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摘要：針對傳統的電氣設備回路狀態監測系統采用單一線性設計，穩定性較差、監測效率較低的問題，設計了基于分時復用的電氣設備回路狀態監測系統。系統硬件主要包括電源電路、采集器、處理器和存儲器，并配置SD7362芯片。該芯片具有較高的共模抑制比和增益，可實現分時功能。采集器內置了緩沖器、處理器和A/D轉換器，處理器中有多個轉換器、大容量存儲器、UART接口、通信接口和I/O接口，可實現復用功能。通過分時復用硬件對電氣設備的回路狀態進行仲裁，結合電氣信號分配過程實現對電氣設備回路狀態的分時復用診斷。實驗結果表明，該系統能夠有效保證監測過程的穩定性，并提高監測效率。
關鍵詞：分時復用；電氣設備；回路狀態監測；狀態仲裁
在電網和電力系統中，電流和電壓出現細微的異常變化都可能會使電力系統在短時間內出現故障，給電力企業帶來經濟損失。因此，需對電氣設備的回路狀態進行實時監測[1]。傳統的電氣設備回路狀態監測系統大多采用PC機與上位機相連的方式，構建了獨特的回路狀態監測模型，然后利用C語言編程來分析回路狀態數據中故障發生的位置，根據電氣設備的回路狀態，確定回路狀態數據的存儲空間，使電氣設備回路狀態信號保持定向排列，由排列方式判斷出電氣設備在回路過程中是否發生故障。但隨著對電氣設備的不斷改進，這種傳統監測系統逐漸顯現出諸多弊端，例如系統難以及時監測電氣設備在回路過程中發生了故障，且監測數據的準確度低，只能存儲少量數據，難以實現低功耗監測，監測效率低下[2-3]。針對以上傳統監測系統出現的問題，該文設計了基于分時復用的電氣設備回路狀態監測系統。
1系統硬件設計
基于分時復用的電氣設備回路狀態監測系統硬件結構
1.1電源電路設計。監測系統的電源電路決定了整個監測系統的運行情況。在電路的輸入端存在電氣設備的差分信號，這類信號會引起較大的共模干擾，并且共模干擾所產生的電流較大。當電源電路參數不對稱時，差分信號引發的干擾會對監測系統的正常監測產生嚴重影響，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150Hz頻率處就開始下降[4-5]。一般情況下，工作頻率為20kHz的電源芯片，其共模抑制比保持在90dB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定性，因此電源電路的電壓控制在3.3~12V，電流控制在1.8~4.1A,確保電氣設備在回路過程中不在截止區或放大區[6-7]。
1.2采集器設計。監測系統的采集器選擇TI公司最新推出的TD7364，該采集器具有200MHz的采樣時鐘，采集器的采樣頻率為180MSPS。根據圖2可知，該文設計的采集器具有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，只有在電氣設備狀態數據出現異常時，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備狀態異常數據，從而確定故障產生原因。采集器可與邏輯電平直接相連，其輸出信號帶寬為400MHz，功耗為150mW。該采集器具有功耗低的特點，其電路電壓為3.3V，電流為1.2A，電路為整個器件供電，采樣時鐘外部設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備狀態數據，并由邏輯控制單元完成對采樣數據的控制。盡管采集器采用3.3V的工作電源，但在電路設計時，為保證采集器能夠采集到完整的電氣設備數據，應提供模擬、數字兩路不同的3.3V電源，以此減小信噪比帶來的影響[8-10]。
1.3處理器設計。監測系統中存儲了大量的電氣設備狀態數據，采用處理器對數據進行控制和處理，可節省數據控制的時間，并使電氣設備狀態數據快速顯示、存儲和監測，因此在選擇處理器時，需要選用功耗低、數據處理性能高、速度快的處理器，基于這些方面，該文設計的處理器選用TD公司生產的TI7369，方便電氣信號的采樣交流和處理通道的轉換，多個通信接口和UART接口保證了監測系統與上位機之間的交流，實現了對電氣設備的自動化處理[11-12]。處理器具有32位內部數據線和16位地址總線，尋址空間為8MB，采樣率最高可達8GSPS，內核電壓為4.2V，各種接口電壓為1.2V或3.3V，在處理器處于休眠模式時，功耗為2mW，在正常處理數據時，功耗為400mW[13-14]。處理器的芯片選用三星公司生產的SI9836，該芯片有4個通道，每個通道的采樣率最高可達2GSPS，可方便處理器實時處理電氣設備狀態數據。
1.4存儲器設計。監測系統的存儲器選擇TI公司生產的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備回路狀態數據，將數據寫入存儲器的芯片內，保證了數據的完整性。該芯片具有4230Mbit的存儲容量，大容量的存儲空間能夠存儲大量的電氣設備狀態數據。存儲器的外圍電路芯片為AD8764，該電路芯片響應速度快，具有較高的帶寬，外圍電路的電壓最高達3.3V，最低為1.8V，電流最高為1.2A，最低為0.8A，外圍電路為整個存儲器進行供電。存儲器存儲深度為250Mpts/CH，量化精度為16位，瞬時帶寬為3.8×103bps，內設采集器的最高采樣頻率為3.2GHz，存儲器內部含有2個存儲通道，以便電氣設備數據的高速存儲，第一個存儲通道的采樣時間少于第二個存儲通道，可以節省數據存儲的時間。
2系統軟件設計
分時復用利用同一物理連接的不同時段傳輸不同的信號，達到多路傳輸的目的，該文設計的基于分時復用的電氣設備回路狀態監測系統，采用了分時復用技術，分割電氣設備回路參數，使不同的電氣信號在不同的時間內進行傳輸[15-16]。該文設計的基于分時復用的電氣設備回路狀態監測系統的軟件流程可分為三步：第一步：電氣設備的回路狀態仲裁。電氣設備的回路狀態仲裁以電氣狀態數據的監測周期作為主要依據，隨著電氣狀態數據的不斷增加，真正的仲裁結果需要經過電氣處理設備的判斷，判斷結束后由監測系統運行[17]。將初始的電氣設備狀態數據傳輸至監測系統的執行單元。為了防止出現電氣數據之間存在擁擠或重疊，執行單元根據電氣狀態數據不同的監測時間，完成首次回路狀態仲裁，在首次仲裁過程中，首次仲裁結果全部臨時儲存在監測單元內部。仲裁設備的核心器件能準確識別電氣設備回路狀態數據的排列情況，監測單元向電氣設備運行端發送一個請求連接的命令，然后把已經監測完的電氣設備狀態數據進行壓縮，并保存在監測單元，這樣可以節省監測時間，縮短監測周期，提高仲裁效率。第二步：分配電氣信號。電氣信號的分配是監測系統軟件運行的重要步驟，當監測系統中存儲大量的電氣設備回路狀態數據時，少部分數據在仲裁設備中進行首次解壓，再以解壓完的數據格式傳輸到監測系統的時隙單元內，時隙單元的核心設備為空閑設備，壓縮包中的電氣設備回路狀態信息按照并行任務分配至監測單元內，監測節點根據電氣狀態數據占據的物理帶寬大小，對電氣信號進行分配[18]。在分配過程中，特征節點會向電氣信號提供兩條信息通道，根據電氣設備狀態數據與待檢數據之間的監測模式，對符合標準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：診斷電氣設備的回路狀態。對電氣設備進行回路仲裁，分配完電氣信號后，需要對電氣設備的回路狀態進行診斷。診斷方法分為兩種：一種是對電氣設備的某一個設備進行診斷，另外一種是對電氣設備中的多個設備進行診斷，如果出現異常回路狀態，需要確認屬于哪種情況，如果在同一監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的電氣設備回路狀態出現了異常，如果在同一監測點有兩路或兩路以上電氣信號發生異常，則需要進一步診斷這幾路電氣信號對應的電氣設備。
3實驗研究
為了驗證該文設計的基于分時復用的電氣設備回路狀態監測系統的有效性，將其與傳統監測系統進行對比實驗。針對存在異常的電氣設備回路，分別采用傳統系統與文中系統對電氣設備回路狀態進行監測，并將監測準確度、可儲存電氣設備狀態數據的數量作為指標。綜合分析上述實驗結果可知，該文系統監測電氣設備回路狀態的穩定性較強，干擾值基本保持在±2.5dB之間，且監測效率更高，基本保持在95%以上。而傳統系統監測電氣設備回路狀態的穩定性相對較差，干擾值浮動較大，且監測效率偏低，始終處于80%以下。產生上述結果的原因在于該文系統在硬件環境中配置了SD7362芯片，且軟件處理器中具有多個轉換器、大容量存儲器、UART接口、通信接口和I/O接口，從而實現了分時復用功能，提高了監測過程的穩定性和監測效率。綜上所述，該文設計的基于分時復用的電氣設備回路狀態監測系統優于傳統監測系統，能夠極大地提升監測的效率，且穩定性較高，使系統具有更高的有效性和可靠性。
4結束語
針對傳統監測系統存在的穩定性較差、監測效率較低的問題，該文設計了基于分時復用的電氣設備回路狀態監測系統，該系統采用了分時復用技術，實現了電氣設備狀態數據的多路傳輸，并且詳細設計了系統的硬件和軟件，硬件設計了采集器、電源電路、處理器和存儲器，為監測系統的正常運行提供硬件支持；軟件方面介紹了分時復用以及軟件流程，最后通過實驗研究驗證了該文系統的應用性能優于傳統系統，具有更高的有效性和可靠性，提升了監測效率和穩定性。
作者:謝勇 酈忠偉 鐘天翔 王雷 單位:華能國際電力股份有限公司玉環電廠