田 力，張 陽，洪 娟，應(yīng)志江

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310016; 2.杭州電力招標(biāo)咨詢有限公司，浙江 杭州 310000)

近幾年，中國經(jīng)濟(jì)增速雖然放緩，但經(jīng)濟(jì)增量依然非?？捎^，尤其是礦產(chǎn)生產(chǎn)與開發(fā)行業(yè)。礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中，電力工程占據(jù)著至關(guān)重要的位置，為礦區(qū)所有活動(dòng)供電[1]。若是電力工程出現(xiàn)故障，如果無法及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修理，輕者導(dǎo)致礦區(qū)停業(yè)修整，重者會(huì)引發(fā)火災(zāi)，對(duì)礦區(qū)人員與機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生極大的威脅。由此可見，保障礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全是礦產(chǎn)生產(chǎn)與開發(fā)行業(yè)正常作業(yè)的關(guān)鍵。隨著礦產(chǎn)開發(fā)力度的增大，礦區(qū)規(guī)模也在不斷地?cái)U(kuò)張，礦區(qū)供電面積也相應(yīng)加大，與此同時(shí)電力工程周邊的自然環(huán)境也更加復(fù)雜與多變，例如廢氣、霧霾、煙塵等污染源，極易引發(fā)電力工程安全事故的發(fā)生[2]。一般情況下，電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全事故會(huì)致使大面積停電，不但會(huì)損壞電氣設(shè)備，也會(huì)對(duì)礦井中工作人員的生命健康與安全帶來危害，造成的經(jīng)濟(jì)損失更是無法估量。

根據(jù)調(diào)查研究數(shù)據(jù)顯示，近年來電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全事故概率大大上升，對(duì)礦產(chǎn)行業(yè)發(fā)展帶來了極大的阻礙，如何有效地監(jiān)測(cè)礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全成為礦產(chǎn)行業(yè)亟待解決的難題之一，也受到了國家相關(guān)部門的高度重視[3]。就現(xiàn)有研究成果來看，已有系統(tǒng)由于硬件與軟件的自身缺陷，存在著電力參數(shù)相對(duì)誤差較大、安全預(yù)警合格率較低的問題，無法滿足現(xiàn)今礦區(qū)電力安全需求，故提出礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了降低礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安全系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of safety system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)已有系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)新的礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)包括電力監(jiān)測(cè)儀硬件電路設(shè)計(jì)單元、主控芯片選取單元及其GPRS通信芯片選取單元。

2.1 電力監(jiān)測(cè)儀硬件電路設(shè)計(jì)單元

電力監(jiān)測(cè)儀是電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備之一，獲取電力工程中的相關(guān)參數(shù)，例如電流有效值、電壓有效值、頻率、諧波含量等，以獲取的參數(shù)為基礎(chǔ)，分析電力工程中電流信號(hào)與電壓信號(hào)，判定電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)的安全性。為了實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)測(cè)儀的功能，其硬件電路設(shè)計(jì)非常重要，主要包括電流采集電路及其電壓采集電路。其中，電流采集電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電流采集電路設(shè)計(jì)Fig.2 Design of current acquisition circuit

如圖2所示，電流采集電路采用全波形采樣模式，主要是因?yàn)殡娏こ淌┕がF(xiàn)場(chǎng)電流波形較為混亂，正負(fù)不對(duì)稱，故需要對(duì)電流信號(hào)全波形進(jìn)行采集，保障電流信號(hào)的完整性，提升電力工程安全監(jiān)測(cè)精度[4]。電流信號(hào)在進(jìn)入采集電路后，通過偏置、放大、濾波等調(diào)理過程，由微控制器完成電流信號(hào)的全部采集。需要注意的是，電流采集電路中D1為二極管，承擔(dān)著電流信號(hào)限幅保護(hù)作用，為電流采集提供便利[5]。

電壓采集電路設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3中，電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)電壓不穩(wěn)定，高電壓與低電壓并存，無法對(duì)其進(jìn)行直接采集，需要應(yīng)用調(diào)理設(shè)備將電壓調(diào)理到一定范圍內(nèi)，方便電壓信號(hào)的采集。常規(guī)情況下，主要利用電容器與電阻器構(gòu)成濾波電路，對(duì)高頻諧波信號(hào)進(jìn)行濾除，保障電壓信號(hào)采集的有效性。另外，電阻器還承擔(dān)著限流作用，防止電流過大對(duì)采集設(shè)備產(chǎn)生破壞[6]。上述過程完成了電力監(jiān)測(cè)儀硬件電路的設(shè)計(jì)，為電力監(jiān)測(cè)儀功能的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 電壓采集電路設(shè)計(jì)Fig.3 Design of voltage acquisition circuit

2.2 主控芯片選取單元

主控芯片相當(dāng)于設(shè)計(jì)系統(tǒng)的“大腦”，不但承擔(dān)著電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理任務(wù)，也承擔(dān)著連接系統(tǒng)硬件單元的職責(zé)。依據(jù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求，選取Si1000作為主控芯片，其具有豐富的內(nèi)部資源，例如RF收發(fā)器件、微處理器、ADC等，并具有長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性的優(yōu)勢(shì)[7]。Si1000芯片管腳豐富，并能夠根據(jù)用戶需求進(jìn)行定義，具體見表1。在Si1000芯片中，為了滿足不同硬件連接需求，將串口設(shè)置為無數(shù)據(jù)流控與校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，方便系統(tǒng)硬件的相互連接。

表1 Si1000芯片管腳定義Tab.1 Pin definition of Si1000 chip

2.3 GPRS通信芯片選取單元

通信單元也是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)單元，選取SIM100作為GPRS通信芯片，該芯片具有完整的射頻電路及其基帶處理器，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸提供充足的無線接口[8]。

SIM100芯片特性：①采用高集成度結(jié)構(gòu)，具有多時(shí)隙功能與多操作模式，并支持雙頻通信，為設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的通信環(huán)境；②數(shù)據(jù)傳輸性能較強(qiáng)，傳輸速率能夠達(dá)到14 400 b/s；③附帶資源豐富，系統(tǒng)連接器60針，外帶天線與存儲(chǔ)卡，并包含兩路通信信道，兩者之間相互獨(dú)立，互不干擾，為數(shù)據(jù)發(fā)送與接收提供更安全的信道環(huán)境。

SIM100芯片針腳較多(60針)，能夠與設(shè)計(jì)系統(tǒng)全部硬件單元進(jìn)行連接，部分針腳定義情況見表2。依據(jù)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)需求，對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件單元進(jìn)行了相應(yīng)的選取與設(shè)計(jì)，但仍然無法實(shí)現(xiàn)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)測(cè)，故需要對(duì)系統(tǒng)軟件模塊進(jìn)行開發(fā)與設(shè)計(jì)[9]。

表2 SIM100芯片針腳定義Tab.2 Stitch definition of SIM100 chip

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件模塊包括電力監(jiān)測(cè)儀軟件程序設(shè)計(jì)模塊、主控芯片初始化程序設(shè)計(jì)模塊及其電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全預(yù)警模塊。

3.1 電力監(jiān)測(cè)儀軟件程序設(shè)計(jì)模塊

應(yīng)用模塊化編程方法對(duì)電力監(jiān)測(cè)儀軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，此種方法能夠有效縮短軟件程序的開發(fā)周期，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供便利[10]。電力監(jiān)測(cè)儀主程序如圖4所示。

圖4 電力監(jiān)測(cè)儀主程序示意Fig.4 Schematic diagram of main program of power monitor

應(yīng)用圖4顯示主程序?qū)﹄娏ΡO(jiān)測(cè)儀進(jìn)行啟動(dòng)，通過FFT算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理，提取電力信號(hào)頻譜，將其作為電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全判定數(shù)據(jù)依據(jù)。FFT算法表達(dá)式為：

(1)

式中，X(f0)為經(jīng)過變換處理的電力信號(hào)；f0為電力信號(hào)頻率數(shù)值；tw為電力信號(hào)采集時(shí)間長(zhǎng)度；t為當(dāng)前采樣時(shí)刻；α為FFT算法輔助參數(shù)；θ為電力信號(hào)初始相角。

應(yīng)用式(1)對(duì)采集的電力信號(hào)進(jìn)行變換，獲取電流與電壓頻譜信號(hào)，記為I與U，為后續(xù)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全預(yù)警提供依據(jù)。

3.2 主控芯片初始化程序設(shè)計(jì)模塊

主控芯片——Si1000芯片結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，功能較為強(qiáng)大，故在設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行之前，需要對(duì)Si1000芯片進(jìn)行初始化，才能保障Si1000芯片的正常作業(yè)。Si1000芯片初始化指的是頻率信息、端口、SPI、串口、定時(shí)器與看門狗器件的初始化。另外，在初始化程序中，設(shè)置全部芯片管腳地址復(fù)位到0XFF，時(shí)鐘為20 MHz，外圍寄存器復(fù)位，保障寄存器內(nèi)部數(shù)據(jù)不丟失。從本質(zhì)角度出發(fā)，Si1000芯片初始化就是對(duì)芯片內(nèi)部器件進(jìn)行全部復(fù)位與參數(shù)設(shè)置，使其滿足設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行需求，完成Si1000芯片具備的全部功能。初始化主程序較為繁瑣，由于此研究篇幅的限制，不對(duì)其進(jìn)行贅述。

3.3 電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全預(yù)警模塊

以電力監(jiān)測(cè)儀獲得的電流與電壓信號(hào)為依據(jù)，設(shè)定電力工程故障判定規(guī)則，對(duì)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全事件進(jìn)行預(yù)警，以此來保障礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)的安全性，實(shí)現(xiàn)電力工程的安全監(jiān)測(cè)。經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全事件主要為短路故障與接地故障，電流/電壓波形如圖5所示。

圖5 電力工程安全事故電流/電壓波形示意Fig.5 Schematic diagram of current / voltage waveform for power engineering safety accidents

設(shè)定短路故障判定規(guī)則為:

(2)

式中，ΔI為電流突變量。

設(shè)定接地故障判定規(guī)則為:

(3)

式中，Δt為突變時(shí)間；ΔU為電壓突變量。

若是滿足式(2)與式(3)條件則判定電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)存在安全事件發(fā)生，故發(fā)生聲光預(yù)警，提醒工作人員對(duì)電力工程進(jìn)行檢修。

通過上述硬件單元與軟件模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行。

4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否改善已有系統(tǒng)存在的問題，選取具體使用系統(tǒng)作為對(duì)比分析。礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Construction site of power engineering in mining area

4.1 準(zhǔn)確工作

設(shè)備準(zhǔn)備是系統(tǒng)應(yīng)用性能測(cè)試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行必不可少的步驟。依據(jù)礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)置應(yīng)用準(zhǔn)備階段任務(wù)為：裝置選取與實(shí)驗(yàn)采樣規(guī)則制定。其中，選取電力系統(tǒng)波形發(fā)生器作為電力工程仿真裝置，其會(huì)輸出近似于電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)的電流與電壓信號(hào)，并含有大量的諧波分量，使其更接近于實(shí)際礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)情況。

電力系統(tǒng)波形發(fā)生器實(shí)物如圖7所示。應(yīng)用電力系統(tǒng)波形發(fā)生器發(fā)出電流及其電流信號(hào)，制定實(shí)驗(yàn)采樣規(guī)則，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此研究設(shè)置采樣頻率為信號(hào)發(fā)出頻率的2倍，每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)采樣次數(shù)為100次。通過上述過程完成了實(shí)驗(yàn)裝置的選取與實(shí)驗(yàn)采樣規(guī)則的制定，為后續(xù)礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)提供充足的準(zhǔn)備工作。

圖7 電力系統(tǒng)波形發(fā)生器實(shí)物Fig.7 Physical object of power system waveform generator

4.2 結(jié)果分析

以上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容為依據(jù)，進(jìn)行礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，選取電力參數(shù)相對(duì)誤差與安全預(yù)警合格率作為系統(tǒng)應(yīng)用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，電力參數(shù)主要包含電流參數(shù)與電壓參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)獲得電力參數(shù)相對(duì)誤差，如圖8所示。如圖8數(shù)據(jù)顯示，無論是電流參數(shù)還是電壓參數(shù)，應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)后獲得的電力參數(shù)相對(duì)誤差均較小，表明設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠更加精確地獲取電力工程相關(guān)的電力參數(shù)。

圖8 電力參數(shù)相對(duì)誤差Fig.8 Schematic diagram of relative error of power parameters

安全預(yù)警合格率指的是電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全事件預(yù)警的有效率，該指標(biāo)數(shù)值越大，表明安全監(jiān)測(cè)效果越好。通過實(shí)驗(yàn)獲得安全預(yù)警合格率見表3。從表3數(shù)據(jù)可知，與應(yīng)用前相比，應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)后獲得的安全預(yù)警合格率更高，表明設(shè)計(jì)系統(tǒng)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)效果更好。

表3 安全預(yù)警合格率數(shù)據(jù)表Tab.3 Data of qualified rate of safety early warning

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用設(shè)計(jì)系統(tǒng)后獲得電力參數(shù)相對(duì)誤差較小，安全預(yù)警合格率更高，充分證實(shí)了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)語

為了提升礦區(qū)電力安全監(jiān)測(cè)效果，設(shè)計(jì)新的礦區(qū)電力工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，極大地縮小了電力參數(shù)相對(duì)誤差，提高了安全預(yù)警合格率，能夠?yàn)榈V區(qū)電力安全監(jiān)測(cè)提供更有效的系統(tǒng)支撐，也為電力安全監(jiān)測(cè)相關(guān)研究提供一定的參考與借鑒。