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        基于分時(shí)復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

        2022-09-14 08:20:10酈忠偉鐘天翔
        電子設(shè)計(jì)工程 2022年17期
        關(guān)鍵詞:采集器電氣設(shè)備處理器

        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(xì)微的異常變化都可能會(huì)使電力系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)故障,給電力企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失。因此,需對(duì)電氣設(shè)備的回路狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。

        傳統(tǒng)的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用PC 機(jī)與上位機(jī)相連的方式,構(gòu)建了獨(dú)特的回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(chǔ)空間,使電氣設(shè)備回路狀態(tài)信號(hào)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(duì)電氣設(shè)備的不斷改進(jìn),這種傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸顯現(xiàn)出諸多弊端,例如系統(tǒng)難以及時(shí)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備在回路過程中發(fā)生了故障,且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度低,只能存儲(chǔ)少量數(shù)據(jù),難以實(shí)現(xiàn)低功耗監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)效率低下[2-3]。

        針對(duì)以上傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題,該文設(shè)計(jì)了基于分時(shí)復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

        1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        基于分時(shí)復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jì)

        監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源電路決定了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。在電路的輸入端存在電氣設(shè)備的差分信號(hào),這類信號(hào)會(huì)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(duì)稱時(shí),差分信號(hào)引發(fā)的干擾會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常監(jiān)測(cè)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(hào)的干擾以及線路諧波,極大地降低了濾波要求。同時(shí)考慮到電氣設(shè)備的差分信號(hào)中夾雜著電壓信號(hào),太高的電壓會(huì)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(jì)

        監(jiān)測(cè)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(shí)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(jì)的采集器具有4 位ECL輸出口和多個(gè)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(gè),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(shí),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(hào)帶寬為400 MHz,功耗為150 mW。該采集器具有功耗低的特點(diǎn),其電路電壓為3.3 V,電流為1.2 A,電路為整個(gè)器件供電,采樣時(shí)鐘外部設(shè)有多個(gè)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(duì)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(jì)時(shí),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(jì)

        監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存儲(chǔ)了大量的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù),采用處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和處理,可節(jié)省數(shù)據(jù)控制的時(shí)間,并使電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)快速顯示、存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè),因此在選擇處理器時(shí),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(jì)的處理器選用TD 公司生產(chǎn)的TI7369,方便電氣信號(hào)的采樣交流和處理通道的轉(zhuǎn)換,多個(gè)通信接口和UART 接口保證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與上位機(jī)之間的交流,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣設(shè)備的自動(dòng)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(dá)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(shí),功耗為2 mW,在正常處理數(shù)據(jù)時(shí),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(gè)通道,每個(gè)通道的采樣率最高可達(dá)2 GSPS,可方便處理器實(shí)時(shí)處理電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

        1.4 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

        監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)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(chǔ)電路并行存儲(chǔ)電氣設(shè)備回路狀態(tài)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)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(chǔ)容量,大容量的存儲(chǔ)空間能夠存儲(chǔ)大量的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。

        存儲(chǔ)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(dá)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(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行供電。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)深度為250 Mpts/CH,量化精度為16 位,瞬時(shí)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(chǔ)器內(nèi)部含有2 個(gè)存儲(chǔ)通道,以便電氣設(shè)備數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ),第一個(gè)存儲(chǔ)通道的采樣時(shí)間少于第二個(gè)存儲(chǔ)通道,可以節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間。

        2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        分時(shí)復(fù)用利用同一物理連接的不同時(shí)段傳輸不同的信號(hào),達(dá)到多路傳輸?shù)哪康?,該文設(shè)計(jì)的基于分時(shí)復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用了分時(shí)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(hào)在不同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行傳輸[15-16]。

        該文設(shè)計(jì)的基于分時(shí)復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)運(yùn)行[17]。將初始的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)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(cè)時(shí)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(shí)儲(chǔ)存在監(jiān)測(cè)單元內(nèi)部。仲裁設(shè)備的核心器件能準(zhǔn)確識(shí)別電氣設(shè)備回路狀態(tài)數(shù)據(jù)的排列情況,監(jiān)測(cè)單元向電氣設(shè)備運(yùn)行端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求連接的命令,然后把已經(jīng)監(jiān)測(cè)完的電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,并保存在監(jiān)測(cè)單元,這樣可以節(jié)省監(jiān)測(cè)時(shí)間,縮短監(jiān)測(cè)周期,提高仲裁效率。

        第二步:分配電氣信號(hào)。電氣信號(hào)的分配是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行的重要步驟,當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存儲(chǔ)大量的電氣設(shè)備回路狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí),少部分?jǐn)?shù)據(jù)在仲裁設(shè)備中進(jìn)行首次解壓,再以解壓完的數(shù)據(jù)格式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)隙單元內(nèi),時(shí)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(cè)單元內(nèi),監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)電氣狀態(tài)數(shù)據(jù)占據(jù)的物理帶寬大小,對(duì)電氣信號(hào)進(jìn)行分配[18]。在分配過程中,特征節(jié)點(diǎn)會(huì)向電氣信號(hào)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(cè)模式,對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)的電氣信號(hào)按照時(shí)序進(jìn)行排列,排在后面的電氣信號(hào)向排在前面的電氣信號(hào)傳輸回路信號(hào),以滿足電氣信號(hào)的分配要求。

        第三步:診斷電氣設(shè)備的回路狀態(tài)。對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行回路仲裁,分配完電氣信號(hào)后,需要對(duì)電氣設(shè)備的回路狀態(tài)進(jìn)行診斷。診斷方法分為兩種:一種是對(duì)電氣設(shè)備的某一個(gè)設(shè)備進(jìn)行診斷,另外一種是對(duì)電氣設(shè)備中的多個(gè)設(shè)備進(jìn)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(cè)點(diǎn)只有一路電氣信號(hào)與正常信號(hào)不同,則可診斷為該路電氣信號(hào)對(duì)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(cè)點(diǎn)有兩路或兩路以上電氣信號(hào)發(fā)生異常,則需要進(jìn)一步診斷這幾路電氣信號(hào)對(duì)應(yīng)的電氣設(shè)備。

        綜上所述,基于分時(shí)復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3 所示。

        圖3 系統(tǒng)軟件流程

        3 實(shí)驗(yàn)研究

        為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于分時(shí)復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性,將其與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

        針對(duì)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(duì)電氣設(shè)備回路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度、可儲(chǔ)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(cè)過程穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

        圖4 監(jiān)測(cè)過程穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        不同系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

        表1 監(jiān)測(cè)效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,該文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備回路狀態(tài)的穩(wěn)定性較強(qiáng),干擾值基本保持在±2.5 dB 之間,且監(jiān)測(cè)效率更高,基本保持在95%以上。而傳統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備回路狀態(tài)的穩(wěn)定性相對(duì)較差,干擾值浮動(dòng)較大,且監(jiān)測(cè)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(gè)轉(zhuǎn)換器、大容量存儲(chǔ)器、UART 接口、通信接口和I/O 接口,從而實(shí)現(xiàn)了分時(shí)復(fù)用功能,提高了監(jiān)測(cè)過程的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)效率。

        綜上所述,該文設(shè)計(jì)的基于分時(shí)復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠極大地提升監(jiān)測(cè)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(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性較差、監(jiān)測(cè)效率較低的問題,該文設(shè)計(jì)了基于分時(shí)復(fù)用的電氣設(shè)備回路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了分時(shí)復(fù)用技術(shù),實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的多路傳輸,并且詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件,硬件設(shè)計(jì)了采集器、電源電路、處理器和存儲(chǔ)器,為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供硬件支持;軟件方面介紹了分時(shí)復(fù)用以及軟件流程,最后通過實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)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(cè)效率和穩(wěn)定性。

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