一种基于FPGA+MCU架构的变电站地震监测仪的制作方法

一种基于fpga mcu架构的变电站地震监测仪
技术领域
1.本发明涉及电网防灾减灾技术领域，具体涉及一种基于fpga mcu架构的变电站地震监测仪。


背景技术：

2.作为重要的基础设施，电网系统的震损在带来严重经济损失的同时，将严重影响震区的抗震救灾和生产生活恢复。在国内，2008年汶川8.0级地震中四川电网有22座220kv及以上等级变电站受损；2010年玉树7.1级地震中，全县3条35kv线路中有2条受损，全县9条10kv线路全部受损。特高压电网目前还未受到较大地震灾害的影响，但由于其输电容量大，若发生震损影响范围将更广。在国外，1989年美国loma prieta大地震中电力系统的损害严重，两座230kv和500kv的变电站的破坏造成140万用户断电。2011年3月日本外海发生的9.0级地震中，福岛核电机组最初实现了安全停堆的设计功能，但外部电源和应急电源的失效使冷却系统无法发挥作用而导致堆芯温度升高和氢气爆炸。
3.地震监测是变电站运行阶段针对地震灾害风险的重要感知方式，是电网灾害评估的重要依据。针对变电站开展地震监测，可为地震后变电站电气设备受损情况评估提供依据，从而提高震后变电站抢修效率。
4.现有地震监测仪存在如下几个问题：
5.(1)现有地震监测仪以进口为主，不掌握核心的软硬件开发技术，后续系统更新、维护和升级受制于人，且成本高昂，极大地限制了相关技术大规模推广应用；
6.(2)采用fpga芯片可以实现多路加速度传感器数据的同步采集；
7.(3)大部分现有地震监测仪面向铁路、核电等工业领域，并不完全适应变电站地震监测场景。而国家地震台网受监测点分布密度等因素制约，其数据难以满足变电站地震监测要求。
8.鉴于以上问题，已有的地震监测仪难以满足变电站地震监测要求。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术中地震监测仪难以满足变电站地震监测要求的问题，本发明提出了一种基于fpga mcu架构的变电站地震监测仪，包括：通信芯片、主控芯片和传感器；
10.所述传感器设置于待监测变电站上，用于采集所述待监测变电站的振动信息，并将所述振动信息传输至所述主控芯片；
11.所述主控芯片采用fpga mcu架构设计，用于将接收到的振动信息进行处理后通过所述通信芯片传输至云端。
12.优选的，所述主控芯片包括：数据采集电路和信号调理电路；
13.所述数据采集电路，用于将所述传感器采集的振动信息汇总后传输至所述二阶巴特沃兹滤波器；
14.所述信号调理电路，用于将汇总过后的振动信息进行信号调理后通过所述通信芯
片传输至云端。
15.优选的，所述信号调理电路包括二阶巴特沃兹滤波器和模数转换器；
16.所述二阶巴特沃兹滤波器，用于将汇总过后的振动信息进行抗混滤波处理，并将处理后的数据传输至所述模数转换器；
17.所述模数转换器，用于将所述二阶巴特沃兹滤波器传输的数据进行模数转换。
18.优选的，所述信号调理电路还包括：与所述二阶巴特沃兹滤波器和模数转换器连接的运算放大器、电压跟随器。
19.优选的，所述传感器包括加速度传感器和mems传感器。
20.优选的，所述加速度传感器包括icp加速度传感器。
21.优选的，所述icp加速度传感器包括电荷放大器和高阻抗电路；
22.所述电荷放大器采用现代模拟集成电路技术将所述电荷放大器置于传感器中，并将所述高阻抗电路密封在所述传感器内。
23.优选的，所述mems传感器包括adxl354三轴传感器和akf390-20三轴传感器；
24.所述adxl354三轴传感器和akf390-20三轴传感器采用冗余配置。
25.优选的，还包括防护外罩；
26.所述防护外罩位于所述主控芯片和所述传感器的外侧。
27.优选的，所述防护外罩采用铸铝防护外罩。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
29.本发明提供了一种基于fpga mcu架构的变电站地震监测仪，包括：通信芯片、主控芯片和传感器；所述速度传感器设置于待监测变电站上，用于采集所述待监测变电站的振动信息，并将所述振动信息传输至所述主控芯片；所述主控芯片，用于将接收到的振动信息进行处理后通过所述通信芯片传输至云端。本发明采用单独的通信芯片，摆脱了传统单独设置通信模块的弊端，便于对主控芯片的更新升级。
附图说明
30.图1为本发明的变电站地震监测点的安装固定方式示意图。
具体实施方式
31.为了确保满足变电站地震监测的基本功能和性能需求，同时能够以低成本的方式进行推广，特提出如下的一种基于fpga mcu架构的变电站地震监测仪。
32.以达到以下目的：
33.1、可以提供相关测点的实时地震动信号数据；
34.2、系统安装部署和升级维护简单，具有高可靠度；
35.3、低成本，具备数据当地保存和在线上传云终端的能力。
36.实施例1：
37.本发明提出一种基于fpga mcu架构的变电站地震监测仪，包括：通信芯片、主控芯片和传感器；
38.所述加速度传感器设置于待监测变电站上，用于采集所述待监测变电站的振动信息，并将所述振动信息传输至所述主控芯片；
39.所述主控芯片采用fpga mcu架构，用于将接收到的振动信息进行处理后通过所述通信芯片传输至云端。
40.本发明提供一种基于fpga mcu架构的变电站地震监测仪，包含传感器选型、主控芯片中信号调理电路和数据采集电路以及网络功能实现几个部分组成。
41.1、主控芯片采用fpga mcu架构设计，保证两个加速度传感器(共六路加速度信号)信号的同步采集和处理。
42.2、传感器选型。通过比较市面上常用的地震监测类传感器，本专利选择icp(integrated circuits piezoelectric)加速度传感器。它内置的压电传感器，采用现代集成电路技术将传统的电荷放大器置于传感器中，所有高阻抗电路都密封在传感器内，并以低阻抗电压方式输出。输出电压幅值与加速度成正比。icp加速度传感器相比电荷式传感器具有如下优点：
43.(1)不需要联结电荷放大器，使用方便、灵活、特别适用于现场测试及在线监测。
44.(2)精度高。不易受现场干扰，由于icp传感器输出的就是放大的信号，所以干扰对其影响小，信噪比高。即使在恶劣的工厂环境下，icp加速度传感器也可以利用普通的同轴电缆对电压信号进行远距离的传输。icp加速度传感器需要恒流源为其供电。
45.地震监测仪主要采集场地地表的地震加速度信号，可选用mems加速度传感器。按照敏感信号方式，mems加速度大致可以分为：电容式、压阻式、压电式等类型，按照其工作原理，有以下特点如表1所示：
46.表1 mems加速度传感器特点
[0047][0048]
考虑到量程、灵敏度、噪声等方面指标，目前有很多mems传感器可用于强震观测应用。本发明专利考虑采用adxl354和akf390-20两种三轴传感器的冗余设计，两种型号的传感器互为备份，提供地震监测的可靠性。
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表2 常见mems加速度传感器性能对比
[0050]
[0051][0052]
3、信号调理电路，这里采用低通滤波器对应的低通滤波电路原理图。信号调理电路需要抑制一定频率范围内的噪声和干扰，使用合适的滤波器对信号进行抗混滤波，从而提高电路的信噪比。本专利选用性能稳定、增益容易调节的二阶巴特沃兹滤波器。
[0053]
低通滤波器是指设定的截止频率以下的低频信号能通过而过滤掉过于截止频率的信号的滤波器，为了使滤波器特性更接近于理想状况，通常使用二阶低通滤波器。最后，确定设计的滤波电路为二阶巴特沃兹低通滤波电路。
[0054]
4、数据采集电路。由于本系统需要同时采集6路传感器模拟信号，还有与4g通信模块的连接等。摒弃常规加装独立的通信模块的做法，设计更加简洁也便于使用和维护。
[0055]
5、网络功能实现。采用专用通信芯片实现系统的网络(4g wifi)通信功能，将采集到的地震信号传输到云终端。
[0056]
6、云服务。通过网络实现模块为控制器提供网络功能，便于系统将采集信号通过公网上传云服务器，整合相关所有站点的数据和相关计算资源，从而实现数据的统一调度和监测，极大提高了数据的使用效率。
[0057]
7、该地震监测仪的安装固定采用铸铝防护外罩，固定于监测点所在结构主体。地表的地震监测点可采用图1所示的方式布置于站内空地中，也可布置于基础加强的柜体内。主控楼内的地震监测点可布置于人为扰动少的区域，优选靠近梁柱节点或基础底板的位置。
[0058]
通过本专利的一种基于fpga mcu架构的变电站地震监测仪硬件设计方案，可以有效克服常规方案的不足。可为相关设备用户提供低成本、高可用方案，为相关技术的大规模部署提供可能。
[0059]
本发明设计的一种基于fpga mcu架构的变电站地震监测仪，由主控芯片(fpga mcu)、传感器选型、信号调理电路、数据采集电路、电源管理模块、通信模块等实现组成，这里的通信模块的功能采用通信芯片实现；
[0060]
本发明采用两种不同型号的三轴mems传感器的冗余设计，两种型号的传感器互为备份，提供地震监测的可靠性；
[0061]
本发明的信号调理电路包括：模数转换器、二阶巴特沃兹滤波器、运算放大器、电压跟随器，综合采用交流耦合、低通滤波、运算放大、电压跟随等手段极大提高了信号的信噪比，并且通过传感器监测电路等方式进一步提高了系统的可靠性和用户友好性；
[0062]
本发明的主控芯片上集成通信芯片，实现4g和wifi通信功能。简化系统结构，便于部署使用和后续维护；
[0063]
本发明的变电站地震监测仪安装固定有铸铝防护外罩，固定于监测点所在结构主体。地表的地震监测点可采用图1所示的方式布置于站内空地中，也可布置于基础加强的柜体内。主控楼内的地震监测点可布置于人为扰动少的区域，优选靠近梁柱节点或基础底板的位置。
[0064]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0065]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0066]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0067]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0068]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在发明待批的本发明的权利要求范围之内。