基于ARM的煤矿变电所监控系统设计

基于ARM的煤矿变电所监控系统设计
李建伟
【摘要】变电所的监控系统对于煤矿安全生产具有重要意义.数字化、网络化的监控系统是目前发展趋势.提出了一种基于ARM2400处理器的变电所监控系统设计.由于系统工程较大,详细介绍了35 kV/6 kV主变压器的监控系统及部分硬件设计原理.具体包括数采集通道、开关量输入输出电路、电源电路等.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2019(048)006
【总页数】3页(P160-162)
【关键词】煤矿变电所;变压器保护;监控系统
【作者】李建伟
【作者单位】山西西山煤电股份有限公司,山西太原 030203
【正文语种】中文
【中图分类】TD76
0 引言
采用传统供电方式和监控设备的煤矿变电所，存在诸多安全隐患。

随着现代电力技术尤其是电子技术和人工智能的发展，变电所综合自动化程度也越来越高，越来越多的微机技术被应用到煤矿变电站中，用于提高煤矿变电站的智能化水平。

本文设计了基于ARM的变电所监控设备，结合煤矿生产的特点，设计相关的电路和应用
软件，包括电压形成回路、同步方波产生电路、RS-485通讯电路等，通过监控单元和监控软件对变电所的运行情况进行实时监控，提高变电所的智能化管理水平[1-2]。

1 变压器保护概述
1.1 电力变压器保护要求
电力变压器的继电保护需要满足以下要求[3]：
（1）选择性，选择性地切除故障电路，并保证非故障电路正常工作；
（2）快速性，将电路中的故障设备或者故障线路快速切除；
（3）灵敏性，对于保护范围内的电路故障，继电保护设备应能正确反映故障类型；（4）可靠性，发生故障时，继电保护装置不拒动，正常运行时，继电保护装置不误动。

1.2 电力变压器故障类型
煤矿变电所关系到矿区正常生产和工作人员的生命安全，一旦发生故障，轻则影响生产，重则电力设备损坏甚至危及人身安全，因此必须对煤矿电力设备采取合适的保护方式。

变压器是煤矿变电所中的重要电力设备，其稳定运行对煤矿电网的供电具有重要的影响，电力变压器的故障类型可以根据故障发生的位置进行分类，包括内部故障和外部故障，其中，内部故障包括绕组的相间短路、同一相的短路等；外部故障有引出线间的相间短路。

本文设计的煤矿变电所变压器监控系统要求快速定位故障，然后在规定时间内将其排除，同时可以发出声音或者灯光警报，提醒运行人员及时处理。

上述监控系统的实时数据可以自动上传到远程监控室。

2 模拟信号采集原理
模拟信号采集与处理单元模块由电压信号形成回路、低通滤波电路、基准电压形成回路和同步方波信号回路4个部分形成。

通过测量被测对象中电压信号和电流信
号的幅值、相位关系，判断被测电路的工作状态。

2.1 电压形成回路结构
电压形成回路的主要功能是获取监控系统中的电压信号，具体原理如图1所示。

电压互感器的变比为1∶1，原边电阻相对于地110 kΩ，可以忽略，因此有：
2.2 同步方波产生电路
图1 电压信号形成回路
微处理器在对模拟信号采样之前，需要对模拟信号进行离散化，离散化的方式一般包括异步离散化和同步离散化，前置是保持固定的周期对连续的模拟信号进行采样，采样频率不随模拟信号的频率变化，因此，又被称为“定时采样”，由于电力系统基波频率的偏差，异步采样的方法容易产生较大的误差。

因此，本文采用同步采样的方法，利用方波产生电路，向A/D转换器产生同步的触发信号，使A/D转换器的模拟量采集频率与输入信号保持同步。

同步方波产生电路结构如图2所示，方波信号Vp的幅值为0～3.3 V，用以发送
给ARM的IO口，ARM处理器计算相邻下降沿时间间隔得到采样信号的频率。

Va是低通滤波电路LPF输出信号，Vp为同步方波的输出信号。

图2 同步方波产生电路结构
3 硬件电路设计
3.1 主控制器选型
在煤矿变电站的控制系统中，常用的微处理器包括ARM系列、MIPS系列、Power PC系列等，不同产品有不同的特点，其中，性价比较高的为ARM系列，被广泛应用在煤矿变电站及工业控制领域[4-6]。

本文选用的微控制器型号为S3C2440AL-40，该款微控制器为韩国三星公司研发
的一款32位CMOS微控制器，具有通用UART引脚和SPI引脚，内部有PWM
定时器和看门狗定时器，提高程序运行的稳定性。

日历功能的RTC可以为变电站
控制系统提供较为精确的日历信息。

外围通用I/O口的数目为130个，可以满足
煤矿变电站数模信号的采集需求。

3.2 RS-485电路设计
在煤矿变电站中，部分传感器与ARM之间的通讯方式为RS-485通讯，为了增加煤矿变电站通讯可靠性，需要采用隔离性通讯电路，在本系统的RS-485通讯电路中，芯片选型为ADM2587E，该芯片是ADI推出的单电源供电的隔离型芯片，SOW-20封装，传输速率为500 k，隔离电压2.5 kV，被广泛应用在工控、电力
等需要隔离485的场合。

完全隔离型RS-485电路原理图如图3所示，为了降低线路中的共模电压、雷击、浪涌电压等对通讯的干扰，在总线处采取的保护措施如下：在VA、VB管脚上串
接RT电阻。

该电阻的阻值范围是4～10 Ω，VA、VB管脚对地接TVS管，也可
以采取电阻和稳压二极管串联的方式进行连接。

图3 完全隔离型RS-485电路
3.3 开关量输入电路设计
虽然各种开关量的用途各不相同，例如有的触点用于设备调试或定期检修，有的用于日常运行，但是其工作原理大同小异。

本设计所涉及的开关量很多，主要是母线上各断路器的辅助触点、隔离开关的辅助触点、继电器的触点和变压器的各个分接头等。

图4是开关量输入电路的原理图。

外部触点S1闭合时，光电耦合芯片内部发光二极管导通，触发光敏晶体管导通，进而使IO口的电平被拉高，实现信号的传输。

C10和R10分别是去抖和限流的电容和电阻。

图4 开关量输入电路原理图
3.4 液晶显示电路设计
微机测控保护装置的主控芯片选型为MSP430f5438a型芯片，该芯片是一款16
位的低功耗的芯片，采用外部3.3 V直流电压供电，在休眠模式下，供电电流为1 mA，在降低功耗的前提下，可以满足现场数据采集的实时性和快速性。

为了增加微机控制器的人机交互性，在控制器的外部增加12864显示屏，该显示
屏自带中文字库，具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式。

可以进行
全中文的实时显示，最多可以显示8 4行16 16点阵的汉字，增加微机控制器的
可读性，巡视人员可以根据显示屏的提示信息，进行相关的操作，对电气设备运行维护或现场控制。

液晶显示屏的硬件电路原理图如图5所示。

图5 12864液晶显示屏电路
4 软件设计
本文在对模拟信号的采样电路中，采用了同步采样的方法进行数据的采集。

在输入模拟量的频率随时间变化的过程中，采集频率同样需要作出改变，而实现采集频率改变的功能是通过控制器内部软件实现的，通过控制软件定时中断的中断时间，达到调节采样频率的目的。

在采样程序中，系统每周波采样的点数为64，并保持该固定值不变。

在正常运行
情况下，系统交流电的频率为50 Hz，通过计算可以得出采样器的采样间隔为313 μs，由于电力系统的交流频率很难保持在50 Hz的固定值，因此，需要对采样时
间间隔进行不断调整，保证采样点数的恒定不变。

采样程序流程图如图6所示。

图6 开关量输入电路原理图
5 结论
本文在分析煤矿变电所变压器故障类型的基础上，根据煤矿变电所监控系统的要求，设计模拟信号采集电路，介绍了模拟信号采集与处理单元模块中的电压形成回路结构和同步方波产生电路。

在电路的硬件电路设计中，以S3C2440AL-40系列的ARM芯片作为主控制器，详细介绍了RS-485通讯电路设计、开关量输入电路、
液晶显示电路。

参考文献：
【相关文献】
［1］高翔.数字化变电站应用技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.
［2］孟祥忠.现代供电技术［M］.北京：清华大学出版社，2006.
［3］孟宪章.10/0.4 kV配变电实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2007. ［4］罗钮玲.电力系统微机继电保护［M］.北京：人民邮电出版社，2005. ［5］丁书文.变电站综合自动化原理及应用［M］.北京：中国电力出版社，2004. ［6］何仰赞.电力系统分析［M］.武汉：华中科技大学出版社，2002.。