容量的存儲空間能夠存儲大量的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

存儲器的外圍電路芯片為AD8764，該電路芯片響應(yīng)速度快，具有較高的帶寬，外圍電路的電壓最高達3.3 V，最低為1.8 V，電流最高為1.2 A，最低為0.8 A，外圍電路為整個存儲器進行供電。存儲器存儲深度為250 Mpts/CH，量化精度為16 位，瞬時帶寬為3.8×103bps，內(nèi)設(shè)采集器的最高采樣頻率為3.2 GHz，存儲器內(nèi)部含有2 個存儲通道，以便電氣設(shè)備數(shù)據(jù)的高速存儲，第一個存儲通道的采樣時間少于第二個存儲通道，可以節(jié)省數(shù)據(jù)存儲的時間。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

分時復(fù)用利用同一物理連接的不同時段傳輸不同的信號，達到多路傳輸?shù)哪康?，該文設(shè)計的基于分時復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，采用了分時復(fù)用技術(shù)，分割電氣設(shè)備回路參數(shù)，使不同的電氣信號在不同的時間內(nèi)進行傳輸[15-16]。

該文設(shè)計的基于分時復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件流程可分為三步：

第一步：電氣設(shè)備的回路狀態(tài)仲裁。電氣設(shè)備的回路狀態(tài)仲裁以電氣狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測周期作為主要依據(jù)，隨著電氣狀態(tài)數(shù)據(jù)的不斷增加，真正的仲裁結(jié)果需要經(jīng)過電氣處理設(shè)備的判斷，判斷結(jié)束后由監(jiān)測系統(tǒng)運行[17]。將初始的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)的執(zhí)行單元。為了防止出現(xiàn)電氣數(shù)據(jù)之間存在擁擠或重疊，執(zhí)行單元根據(jù)電氣狀態(tài)數(shù)據(jù)不同的監(jiān)測時間，完成首次回路狀態(tài)仲裁，在首次仲裁過程中，首次仲裁結(jié)果全部臨時儲存在監(jiān)測單元內(nèi)部。仲裁設(shè)備的核心器件能準(zhǔn)確識別電氣設(shè)備回路狀態(tài)數(shù)據(jù)的排列情況，監(jiān)測單元向電氣設(shè)備運行端發(fā)送一個請求連接的命令，然后把已經(jīng)監(jiān)測完的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行壓縮，并保存在監(jiān)測單元，這樣可以節(jié)省監(jiān)測時間，縮短監(jiān)測周期，提高仲裁效率。

第二步：分配電氣信號。電氣信號的分配是監(jiān)測系統(tǒng)軟件運行的重要步驟，當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)中存儲大量的電氣設(shè)備回路狀態(tài)數(shù)據(jù)時，少部分?jǐn)?shù)據(jù)在仲裁設(shè)備中進行首次解壓，再以解壓完的數(shù)據(jù)格式傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)的時隙單元內(nèi)，時隙單元的核心設(shè)備為空閑設(shè)備，壓縮包中的電氣設(shè)備回路狀態(tài)信息按照并行任務(wù)分配至監(jiān)測單元內(nèi)，監(jiān)測節(jié)點根據(jù)電氣狀態(tài)數(shù)據(jù)占據(jù)的物理帶寬大小，對電氣信號進行分配[18]。在分配過程中，特征節(jié)點會向電氣信號提供兩條信息通道，根據(jù)電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)與待檢數(shù)據(jù)之間的監(jiān)測模式，對符合標(biāo)準(zhǔn)的電氣信號按照時序進行排列，排在后面的電氣信號向排在前面的電氣信號傳輸回路信號，以滿足電氣信號的分配要求。

第三步：診斷電氣設(shè)備的回路狀態(tài)。對電氣設(shè)備進行回路仲裁，分配完電氣信號后，需要對電氣設(shè)備的回路狀態(tài)進行診斷。診斷方法分為兩種：一種是對電氣設(shè)備的某一個設(shè)備進行診斷，另外一種是對電氣設(shè)備中的多個設(shè)備進行診斷，如果出現(xiàn)異?；芈窢顟B(tài)，需要確認(rèn)屬于哪種情況，如果在同一監(jiān)測點只有一路電氣信號與正常信號不同，則可診斷為該路電氣信號對應(yīng)的電氣設(shè)備回路狀態(tài)出現(xiàn)了異常，如果在同一監(jiān)測點有兩路或兩路以上電氣信號發(fā)生異常，則需要進一步診斷這幾路電氣信號對應(yīng)的電氣設(shè)備。

綜上所述，基于分時復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)運行流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

3 實驗研究

為了驗證該文設(shè)計的基于分時復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，將其與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)進行對比實驗。

針對存在異常的電氣設(shè)備回路，分別采用傳統(tǒng)系統(tǒng)與文中系統(tǒng)對電氣設(shè)備回路狀態(tài)進行監(jiān)測，并將監(jiān)測準(zhǔn)確度、可儲存電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)量作為指標(biāo)。監(jiān)測過程穩(wěn)定性實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測過程穩(wěn)定性實驗結(jié)果

不同系統(tǒng)的監(jiān)測效率實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 監(jiān)測效率實驗結(jié)果

綜合分析上述實驗結(jié)果可知，該文系統(tǒng)監(jiān)測電氣設(shè)備回路狀態(tài)的穩(wěn)定性較強，干擾值基本保持在±2.5 dB 之間，且監(jiān)測效率更高，基本保持在95%以上。而傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測電氣設(shè)備回路狀態(tài)的穩(wěn)定性相對較差，干擾值浮動較大，且監(jiān)測效率偏低，始終處于80%以下。

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因在于該文系統(tǒng)在硬件環(huán)境中配置了SD7362 芯片，且軟件處理器中具有多個轉(zhuǎn)換器、大容量存儲器、UART 接口、通信接口和I/O 接口，從而實現(xiàn)了分時復(fù)用功能，提高了監(jiān)測過程的穩(wěn)定性和監(jiān)測效率。

綜上所述，該文設(shè)計的基于分時復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠極大地提升監(jiān)測的效率，且穩(wěn)定性較高，使系統(tǒng)具有更高的有效性和可靠性。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性較差、監(jiān)測效率較低的問題，該文設(shè)計了基于分時復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了分時復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)了電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的多路傳輸，并且詳細設(shè)計了系統(tǒng)的硬件和軟件，硬件設(shè)計了采集器、電源電路、處理器和存儲器，為監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行提供硬件支持；軟件方面介紹了分時復(fù)用以及軟件流程，最后通過實驗研究驗證了該文系統(tǒng)的應(yīng)用性能優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，具有更高的有效性和可靠性，提升了監(jiān)測效率和穩(wěn)定性。