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安装调试

基于改进交流采样算法的电气火灾监控系统研制

发布时间:2015-9-10 11:33:37  作者:固德力安

  基于改进交流采样算法的电气火灾监控系统研制

  摘要:介绍了一种电气火灾监控系统,该监控系统主要由电气火灾探测器与电气火灾监控设备组成。探测器应用微机交流采样精确算法完成对三相四线制系统的线路漏电保护,并实现对电压、电流、功率、电度、温度等参数的测量显示与控制;在监控设备上通过安装由VC++编写的管理软件可以时刻监控现场的运行的情况,及时发现报警信息。采用RS-485或者以太网通信.可以与各种标准的电力监控软件相联,能对不小于250台探测器进行循环监测控制,并能记录各种故障发生的类型和时间,存储时间大于12个月。

  关键词:电气火灾监控系统,交流采样,电气火灾,

      漏电保护电气火灾监控系统主要针对漏电流故障发生时,用于监控、预警。及时排除火灾隐患,把可能造成的火灾消除在萌芽状态。与传统火灾报警系统相比,电气火灾监控系统从本质上是立足预防、专门针对电气线路故障和漏电故障的前期预警系统。

  1、电气火灾监控系统设计

  电气火灾监控系统由电气火灾监控探测器、电气火灾监控设备与其它接入设备组成,采用三相四线制回路。通过线路转换器一台监控设备可控制至少250台独立式探测器,由于采用了探测器的独立式设计,对监控设备的要求不用太高,现在一般的PC就能满足,且每台探测器还可接入其他类型的消防产品(感烟、感温、消防联动等)组成立体网络,再安装以产品功能特性自主编写的相应管理监控软件后,可实现其远程参数修改、控制与集中监管的功能等。

  根据探测器的设计要求,不仅具有基本的漏电检测声光报警、自检与各种功能指示灯,还配有LCD屏幕与数字键盘,除漏电保护外还集成了温度、过流、过压、欠压、缺相保护与电能计量功能,对产生故障进行本机保存与上传,能够记录百条以上各种故障发生的类型和时间,存储时间大于12个月,方便查阅。

  1.1、电气火灾探测器硬件设计

  电气火灾探测器由声光报警、键盘及液晶显示、电气参数采集、各路传感信号、外部数据存储和时钟/IEI历发生器等部分构成。主控微处理器选用的是Tl公司生产的16位超低功耗单片机MSP430F149,其5种低功耗模式满足了探测器通过电池供电持续工作,内置的硬件乘法器加快了数据处理的时间,在做高阶的滤波程序时,也能有较快的处理速度,集成12位AD转换器与温度传感器,更适合工业级的运行环境。探测器通过电磁传感技术与专用的DSP处理芯片,现场采集多种电气参数,经过比对和积分运算,精确显示、分析、判断现场特性,并可根据不同的用电环境修改探测器报警阈值。实现在LCD上的实时显示,同时通过485总线或以太网通信传输给监控设备。其硬件结构框图如图1所示。

电气火灾探测器硬件结构图1.jpg

  1.2、改进交流采样算法

  将三相电路的多数参数交予专用的电气参数测量及电能计量模块后,MCU主要负责对漏电信号的交流采集工作,利用零序电流互感器转换模拟量输入AD进行采样,而采样误差主要来自于电网信号中的非周期分量与谐波干扰,以及进行同步采样时微机定时器因最小定时间隔所带来的截断误差这两个方面,理想的电力参数波形为工频50Hz 的正弦波,电力参数交流采样中比较常用的均方根法,假设一个采样周期T中:

连续电流函数为:02.jpg

  离散化方程为:03.jpg

  其中N为一个周期内的采样点。均方根算法对硬件要求采样周期中存在非周期直流分量与截断误差时,其采样精度受到了很大的影响。在此基础上,本文着重分析了两种误差的来源并提出了一种消除非周期分量的软件同步交流采样算法。

  1.2.1、双速率同步采样

  传统同步采样方法主要分为硬件同步和软件同步两大类。硬件同步方法是用锁相环实时跟踪信号基波频率的变化,实时调整采样频率,实现同步采样。它是一种预防式方法,硬件结构复杂,当信号有较大的畸变或者有强噪声时,误差较大,可靠性不高。软件同步方法是一种初偿式方法,主要采用准同步采样、寻找过零点、加窗插值等步骤对原始采样数据进行重新采样或修正。普通的软件同步采样根据交流信号周期T,用该周期除以一周期内采样点数N得到采样间隔,然后按此间隔采样 N点后进行数据处理。但是由于微机的采样间隔由定时器控制实现,根据不同的晶振频率受其时钟周期TD的限制。可以理解为普通的软件同步采样是一种单速率采样。在由定时器控制采样间隔Ts时,存在着截断误差8。此误差必然小于定时器的最小定时周期To,这样在一周期T内采集N点后,累积的周期误差为:04.jpg

  由(2)式得:单速率采样法的最大周期误差为N×T。,则有△T/TD令M=INT(△T/厂rD),INT()为取整函数,可以发现△T可分成M等份,每份为TD。由于M即T—T当用均方根法采样其连续时间函数模型变换:

06.jpg

  计算A与B只需做2次乘法1次除法与若干次加减法,而当每周波采样点数N为2的幂次方时,还可用移位代替除法运算。经过这些处理后,求取id(k)的计算量能保证微机处理的速度要求。

  这样,消除了衰减直流分量的新的采样值为:

07.jpg

  1.2.3、微机应用改进交流采样算法

  在微机应用中,(6)式的模型运算量较大,当假设采样信号频率理想情况下50Hz时,信号周期T为20ms,采样周期Ts=T/N,而本系统MCU外接 8M晶振,其最小时钟周期为To=125ns,由于TD<<1,为简便数据处理可利用式(O)近似代替式(6)进行均方根运算。

  而1.2.2算法具体实现时,可先比较l(O)和j(N)的值,当两者差值较大时,进一步考察(k)。当确定存在一定的非周期分k:0量时,在一个工频周期计算一次A和B,然后对该工频周期内的N个采样值进行修正。此算法从采样序列的角度对采样值进行修正,能有效剔除其中所含的非周期分量。取采样周期 N=2,为减小近似公式(O)带来的误差将M次采样TD分均匀配到采样周期的两端(M必为偶数),则有:09.jpg

  通过对采样信号的一系列滤波处理后供MCU比对设置参数进行进一步判断与动作处理。

  2、电气火灾监控系统软件设计

  2.1、电气火灾探测器软件设计

  软件流程图如图3,当程序启动初始化后,对探测器进行自检,对其各功能接口进行扫描,如果有故障会发出报警信息,自检只限于本探测器,发出故障后,切断电源排除故障,然后重新上电自检,直至故障完全消除。自检通过后读取预存在外部存储器中的设置参数然后启动定时器A、B,定时器A确定屏幕显示的翻屏时间与故障延时的时间;定时器B确定了采集漏电与温度参数的时间间隔。随后进入主循环中,根据外部的按键与通讯情况进入相应的中断处理程序。

  LCD主显示界面由电压、电流显示,功率显示,电度、漏电流和温度显示,开关量状态显示与实时时间显示五个界面组成循环显示,通过按键可进入各种参数设置校正界面与故障记录显示等。

  2.2、电气火灾监控设备软件设计

  对于电气火灾监控设备可在PC上安装相应的管理监控软件。该软件用VC++进行编写,采用结构化、模块化编程方法,由人机界面、数据库、通信等模块组成,实现其远程参数修、控制与集中监管的功能。并根据网络管理的要求,增加报警监督界面,即由一个界面显示所有组网中的各个探测器状态,如有报警则在页面中提示,也可由软件电脑平台发出报警声。然后操作人员可根据情况选择切断线路、解除报警、记录故障等相应动作。考虑到运行系统的安全性,设置了登录界面要求操作人员输入密码才能进入,根据登录权限的不同对软件的操作也有所区别,其中低级权限只能观测系统运行情况和响应故障报警,而高级权限除了低级权限可进行的操作外还可以设置各种报警参数与应对方法,并能改变低级权限的进入条件与观察功能,部分设置需重新设置软件并重启后才能生效。整个系统安全可靠,对输入操作的重复确认尽量避免了操作人员的误操作,且当操作人员对系统参数进行设置或故障查询后会自动返回报警监督的主界面以保证监管系统的正常运行。

  3、实验测试

  (1)根据国家技术标准,对研制成功的样品进行了实际环境性能指标测试,其结果为:

  电压测量:172~268VAC,精度1%;

  电流测量:0-600AAC,精度1%;

  瞬时漏电测量(受互感器限制):

  0~200mAAC,精度1O%

  200~1000mAAC,精度5%;

  触点容量:100/225A220VAC;

  通信规程:MODBUS,485接口,9600BPS;

  供电电压:220V交流;

  保护功能:漏电,过热,过负荷和短路保护,断相、断路保护,失压、欠压保护。

  (2)报警性能测试

  报警设置值:2O0mA-800mA;

  连续可调步进为50mA;

  设置报警值分别为200mA、500mA和800mA,由于电路中产生漏电流的瞬时值并不相同,因此根据国家标准GB14287.2—2005中规定的报警动作值必须在报警设定值的8O%~1O0%范围内进行响应。其根据标准条款5.2的几台样品报警性能试验如表1所示。

电气火灾监控样品报警设定性能实验??.jpg

  以上实验说明了独立式电气火灾监控探测器满足国家标准要求,可在大多数环境下正常运行,并能对电气火灾隐患做到及时快速的响应与处理,通过系统组网后形成全面立体的智能监控网络。

  4、结束语

  电气火灾监控系统是应用于在线实时监控低压供电系统干线的智能化综合保护产品。改进的微机应用交流采样算法能有效的预防因漏电导致接地电弧短路所引起的电气火灾;同时能对保护线路的电压、电流、功率、电度、环境温度等参数进行监控,具备多路消防联动与报警功能;采用标准的RS485通讯同时提供可选的以太网通讯,充分满足远程监控的综合化管理。本系统的研制已获得

省重大科技计划支持。

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