基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)，其包括有用于提供PPS秒脈沖信號并得到系統(tǒng)時間的井上的GPS授時服務(wù)器與位于井下各子監(jiān)控站的多個得到該系統(tǒng)時間后進(jìn)行自動校時以維持精確的內(nèi)部工作時鐘的同步數(shù)據(jù)采集控制器，各同步數(shù)據(jù)采集控制器與FPGA數(shù)據(jù)采集模塊通信，該總服務(wù)器連接有進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的防越級跳閘裝置，該FPGA數(shù)據(jù)采集模塊連接有信號采集調(diào)理板。本實用新型利用安裝在井上的高精度GPS同步授時裝置，實現(xiàn)安裝在井下各變電所內(nèi)防越級跳閘裝置的數(shù)據(jù)的同步和數(shù)據(jù)信息共享，可以精確可靠地判斷故障位置，及時可靠的切除故障支路，不影響其他線路的正常供電。
【專利說明】基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型有關(guān)一種防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)，特別是指一種基于廣域同步測量信息系統(tǒng)(Wide Area Measurement System, WAMS)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前煤礦井下高壓電網(wǎng)，因受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等各種因素的限制，大多都是由多段短電纜(100/m?1200m)組成的逐級控制干線式縱向網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的高壓綜合保護(hù)已經(jīng)不滿足現(xiàn)實生產(chǎn)的需要，經(jīng)常造成開關(guān)的誤動作甚至是拒動作，造成煤礦電力系統(tǒng)的大面積停電，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。
[0003]煤礦井下高壓電網(wǎng)綜合保護(hù)裝置主要由二部分組成:選擇性高壓漏電保護(hù)系統(tǒng)與防止越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)。
[0004](I)選擇性高壓漏電保護(hù)系統(tǒng)
[0005]礦用高壓電網(wǎng)發(fā)生單相漏電時的正確選線問題，多年來一直未能得到很好的解決。由于煤礦井下中性點是采用經(jīng)消弧線圈的接地方式，由于消弧線圈的介入抵消掉了發(fā)生漏電時的電流，使得采集到的故障電流十分微弱，故如果采用常規(guī)的原理來實現(xiàn)選擇性的高壓漏電保護(hù)常常會造成誤動作、甚至選擇不出故障線路。
[0006](2)防越級跳閘保護(hù)系統(tǒng)
[0007]近年來，隨著煤礦生產(chǎn)機(jī)械化、自動化程度的不斷提高，井下供電容量不斷增大、電網(wǎng)電壓不斷提高，高壓供電距離的不斷增加，對煤礦井下供電系統(tǒng)可靠性、安全性和連續(xù)性的要求越來越高。由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，負(fù)荷波動大，工況很不穩(wěn)定，瓦斯煤塵積聚、滴水冒頂事故等會使電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度逐漸降低，同時由于操作人員維護(hù)不當(dāng)或操作錯誤、輸電線路的導(dǎo)線斷裂等原因，經(jīng)常會出現(xiàn)漏電及單相接地故障，若不及時排除，電網(wǎng)絕緣將承受線電壓，長期運行將導(dǎo)致絕緣擊穿，發(fā)展成三相或兩相短路事故。單相接地、相間短路故障發(fā)生時產(chǎn)生的電弧能量會引起瓦斯、煤塵爆炸，直接危及人身安全和礦井生產(chǎn)。礦用隔爆型高低壓開關(guān)是煤礦井下高低壓供電系統(tǒng)終端線路的主保護(hù)，它起到了保護(hù)高壓電纜、變壓器和電氣設(shè)備的作用。但是各種高壓保護(hù)裝置本身具有一些缺點，由于數(shù)據(jù)的封閉性，導(dǎo)致“信息孤島”的形成，越級跳閘的困難一直無法克服。
實用新型內(nèi)容
[0008]有鑒于此，本實用新型的主要目的在于提供一種基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)。
[0009]為達(dá)到上述目的，本實用新型提供一種基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，其包括有用于提供PPS秒脈沖信號并得到系統(tǒng)時間的井上的GPS授時服務(wù)器與位于井下各子監(jiān)控站的多個得到該系統(tǒng)時間后進(jìn)行自動校時以維持精確的內(nèi)部工作時鐘的同步數(shù)據(jù)采集控制器，各同步數(shù)據(jù)采集控制器分別與該GPS授時服務(wù)器通過光纖以太網(wǎng)進(jìn)行交互通信，各同步數(shù)據(jù)采集控制器與FPGA數(shù)據(jù)采集模塊通信，該同步數(shù)據(jù)采集控制器并將該FPGA數(shù)據(jù)采集模塊采集處理的結(jié)果通過以太網(wǎng)傳送到總服務(wù)器，該總服務(wù)器與上位機(jī)交互通信，該同步數(shù)據(jù)采集控制器通過總服務(wù)器接收該上位機(jī)的控制命令并執(zhí)行，該總服務(wù)器連接有進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的防越級跳閘裝置，該FPGA數(shù)據(jù)采集模塊連接有信號采集調(diào)理板。
[0010]所述GPS授時服務(wù)器包括有對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、實現(xiàn)時鐘信號精確同步的井上本地處理模塊、對所述GPS授時服務(wù)器的參數(shù)進(jìn)行配置的井上管理配置模塊、生成授時廣播數(shù)據(jù)包，并將該數(shù)據(jù)包下發(fā)到各所述同步數(shù)據(jù)采集控制器上的井上網(wǎng)絡(luò)處理模塊及提供工作電源的井上電源管理模塊，其中該井上管理配置模塊、井上網(wǎng)絡(luò)處理模塊分別與該井上本地處理模塊進(jìn)行交互通信，該井上電源管理模塊與該井上本地處理模塊連接。
[0011]所述井上本地處理模塊采用ARM Cortex內(nèi)核處理器。
[0012]每一所述同步數(shù)據(jù)采集控制器包括有用于授時同步交互和數(shù)據(jù)采集交互的井下本地處理模塊、對所述GPS授時服務(wù)器的參數(shù)進(jìn)行配置的井下管理配置模塊、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)的通信任務(wù)、并通過高速的以太網(wǎng)總線傳輸數(shù)據(jù)包的井下網(wǎng)絡(luò)處理模塊及提供工作電源的井下電源管理模塊，該井下管理配置模塊與井下網(wǎng)絡(luò)處理模塊分別與該井下本地處理模塊交互通信，該井下電源管理模塊與該井下本地處理模塊連接。
[0013]所述井下本地處理模塊采用雙芯片架構(gòu)，所述井下本地處理模塊包括分別負(fù)責(zé)授時同步交互的ARM Cortex處理器與數(shù)據(jù)采集交互的ARM7處理器，兩處理器之間配備高速總線接口交互通信，該ARM Cortex處理器與ARM7處理器均與所述井下管理配置模塊及井下網(wǎng)絡(luò)處理模塊交互通信。
[0014]所述ARM Cortex處理器與所述井上網(wǎng)絡(luò)處理模塊進(jìn)行交互，通過光纖以太網(wǎng)接收同步時鐘信號。
[0015]所述ARM7處理器與所述FPGA數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行交互，控制數(shù)據(jù)采樣和處理的整個流程，同時所述ARM7處理器通過以太網(wǎng)與上層的所述總服務(wù)器進(jìn)行通信。
[0016]所述光纖以太網(wǎng)的帶寬為1000M。
[0017]所述防越級跳閘裝置包括有兩個光纖收發(fā)器、數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊、電網(wǎng)多路波形同步采集模塊及開關(guān)量快速執(zhí)行模塊，其中該數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊包括有全網(wǎng)下行同步與調(diào)度處理模塊及上行數(shù)據(jù)傳輸模塊，該兩個光纖收發(fā)器分別與全網(wǎng)下行同步與調(diào)度處理模塊及上行數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，該數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊與電網(wǎng)多路波形同步采集模塊通過數(shù)據(jù)總線連接，該電網(wǎng)多路波形同步采集模塊與開關(guān)量快速執(zhí)行模塊通過數(shù)據(jù)總線連接；所述千兆光纖交換機(jī)通過多束單模光纖分別與井下各防越級跳閘裝置的光纖收發(fā)器連接。
[0018]礦井高壓電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)可以對復(fù)雜的礦井供電系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控保護(hù)，可以有效地解決煤礦高壓電網(wǎng)的漏電問題、有效地防止煤礦高壓電網(wǎng)越級跳閘的問題。管理人員和值班人員可通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視隨時了解供電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時對供電系統(tǒng)進(jìn)行運行方式、逐步實現(xiàn)了礦井變電站少人值班或無人值班，提高了勞動生產(chǎn)率。同時該供電綜合自動化系統(tǒng)與礦井其他監(jiān)控系統(tǒng)組成一個整體，實現(xiàn)礦井生產(chǎn)過程自動化、決策信息化、經(jīng)營管理現(xiàn)代化，為礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效奠定了基礎(chǔ)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1本實用新型基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)的實時狀態(tài)圖；
[0020]圖2本實用新型基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0021]圖3為本實用新型中的GPS授時服務(wù)器的結(jié)構(gòu)原理框圖；
[0022]圖4為本實用新型中的同步數(shù)據(jù)采集控制器的結(jié)構(gòu)原理框圖。
【具體實施方式】
[0023]為便于對本實用新型的結(jié)構(gòu)及達(dá)到的效果有進(jìn)一步的了解，現(xiàn)結(jié)合附圖并舉較佳實施例詳細(xì)說明如下。
[0024]如圖1與圖2所示，本實用新型的基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)包括有井上的GPS授時服務(wù)器I與位于井下各子監(jiān)控站的多個同步數(shù)據(jù)采集控制器2 ；GPS授時服務(wù)器I的主要功能是通過GPS模塊提供的精確PPS (pulses per second,脈沖/秒)秒脈沖信號，得到一個精確的系統(tǒng)時間，并將該時刻通過以太網(wǎng)發(fā)送到礦下的各子監(jiān)控站，各子監(jiān)控站的同步數(shù)據(jù)采集控制器2得到該系統(tǒng)時間后，進(jìn)行一次自動校時，以維持一個精確的內(nèi)部工作時鐘；各同步數(shù)據(jù)采集控制器2主要功能是分別與GPS授時服務(wù)器I交互，維持一個精確的同步時鐘，同步數(shù)據(jù)采集控制器2與FPGA (Field-ProgrammableGate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)數(shù)據(jù)采集模塊3通信，控制數(shù)據(jù)采集和處理的過程，并將FPGA數(shù)據(jù)采集模塊3采集處理的結(jié)果通過以太網(wǎng)傳送到總服務(wù)器4，解析總服務(wù)器4下發(fā)的命令，并控制FPGA進(jìn)行執(zhí)行。本實用新型基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)還包括信號采集調(diào)理板6以及與該總服務(wù)器4進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的防越級跳閘裝置7，該信號采集調(diào)理板6是整個數(shù)據(jù)采集的模擬處理前端，將信號強(qiáng)度調(diào)理到合適范圍之后，然后送入FPGA數(shù)據(jù)采集模塊3進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。
[0025]如圖3所示，本實用新型中的GPS授時服務(wù)器I主要包括井上本地處理模塊10、GPS授時模塊11、井上管理配置模塊12、井上網(wǎng)絡(luò)處理模塊13及井上電源管理模塊14，其中GPS授時模塊11、井上管理配置模塊12、井上網(wǎng)絡(luò)處理模塊13分別與井上本地處理模塊10進(jìn)行交互通信,其中:
[0026]GPS授時模塊11:在本實用新型中，高精度時鐘源是實現(xiàn)整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，采取從全球定位系統(tǒng)(GPS)中提取高精度時鐘源的方式，作為整個系統(tǒng)的同步基準(zhǔn)時鐘，高精度的GPS授時模塊通過高增益的專用授時蘑菇頭天線，對空中的GPS信號進(jìn)行解析，在信號較弱的環(huán)境下都能進(jìn)行可靠的定位與授時，輸出一個高精度的PPS秒脈沖信號(20ns RMS),以及相應(yīng)的時間、位置信息，同時通過串口提供標(biāo)準(zhǔn)UTC(Universal Time Coordinated,通用協(xié)調(diào)時)時間信息，作為高精度GPS時間同步的基準(zhǔn)；
[0027]井上管理配置模塊12:通過該模塊能對GPS授時服務(wù)器I的相關(guān)參數(shù)(如IP地址，端口號，傳輸協(xié)議等)進(jìn)行配置，并可對遠(yuǎn)端的網(wǎng)絡(luò)處理節(jié)點進(jìn)行管理；
[0028]井上本地處理模塊10:本地處理采用高性能ARM Cortex內(nèi)核處理器，能實時的對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對GPS時間信息進(jìn)行解析，配合高精度的PPS秒脈沖信號，采用時鐘同步補償算法，實現(xiàn)時鐘信號的精確同步；井上本地處理模塊采用高性能的ARM Cortex內(nèi)核處理器，提供了一個高性價比的平臺，同時預(yù)留足夠的運算量以備升級；
[0029]井上網(wǎng)絡(luò)處理模塊13:該模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)的通信任務(wù)，能通過高速的以太網(wǎng)總線傳輸數(shù)據(jù)包。TCP/IP協(xié)議棧開銷比較大，如采用軟件實現(xiàn)，會占用很大的系統(tǒng)資源，因此為了保證GPS授時處理的實時性，系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用專用芯片(如芯片W5300)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成授時廣播數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包下發(fā)到各同步數(shù)據(jù)采集控制器2上；
[0030]井上電源管理模塊14:其與井上本地處理模塊10連接，為系統(tǒng)提供工作的電源，GPS授時模塊11采用+5V供電，剩余部分采用3.3V供電。
[0031]軟件設(shè)計
[0032]授時服務(wù)器軟件采用模塊化的設(shè)計思想，整個軟件分為GPS授時接收模塊、網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動軟件、同步授時處理模塊及外部通信模塊，各模塊的主要功能如下:
[0033]I) GPS授時接收模塊
[0034]GPS授時模塊輸出高精度的周期性秒脈沖信號，高性能Cortex的處理器接收到該信號以后，用該秒脈沖信號對自身內(nèi)部時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，修正由于晶體的振蕩頻率偏差造成的時鐘同步誤差；
[0035]2)網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動軟件
[0036]GPS授時服務(wù)器端采用高性能的專用芯片實現(xiàn)IOOMbps的以太網(wǎng)，并通過光纖收發(fā)器將以太網(wǎng)電信號轉(zhuǎn)換成光信號，實現(xiàn)高速光纖上傳輸。網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動軟件性能的高低，直接影響到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣?，并最終影響同步授時的精度；
[0037]3)同步授時處理模塊
[0038]GPS授時服務(wù)器采用UDP協(xié)議，周期性的廣播同步授時幀，傳輸給井下各變電站的同步網(wǎng)絡(luò)控制器，各同步網(wǎng)絡(luò)控制器收到該同步信號以后，用該信號對自身內(nèi)部時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，以實現(xiàn)同步授時的功能；
[0039]4)外部通信模塊
[0040]為了對GPS授時服務(wù)器進(jìn)行設(shè)備管理、參數(shù)設(shè)置、程序更新等操作，軟件層面上須提供一個外部通信模塊，并設(shè)計專用通信協(xié)議及上位機(jī)軟件，方便用戶的使用和設(shè)備維護(hù)。
[0041]如圖3所示，本實用新型中的同步數(shù)據(jù)采集控制器2主要包括井下本地處理模塊、井下管理配置模塊21、井下網(wǎng)絡(luò)處理模塊22及井下電源管理模塊23，其中:
[0042]井下本地處理模塊:采用雙芯片架構(gòu)，包括ARM Cortex處理器與ARM7處理器，分別負(fù)責(zé)授時同步和數(shù)據(jù)采集交互，雙芯片之間配備高速總線接口交互通信，提高雙芯片的協(xié)同度，保證系統(tǒng)的實時性，其中ARM Cortex處理器與ARM7處理器均連接有交互通信的井下管理配置模塊與井下網(wǎng)絡(luò)處理模塊；
[0043]井下管理配置模塊21:通過該模塊能對GPS授時服務(wù)器I的相關(guān)參數(shù)(如IP地址，端口號，傳輸協(xié)議等)進(jìn)行配置，并可對遠(yuǎn)端的網(wǎng)絡(luò)處理節(jié)點進(jìn)行管理；
[0044]井下網(wǎng)絡(luò)處理模塊22:該模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)的通信任務(wù)，能通過高速的以太網(wǎng)總線傳輸數(shù)據(jù)包。TCP/IP協(xié)議棧開銷比較大，如采用軟件實現(xiàn)，會占用較大的系統(tǒng)資源，因此為了保證GPS授時處理的實時性，系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用專用的芯片(如芯片W5300)對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和處理；
[0045]井下電源管理模塊23:其與井下本地處理模塊連接，提供系統(tǒng)工作的電源，ARMCortex處理器與ARM7處理器采用3.3V供電。
[0046]ARM Cortex處理器與GPS授時服務(wù)器的井上網(wǎng)絡(luò)處理模塊13進(jìn)行交互，通過光纖以太網(wǎng)接收精確的同步時鐘信號，然后對本地時鐘進(jìn)行周期性校準(zhǔn)，完成系統(tǒng)的時鐘同步工作；ARM7處理器一方面與FPGA數(shù)據(jù)采集模塊3進(jìn)行交互，控制數(shù)據(jù)采樣和處理的整個流程，另一方面通過以太網(wǎng)與上層的總服務(wù)器4進(jìn)行通信，將采樣的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c總服務(wù)器4交互通信的上位機(jī)5，并從上位機(jī)5接收控制命令并執(zhí)行。本實用新型中雙核之間通過高速的通信接口交換數(shù)據(jù)，這種雙核架構(gòu)從硬件上提高系統(tǒng)處理的并行度，充分保證GPS授時的精度；且這種分布式處理方式降低了對每個芯片處理能力的需求，系統(tǒng)的硬件成本也隨之降低。多芯片方案相當(dāng)于把系統(tǒng)分為幾個比較獨立的模塊，削弱了系統(tǒng)各功能之間的耦合度，降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，縮減了開發(fā)周期。
[0047]本實用新型為了防止GPS信號受外界環(huán)境影響而失效，對GPS授時采用熱備份方案，當(dāng)一路信號失效時，立即切換到另一路信號上進(jìn)行同步授時。
[0048]要達(dá)到實時精確測量的目的，一是要在統(tǒng)一時間基準(zhǔn)下進(jìn)行同步測量，二是要有足夠的精度。對于50Hz的工頻量而言，Ims的同步誤差即可產(chǎn)生18°的相位誤差；要保證相位誤差為1°，就必須要求同步精度不超過55 μ S。由此可見，若以GPS時間為基準(zhǔn)對各電站所電壓電流進(jìn)行同步測量，則能完全滿足要求。本實用新型的GPS授時模塊授時精度可達(dá)到亞微秒級，即精度< I μ S。這一同步測量過程可通過基于GPS授時的同步采樣技術(shù)和離散快速傅氏變換(FFT)算法來完成。
[0049]而GPS授時需要通過以太網(wǎng)實現(xiàn)，所以就必須使用1000Μ光纖以太網(wǎng)，光纖以太網(wǎng)速度快，傳輸延時及其微小；光電轉(zhuǎn)換裝置也是采用硬件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換延時同樣是亞微秒級。綜上所述，本實用新型的GPS網(wǎng)絡(luò)授時裝置每個環(huán)節(jié)的傳輸轉(zhuǎn)換延時相加的總延時在I μ S以內(nèi)。高精度的GPS網(wǎng)絡(luò)對防越級跳閘系統(tǒng)的實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。
[0050]如圖4所示，同步數(shù)據(jù)采集控制器采用雙CPU架構(gòu)，軟件設(shè)計上采用分布式設(shè)計思路，ARM Cortex內(nèi)核上實現(xiàn)以太網(wǎng)驅(qū)動軟件、同步授時處理模塊；ARM7內(nèi)核上實現(xiàn)綜合判據(jù)算法、網(wǎng)絡(luò)通信客戶端，各軟件的主要功能如下:
[0051]I)以太網(wǎng)驅(qū)動軟件
[0052]同步數(shù)據(jù)采集控制器采用高性能的專用芯片實現(xiàn)IOOMbps的以太網(wǎng)，并通過光纖收發(fā)器將以太網(wǎng)電信號轉(zhuǎn)換成光信號，實現(xiàn)高速光纖上傳輸。網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動軟件性能的高低，直接影響到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣?，并最終影響同步授時的精度；
[0053]2)同步授時處理模塊
[0054]同步數(shù)據(jù)采集控制器通過光纖以太網(wǎng)，周期性接收GPS服務(wù)器廣播的同步授時幀，收到該同步信號以后，用該信號對自身內(nèi)部時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，以實現(xiàn)同步授時的功能。同步授時的目的是為了保證FPGA數(shù)據(jù)采集器對各變電站的高壓信號在同一時刻采集，以保證采集數(shù)據(jù)的一致性，作為防越級跳閘的判決依據(jù)；
[0055]3)綜合判據(jù)算法
[0056]同步數(shù)據(jù)采集控制器接收到多路同步高壓數(shù)據(jù)之后，需要根據(jù)預(yù)設(shè)門限和邏輯規(guī)貝U，對各路高壓信號進(jìn)行整合，整體的對當(dāng)前的各路高壓信號進(jìn)行分析，綜合分析出哪一路高壓出現(xiàn)故障，然后立刻控制繼電器切斷故障線路(整個控制回路的時間在ms級)，保護(hù)整個供電網(wǎng)絡(luò)；
[0057]4)網(wǎng)絡(luò)通信客戶端
[0058]網(wǎng)絡(luò)通信客戶端一方面將采集到的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)服務(wù)器，另一方面接收上位機(jī)服務(wù)器的命令和數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將結(jié)果返回到服務(wù)器。通過網(wǎng)絡(luò)通信客戶端，井上的工作人員可以實時地監(jiān)控井下各變電站的供電情況，保證煤礦供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。
[0059]本實用新型中的FPGA數(shù)據(jù)采集模塊3通過兩片AD7606采集16路電壓電流互感器信號，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，實時計算多階頻率分量，作為供電系統(tǒng)故障判決依據(jù)；而且，數(shù)據(jù)采集過程受控于時間同步控制器，保證數(shù)據(jù)采集的同步性。采集數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，通過32位總線傳送給網(wǎng)絡(luò)控制器，網(wǎng)絡(luò)控制器對結(jié)果進(jìn)行綜合判據(jù)分析，針對不同的情況，采取進(jìn)一步的處理措施。
[0060]由此可見，在FPGA數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計過程中，必須保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實時性，以保證系統(tǒng)的整體處理性能。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分采用ADI公司的AD7606雙極性同步采用ADC，其內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型ADC、靈活的數(shù)字濾波器、2.5V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速串行和并行接口，所有通道均能以高達(dá)200kSPS的吞吐速率采樣，極適合電力線監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理部分采用Xinlinx公司的高速FPGA處理器，利用FPGA處理器內(nèi)部豐富的硬件資源，并行處理16路實時采集數(shù)據(jù)，充分保證數(shù)據(jù)處理的實時性，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
[0061]本實用新型中的信號采集調(diào)理板6是整個數(shù)據(jù)采集的模擬處理前端，采用互感器將16路電壓電流信號引入系統(tǒng)，并通過高精密運放對微弱信號進(jìn)行放大，將信號強(qiáng)度調(diào)理到合適范圍之類，然后送入FPGA數(shù)據(jù)采集模塊3進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。信號采集調(diào)理板一方面可濾除現(xiàn)場采集信號上疊加的高頻環(huán)境噪聲，保證信號采集的真實性；另一方面對運放供電電源進(jìn)行濾波處理，濾除高頻紋波，提高運放的信噪比，保證信號調(diào)理結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0062]本實用新型中的防越級跳閘裝置包括有兩個光纖收發(fā)器、數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊、電網(wǎng)多路波形同步采集模塊及開關(guān)量快速執(zhí)行模塊(即繼電器組)，其中該數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊包括有全網(wǎng)下行同步與調(diào)度處理模塊及上行數(shù)據(jù)傳輸模塊，該兩個光纖收發(fā)器分別與全網(wǎng)下行同步與調(diào)度處理模塊及上行數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，該數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊與電網(wǎng)多路波形同步采集模塊通過數(shù)據(jù)總線連接，該電網(wǎng)多路波形同步采集模塊與開關(guān)量快速執(zhí)行模塊通過數(shù)據(jù)總線連接。
[0063]要實現(xiàn)高壓電網(wǎng)的防越級跳閘技術(shù)，必須實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)在精確的同一時刻點進(jìn)行采樣，這樣取得的數(shù)據(jù)對用電分析才有意義。本實用新型的井上GPS/Galileo多標(biāo)準(zhǔn)授時服務(wù)器可以有效的解決這一問題。GPS授時服務(wù)器的主要功能是通過GPS授時主控模塊提供的精確PPS秒脈沖信號(精確到30ns)，得到一個精確的系統(tǒng)時間，并將該時刻通過以太網(wǎng)發(fā)送到井下的各子監(jiān)控站，各子監(jiān)控站的同步數(shù)據(jù)采集控制器得到該時刻后，通過協(xié)議進(jìn)行自動時延校準(zhǔn)，周期校時后，能維持一個全網(wǎng)同步的精確內(nèi)部工作時鐘。各防越級跳閘裝置的電網(wǎng)多路波形同步采集模塊能夠同一時刻采集多個線路的波形，并利用FPGA(Field-Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)異常波形的快速識別，電網(wǎng)多路波形同步采集模塊將異常波形的信號通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與傳輸模塊，并通過光纖網(wǎng)絡(luò)和千兆光纖交換機(jī)將各測控站的實時數(shù)據(jù)以及故障的狀態(tài)上傳至地面上的保護(hù)測控裝置，該保護(hù)測控裝置為監(jiān)控平臺，該監(jiān)控平臺是一套基于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通信服務(wù)器的井上可擴(kuò)展監(jiān)控平臺，該平臺能方便接入internet，便于遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，以全面了解整個高壓電網(wǎng)的運行狀態(tài)；此外，同時通過此平臺對各監(jiān)控站通過光纖網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定組合門限定值，極大地方便了對特定現(xiàn)場的維護(hù)。
[0064]本實用新型中的繼電器組主要功能是對外提供16路控制回路，以快速準(zhǔn)確的切斷故障線路。繼電器的選擇首先要滿足控制電壓電流的要求，其次要保證可靠工作時間和快速響應(yīng)速度，以利于迅速可靠的切斷故障線路。
[0065]本實用新型整個系統(tǒng)需要多路電源，分為模擬和數(shù)字兩部分。模擬供電包括模擬信號調(diào)理電路的供電(±12V，模擬地)；數(shù)字部分包括網(wǎng)絡(luò)控制器供電(5V)、FPGA數(shù)據(jù)采集模塊供電(5V)、繼電器控制器供電(12V)。為了保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，供電回路在保證正常供電的同時，必須留有一定的供電裕量，且應(yīng)采取一定的過壓過流保護(hù)及降低紋波措施，提高供電質(zhì)量。
[0066]本系統(tǒng)應(yīng)用最新的全站數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化變電站技術(shù)，通過使用高速大容量的最新處理技術(shù)及高精度同步時鐘的技術(shù)及基于高速光纖通信網(wǎng)絡(luò)的光纖縱差保護(hù)模塊、全站零序電流的漏電保護(hù)模塊，來解決煤礦供電系統(tǒng)廣泛存在高壓漏電和越級跳閘的問題，提高煤礦供電系統(tǒng)的供電可靠性。功能齊全。除具有完備的常規(guī)保護(hù)功能外，還具有測量、信號采集、事件記錄、錄波、通訊等功能。安全可靠性。設(shè)計采用雙CPU結(jié)構(gòu)，大大提高了保護(hù)的可靠性；特殊的工作電源設(shè)計，保證在故障情況下保護(hù)能夠可靠動作；保護(hù)裝置數(shù)字化定值連續(xù)可調(diào)，保護(hù)動作精度高，避免誤動和拒動；自動保存事件順序記錄和故障錄波曲線，有利于事故分析和加強(qiáng)電網(wǎng)安全管理。
[0067]本實用新型具有以下特點:
[0068]1.全網(wǎng)高精度時鐘同步與維持
[0069]系統(tǒng)各模塊與授時服務(wù)器之間距離較遠(yuǎn)(達(dá)IOkm以上)，為了保證全網(wǎng)高精度的時鐘同步與維持，一方面要盡量減小傳輸過程中的延遲，比如采用1000M的光纖以太網(wǎng)，高速光纖以太網(wǎng)交換機(jī)等，將傳輸延遲控制在亞微妙量級；另一方面必須采取一定的動態(tài)調(diào)整算法，對同步時鐘信號進(jìn)行補償和周期性校準(zhǔn)，保證各模塊采樣時間的精確同步性。
[0070]2.高精度熱備份GPS授時提取
[0071]GPS授時精度直接決定了整個系統(tǒng)的同步精度，因此必須采用高精度的GPS授時解決方案；另外為了防止GPS信號受外界環(huán)境影響而失效，對GPS授時采用熱備份方案，當(dāng)一路信號失效時，立即切換到另一路信號上進(jìn)行同步授時。
[0072]3.遠(yuǎn)距可擴(kuò)展節(jié)點光纖傳輸網(wǎng)
[0073]為提高同步授時精度，必須將數(shù)據(jù)傳輸時延控制在一定范圍以內(nèi)，對于50Hz的工頻量而言，Ims的同步誤差即可產(chǎn)生的相位誤差；要保證相位誤差，就必須要求同步精度誤差不超過55uS。為了減小時延，擴(kuò)大通信距離，系統(tǒng)采用光纖作為傳輸媒質(zhì)，并且利用光纖以太網(wǎng)交換機(jī)，方便的實現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容。
[0074]4.電網(wǎng)波形多通道同步采集與異?？焖夙憫?yīng)
[0075]—路授時服務(wù)器可以帶有多路井下變電分系統(tǒng)，多路井下變電分系統(tǒng)都支持多通道數(shù)據(jù)采集，并且各分系統(tǒng)之間必須保證采樣周期精確的同步性。當(dāng)檢測到異常數(shù)據(jù)時，井下變電分系統(tǒng)必須實時快速的做出響應(yīng)，保障井下變電系統(tǒng)及人員設(shè)備安全。
[0076]5.異常數(shù)據(jù)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控
[0077]當(dāng)井下變電系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蚬收虾?，井下的授時接收控制器能將當(dāng)前的異常數(shù)據(jù)實時的傳輸?shù)椒?wù)器端。匯總數(shù)據(jù)之后，服務(wù)器端對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，且服務(wù)器端也可以通過光纖以太網(wǎng)發(fā)送指令到井下，控制整個系統(tǒng)的運行流程。
[0078]本實用新型中的各模塊為市售產(chǎn)品，在此不做贅述。
[0079]以上所述，僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，其包括有用于提供PPS秒脈沖信號并得到系統(tǒng)時間的井上的GPS授時服務(wù)器與位于井下各子監(jiān)控站的多個得到該系統(tǒng)時間后進(jìn)行自動校時以維持精確的內(nèi)部工作時鐘的同步數(shù)據(jù)采集控制器，各同步數(shù)據(jù)采集控制器分別與該GPS授時服務(wù)器通過光纖以太網(wǎng)進(jìn)行交互通信，各同步數(shù)據(jù)采集控制器與FPGA數(shù)據(jù)采集模塊通信，該同步數(shù)據(jù)采集控制器并將該FPGA數(shù)據(jù)采集模塊采集處理的結(jié)果通過以太網(wǎng)傳送到總服務(wù)器，該總服務(wù)器與上位機(jī)交互通信，該同步數(shù)據(jù)采集控制器通過總服務(wù)器接收該上位機(jī)的控制命令并執(zhí)行，該總服務(wù)器連接有進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的防越級跳閘裝置，該FPGA數(shù)據(jù)采集模塊連接有信號采集調(diào)理板。
2.如權(quán)利要求1所述的基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖以太網(wǎng)的帶寬為1000M。
3.如權(quán)利要求1所述的基于同步測量信息系統(tǒng)的煤礦防越級跳閘智能監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述防越級跳閘裝置包括有兩個光纖收發(fā)器、數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊、電網(wǎng)多路波形同步采集模塊及開關(guān)量快速執(zhí)行模塊，其中該數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊包括有全網(wǎng)下行同步與調(diào)度處理模塊及上行數(shù)據(jù)傳輸模塊，該兩個光纖收發(fā)器分別與全網(wǎng)下行同步與調(diào)度處理模塊及上行數(shù)據(jù)傳輸模塊連接，該數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊與電網(wǎng)多路波形同步采集模塊通過數(shù)據(jù)總線連接，該電網(wǎng)多路波形同步采集模塊與開關(guān)量快速執(zhí)行模塊通過數(shù)據(jù)總線連接；井下各防越級跳閘裝置的光纖收發(fā)器通過多束單模光纖連接一個千兆光纖交換機(jī)。
【文檔編號】H02J13/00GK203434750SQ201320496221
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月15日
【發(fā)明者】李德臣 申請人:李德臣