本實(shí)用新型涉及電力監(jiān)控領(lǐng)域，具體是一種船舶故障錄波采集裝置。
背景技術(shù)：
故障錄波裝置是一種在國(guó)家電網(wǎng)中普遍使用的智能設(shè)備，當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，裝置只進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)短路或振蕩等擾動(dòng)時(shí)便會(huì)觸發(fā)錄波過程，完整記錄下故障前后全過程的電壓、電流等模擬量的變化情況和繼電保護(hù)、斷路器等開關(guān)量的動(dòng)作情況，技術(shù)人員可以從保存的錄波文件中獲取想要的故障信息，不但可以實(shí)現(xiàn)電氣故障的快速定位和準(zhǔn)確判斷，而且有利于發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的缺陷，便于日后進(jìn)一步改進(jìn)和完善。如果將其納入船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)之中，無疑會(huì)大大提高管理人員的工作效率，為船舶電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。
目前，國(guó)內(nèi)外大部分故障錄波裝置還只局限于陸地大電力系統(tǒng)，船用領(lǐng)域還是一片空白。通常采用模擬集中式的采樣方案，即底層互感器采集的模擬量信號(hào)和開關(guān)裝置的狀態(tài)信號(hào)通過硬接線的方式輸入故障錄波裝置，由錄波裝置完成A/D采樣的過程。但是由于受設(shè)備體積和數(shù)據(jù)處理能力的限制，單臺(tái)錄波裝置的采樣通道數(shù)量往往只有二十個(gè)左右，要實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的覆蓋只能通過增加裝置數(shù)量的方式來完成，而這又涉及到時(shí)間難以同步的問題。同時(shí)，模擬量的傳輸需要大量的電纜，不但增加了施工難度和維護(hù)成本，而且容易引入電磁干擾。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型提供一種船舶故障錄波采集裝置，可以滿足船用領(lǐng)域全網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的覆蓋的要求，而且不必額外增加錄波裝置即可實(shí)現(xiàn)，大大降低了施工難度和維護(hù)成本，電纜數(shù)量的減小也防止了電磁干擾的產(chǎn)生。
一種船舶故障錄波采集裝置，包括外殼、安裝在外殼內(nèi)的背板及與背板插接的主控CPU板、開關(guān)量信號(hào)板、交流量信號(hào)板、直流量信號(hào)板、電源板，所述開關(guān)量信號(hào)板、交流量信號(hào)板、直流量信號(hào)板分別用于將采集的開關(guān)量信號(hào)、交流量信號(hào)以及直流量信號(hào)通過背板輸入給主控CPU板，所述主控CPU板包括主控CPU、FPGA芯片、隔離放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、光電隔離電路、PHY電平轉(zhuǎn)換電路、SFP光收發(fā)模塊，主控CPU通過PCIe總線與FPGA芯片連接，隔離放大器的信號(hào)輸入端用于接入模擬量信號(hào)，隔離放大器的信號(hào)輸出端通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與FPGA芯片的信號(hào)輸入端連接，光電隔離電路的信號(hào)輸入端用于接入開關(guān)量信號(hào)，光電隔離電路的信號(hào)輸出端與FPGA芯片的信號(hào)輸入端連接，F(xiàn)PGA芯片的信號(hào)輸出端與PHY電平轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)輸入端連接，PHY電平轉(zhuǎn)換電路的信號(hào)輸出端與SFP光收發(fā)模塊連接，SFP光收發(fā)模塊用于通過多模光纖與錄波主機(jī)連接。
進(jìn)一步的，主控CPU板、開關(guān)量信號(hào)板、交流量信號(hào)板、直流量信號(hào)板和電源板分別通過哈丁連接器與背板連接。
進(jìn)一步的，所述主控CPU基于Vxworks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，選用PowerPC架構(gòu)的MPC8308通信處理器。
進(jìn)一步的，所述FPGA芯片采用Altera公司的EP4CGX50器件。
本實(shí)用新型將故障錄波技術(shù)引入船舶電力監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化分布式采集單元，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)底層模擬量和開關(guān)量信號(hào)的集中采樣，減輕了錄波主機(jī)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。用戶可根據(jù)電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際特點(diǎn)靈活布置采集單元的位置和數(shù)量，并通過光纖上傳采樣信息，節(jié)省了二次電纜的用量。采集單元采用單板分布式設(shè)計(jì)，主要包括主控CPU板、交流量信號(hào)板、直流量信號(hào)板、開關(guān)量信號(hào)板以及電源板，采集板的類型可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。本實(shí)用新型適用于各種電壓等級(jí)的船舶電力系統(tǒng)故障錄波的數(shù)據(jù)采集。
附圖說明
圖1是本實(shí)用新型船舶故障錄波采集裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：10—背板，20—主控CPU板，30—開關(guān)量信號(hào)板，40—交流量信號(hào)板，50—直流量信號(hào)板，60—電源板，21—主控CPU，22—FPGA芯片，23—隔離放大器，24—模數(shù)轉(zhuǎn)換器，25—光電隔離電路，26—PHY電平轉(zhuǎn)換電路，27—SFP光收發(fā)模塊，28—RJ-45接口，29—USB接口，41—共模電感線圈，42—電壓互感器，43—電流互感器，44—過電壓保護(hù)電路。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本實(shí)用新型中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
圖1所示為本實(shí)用新型船舶故障錄波采集裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖，所述船舶故障錄波采集裝置包括外殼、安裝在外殼內(nèi)的背板10及與背板10插接的主控CPU板20、開關(guān)量信號(hào)板30、交流量信號(hào)板40、直流量信號(hào)板50、電源板60。
本實(shí)用新型采集單元采用前面板方式進(jìn)行安裝固定，導(dǎo)軌槽架、前出線接線方式，沒有后維修空間。外殼采用金屬材料制成，封閉防塵設(shè)計(jì)，無風(fēng)扇，自然散熱。
傳統(tǒng)的電氣量采集一般都是通過電纜將常規(guī)互感器的二次側(cè)與保護(hù)、測(cè)控等裝置的采樣模塊相連來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。本實(shí)用新型中的采集單元?jiǎng)t將互感器輸出的模擬量信號(hào)與無源觸點(diǎn)輸出的開關(guān)量信號(hào)合并，并經(jīng)過隔離放大、A/D轉(zhuǎn)換、曼徹斯特編碼，最后按照IEEE802.3協(xié)議將數(shù)字量通過光收發(fā)模塊直接傳送給錄波主機(jī)。
主控CPU板20、開關(guān)量信號(hào)板30、交流量信號(hào)板40、直流量信號(hào)板50和電源板60分別通過哈丁連接器與背板10連接。
所述交流量信號(hào)板40包括共模電感線圈41、電壓互感器42、電流互感器43、過電壓保護(hù)電路44，其通過二次互感器可以將0～100V的電壓信號(hào)和0～5A的電流信號(hào)均轉(zhuǎn)化為0～3.53V的電壓信號(hào)，然后通過過電壓保護(hù)電路44、哈丁連接器與背板10連接，將感測(cè)的電壓信號(hào)傳輸給主控CPU板20。
所述直流量信號(hào)板50用于完成直流信號(hào)的采樣工作。直流電壓或電流通過采集單元內(nèi)部的霍爾傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)?～±10V的低電壓或4～20mA的弱電流。弱電信號(hào)通過外端連接器進(jìn)入板卡，經(jīng)過EMI濾波保護(hù)電路、信號(hào)處理器、隔離放大器、信號(hào)處理和隔離電平轉(zhuǎn)換電路等環(huán)節(jié)，最后通過背板10與主控CPU板20連接。
所述主控CPU板20包括主控CPU21、FPGA芯片22、隔離放大器23、模數(shù)轉(zhuǎn)換器24、光電隔離電路25、PHY電平轉(zhuǎn)換電路26、SFP光收發(fā)模塊27、RJ-45接口28、USB接口29。
主控CPU21通過PCIe總線與FPGA芯片22連接，隔離放大器23的信號(hào)輸入端與哈丁連接器連接，以接入模擬量信號(hào)，隔離放大器23的信號(hào)輸出端通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器24與FPGA芯片22的信號(hào)輸入端連接，光電隔離電路25的信號(hào)輸入端與哈丁連接器連接，以接入開關(guān)量信號(hào)，光電隔離電路25的信號(hào)輸出端與FPGA芯片22的信號(hào)輸入端連接，F(xiàn)PGA芯片22的信號(hào)輸出端與PHY電平轉(zhuǎn)換電路26的信號(hào)輸入端連接，PHY電平轉(zhuǎn)換電路26的信號(hào)輸出端與SFP光收發(fā)模塊27連接，SFP光收發(fā)模塊27用于通過多模光纖與錄波主機(jī)連接，多模光纖可采用62.5/125μm規(guī)格的多模光纖，其最大通信距離為275m，波特率可達(dá)到100Mbit/s。
SFP光收發(fā)模塊27是一種將千兆位電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口器件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗較低、支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地節(jié)省機(jī)柜空間、減少散熱、方便替換，故將其作為采集單元與錄波主機(jī)間的通信接口。
SFP光收發(fā)模塊27的工作原理：激光驅(qū)動(dòng)芯片首先將輸入的差分邏輯信號(hào)(T+/-)調(diào)制成擬的激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，激光二極管發(fā)出相應(yīng)的光信號(hào)，通過光纖發(fā)送到接收端。光信號(hào)經(jīng)過遠(yuǎn)程傳輸后會(huì)發(fā)生一定的衰減或變形，SFP光接收模塊將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(R+/-)后，通過適當(dāng)放大還原成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。MODDEF1和MODDEF2分別為I2C的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，主要用來讀取EEPROM存儲(chǔ)芯片中的相關(guān)信息，如SFP模塊的類型、當(dāng)前激光器的狀態(tài)、模塊壽命預(yù)測(cè)、故障定位等功能。Tx Fault和LOS的高低位變化則用來指示有無光信號(hào)的輸入輸出，一旦SFP檢測(cè)到異常情況可通過TX Disable對(duì)其進(jìn)行復(fù)位。
為了滿足大批量采樣數(shù)據(jù)在處理器、存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間的高速交換，本實(shí)用新型采集單元內(nèi)部將PCIe總線作為芯片間和板間的通信接口，通過采用端到端串行連接的方式傳輸?shù)蛪翰罘中盘?hào)，克服了并行總線固有的信號(hào)偏移、串音干擾、帶寬較窄等問題。與傳統(tǒng)的PCI總線相比，PCIe總線具有響應(yīng)速度更快、插槽體積縮小、支持雙向傳輸和熱插拔功能等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信、節(jié)省船艙空間、降低維護(hù)難度等方面非常符合船舶故障錄波裝置的設(shè)計(jì)要求。
在本實(shí)施例中，所述主控CPU21基于Vxworks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，選用PowerPC架構(gòu)的MPC8308通信處理器，其中的e300c3內(nèi)核帶有16KB的數(shù)據(jù)緩存和16KB的指令緩存，運(yùn)行頻率高達(dá)400MHz，可以提供266MHz的數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，MPC8308處理器還提供了1個(gè)32位DDR2存儲(chǔ)器控制器、2個(gè)10/100/1000Mbit/s的以太網(wǎng)控制器、1個(gè)本地總線控制器、2個(gè)I2C總線、1個(gè)PCIe接口及串行外設(shè)接口(RJ-45接口28和USB接口29)。通過RJ-45接口28可以對(duì)采集單元進(jìn)行管理操作，USB接口29則用來進(jìn)行參數(shù)配置和軟件升級(jí)。
FPGA芯片22采用的是Altera公司的EP4CGX50器件，通過PCIe總線與MPC8308處理器連接，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的直連。同時(shí)，通過硬件描述語言實(shí)現(xiàn)多個(gè)MII接口，用于完成100Mbit/s的SFP通訊接口的連接。多通道16位模擬量的輸入和開關(guān)量的電平轉(zhuǎn)換由FPGA芯片22采集，并通過內(nèi)部的BUFFER進(jìn)行存儲(chǔ)，最終由處理器進(jìn)行調(diào)度轉(zhuǎn)換為MII接口數(shù)據(jù)，再經(jīng)PHY電平轉(zhuǎn)換電路26轉(zhuǎn)換后由SFP光收發(fā)模塊27發(fā)送到錄波主機(jī)中。
本實(shí)用新型安置于船網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)柜中，可根據(jù)不同監(jiān)控區(qū)域采樣點(diǎn)的多少靈活增減采集單元的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了模擬量和開關(guān)量的集中采樣和數(shù)字轉(zhuǎn)換，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)為：
1)交流量、直流量和開關(guān)量采樣均通過采集單元完成，功能更加集中。不同采樣點(diǎn)的信號(hào)的整合實(shí)現(xiàn)了底層數(shù)據(jù)共享，既提高了資源利用率，又降低了開發(fā)成本。
2)分布式結(jié)構(gòu)節(jié)省艙室占用空間，提高擴(kuò)展冗余度。采集單元通過少量光纖與錄波主機(jī)進(jìn)行通信，節(jié)省了大量的二次電纜，布線和維護(hù)更加容易，通過增減采集單元的數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)通道數(shù)量和存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展和升級(jí)。
3)模數(shù)轉(zhuǎn)換前置，減輕錄波主機(jī)數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。模擬量的數(shù)字化處理交給前端的采集單元完成，錄波主機(jī)只需要從上傳的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文中提取出采樣信息即可，極大地提高了錄波主機(jī)的處理速度。
4)外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕，非常適合船舶狹小的艙室空間進(jìn)行安裝，整套設(shè)備具有高防護(hù)等級(jí)，具有抗振動(dòng)和沖擊能力、防水、防塵、防鹽霧、防腐蝕、耐高低溫、電磁輻射小等優(yōu)點(diǎn)。
5)采樣分辨率、采樣精度、采樣頻率、過載能力等性能指標(biāo)均能滿足船舶電力系統(tǒng)故障錄波的需求。
以上所述，僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。