矿区电力工程施工现场安全监测系统设计

田 力，张 阳，洪 娟，应志江

(1.国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，浙江 杭州 310016; 2.杭州电力招标咨询有限公司，浙江 杭州 310000)

近几年，中国经济增速虽然放缓，但经济增量依然非常可观，尤其是矿产生产与开发行业。矿产资源开发过程中，电力工程占据着至关重要的位置，为矿区所有活动供电[1]。若是电力工程出现故障，如果无法及时对其进行修理，轻者导致矿区停业修整，重者会引发火灾，对矿区人员与机械设备产生极大的威胁。由此可见，保障矿区电力工程施工现场安全是矿产生产与开发行业正常作业的关键。随着矿产开发力度的增大，矿区规模也在不断地扩张，矿区供电面积也相应加大，与此同时电力工程周边的自然环境也更加复杂与多变，例如废气、雾霾、烟尘等污染源，极易引发电力工程安全事故的发生[2]。一般情况下，电力工程施工现场安全事故会致使大面积停电，不但会损坏电气设备，也会对矿井中工作人员的生命健康与安全带来危害，造成的经济损失更是无法估量。

根据调查研究数据显示，近年来电力工程施工现场安全事故概率大大上升，对矿产行业发展带来了极大的阻碍，如何有效地监测矿区电力工程施工现场安全成为矿产行业亟待解决的难题之一，也受到了国家相关部门的高度重视[3]。就现有研究成果来看，已有系统由于硬件与软件的自身缺陷，存在着电力参数相对误差较大、安全预警合格率较低的问题，无法满足现今矿区电力安全需求，故提出矿区电力工程施工现场安全监测系统设计与研究。

1 监测系统总体结构

为了降低矿区电力工程施工现场安全风险，设计了矿区电力工程施工现场安全监测系统，其总体结构如图1所示。

图1 安全系统总体结构Fig.1 Overall structure of safety system

2 系统硬件设计

针对已有系统存在的问题，设计新的矿区电力工程施工现场安全监测系统，硬件设计包括电力监测仪硬件电路设计单元、主控芯片选取单元及其GPRS通信芯片选取单元。

2.1 电力监测仪硬件电路设计单元

电力监测仪是电力工程施工现场安全监测的关键设备之一，获取电力工程中的相关参数，例如电流有效值、电压有效值、频率、谐波含量等，以获取的参数为基础，分析电力工程中电流信号与电压信号，判定电力工程施工现场的安全性。为了实现电力监测仪的功能，其硬件电路设计非常重要，主要包括电流采集电路及其电压采集电路。其中，电流采集电路设计如图2所示。

图2 电流采集电路设计Fig.2 Design of current acquisition circuit

如图2所示，电流采集电路采用全波形采样模式，主要是因为电力工程施工现场电流波形较为混乱，正负不对称，故需要对电流信号全波形进行采集，保障电流信号的完整性，提升电力工程安全监测精度[4]。电流信号在进入采集电路后，通过偏置、放大、滤波等调理过程，由微控制器完成电流信号的全部采集。需要注意的是，电流采集电路中D1为二极管，承担着电流信号限幅保护作用，为电流采集提供便利[5]。

电压采集电路设计如图3所示。图3中，电力工程施工现场电压不稳定，高电压与低电压并存，无法对其进行直接采集，需要应用调理设备将电压调理到一定范围内，方便电压信号的采集。常规情况下，主要利用电容器与电阻器构成滤波电路，对高频谐波信号进行滤除，保障电压信号采集的有效性。另外，电阻器还承担着限流作用，防止电流过大对采集设备产生破坏[6]。上述过程完成了电力监测仪硬件电路的设计，为电力监测仪功能的实现打下坚实的基础。

图3 电压采集电路设计Fig.3 Design of voltage acquisition circuit

2.2 主控芯片选取单元

主控芯片相当于设计系统的“大脑”，不但承担着电力工程施工现场数据的处理任务，也承担着连接系统硬件单元的职责。依据设计系统需求，选取Si1000作为主控芯片，其具有丰富的内部资源，例如RF收发器件、微处理器、ADC等，并具有长期运行可靠性的优势[7]。Si1000芯片管脚丰富，并能够根据用户需求进行定义，具体见表1。在Si1000芯片中，为了满足不同硬件连接需求，将串口设置为无数据流控与校验，数据位为8位，停止位为1位，方便系统硬件的相互连接。

表1 Si1000芯片管脚定义Tab.1 Pin definition of Si1000 chip

2.3 GPRS通信芯片选取单元

通信单元也是设计系统稳定运行的基础单元，选取SIM100作为GPRS通信芯片，该芯片具有完整的射频电路及其基带处理器，能够为数据传输提供充足的无线接口[8]。

SIM100芯片特性：①采用高集成度结构，具有多时隙功能与多操作模式，并支持双频通信，为设计系统提供稳定的通信环境；②数据传输性能较强，传输速率能够达到14 400 b/s；③附带资源丰富，系统连接器60针，外带天线与存储卡，并包含两路通信信道，两者之间相互独立，互不干扰，为数据发送与接收提供更安全的信道环境。

SIM100芯片针脚较多(60针)，能够与设计系统全部硬件单元进行连接，部分针脚定义情况见表2。依据电力工程施工现场安全监测需求，对设计系统硬件单元进行了相应的选取与设计，但仍然无法实现电力工程施工现场的安全监测，故需要对系统软件模块进行开发与设计[9]。

表2 SIM100芯片针脚定义Tab.2 Stitch definition of SIM100 chip

3 监测系统软件设计

设计系统软件模块包括电力监测仪软件程序设计模块、主控芯片初始化程序设计模块及其电力工程施工现场安全预警模块。

3.1 电力监测仪软件程序设计模块

应用模块化编程方法对电力监测仪软件程序进行设计，此种方法能够有效缩短软件程序的开发周期，为系统设计提供便利[10]。电力监测仪主程序如图4所示。

图4 电力监测仪主程序示意Fig.4 Schematic diagram of main program of power monitor

应用图4显示主程序对电力监测仪进行启动，通过FFT算法对采样数据进行变换处理，提取电力信号频谱，将其作为电力工程施工现场安全判定数据依据。FFT算法表达式为：

(1)

式中，X(f0)为经过变换处理的电力信号；f0为电力信号频率数值；tw为电力信号采集时间长度；t为当前采样时刻；α为FFT算法辅助参数；θ为电力信号初始相角。

应用式(1)对采集的电力信号进行变换，获取电流与电压频谱信号，记为I与U，为后续电力工程施工现场安全预警提供依据。

3.2 主控芯片初始化程序设计模块

主控芯片——Si1000芯片结构较为复杂，功能较为强大，故在设计系统运行之前，需要对Si1000芯片进行初始化，才能保障Si1000芯片的正常作业。Si1000芯片初始化指的是频率信息、端口、SPI、串口、定时器与看门狗器件的初始化。另外，在初始化程序中，设置全部芯片管脚地址复位到0XFF，时钟为20 MHz，外围寄存器复位，保障寄存器内部数据不丢失。从本质角度出发，Si1000芯片初始化就是对芯片内部器件进行全部复位与参数设置，使其满足设计系统运行需求，完成Si1000芯片具备的全部功能。初始化主程序较为繁琐，由于此研究篇幅的限制，不对其进行赘述。

3.3 电力工程施工现场安全预警模块

以电力监测仪获得的电流与电压信号为依据，设定电力工程故障判定规则，对电力工程施工现场安全事件进行预警，以此来保障矿区电力工程施工现场的安全性，实现电力工程的安全监测。经过调查研究发现，电力工程施工现场安全事件主要为短路故障与接地故障，电流/电压波形如图5所示。

图5 电力工程安全事故电流/电压波形示意Fig.5 Schematic diagram of current / voltage waveform for power engineering safety accidents

设定短路故障判定规则为:

(2)

式中，ΔI为电流突变量。

设定接地故障判定规则为:

(3)

式中，Δt为突变时间；ΔU为电压突变量。

若是满足式(2)与式(3)条件则判定电力工程施工现场存在安全事件发生，故发生声光预警，提醒工作人员对电力工程进行检修。

通过上述硬件单元与软件模块的设计，实现了矿区电力工程施工现场安全监测系统的设计与运行。

4 实例分析

为了验证设计系统是否改善已有系统存在的问题，选取具体使用系统作为对比分析。矿区电力工程施工现场如图6所示。

图6 矿区电力工程施工现场Fig.6 Construction site of power engineering in mining area

4.1 准确工作

设备准备是系统应用性能测试的关键环节，也是保障实验顺利进行必不可少的步骤。依据矿区电力工程施工现场安全监测实验需求，设置应用准备阶段任务为：装置选取与实验采样规则制定。其中，选取电力系统波形发生器作为电力工程仿真装置，其会输出近似于电力工程施工现场的电流与电压信号，并含有大量的谐波分量，使其更接近于实际矿区电力工程施工现场情况。

电力系统波形发生器实物如图7所示。应用电力系统波形发生器发出电流及其电流信号，制定实验采样规则，获取实验数据。此研究设置采样频率为信号发出频率的2倍，每个信号周期内采样次数为100次。通过上述过程完成了实验装置的选取与实验采样规则的制定，为后续矿区电力工程施工现场安全监测实验提供充足的准备工作。

图7 电力系统波形发生器实物Fig.7 Physical object of power system waveform generator

4.2 结果分析

以上述实验准备内容为依据，进行矿区电力工程施工现场安全监测实验，选取电力参数相对误差与安全预警合格率作为系统应用性能评价指标，电力参数主要包含电流参数与电压参数，通过实验获得电力参数相对误差，如图8所示。如图8数据显示，无论是电流参数还是电压参数，应用设计系统后获得的电力参数相对误差均较小，表明设计系统能够更加精确地获取电力工程相关的电力参数。

图8 电力参数相对误差Fig.8 Schematic diagram of relative error of power parameters

安全预警合格率指的是电力工程施工现场安全事件预警的有效率，该指标数值越大，表明安全监测效果越好。通过实验获得安全预警合格率见表3。从表3数据可知，与应用前相比，应用设计系统后获得的安全预警合格率更高，表明设计系统电力工程施工现场安全监测效果更好。

表3 安全预警合格率数据表Tab.3 Data of qualified rate of safety early warning

实验数据表明，应用设计系统后获得电力参数相对误差较小，安全预警合格率更高，充分证实了设计系统的有效性。

5 结语

为了提升矿区电力安全监测效果，设计新的矿区电力工程施工现场安全监测系统，极大地缩小了电力参数相对误差，提高了安全预警合格率，能够为矿区电力安全监测提供更有效的系统支撑，也为电力安全监测相关研究提供一定的参考与借鉴。