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V电网防爆开关设计论文+DWG图纸+外文翻译+文献综述+开题报

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煤矿井下6kV电网防爆开关设计(论文+DWG图纸+外文翻译+文献综述+开题报告),V电网防爆开关设计论文+DWG图纸+外文翻译+文献综述+开题报

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毕业设计（论文）包括： 毕业设计（论文）封面毕业设计任务书毕业设计评阅人评语毕业设计评定书毕业设计答辩许可证毕业设计答辩委员会（小组）决议中文摘要外文摘要目录绪论(或前言)正文致谢参考文献资料附录封底。 译文及原文影印件单独装订。,毕业设计(论文)格式模板,毕业设计（论文） 封面 页面设置：封面采用教材科提供的标准封面。B5纸张，双面打印，页边距按以下标准设置：上、下边距为20mm；左、右边距为20mm；装订线为10mm，左侧装订；页眉16mm；页脚15mm； 题目：要简短、明确、有概括性。一般小于25个字。,毕业设计任务书,由指导教师按要求内容填写并签名或盖私章。,毕业设计评阅人评语,由评阅人填写； 原则上由本专业中级职称以上的非指导教师进行评阅，填写时间应在指导教师评阅之前。 评阅人评语的主要内容为： 对学生毕业设计（论文）的水平、是否有重大的错误、文字表达能力、图表以及公式符号是否规范整洁等方面的意见；对学生综合能力的评价；是否达到培养要求的结论性意见。并给出成绩。 签名或加盖教师私章。,毕业设计评定书,毕业设计评定书的所有内容由指导教师填写； 对学生毕业设计（论文）的水平、文字表达能力、图表以及公式符号是否规范整洁，以及学生的平时表现，综合能力等作出评价；并给出建议成绩。 指导教师签名或加盖教师私章，时间在答辩之前。,毕业设计答辩许可证,上面由指导教师填写. 下面由答辩委员会主席填写.,毕业设计答辩委员会（小组）决议,毕业设计总评语的主要内容包括：在评阅人评语、导师的毕业设计评定书的评语以及学生提交的毕业设计报告和答辩的基础上，对学生毕业设计（论文）的水平、毕业答辩回答问题情况、文字表达能力、图表以及公式符号是否规范整洁等方面的意见；对学生综合能力的评价；是否达到培养要求、是否通过毕业答辩和最终成绩的结论性意见，最后应有答辩小组成员签名或盖私. 成绩采用优秀、良好、中等、及格、不及格五级评定。,摘 要,摘要的内容采用小四号、宋体排版;字数约为300-500字，一般不超过600字. 中文摘要是正文内容不加注释和评论的简短陈述。摘要的编写应遵循下列原则： 1）摘要应具有独立性和自含性，是文章的缩影，是设计说明书的主要内容、见解、结论简短明了的缩写。2）摘要中要有数据、有结论，是一片完整的短文，可以独立使用，可以引用。3）摘要内容应尽可能包括原文章的主要信息，供读者确定有无必要阅读全文，也供文摘汇编等二次文献采用。4）摘要一般应说明设计工作的目的意义、研究方法、研究结果、主要结论及意义、创造性成果和新见解，而重点是结果和结论。5）要用文字表达，不要附图和照片，除了实在无变通办法可用以外，摘要中不用图、表、化学结构式、非公知公用的符号和术语，不要使用表格、公式、上下标以及其他特殊符号，要突出重点，阐述清楚，少用数据表。 摘要的用语力求简洁、准确。 关键词 :(3-5个小四号、黑体、左顶格; 各关键词之间用分号和一个空格隔开),之间空两格，采用三号字、黑体、居中，与内容间空一行,中文 摘要 举例,ABSTRACT,Keywords：(小四号、Times New Roman字体、加粗、左顶格) (各关键词之间用分号和一个空格隔开)。,内容采用小四号、Times New Roman字体排版。,采用三号字、Times New Roman字体、加粗、居中与内容间空一行。,英文 摘要 举例,目 录,1（空一格） 绪论（小三号、黑体） 1 11（空一格）立题背景 （四号、黑体） 2 111（空一格） （四号、宋体） 4 1127 12 (空一格）国内外现状 （四号、黑体） 9 121 15 122 24 13 (空一格）本文要解决的问题及主要任务 （四号、黑体）26 2（空一格） （小三号、黑体）28 21（空一格） （四号、黑体） 27 211（空一格） （四号、宋体） 34 212 37 结 论 50 参 考 文 献 52 附录A 54 在学研究成果 56 致 谢 57,（三号、黑体、居中、“目录”两字间空四格、与正文间空一行）,目录 举例,1（空一格） 绪论（小三号、黑体） 11（空一格）立题背景（四号、黑体） （内容小四号宋体） 12（空一格） （四号、黑体） 121（空一格） （四号楷体） （内容小四号宋体） 122（空一格）（四号楷体） （内容小四号宋体） 123（空一格）（四号楷体） （内容小四号宋体） 13 （空一行）,正 文1 如第一章绪论,正 文采用双面打印,正文例 1,2（空一格） （小三号、黑体） 21（空一格） （四号、黑体） 22（空一格） （四号、黑体） 221（空一格） （四号楷体） （内容小四号宋体） 222（空一格）（四号楷体） （内容小四号宋体） 223（空一格）（四号楷体） ,正 文2 如 第 二章,图、表、公式 （1）图 要精选，要具有自明性，切忌与表及文字表达重复。 要清楚，但坐标比例不要过分放大，同一图上不同曲线的点要分别用不同形状标出。 图中的术语、符号、单位等应同正文表达所用一致。 图序及图名居中置于图的下方。图名采用中英文对照，英文（Times New Roman）字体5号，中文宋体5号。,正文例 2,正文例3,（2）表 表应有表序和简短准确的题名，位于表的上方居中。表的题名采用中英文对照，英文（Times New Roman）字体5号，中文宋体5号。 所有表格采用三线制。 表中参数应标明量和单位的符号。 (3）公式 公式的编号用括号括起写在右边行末，其间不加虚线。 图、表、公式等与正文之间要有一行的间距。 文中的图、表、公式、附注一律采阿拉伯数字分章编号。如：图2-5，表3-2，公式（5-1）等。若图或表中有附注，采用英文小写字母顺序编号，附注写在图或表的下方。,正文例4,量和单位 要严格执行（GB3100-3102：93）中有关量和单位的规定（具体要求请参阅常用量和单位，计量出版社，1996），不得使用非法计量单位及符号。计量单位符号，除用人名命名的单位第一个字母用大写之外，一律用小写字母。 （1）非物理量单位（如件、台、人、元、次等）可以采用汉字与单位符号混写的方式，如“万tkm”。 （2）文稿叙述中不定数字之后允许用中文计量单位符号，如“几千克至1000kg”。 （3）表达时刻时应采用中文计量单位，如“上午8点45分”，不能写成“8h45min”。 （4）单位名称的书写，可以采用国际通用符号，也可用中文名称，但全文应统一，不要两种混用。,结 论,论文应有结论。论文的结论是最终的、总体的结论，不是正文中各段的小结的简单重复。结论应该观点明确、严谨、完整、准确、精炼。文字必须简明扼要。如果不可能导出应有的结论，也可以没有结论而进行必要的讨论。 可以在结论或讨论中提出建议、研究设想、仪器设备改进意见、尚待解决的问题等。 不要简单重复罗列实验结果，要认真阐明本人在科研工作中创造性的成果和新见解，在本领域中的地位和作用，新见解的意义。 对存在的问题和不足应作出客观的叙述。应严格区分自己的成果与他人（特别是导师的）科研成果的界限,结论举例,也可以写成 “总结与展望”,致 谢,以在正文后对下列方面致谢： a.提供资助设计研究工作的奖学金基金、合同单位、资助或支持的企业、组织或个人； b.协助完成研究工作和提供便利条件的组织或个人； c.在设计工作中提出建议和提供帮助的人； d.给予转载和引用权的资料、图片、文献、研究思想和设想的所有者； e.其他应感谢的组织或个人。 致谢辞应谦虚诚恳，实事求是。主要感谢导师和对论文工作有直接贡献及帮助的人士和单位。学位申请人的家属及亲朋好友等与论文无直接关系的人员，一般不列入致谢的范围。,致 谢 举 例,参考文献：（四号黑体左顶格）,只列出作者直接阅读过或在正文中被引用过的文献资料。正文中应按顺序在引用参考文献处的文字右上角用 标明， 中序号应与“参考文献”中序号一致。参考文献要另起一页，一律放在正文后，不得放在各章之后。 根据中国学术期刊检索与评价数据规范的要求书写参考文献，并按顺序编码制，作者只写到第三位，余者写“等”，英文作者超过3人写“et al”(斜体)。 参考文献类型及其标识 参考文献类型专著论文集报纸文章期刊文章学位论文报告标准专利文献类型标识MCNJDRSP 电子参考文献类型数据库计算机程序电子公告电子文献类型标识DBCPEB文后参考文献表的编排格式和示例如下： 1、专著 序号 作者.文献题名文献类型标识.出版地:出版者,出版年.起止页码(任选). 例：4 牛光庭.建筑材料M.北京:水利电力出版社.1993. 2、学位论文 序号 作者.文献题名文献类型标识.所在地:作者单位,年度. 例：1 刘伟.汉字不同视觉识别方式的理论和实证研究D.北京:北京师范大学心理系，1998. 3、报告 序号 作者.文献题名文献类型标识.所在地:作者单位,年度. 例：1 白秀水，刘敢，任保平. 西安金融、人才、技术三大要素市场培育与发展研究R. 西安:陕西师范大学西北经济发展研究中心,1998. 4、期刊文章 序号 作者.文献题名J.刊名,年,卷号(期号):起止页码.,例：1 赵强,孟祥龙.增强自调匀整混合环控制稳定性的研究J.纺织学报,2004,25（6）:7-9. 2 Nagai N, Nagata K, et al. Quercetin Suppresses Heat Shock Response by Down-regulation of HSFIJ.Biochemical and Research Communication,2002,208(3):1105. 5、论文集中的析出文献 序号 析出文献主要责任者.析出文献题名A.原文献主要责任者.原文献题名C.出版地：出版者,出版年.析出文献起止页码. 例：1 钟文发.非线性规划在可燃毒物配置中的应用A.赵玮.运筹学的理论与应用中国运筹学会第五届大会论文集C.西安:西安电子科技大学出版社,1996.468-471. 6、报纸文章 序号 主要责任者.文献题名N.报纸名,出版日期(版次). 例：1 李大伦.经济全球化的重要性N.光明日报,1998-12-27,（3）. 7、国际、国家标准 序号 标准编号,标准名称S. 例：10 GB50023-95，建筑抗震鉴定标准S. 8、专利 序号 专利所有者.专利题名P.专利国别:专利号,出版日期. 例：6 孔一庆.一种硅材料的制备方法P.中国专利:CN891056088,1982-05-02. 9、电子文献 序号 主要责任者.电子文献题名电子文献及载体类型标识.电子文献的出处或可获得地址,发表或更新日期/引用日期（任选）. 例：1 王明亮.关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进EB/OL.http:/www.cajcd. /pub/wml.txt/980810-2.html,1998-08-16/1998-10-04 10、各种未定义类型的文献 序号 主要责任者.文献题名Z.出版地：出版者,出版年. （ 以上序号用中扩号，与文字之间空一格。如果需要两行的，第二行文字要位于序号的后边，与第一行文字对齐。中文的用五号宋体，外文的用五号Times New Roman字体。）,参考文献 举例,附录A XXXXXXXX(题目),附录是作为论文主体的补充项目，并不是必需的。下列内容可以作为附录编于论文后： a.为了论文材料的完整，但编入正文又有损于编排的条理和逻辑性，这一类材料包括比正文更为详尽的信息、研究方法和技术更深入的叙述，建议可以阅读的参考文献题录，对了解正文内容有用的补充信息等； b.由于篇幅过大或取材于复制品而不便于编入正文的材料； c.不便于编入正文的罕见珍贵资料； d.对一般读者并非必要阅读，但对于本专业同行有参考价值的资料； e.某些重要的原始数据、数学推导、计算程序、框图、结构图、注释、统计表、计算机打印输出件等。 附录与正文连续编排页码。论文的附录依序用大写正体英文字母、编序号，如：附录。附录中的图、表、式、参考文献等应另外编号，与正文分开，一律也用阿拉伯数字编码，但在编码前题以附录序码，如：图1；表2；式(3)；文献5等。,附录举例,在学研究成果 (有的话列上),一、在学期间做过的相关设计情况 二、在学期间所获的设计方面的奖励 三、在学期间发表的相关论文 在学研究成果内容须符合以下两条要求： a. 国家、省市、行业协会颁发的科技奖或组织的成果鉴定； b.正式发表（包括已正式录用）的期刊论文、国内外大型学术会议论文。 四、正在进行的研究课题，尚未发表或正式录用的文章等不可填为在学研究成果。,摘 要煤矿井下6 k V电网防爆开关是矿井供电系统的关键设备，它负责向工作面和掘进面的工机械提供电能。长期以来现场所使用的这种开关载流能力小、保护简单、故障率高，直接影矿井供电的可靠性、安全性和连续性，因此研究高性能的6 k V 防爆开关综合保护系统对提高供电质量、保障人身安全，完善电网保护不仅具有重要的现实意义而且具有较高的经济价值。本文深入系统地研究了基于 Intel80Cl96 K B 单片机控制的6 k V 爆开关综合保护系统，主要内容如下: 针对大型及特大型矿井供电系统中性点普遍采用消弧线圈接地方式的现状，回顾了国内外矿用高压防爆开关保护系统的发展历史，分析了目前国内高压馈电开关保护系统所存在的问题，提出了“ 基于零序电压基波启动，五次谐波功率方向比较”的选择性漏电保护原理，设计了相应的五次谐波提取电路和功率方向鉴别电路。实验结果表明:该保护原理不仅适用于中性点绝缘的供电系统，而且适用于中性点经消弧线圈接地的供电系统，提高了选择性漏电的动作可靠性，保证了动作值的稳定性。通过分析6 k V电缆绝缘监视保护的特点， 提出了在高压电缆监视线与接地线之间附加直流电源并利用V / F 转换实现监视保护的新方法，设计了相应的电路。实验证明:该方法可有效地检测电缆的绝缘状祝，并实现了电缆短路故障时的超前切断功能。以8 O C 1 9 6 K B单片机为中央控制单元，设计了一种新型智能化高压开关综合保护系统。该系统能自动判断短路、过载、过压、欠压 漏电等故障，并对高压电缆的绝缘水平进行实时监测，大屏幕液晶显示器实现了电网参数的轮流显示， 通过拨码盘输入系统各项整定参数，真正实现了保护系统数字化。综合保护系统直接对传感器二次交流信号高速采样，利用傅立叶算法获取所需电压、电流等参数， 然后对需控量进行监视、分析、统计和判断，从而使可信度、可靠性得到保障。本文分析了工业生产环境存在的千扰源及所产生干扰信号的特征，针对不同特征的干扰信号，制定了相应的硬件、软件防治措施.该测控系统性能稳定，动作可靠，且易于操作，具有传统保护系统无法比拟的实用性和可靠性。关键词: 综合保护 微机控制 高压防爆开关 高压电网选择性漏电保护ABSTRACT The high-voltage flameproof switchgear is a key apparatus for 6kV-power Supply system in underground mines. The switchgear is used for supplying Power energy to HV working machinery or next IV distribution station in coalface. However , there have been many disadvantages with the HV flameproof switchgear widely used in underground for long time , such as smaller breaking capacity ,simpler protection system and higher fault probability , which impairs the reliability , safety and continuity of underground power distribution system.It is hence important to develop a kind of new intelligent protection system with wonderful performances used in flameproof switchgear which can not only improve the supply quality of underground HV distribution system but also perfect its protective properties.Especially can prevent the underground from gas explosion and guarantee the operating safety for underground worker.According to the present actual underground power system which neutral point is grounded through arc suppression, coil in many supper big shaft, the development history and present situation of synthetic protection system used in HV flameproof switchgear are reviewed, and on the basis of an alyzing the problems existed in high voltage flameproof switchgear, the selective leakage protective method based on the detecting harmonic direction of zero sequencecurrentaswellasthevalueofzerosequencevoltageisproposedinthispaper,andatthesametime,harmoniesextractingschematicandtransformingcircuitarealsodesigned.It has been proved by tests inour resultsthatthisprotectivemethodissuitablenotonlyforneutralpointinsulatedsystem,but also forneutralpointgroundedsystemthrougharcsuppressioncoil.A protectivemethodbasedonVoltage-Frequency-ConverterandadditionalDCmeasuringtheinsulationbetweenmonitorwireandgroundlinesofHVdoublescreencableisdevelopedandrealizedbyanaloganddigital1 绪论K e y Wa r d s : s y n t h e t i c p r o t e c t i o n m i c r o c o m p u t e r c o n t r o l H V f l a m e p r o o f s w i t c h g e a r H V d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s s e l e c t i v e l e a k a g e p r o t e c t i o n1.1研究高压防爆开关综合保护的意义随着煤矿现代化程度的不断提高和井下高压供电距离的增加，对煤矿井下供电系统可靠性、安全性和连续性的要求越来越高;同时，由于煤矿井下工作环境恶劣，负荷波动大，工况很不稳定，瓦斯煤尘积聚、滴水冒顶事故等会使电气设备绝缘强度逐渐降低。同时由于操作人员维护不当或操作错误、输电线路的导线断裂等原因，经常会出现漏电及单相接地故障。接地故障若不及时排除，电网各相线会运行在线电压下，长期运行将导致绝缘击穿，甚至发生三相或两相短路事故。单相接地、相间短路故障发生时产生的电弧能量会引起瓦斯、煤尘爆炸，直接危及人身安全和矿井生产。为了避免事故的发生，保障人身安全，有效减小事故范围，研究高性能的高压防爆开关综合保护系统具有重要的现实意义和重大的经济价值。高压开关综合保护是煤矿井下高压供电系统终端线路的主保护，它起到了保护高压电缆和变压器的作用。对于电缆和变压器发生短路、过流、漏电和电缆损坏等故障都能起到保护作用，从而能够保证其控制的整个高压线路的供电安全。因此高压防爆开关综合保护系统的好坏将直接影响到煤矿井下供电的安全性和可靠性。1.2高压开关综合保护系统的基本要求根据矿井供电系统在矿井生产中的核心作用，参考 煤矿安全规程，安装于高压防爆馈电开关中的综合保护系统应满足以下四项基本要求：(1) 选择性 保护的动作应具有选择性。即它是有选择地切除电网中发生故障的支路，而保证非故障支路供电的连续性，尽量缩小中断供电的范围。(2) 可靠性 保护系统能准确判断故障，可靠执行命令;但当其它支路发生故障时，本支路保护不应发出跳闸命令，即不产生误动的现象。(3) 快速性 本支路发生故障后，保护系统应快速动作，防止故障范围扩大，降低电气设备的损坏程度。(4) 灵敏度 保护系统应具有较强反应故障的能力。即不论在保护范围的始端端发生故障，保护系统均应准确反应还是在保护范围的末，甚至在后备保护范围发生故障时，也应具有一定的反应能力。鉴于保护系统在矿井供电系统中的重要作用，多年来，广大科技工作人员都非常重视这一领域的研究，高压综合保护是矿井供电系统保护中的一种，多年来经过了数次更新换代，但从现场运行的情况看，这些保护系统误动和拒动的现象时有发生，不能完全满足供电系统保护的四项基本要求，所以其保护性能仍然有待进一步完善和提高。1.3高压开关综合保护系统的研究现状和发展趋势1.3.1高压开关综合保护系统发展过程早期的高压开关是油开关，仅有电流互感器和电压互感器，保护功能简单，主要元件为过流继电器和高压熔断器。自从五十年代引进国外高压防爆开关以来，其综合保护系统的发展大致经历了两个阶段:模拟电路阶段和以模拟电路为主、数字电路为辅的阶段，以国营汾西机器厂生产的BGP7.6型高压真空配电装置和德国8SN,型高压开关箱为典型代表。两个阶段的高压开关综合保护对煤矿井下的供电安全都起到了一定的积极作用。但是由于它们主要采用模拟电路，电路参数的分散性大，易受环境的干扰，影响了综合保护系统可靠性的提高。目前现场使用最多的是集成电路型，如沈阳市天行电子有限公司生产的GZBJ-3型高压综合保护装置集成电路型保护具有功耗小、特性好、 J性能稳定、体积小、使用方便等特点，对高压综合保护系统的更新换代起到了一定的推动作用。近年来，随着计算机检测技术的飞速发展，集成电路型保护所存在的问题和不足暴露的越来越明显:电路复杂、硬件成本高 、操作复杂、自动化程度低等，这些缺点限制了它的进一步发展。而单片机控制以其优良的性能，在现代控制领域掀起一场新的革命。自从1984年5月12日由杨奇逊教授主持研制的第一套微机保护系统在河北马头电厂投入运行以来，微机型继电保护的发展已经历了十几年的历史，而且在电力系统中显示出不可替代的重要作用。实践证明，微机保护依赖其强大的计算能力和逻辑判断能力，能够实现许多传统保护不能实现的功能，并 且它具有非常高的可靠性和准确性。同别的控制领域一样，矿用高压开关的保护也进入了微机保护时代。但在煤矿井下，微机保护尚没有成功地推广。从技术和经济角度考虑，现在煤矿己经具备用微机构成保护系统的条件，因此矿用高压开关的继电保护、显示、控制必然走向智能化。本课题正是适应这一发展趋势而提出的。1.3.2国内外高压开关综合保护系统的发展现状1)国内高压开关综合保护系统的发展现状目前国内现场所使用的高压开关综合保护系统大部分仍采用集成电路 型，工程技术人员就保护单元的设计，不断提出新的优化方案。沈阳市天行电子有限公司生产的GZBJ-3型高压综合保护系统，用于3-10kV级中性点不接地供电系统中，它采用小规模集成电路组成故障判断单元，磁保持故障记忆元件记忆最近发生的故障类别。该保护系统由电源模块、短路模块、漏电模块、绝缘监视模块组成，有利于故障鉴别和维护，但其过载延时采用R.C器件，延时不准确。漏电保护采用零序电流功率方向保护原理，仅适用于电网中性点绝缘的供电系统中。北京安华顺诚电子工程有限公司生产的SDZB系列多功能高压馈电综合保护器41，采用先进的计算机数字技术，是10kV.6kV.3.3kV各变压器中性点不接地供、变电系统及中性点接地欠补偿系统中电力开关专用多功能综合保护器，具有短路、过流、绝缘监视和功率方向型漏电保护功能，目前己占有相当的市场份额。但其整定值分档可调，没有实现连续整定，采用数码管显示，显示内容只有电压和电流，缺乏良好的人机界面，另外还存在缺乏自诊断的功能。我国现有高压综合保护产品的测试与实际使用结果表明： 各厂家高压综合保护系统漏电保护均存在不同程度的拒动和误动现象，保护中所采用的选择性漏电保护原理仅适用于中性点绝缘的供电系统，对中性点经消弧线圈接地的供电系统不能实现选择性漏电保护功能。 过载保护动作时间不准确，反时限特性不理想。 短路或漏电保护固有动作时间长，实时性差。 零序电流互感器( Z S C T ) 灵敏度差， 只有少数型号的高压综合保护系统其零序电流互感器二次输出波形不发生畸变。 其它如保护不能自检，保护传感器选择不合适，缺乏必要的抗干扰措施等均有存在。2)国外商压开关综合保护系统的发展现状本世纪二三十年代，采煤技术发达的德国、前苏联和英国等国家先后开展井电气安全的研究工作。八十多年来，这个领域的研究不断取得新的进步，隔爆型、本质安全型电气设备在煤矿井下逐步得到了广泛的应用。西门子公司的8SN2型高压防爆开关中的保护单元，采用分立元件、 模拟电路，具有短路保护、漏电保护和绝缘监视保护功能，是一种比较完善的保护系统，并可实现就地或远方控制。近几年，英国、德国等西方主要产煤国在高压继电保护方面均趋于利用计算机功能多、可靠性高的优点，大量采用计算机控制，使继电保护具有多功能、智能化的优点。国外许多公司都相继推出了性能优越的微机保护系统，如英国华莱公司的双速开关保护系统，由8085CPU实现微机式保护，保护系统采用了模块插件式结构，由输入板，主控板，输出板，显示板和电源板组成。德国Siemens公司生产的Siprotec4系列多功能保护继电器，不仅具有完善的保护功能，而且具有良好的人机界面。既能用于地面的供电系统，又能运用于矿井供电系统1.3.3商压开关综合保护系统的展望近年来，随着电力系统的发展和对安全运行要求的提高，有时常规的继电保护和故障诊断技术不能完全适应不断发展变化的电网运行工况，于是研究人员提出了自适应继电保护和智能故障诊断技术。人工神经网络 (artificialneuralnetwork ,简写为ANN)技术已得到电力系统研究人员的高度重视和广泛研究。ANN是由众多的神经元(neural)广泛互连而成的网络。在信号处理上与传统的数字计算机有着根本的不同，它具有大规模并行分布处理、连续时间动力学和网络全局作用等特点，利用ANN的高度并行处理和近似推理，实现对电力系统运行方式和故障类型的诊断和识别，可以实时实现难以用常规保护实现的最优算法;利用ANN的高度容错能力，可使保护具有更高的可靠性。更重要的是，ANN具有自适应和自学习能力，能使保护和故障诊断具有更强的自适应能力。模糊控制器以模糊集合理论为基础，模拟人的知识表达、知识推理方法，其基本组成部分包括:模糊化、模糊控制规则、模糊推理和精确化。模糊控制是一种类人智能控制，可以实现非线性控制，可以得到比常规控制更优良的控制效果，能实现对复杂过程的控制。综合利用模糊理论及人工神经网络各自的特点形成的模糊神经网络已成为研究提高电力系统继电保护可靠性、快速性、灵敏性及选择性的一个重要发展方向。由于模糊神经网络中已经融入了模糊控制系统的所有信息，包括影响模糊控制器控制性能的所有参数，因此可通过对其权值和阀值的调整来实现对模糊控制系统参数的综合优化调整，提高控制器的控制精度， 保证系统的可靠运行。1.4新型徽机综合保护系统研究的必要性我国矿井高压供电系统属于小电流接地运行方式，一般由三级变电所组成:地面变电所、井下中央变电所和采区变电所。矿井地面变电所是矿山供电的枢纽，它担负着向井上、下变配电的任务，它将35kV电压降为6-10kV，向额定电压为10kV及以下的用电设备供电。井下中央变电所一般设在靠副井的井底车场范围内，负责向下一级变电所分配电能。采区变电所是采区的供电枢纽，它接受井下中央 (配)电所送来的高压电能，变成低压后，分配或直接配给采掘工作面配电点或用电设备。一般情况下，采区变电所将6kV高压送到靠近用电负荷的移动变电站后变成低压，再送至配电点或用电设备，即供电方式为采区变电所一移动变电站一工作面配电点据 煤矿安全规程的要求，三级变电所均须装设有选择性漏电保护系统。早在60年代，我国就开始对矿井高压电网漏电保护原理和系统进行研究。迄今为止，保护原理有附加直流检测法、零序电流法、零序电压法、功率方向法等多种，相应也先后开发研制出几代产品。这些系统都不同程度地在矿井高压电网的安全供电中发挥过积极作用。但是，由于受电力电子技术，微电子技术等相关领域科技水平的限制，以及对井下高压电网运行规律认识不足，使得过去这些漏电保护系统动作可靠性较差、误判率较高。另外，随着煤矿生产用电量的不断增加，井下供电系统的供电方式及对供电系统的技术要求也在发生变化。根据60年代对数十对矿井电网单相接地电流实测，仅有极个别矿井电网的单相接地电流超过20A的限值; 1988年由煤炭部组成的专家组又对各国统煤矿的供电系统进行了抽样调查，调查结果表明:单相接地电流超过20A的矿井己占总数的51.6%;1992 年又上升为63.2%。目前，单相接地电流超限的矿井已高达70%以上，其中半数以上大于30A，最高可达70A，如此大的接地电流使得间歇性电弧不能自动熄灭，产生危险的电弧接地过电压，使单相接地故障扩大为两相接地短路故障。同时，电弧的存在还增加了瓦斯、煤层爆炸的危险性。因此，必须采取措施对单相接地电流加以限制。煤矿安全规程没有明确指定采取何种措施，但要求一定要将单相接地电流降低到20A以下。电力规程建议使用消弧线圈进行补偿以降低接地电容电流，事实上这也正是目前多数矿井所采用的方法。尽管采用在电网中性点串接消弧线圈可以降低单相接地电流，但导致了电网中性点接地方式的改变，它对原检漏系统的检测原理产生了重大冲击，甚至破坏了原选择性漏电的保护原理，使之失效。目前己定型生产的综合保护系统大多只适用于中性点绝缘系统。在电网中 性点加装消弧线圈后，其单相接地故障电流可能比非故障线路的还小，且相位在过补偿时与非故障支路相同，如此便导致这些零序电流型和零序功率方向型的保护系统不能满足选择性的要求。因此，适用于不同接地方式，特别是适用于井下高压供电系统使用的选择性漏电保护系统急待开发研制，它对提高煤矿井下供电安全性、可靠性和连续性具有非常重要的意义。过去绝大多数保护都是靠低压侧执行跳闸等动作，低压侧保护的优点是电压低，继电保护方便、容易。但存在以下缺点： 随着移动变电站容量的增大，低压侧电流增大。这是因为低压馈电开关的电压不超过1140V，变电站容量增大时的低压侧电流增大。例如容量增大到1600kVA，低压电流达到800A，正常情况下操作已经比较困难。如果发生短路，短路电流成倍增大，实现保护难度更大。 变压器内部发生短路时，由于分断电流小，低压侧无法检测，如果高压侧没有设置保护系统，影响中间电路正常运行。采用高压开关保护把变压器及被保护线路看作一个整体，高压侧电压高，但电流小，从现代变电站实际情况考虑，在高压侧保护具有重要的经济意义。另外，微机保护在开发过程中，充分发挥了计算机的灵活、快速、准确的特点，使继电保护技术得以不断完善和进步，在功能和性能上都显著优于传统的模拟式保护。其主要原因在于: 继电保护功能由硬件和软件联合确定; 微机具有较强的逻辑判断和计算功能: 具有较强的记忆功能和快速反应能力; 具有强大的通讯功能，可实现网络化管理。这些优点都是传统继电保护无法比拟的。针对以上情况，研制矿用隔爆型高压开关综合保护系统，将微机保护推广应用于我国煤矿井下，进一步提高保护性能，满足煤矿生产需要，是本课题的研究目标。1.5本文研究的主要内容： 通过实验研究矿井高压电网各种运行方式下漏电的故障特征，在此基础上采用 “零序电压启动、提取电网零序电压五次谐波与零序电流五次谐波进行比相”来完成选择性漏电保护，以适应煤矿井下不同中性点接地方式下不同漏电故障特征值的情况。研究能满足这一功能要求的硬件电路; 研究矿井高压电网供电系统的各种保护原理，在此基础上，对供电系统中的故障状态进行仿真实验; 研究测控系统各种特征参量的检测方法和检测技术，提出综合保护系统的总体方案，确定系统的采样方式及相应的算法。 开发以单片机80C196KB为核心的测控系统，建立大屏幕液晶显示系统和通讯系统。 对煤矿井下恶劣环境下的各种干扰源进行仿真实验，提出针对性的抗干扰措施，以提高测控综合保护系统的工作可靠性。2. 6kV供电系统的保护原理2.1概述煤矿安全规程规定:井下高压变电站应装设短路、过载、欠压保护，为保证有选择性地切除漏电故障，应设有选择性漏电保护，在使用屏蔽电缆的场合，还应设置绝缘监视保护本章首先分析了现有高压综合保护系统各种保护的工作原理及其所存在的问题，针对这些问题，针对性地提出了解决方案，特别是对于中性点经消弧线圈接地供电系统的选择性漏电保护，提出了采用零序基波电压启动，五次谐波功率方向比较的保护方案，有效地解决了这种供电系统中原选择性漏电保护的误动和拒动问题。2.2短路保护2.2.1高压电网的短路故障特征短路是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接，各种类型的短路故障是煤矿井下最常见的故障之一。短路故障包括:三相短路、两相短路、两相接地短路，以及变压器绕组匝间短路。在高压综合保护中，对各种短路故障都应采取电流速断保护。电网正常运行时，输电线路上通过负荷电流，发生相间短路时通过短路电流，短路电流往往比负荷电流大得多。所以短路保护一般都采用电流检测原则，以电流的幅值作为判据，根据短路时通过保护系统的电流大小来选择动作电流的大小，以动作电流的大小来控制保护系统的保护范围。但这一种判据有时不够可靠，会形成保护 “盲区”。6kV供电系统短路保护示意图如图2-1所示，图中:T为电源变压器，、为各支路断路器，,为电动机。变压器到的电缆截面积小，距离长;到的电缆截面积大，距离近。处发生短路故障时的最小两相短路电流，可能会小于处最大起动电流，即 Rb 这时变压器出口处短路时的功率因数很小，一般小于0.2，相敏保护也存在一定的“死区”。为了消除这一弊端，这种情况下需采取另外一种附加措施:即当线路电流特别大时，不管相位角如何，短路保护都应该动作。高压开关所控制和保护的线路是煤矿井下电网的高压终端线路，具有线路一变压器组的接线特点，线路和变压器可以看成是一个元件，因此，短路保护可以整定为保护整个线路(包括变压器)。短路保护的整定值必须 大于变压器的尖峰负荷，而对于变压器低压侧出线端在最小运行方式下发生两相短路故障时短路电流能够满足灵敏度的要求，从而确保短路保护能保护整个线路。同时，短路保护的整定值应该考虑到变压器的励磁涌流和电机的起动电流。变压器在正常工作状态和外部故障时的励磁涌流很小，但是，变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复的暂态过程中，励磁电流大大增加，其数值可达变压器额定电流的6-8倍，因此在整定时励磁涌流是一个必须考虑的因素。通过上面的分析可知，相敏保护以两个电气参量为取样量，提高了动作的可靠性。尤其是当短路电流较小而功率因数较大的情况下，动作更准确。再配合辅助判据，使得短路故障的判别比较准确和可靠。2.3过负荷 (过载)保护2.3.1过载特性过载是一种非正常运行状态，一定范围或一定时间内的过载是允许的，但长时间过载是不允许的。长时间过负荷会导致电缆的热量积聚，其电气绝缘水平会逐渐下降，最终导致绝缘击穿，设备损坏。热量的集聚与电流及时间两个因素有关。过载的判别方法采取电流取样原则，过载电流一般比短路电流小。过载保护的实现采用反时限动作特性，过载倍数 (实际电流/额定工作电流，Ig/Ie)越高，允许过载的时间越短。过载整定范围经查证得知整定范围定为0.6-1.2倍额定电流间整定，整定误差不超过10%。按ZBK3506-89的规定 “标准电子式过流反时限继电保护系统延时在0.5-1.6s之间连续可调”，因此，综合保护系统的过载延时定为0.5-1.6s过载反时限特性与设备、线路的实际过载特性有关，过载反时限特性 曲线如图2-2所示。2.3.2热积累由于电网的负荷波动大，使线路中电流发生变化。在过载过程中，有时本次延时保护还没有动作时，过载特性即发生变化，使保护返回，重新计时，造成热量的积累，这样连续过载使得热量不能立刻完全散走，还有可能出现断续过载，在热量没有完全散走的情况下，保护重新计时，造成设备 (如电缆)和开关出现热积累，所以热量积累的问题必须加以考虑。为了描述高压综合保护的热积累效应问题，定义热积累系数C，按下式计算: 式中: 一由冷态时测得的3倍过载动作时间，s; -3倍断续过载最后动作时间，s。我们先看一下各种过负荷情况，然后讨论解决的方法。 对于图2-3中的情况，过负荷始终保持一个过负荷倍数值，根据实际情况确定相应的时间整定值，并按此反时限规律决定跳闸的时间。 对于图2-4中的情况，过负荷一段时间，未达到动作时限前返回正常状态，依据经验，恢复正常后经过3倍过负荷的时间，开关才可能恢复到原来的额定温升状态。在程序中，过负荷的时间可计时为，在达到正常合闸以前，按一定的倍数关系对倒计时。例如:过负荷时，每次循环增加3，回到正常后每次循环减去1。当又回到0时，表示又回到原来的温升。对图2-5中的情况，过负荷情况比较复杂。在过负荷倍数为八的情况下，过负荷一段时间，还有可能又回到正常的状态。对于这种情况，我们采用了将第一次过负荷的时间折合到第二次过负荷的时间中，即第一次过负荷的时间相当于第二次过负荷时间的热积累。在折合过程中，必须考虑热积累系数C,总之，过载保护既要考虑热积累，又要保证正常工作而不频繁断电。总之，过载保护既要考虑热积累，又要保证正常工作而不频繁断电。2.4欠压、过压保护 在正常情况下，配电线路和开关设备等对地绝缘，只承受相电压。由于某些原因，电网的电磁能量发生突变，造成电压异常升高，出现危及设备绝缘的电压称为过电压。而电压过低则称为欠电压。当实际电压等于或大于118%额定电压时，判定为过电压。实际电压等于或低于65%额定电压时，判定为欠电压。二者均属不正常工作状态。欠压保护还可以作为短路保护的后备保护，当发生非金属性短路故障时，母线上的电压有可能不为0，这时通过欠压保护实现短路保护后备保护。系统通过直接交流采样，判断操作过电压的范围，进而确定是否发生欠压或过压不正常状态。高压开关中还采用压敏电阻吸收瞬时操作过电压，保证过电压不超过额定相电压 (峰值)的2.5倍。压敏电阻是一种以氧化锌为主要成分的非线性电阻。当过电压超过预先选定的压敏电阻动作电压时，压敏电阻就显示出低阻特性，使存在于负载回路中的能量通过压敏电阻释放掉。待过电压波过去后，压敏电阻又自动恢复原来的高阻特性。实验证明，氧化锌压敏电阻的动作可靠，保护效果较好，并且体积较小，费用低。10kV的氧化锌压敏电阻使用在6kV的线路中，过电压可限制在2.5倍相电压以下。2 . 5 选择性漏电保护2 . 5 . 1矿井高压电网漏电故障特征 煤矿安全规程规定煤矿井下高压电网必须采用中性点绝缘方式供电，但是正如绪言中指出的那样，为限制超标的单相接地电容电流，有些矿井电网特别是大型矿井电网中性点采用了消弧线圈接地方式，这将影响原有选择性漏电保护系统的正常工作。本节对电网两种中性点接地方式下的漏电故障特性进行分析、比较，并对目前使用的高压选择性漏电保护系统的原理进行归纳总结，然后就消弧线圈补偿对目前通用的选择性漏电系统产生的影响进行分析，提出一种合理、有效的保护方案。2.5.2漏电故障暂态特性根据己有的研究结果，矿井高压电网漏电故障的暂态过程有如下特征:(1) 电流瞬态有效值L匕稳态有效值大，瞬时值更大:(2) 消弧线圈补偿时，在脱谐度P10%的前提下，稳态电流补偿效果明显而暂态电流得不到补偿，故障支路的暂态电流是系统各支路电容电流的总和，且其方向与非故障支路电流方向相反。根据上述特征，可以利用鉴别首半波电流的大小和方向选出故障支路，因为暂态电流尚未被补偿，所以不受中性点接地方式的影响。但是暂态电流大小受接地瞬间电压初始相位的影响很大，当漏电故障刚好发生在线电压零值附近时，暂态电流很小可能导致误判。 2. 5.3选择性漏电保护原理（1）不同接地方式对保护系统性能的选择由前面对故障特性的分析可知，不同接地方式下漏电时的故障特征有 所不同，选择性漏电保护系统的性能必须与之相适应。中性点绝缘供电系统由于具备前述的三个特征，故障线路与非故障线路的电流大小、方向坟可以区别，所以己有的零序电流型、功率方向型保护均能满足选择性要求。对于经消弧线圈接地系统，由于补偿的作用使其单相接地故障电流可能比非故障支路还小，且方向随补偿状态的变化而变化，因此，己有的零序电流型、功率方向型保护原理已不能满足选择性的要求。为了能够同时适应各种中性点运行方式电网选择性漏电的要求，本文提出采用谐波比相的原理，它利用漏电时零序电压和零序电流高次谐波分量之间的关系来满足漏电选择性的要求。下面以消弧线圈接地系统为例加以说明。在变压器中性点经消弧线圈接地的电网中，消弧线圈的电感电流主要补偿电容电流的基波成分，由于电感的感抗和电容的容抗随着电流频率的变化而变化。设基波的角频率为，当完全补偿时，基波感抗和容抗的关系为，然而，此时五次谐波感抗和容抗的关系为，可见对五次谐波成分而言，其感抗是基波分量的5倍，而容抗则是基波分量的I/5。单相接地时，通过故障支路的五次谐波电容电流 由以上分析可知，无论处于完全补偿还是欠补偿或过补偿状态下，在电网发生接地故障时，5次谐波电容电流均不能被补偿掉，它们在电网中的分布规律与基波电流在中性点对地绝缘的电网中的分布规律相同。实际中由于消弧线圈本身也可能饱和，有可能会大些，但仍然远不能补偿五次谐波电容电流。这是本文提出 “零序电压基波启动，五次谐波比相”的选择性漏电保护的理论基础。2)高压电网谐波特性谐波型选择性漏电保护能够工作的最基本条件就是电网中必须有谐波电流和电压存在，而电网的实际情况也正能满足这个要求。电网中之所以有高次谐波存在，主要是由于交流发电机定子和转子之间气隙中的磁感应强度做不到严格按照正弦分布，致使在发电机绕组中感应出的电动势也不可能是严格的正弦波，其中含有一定数量的谐波成分。此外，变压器的铁心属非线性电感元件，即使加在线圈两端的电压是固定频率的正弦波，因受铁心磁饱和的影响，变压器励磁电流中也包含高次谐波分量。这些高次谐波电流流经电机绕组和线路阻抗，就产生了高次谐波电压，显然谐波是电网中所固有的现象。其中以三次、五次谐波成分较大， 由于三次谐波受变压器接线组别的影响，更因其方向一致，使得相间没有三次谐波电压，而五次谐波不受此影响。当发生漏电故障时，电网中零序电压及零序电流的五次谐波成分同样具有前面总结的三个特点，故可以提取出来作为保护的检测物理量，即构成谐波型漏电保护。电网中五次谐波含量仅是基波的12%左右，而零序电压中5次谐滋分量略大一些，但基本上也不超过基波的2%.由此可见，电网中虽存在5次谐波，但其数量很小且幅值稳定性较差，这样的谐波信号中极易混入干扰成分，从而对信号处理电路的精度和抗干扰性能提出更为苛刻的要求。这也就是谐波检测原理应用受到限制的主要原因之一。迄今为止，基于谐波检测的保护都是利用计算机对所有馈出线的物理量进行顺序处理集中选线，仅用于地面变电所。3)井下高压隔爆开关中选择性漏电保护原理的确定以上论述表明，利用漏电故障时电网中零序电压和零序电流5次谐波成分所具有的分布规律可以实现选择性漏电保护，而且与中性点接线方式无关。在进一步研究谐波特性中发现，无论是零序电压还是零序电流的5 次谐波成分，其相位稳定性较好，而幅度波动性较大，若取其幅值作为判断故障支路的依据势必降低保护的可靠性。另外，零序电压幅值的稳态特性也不受中性点接线方式的影响(中性点直接接地电网除外)，并且其稳定性比5次谐波成分好得多。但是由前面的分析可知，在相同的接地电阻下零序电压随电网对地分布电容的不同而有明显变化。综合考虑各种因素，设计中采用了零序电压基波作为漏电保护启动信号，同时用硬件电路提取零序电压和零序电流5次谐波进行比相，当零序电压超过整定值时，启动软件对比相结果进行检测，以确定是否为故障支路。为了适应不同电网的要求，将零序电压整定值做成多档可调，可以根据电网大小进行选择，这样可保证系统动作值的稳定性。2.6本章小结本章系统地分析了短路、过载、过压、欠压等保护原理，以及不同中性点接地方式下电网零序电压与零序电流的变化规律，结果表明:在中性点经消弧线圈接地的6kV电网中，发生单相接地故障时，流过故障点的零序电流基波成分几乎为零，并不存在中性点绝缘时电网中故障支路和非故障支路零序电流的相位关系。通过理论分析和计算，提出了“启动于零序电压基波，动作于五次谐波比相”的选择性漏电保护方案;通过给6kV电缆的监视线与地线间施加直流电压，可以有效地检测电缆的绝缘状况，并实现电缆短路故障时的超前切断功能。 3高压综合保护系统的硬件设计 基于对矿井6kV电网各种保护原理的分析，本章根据电网保护的功能要求和技术指标对保护系统的硬件电路进行了方案设计。设计以实用化为目标，其原则为:第一，努力提高系统的可靠性和动作的准确性;第二， 从用户的角度出发，方便安装、调试、运行、维护:第三，在满足要求的前提下，尽量简化硬件系统，降低系统的成本。 3.1保护系统的功能 高压综合保护系统是高压开关中的重要组成部分，它应该独立完成对于6kV电网中所有物理量的检测、计算、判断和处理，并且与上位机能够实现高效可靠的通讯，即要实现 “计量、监控、保护”的 “三统一”功能。其具体功能如下: (I)数据采集功能 模拟量采集，即实时测量电网交流电流及交流电压有效值，对三相电压、两相电流及零序电压进行采样，作为判断故障区域的信息，采样方式 为交流采样。 频率量采集，提取零序电压与零序电流的五次谐波分量进行比相，通过单片机HIS.1端口采集比相后的频率信号，从而判断是否发生单相接地故障:监视保护中的取样信号经过压频变换，其频率信号经HIS.0端口进入单片机，经过比较判断是否发生短接或断线故障。 (2)人机联系功能 采用拨码盘输入各项参数整定值，可实现无级整定;另外，通过大屏幕液晶显示器实时显示当前电网电压、负荷电流值及发生故障时的故障状态和故障参数。 (3)保护功能 对于电网中的短路故障，要求速断保护;对变压器、电机或其它负载出现过载时，施行反时限延时保护:采用附加直流电源法对双屏蔽电缆的屏蔽芯线、屏蔽地线实行短路和断路监视保护;提取零序电压、零序电流五次谐波硬件比相，结合零序电压基波采样值，对单相接地故障实行选择性漏电保护;对进线电压不足额定值的65%时采取欠压保护，对进线电压超过额定值的118%时采取过压保护。 (4)通讯功能 通过RS232，RS485接口可与上位机或PC机进行串口通信。 (5)自检功能 为了发挥微机智能化系统的优越性，减少系统出错的可能性。当硬件发生故障，系统应当能自动发现，及时报警，并进行相应处理，避免造成事故。主要的自检对象有:对于RAM,EPROM,A/D转换器、接口芯片及拨码盘等硬件进行自检;对于继电器和断路器执行命令的状况进行自检.3.2保护系统总体设计 微机式高压开关综合保护系统的硬件结构是根据以上对保护的要求而设计的，其原理框图如图4-1所示。整个系统由以下几部分构成: (1)微机控制单元:用于实现数据采集、计算、逻辑判断、定时等功能。 (2)模拟量输入单元:用于采集计算电网A.B.C三相电压，A.C两相电流及零序电压。 (3)选择性漏电保护单元:用以提取零序电压、零序电流五次谐波， 硬件比相对中性点绝缘电网系统或中性点经消弧线圈接地电网中的接地故障进行选择性漏电保护。 (4)绝缘监视保护单元:采用附加直流电源检测原理，被测信号经压频转换完成对双屏蔽电缆屏蔽线及接地线之间断路或短路故障保护。 (5)开关量输入、输出单元:开关量输入单元取自相应设备的辅助常开接点，用于识别现场开关的状态。需要输入的开关量有:真空断路器的合闸、分闸情况;开关量输出单元包括用于控制真空断路器的开关量和保护发生故障时的报警信号。 (6)人机接口单元:用于定值的输入，操作方式的确定，电网工作参数、工作状态、故障类型的显示。(7)通讯单元 (8)电源部分:将100V电源变为系统所需的5V, 士12V, 24V直流电源。 3.2.1中央处理单元 微机控制单元是测控系统的核心部分，它承担着数据采集、计算、逻辑判断、定时、存储等工作。它主要包括:中央处理单元 (CPU)、实时时钟、复位电路、只读存储器 (EPROM)、随机存储器 (RAM)及总线缓冲器等。 1)微处理器的选择 在单片机应用系统的设计中，首先要考虑的就是CPU的选择。目前市场上的单片机机型多种多样，各有特点，一般而言，51系列的八位机和 96系列的十六位机是工控开发中应用较为频繁的机型，本系统在选择CPU时，把这两大系列作为重点对象。CPU的选择考虑了如下因素: (1)速度。应满足每周12点的采样速度，也就是说，CPU应能在5/3ms的采样间隔内足以完成必须完成的工作。另外，测量精度要求A/I转换器有10位以上的分辨率，所以宜选用16位单片机。 (2)功能。应能满足系统提出的功能要求，考虑到现场的运行环境和硬件成本，应优先考虑带有片内A/D的单片机。考虑到较多的开关量输入与开关量输出，应保证CPU有足够的1/O接口。 (3)开发环境。在功能与速度均能满足要求时，优先考虑选择有开发经验和有发展前景的机型，这样既可以缩短开发周期，也便于将来的功能扩展。 (4)通讯。必须考虑系统各部分之间的数据通讯，CPU应有良好的兼容性。 根据以上分析，结合国内外实际情况及高压开关综合保护具体要求，系统选用性能价格比高的80C196KB单片机，既可满足系统时实性能要求，又方便升级换代。 80C196KB单片机的主要特点: (1)16位中央处理器采用了寄存器一寄存器结构，CPU的操作直接面向256字节的寄存器空间，这些寄存器都具有累加器的特性。可使CPU对运算数据进行快速交换，并且提供了高速数据处理和频繁的输入输出接口功能。支持位、字节和字操作，在部分指令中，还支持32位双字的操作。 (2)高效的指令系统 80C196KB单片机具有丰富的指令系统，不但运算速度快，而且编程效率高，与MCS51系列单片机相比，完成同样任务，80C196KB单片机的速度要高5-6倍，而指令字节数仅为8031单片机的一半。另外，可对不带符号和带符号数进行操作，并有16位乘法指令、32位除以16位的除法指令、符号扩展指令、数据规格化指令等。 (3)在单片机内部，设计有一个8通道的10位A/D转换器，可对八路的采样时间和转换时间进行切换。 (4)脉冲调制输出可提供脉宽调制信号，作为D/A的输出，直接驱动某些电机。 (5)80C196KB全双工串行口具有可以同时发送和接收的全双工串行功能。它有4种工作方式。很方便地用于I/O扩展、CRT设备通信以及多机处理通信。串行口内置专门的波特率发生器。 (6)高速输入/输出器无需CPU千预，高速输入器可自动地同时记录8个事件，并能记下发生的时刻:而高速输出器可以按预先规定的时刻去触发某一事件，任何时候，都可以悬挂起8个事件。 (7)多用途接口80C196KB单片机有5个8位的I/O口。P0口既可以作为数字输入口，也可用作AD转换器的模拟输入口。P1口为准双向输入，输出口。P2口作为标准I/O口和特殊功能口，如串行发送、接收，PWM输出，外部中断请求输入等。 (8)具有8个中断源、2个16位定时器和4个软件定时器，以及一个16位的监视器(Watchdogtimer). (9)可动态配置总线 80C196KB的总线可以动态地配置成8位或 16位，以便适应对外部寄存器进行字节操作或字操作的不同需求。 (10)80C196KB单片机有三种特殊工作方式，即待机方式、掉电方式和在线仿真方式。 2)CPU系统及其外围电路 CPU系统中，微处理器采用80C196KB，外围电路采用两片数据存储器6264，两片程序存储器27C64组成标准16位单片机系统，外围电路还外扩了两片8255用于扩展IO口。整个CPU单元都是数字化电路，结构紧凑。 CPU模块电路的设计，是一个典型的16位单片机应用系统设计，本文将不对其原理设计作过多解释，仅就下面几个细节问题作必要的阐述。(1)资源分配 80C196KB单片机采用的是程序存储器和数据存储器统一编址的普林斯顿结构，具有一个逻辑上完全统一的存储空间。在64K的存储空间中，地址为OOOOH-OOFFH和1FFF-2080H间的存储单元具有特殊用途，而其它的存储器空间既可用作存放数据和程序，也可用1/O外设映象的存储区。单片机测控系统各模块的资源分配如下: EPROM 2000H-7FFFH RAM 8000H-0BFFFH 8255(1) A口: 0FFD8H B口:0FFDAH C口:OFFDCH 控制口:0FFDEH 8255(2) A口:OFFC1H B口:OFFC3H C口:OFFC5H 控制口:OFFC7H (2)时钟信号 每个单片机工作都需要一个时钟源作为基准时钟，它决定了单片机的工作速度，80196KB时钟频率可选择在6MHz与16MHz之间。这个时钟源可由外界晶体和内部电路构成的晶体振荡器产生，也可由外部时钟直接提供。本文选择了频率为12MHz的晶振。 80C196KB的状态周期经时钟信号二分频后获得，它是芯片工作的基本时间单位。当选用12MHz为振荡器频率时，80CI96KB的状态周期为，这样，单片机完成一条指令所需的最短时间就是4个状态周期。 (3)可编程逻辑器件 通用逻辑阵列GAL(GenericArrayLogic)是由美国Lattice公司推出的一种新型的PLD器件，是实现数字系统设计的理想器件。在数字系统中，可用GAL代替标准的54/74系列的TTL器件或CD4000系列的CMOS器件，它具有许多优点: a)增加系统设计的灵活性。采用GAL器件，可以简化逻辑功能，在一个芯片上，可实现多种逻辑关系，简化了电路板的设计。 b)缩小系统体积，提高系统的可靠性。据统计，一片GAL器件可代替4-12片中小规模的数字集成电路芯片。因此，系统中若使用GAL器件，可减小体积，提高可靠性。 c)降低系统成本。仅从芯片价格来看，采用GAL器件并无明显好处。但综合考虑影响系统成本的多方面因素，采用GAL器件可大大降低系统成本。 d)提高系统的保密性. e)提高系统速度，降低系统功耗。 总之，GAL器件是一种理想的PLD器件，它可以取代大部分中小规模数字集成电路和PAL器件。其价格便宜.开发工具简单，是实现数字系统设计的优选元件。特别是在系统研制中，GAL器件起着其它PLD器件无法比拟的重要作用。 本系统中所有的数字逻辑部分大多采用GAL16V8B来完成。编程软件采用Fast Map完成。 3.2.2模拟量输入单元 模拟量输入对于高压开关综合保护系统来说是非常重要的，系统正确采集电网的物理参量，通过运算来判断电网目前的运行状况，以发出正确的控制信息。本设计中采用交流采样技术，模拟量输入的原理框图如图4-2 所示。 1)电压形成回路 电压和电流互感器性能的优劣直接影响采集信号的精度，关系到整个系统的可靠性和稳定性，所以电压形成回路部分电路的设计至关重要。 综合保护系统集保护、计量、控制于一体，计量要求精度高，保护、控制相对来说要求精度没有计量高，所以用作保护和计量的一次大电流互感器有两个不同等级的变比。一次电流互感器将高压电路中大电流变换为小电流，并将高压和低压电路隔离，使它们之间不存在电的直接联系。在额定情况下，一次电流互感器输出电流为5安，二次电流互感器一次侧电流为5安，这样使保护系统和二次回路设备的设计、制造标准化、系列化二次回路设备工作于小电流的情况下，不仅造价降低、维护方便，更重要的是保证了操作人员的安全。同样电压互感器将高压转换为低压信号，使高压与低压信号隔离，保证安全并降低二次回路体积及造价，并使电压互感器的二次电压和一次电压成正比，正确反应一次侧系统电压的变化。 本系统采用北京创四方电子有限公司生产的DVDI001型超小精密交流电压电流通用互感器，其特点为， 既可作电压互感器使用，又可作电流互感器使用; 卧式穿芯，印刷线路板直接焊接安装; 全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，外形美观; 引出脚间距按2.54mm网格排列，适应计算机布板要求; 小巧轻便，精度高，采样范围宽，应用灵活。 DVDI001型互感器作电压互感器使用时，实际上是一种电流型电压互感器，其应用电路如图4-3所示: 图中，,，是限流电阻，输入电压经这两个电阻将被测电压信号变成电流信号，该电流的大小，以小于或等于互感器线圈额定电流为宜(本型号互感器额定电流为6mA)，所以,值可按下式计算后选择一相近的标称值。 =1/2（） 这样，次级线圈会产生一个相同的电流，在上得到相应的采样电压。计算得到的,一般为非标称值，实际使用时可取接近的标称值，由此而引起的输出电压的变化，可由调整。,为配对平衡电阻，阻值应相等，这里取阻值为，功率为的金属膜电阻。 为运算放大器，这里使用OP07，其工作电压应倍的额定输出电压有效值，由额定输出电压和二次电流来确定。 二次电压经电压形成回路转换为，在经后续电压调整电路后，输入AD模数转换器中。 DVDI001型互感器作电压互感器使用时，性能参数见表4-1: DVDI001型互感器作电流互感器使用时，用户只要在中心孔内穿入1匝母线作为输入线圈.两组次级线圈并联后，用运算放大器得到采样电压。其电压形成回路如图4-4所示。 表4-2DVDIOOI型互感器作电流互感器使用时的性能参数表 21前置处理 此环节包括抗干扰电路和限幅电路。抗干扰电路将窜入模拟通道的高频干扰信号滤除，防止其影响微机系统的正常工作。限幅电路将信号的幅值限制在之间，防止因输入电压过高而造成后面电路中电子元器件的损坏。 3)低通滤波器 电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的谐波成分，如果要对所有的高次谐波成分均不失真地采样，那么其采样频率就要取得很高，这就对硬件速度提出很高要求，使成本增高，这是不现实的。实际上，目前大多数微机保护原理都是反映工频分量的，故可以在采样之前将最高信号频率分量限制在一定频带之内，即限制输入信号的最高频率，以降低。这样一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面，根据香农(Shannon)采样定理，为防止出现频谱 “混叠效应，信号的最高频率不能超过采样频率的1/2，低通滤波器的作用就是要滤除输入信号中高于1/2采样频率的高频成分。设对每周期工频信号采样12点，则此低通滤波器的截止频率最高为。 低通滤波器采用有源二阶低通滤波器，其电路图如图4-5所示。 4)采样保持器 对模拟信号进行转换时，从启动转换到转换结束输出数字量需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变，否则就不能保证转换的精度，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在转换开始前将输入信号的电平保持住，而在转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能实现这种功能的器件就是采样保持器()。是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，它具有两个稳定的工作状态:采样状态和保持状态。在 “采样”状态下电路的输出跟踪输入模拟信号，在 “保持”状态下电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。 在数据采集系统中，主要起以下两种作用: “稳定”快速变化的输入信号，以利于把模拟信号转换成数字信号，减小采样误差。 ，用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，这样可使模拟多路开关继续切换下一个待转换的信号。 (1)采样/保持器的工作原理 是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路。最基本的由模拟开关、存储元件(保持电容)和缓冲放大器组成。它的一般结构形式如图4-6所示。 图中, 为确定采样或保持状态的模拟开关控制信号，为保持电容 当为采样电平时，开关S导通，模拟信号通过S向充电，输出电压跟踪输入模拟信号的变化;当为保持电平时，开关S断开，输出电压保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值。 高输入阻抗的缓冲放大器N的作用是把与负载隔离，否则保持阶段在上的电荷会通过负载放掉，无法实现保持功能。 (2) 的主要性能参数 的参数很多，主要有以下几个: a.孔径时间()在电路中，逻辑控制开关存在一定的动作时间，保持命令发出后到逻辑输入控制开关完全断开所需要的时间，称为孔径时间。 孔径时间的存在使采样时间被延迟。由于采样时间的延迟，采样/保持器实际的保持输出值与希望的输出值之间存在一定的误差，该误差称为孔径误差。如果保持命令与转换命令同时发出，由于时间内的存在，所转换的值将不是保持值，而是在了、时间内的一个变化着的信号，影响后续转换的精度。当输入信号的频率低时，对精度的影响较小。最好在发出保持指令后延迟一段时间，等的输出稳定后再启动转换。 b.孔径时间不定性()孔径时间的变化范围。 孔径时间只是使采样时刻延迟，如果每一次采样的延迟间隔都相同，则对总的采样结果的精确性不会有影响。但若孔径时间在变化，则对精度就会有影响。如果改变保持指令发出的时间，可将孔径时间消除。因此，仅需考虑对精度及采样频率的影响。 c.捕捉时间() 处于保持状态时，当发出采样命令后，的值从保持值到当前输入信号值所需的时间。它包括逻辑输入控制开关的动作时间、达到稳定值的建立时间及保持到终值的跟踪时间等。 该时间影响采样频率的提高，而对后续转换的精度无影响。 d.保持电压的下降 采样/保持器处于保持状态时，由于保持电容()的漏电，使保持电压值不是恒值。保持电压值的变化随保持时间的增大而增加，所以该参数往往用保持电压的下降来表示.即为， 式中，为保持电容器的电容值; I为保持电容的漏电流。 e.馈送 在处于保持状态时，保持电容上的电压应与输入电压的变化无关。但实际上由于断开的模拟开关存在着寄生电容，因此，输入电压的交流分量将通过该寄生电容加到保持电容上，使得输入电压的变化引起输出电压的微小变化，这就是馈送。显然，增大保持电容有利于减小馈送，但却不利于采样频率的提高。 (3) 集成电路 目前，大多集成在一块芯片，则有内置和外置两种形式。电路在满足所需性能指标的前提下，应尽量选用单片IC采样/保持电路.本系统选用通用型芯片LF398.(4)保持电容的选择 因为的性能在很大程度上取决于保持电容的质量，因此对外接保持电容的采样保持器应选择优质电容，重点考虑电容器的绝缘电阻和介质吸收性能。 电容中的介质吸收是指如果对电容充电到一定电压,然后对它短路放电一段时间后再开路，电容器上的电压将从零往方向缓变。电容器表现出来的 “电压记忆”特性称为电容器的介质吸收特性。此特性将对保持电压产生误差。一般来讲，应选择聚苯乙烯电容或聚四氟乙烯电容。为提高采样频率，可小到100PF，但限制了精度，对分辨率为12位的高精度输入信号，应选择较大的电容值，这样，馈送、的偏差和下降误差可以减小。在印刷电路布线时应减小和数字信号或输入信号间的耦合电容。 (5)系统采样保持器电路 实际电路中采用LF398采样保持器，其模拟信号范围为，捕捉时间为 (精度为0.01%时)，采用聚四氟乙烯电容。图4-7为的电路原理图。 5)AD转换器 考虑到系统对AD转换器精度和速度方面的性能要求:系统中选择了 AD1674，它是美国AD公司推出的高性能12位AD转换器，具有以下特点： 完全的逐次逼近型12位AD转换; 转换速度; 内置采样保持器，简化电路，大大降低了用户使用时的成本; 内置+10.00V参考电压源，输出最大误差0.2%; 内部时钟; 单极性应用时，输入范围:010V,020V; 双极性应用时，输入范围:土5V,士10V; 与工业标准产品AD574,AD674管脚完全兼容，可直接替换，性能更佳; 三态缓冲输出; .8位、16位up总线接口。 AD1674是一种多量程，十5V单电源供电的12位逐次比较型A/D转换芯片，其内部带有输出缓冲电路，输出方式为12位并行总线输出，所测信号转换速度快，其转换时间为10us，保证一个信号周期采集12个点，价格较同类产品低，性能价格比高。 AD1674的工作状态由, ,五个控制信号决定当=1, =0同时满足时，AD1674才能处于工作状态。当AD1674处于工作状态时，=0时启动A/D转换，=1时进行数据读出。和端用来控制转换字长和数据格式。=0时启动转换，则按完整的12位A/D转换方式工作，如果按=1启动转换，则按8位A/D转换方式工作。当AD1674处于数据读出工作状态(=1)时，和成为数据格式控制输出端。=1，对应12位数据并行输出; =0则对应8位双字节输出。其中，=0时输出高8位，=1时输出低4位，并以4个。 补足尾随的4位。必须指出端与TTL电平不兼容，故只能通过布线接至+5V或0V上。另外，在数据输出期间不能变化。 AD1674有两个模拟输入端，分别用于不同的电压范围:lov。适用于士5V的模拟输入，20V。适用于士lov的模拟输入。通过外接电路，可使AD1674进行单极性和双极性模拟信号的转换。当采用14脚的输入电压范围时，1LSB对应4.88mV。在模拟电压输入回路中，串联500Q电阻，可以使1LSB达到5mVo 系统中使用AD1674JN，其与80C196KB单片机的电路连接如图4-9所示。 图中，AD1674为双极性模拟信号转换接法，10用于多路转换开关的士5V模拟输入，1LSB对应5mV.AD1674以独立方式工作，和端接入,和接至0V, 作为数据读出和数据转换控制，74HC138的/Y6端接AD1674的端，当=1时，数据输出端出现被转换的数据，=0时则启动一次A/D转换。STS端接至单片机的端，当STS=1 表示转换正在进行，STS=0表示A/D转换结束，可以从数据输出端读取转换的数据，对80C196KB单片机，转换的数据可以一次读出。 AD1674在应用中需要注意的几个问题: 端与TTL电平不兼容，故只能通过布线接至逻辑正电源或逻辑 地。在数据读取过程中不要改变的引脚状态，另外和 有效前应保持低电平。如果习=1，则一个读操作可能会同时发生，还可能引起系统总线的竞争。 电源藕合布线时应注意的问题 AD1674的应用系统调试完毕后， 在模拟输入端输入一个标准的模拟电压，启动转换后，如果12位数据变化较大，说明电路稳定性较差，应从电源和接地布线方面找问题。在应用系统设计时，AD1674的电源要进行很好的滤波调整，还要避开高频噪声源，因此所有的电源管脚都要用去藕电容。对+5V电源，去藕电容直接接在1脚和15脚之间;并且肠和呱要通过电容藕合到管脚9，合适的去藕电容是一个担电容再并联一个的陶瓷电容。布线时应注意把AD1674连同模拟输入电路，尽可能远离数字电路。因此最好不要用飞线连接电路。AD1674的地线布置 管脚9模拟地线是内部参考电压的地线参考点。因此，它应该是一个高质量的地线，应直接接在系统的模拟参考点上。为了在较大的数字信号千扰情况下仍然最大限度地利用AD1674取得高精度的性能，数字地线和模拟地线应接在一起。在一般情况下，布置电路板时应参考以下几点: 数字地与模拟地要在芯片上就近连接在一起: 电源经电容去祸后，其地线连接到数字地上; 外部模拟电路的接地端要分别连接到AD1674的模拟地上。 AD1674是12位逐次比较式转换器，转换结果输出12位二进制数，它的分辨率是: 12位的有限数字对模拟量数值进行离散取值时引起量化误差，理论上讲量化误差是一个单位分辨率，即，分辨率越高，量化误差越小。这里抢位二进制数字量用一位作为符号位，其余11位表示离散化的数字量，采用的模拟量输入范围，对应2.5mV,则量化误差是3.2.3人机接口单元 单片机应用系统中，通常都要有人机对话功能，它包括操作人员对应用系统状态的干预、数据输入以及应用系统向操作人员报告运行状态与运行结果。 1)外部参数设定单元 为了使高压开关可靠运行，需根据各项额定值进行整定。需要整定的参数包括:额定工作电流、短路保护整定电流值、过载保护整定电流值、过载延时整定值、零序电压整定值、漏电延时时间整定值。 系统所设计的各项额定整定值采用十进制输入、BCD码输出的拨码盘来实现，采用KA-1型按键式拨盘，每片拨盘具有09十个位置，每个位置都有相应的数字显示，代表拨盘输入的十进制数，因此一片拨盘可代表一位十进制数。需要几位十进制数可选择几片BCD码拨盘拼接。BCD拨码盘的后面有5个接点:C,1,2,4,8，其中C为输入控制端，另外4根是相应的BCD码输出信号线。拨码盘拨到不同位置时，输入控制线分别和1,2,4,8这4根BCD码输出线中的某几个接通。其接通的BCD码状态正好与拨码盘指示的十进制数相一致。 2)显示单元 电网发生故障时，其运行参数发生变化。为实时了解电网的运行状态，确定故障的原因，提高保护性能，从煤矿的实际需求出发，系统采用北京金创业科技开发中心生产的KY-47F型LCD液晶显示模块，实现对电网工作电流、工作电压等参数的轮流数字显示，当系统发生故障时则显示故障的类型及故障原因等特征参数。 KY-47F型LCD液晶模块普通型终端含点阵用户自修改汉字448个，通过简单指令即可完成字符或汉字旋转、放大，字间距、行间距的调整，并且可以任意决定字符的位置、大小、方向和颜色。液晶显示模块与单片机的接口也非常简单，既可以使用单片机的串行口，也可以使用单片机系统中任意两根线传输数据。 智能终端编程非常简单，只需将要显示的字符或汉字的代码通过串行接口发给终端，终端即按照设置的大小、方向、位置、颜色显示出对应的字符或汉字，并可方便地绘制点、直线、矩形、圆弧和点阵图形等。 本系统使用了串行口作为单片机与液晶显示模块的接口，为了同时不影响串行通讯，系统还利用可编程逻辑器件GAL16V88设计了串口复用电路。串口复用电路及显示单元接口电路如图4-11所示。 图中，LCD-LiquidCrystalDisplay，液晶显示器; ICTSC-InterfaceCircuitToSerialComunication，串行通讯接口电 路。 用Fast-Map编程如下: GAL16V8B DESIGNED BY LUOBIN 20/05/2008 SERIAL P1.0 P1.7 TXD RXD NC NC NC NC NC GND NC NC NC NC NC RXD2 RXD1 TXD2 TXD1 VCC RXD1=RXD RXD2=RXD DESCRIPTION 4.2.4选择性漏电信号处理单元 本系统选择性漏电采用零序电压基波启动，通过提取电网零序电压、零序电流的五次谐波进行比相来完成.其硬件电路框图如图4-12所示。 图中，ZSPT-ZeroSequencePotentialTransformer，零序电压互感器; ZSCT-ZeroSequenceCurrentTransformer，零序电流互感器;HES-HarmonicsExtractingSchematic，谐波提取电路; T-Transformation，正变换; RT-ReverseTransformation，反变换; PC-PhaseComparison，相位比较; PIC-Photoelectric-InsulationCircuit，光电隔离电路。 由图4-12可见，该单元硬件电路主要由零序电压回路、零序电流回路以及相位比较电路三部分组成。零序电压回路由零序电压五次谐波提取电路、移相电路、波形变换电路及光电祸合电路组成。其功能为将电网单相接地故障时的零序电压五次谐波成分提取出来，并进行适当的相位移动和波形变换，以与零序电流回路的输出信号进行相位比较。 零序电流回路由零序电流五次谐波提取电路、波形变换电路及光电藕合电路组成。其功能是将来自零序电流互感器零序电流信号中的五次谐波成分提取出来，并对其放大和波形变换，以便与零序电压回路的输出信号进行相位比较。 相位比较电路采用PLD器件GAL16V8B组成逻辑门电路对零序电压回路和零序电流回路输出的经过正反变化信号进行脉冲比较，其输出信号接至80C196KB的高速输入口HIS.1端，从而判断本支路是否发生单相接地故障。 1)选择性漏电硬件设计总体思路 由前面的保护原理可知，当电网发生单相接地故障时，零序电压为，流过故障支路的零序五次谐波电流相位滞后于零序五次谐波电压的相位为。因此，在硬件设计中，首先利用交流采样采集零序电压的数值，如果微机系统采集到的值小于基准电压，按非漏电情况处理;如果采集到的值大于基准电压，微机系统继续检测高速输入口HIS.1的频率信号，从而判断电网是否发生漏电故障。 选择性漏电保护单元各点波形如图4-13所示 硬件系统中，相位判别是以移相后的零序电压五次谐波为基准,若与同相位，则判定本支路发生漏电，CPU发出控制信号使断路器跳闸并闭锁，否则是其它支路漏电，CPU保持本支路继续运行。 零序电压经五次谐波提取电路，取得五次谐波信号 (超前零序电流五次谐波信号的相角为)，经移相电路、波形变换电路等处理后得到周期为4ms的方波信号，处理过程的波形如图4-13中a.b.c.d.e的所示。 零序电流经五次谐波提取电路、波形变换电路后同样得到周期为4ms的脉冲序列，如图4-13中的f,g.h,i所示。为了提高判断的可靠性和动作速度，分别提取零序电压五次谐波和零序电流五次谐波的正负半波输出信号两两进行相位比较。当发生故障时，经正变换与负变换电路后，分别同相位，比相电路输出点为周期为2ms的正脉冲，如图4-13j点所示;电网正常时，相位分别相反，J点输出低电平信号。微机系统最终通过判断脉冲宽度来完成选择性漏电保护功能。 2)选择性硬件电路的实现 (1)五次谐波提取电路 系统对五次谐波提取电路的要求有两点:一是保证5次谐波信号有足够的增益，二是对其它频率成分有足够的衰减。性能上要求使得这部分电路比较复杂，其组成如图4-14所示: 图中，BEE-BandEliminationFilter，带阻滤波器; NBPF-NarrowBand-PassFilter,窄带通滤波器。 带阻滤波器中心频率为50HZ，用以抑制50HZ基波成份，采用双T带阻有源滤波器，如图4-15所示，该电路的品质因数Q可以调整而陷波频率不变。通过调整，可把电路的Q值大约从0.3一直调到50。当的滑臂为低电位时，所得Q值最小。陷波深度和频率受双T网络的六个元件控制，六个基本双T元件(,)具有的最大Q值约为0.3. 和给双T接地点提供了自举回授，从而使最大Q值达到50. 其陷波频率是 窄带通滤波器中心频率为250HZ，它允许5次谐波频率成分通过而抑制其它频率成分，本系统采用四阶双二次带通有源滤波器，如图4-16所示，其电路特征值为 双二次电路比其它带通滤波器要用更多的元件，但它具有非常好的调整性能，是一种应用很广的电路。而且，双二次带通滤波器可达到的Q值在100以上，且具有良好的稳定性，以级联几级的方法获得高阶切比雪夫响应比较容易。 双二次带通滤波器的调整过程十分简单，增益由改变R，调整，Q由改变R，调节，而改变R,则影响中心频率。 ,，避免中断服务的时间大于采样时间，造成采样点偏离预定点，使计算结果出现错误。 图5-3为软件定时中断2服务程序框图。数据采集指依次接通A/D转换器的通道0-6，启动A/D转换。将转换的数据存放到数据缓冲区中，程序对每个通道依次采集12个点(一个周期)，运用傅氏算法计算出幅值，并根据幅值的大小等判断故障类型，再根据故障类型进行相应的处理，如 跳闸、显示故障类型等。 5.2初始化及自检 初始化中执行的程序内容如图5-5所示。 系统的初始化程序包括单片机80C196KB特殊功能寄存器的初始化、各个状态变量的初始化以及可编程接口芯片8255的初始化。 单片机80C196KB特殊功能寄存器包括: HIS-MODE高速输入形式寄存器，IOCO, 控制口寄存器INT-MASK中断屏蔽寄存器，INT-PEND中断悬挂寄存器，其设置如下: LDB INT-MASK1,#00000011B ;允许RI,TI中断 LDB INT-MASK,#01110001B CLRB INT-PENDI CLRB INT-PEND LDB IOC1,#20H 8255初始化程序如下: LD DX,#OFFC7H ： 8255(1)初始化 A口、B口、C口输出 LDB AL,#10000000B STB AL, DX LDDX,#OFFDEH ：8255(2)初始化 A口、B口输入，C口输出 LDB AL,#10010010B STB AL,DX 程序的自检包括RAM自检、EPROM 自检及转换器自检。当自检不通过时，程序通过显示单元显示哪一项自检出现错误，且一直自检，直到自检项目全部通过为止。 对于随机存储器的自检，可在存储区8000H-OBFFFH依次先写入OOH,然后读出该数据校验:随后写入OFFH，再读出校验。这样，就可将整个RAM区都进行自检。 转换器自检是在多路转换开关MAX308的某一端加入一标准的2.5V直流电压，系统开机自检时先接通这一路进行AD转换，如多次采样后的平均值在OCOOH附近时，则证明A/D转换器没有错误;否则，应检查多路转换开关MAX308与A/D转换器AD1674是否损坏. EPROM的自检采用 “校验和”的方法，即将EPROM中的内容从2000H一直累加到7FFDH,溢出不计，结果与放于7FFEH,7FFFH的字相比较，若相等，则该系统中EPROM正确;若不等，应检查系统中的 EPROM芯片。 5.4.1采样数据的预处理 采样数据的预处理是指CPU读取转换器的输出数据后，将该数据加工成直接反映被转换信号大小的数据处理过程。由于AD1674是12位双极性输入，当输入电压Ui从一5V变化到+5V时，输出的12位二进制数据从OOOH变换到FFFH，其输入特性如图5-7所示。 由图5-6可知，当输入=5V时，输出为OOOH;输入=0V时，输出为7FFH;输入“=0V时，输出时800H;输入=5V时，输出为OFFFH.因此，输出最高位D11是符号位，D11=0表示0, D10-DO共11位是数值位。当D11=0时，数值位不变而D11取反就得到数字量的补码形式(数字量位OOOH时例外);当D11=1时，数值位即反映被转换电压的大小。这种形式的数字量输出也称为偏移二进制输出。 5.4.2 U,I 计算子程序 利用傅氏算法，通过对最近采集的一个周期12个点进行计算，求出电量的实部和虚部，其平方和开方就是电量的幅值。框图见图5-8。其中子程序SQRT计算一个数值的平方根，子程序SQR计算两个数值的平方和。K1.K2:分别为电压互感器和电流互感器的变比。 5.5各种故障分析处理 故障的判断包括短路、过压、欠压、过载、漏电、绝缘监视。根据不同的故障类型，采取不同的措施。 具体处理软件流程如图5-9所示。 对于漏电、过载等故障，要求延时跳闸，延时定时在10ms软件中断程序中累积或清除，定时的多少，从拨码盘输入相应的值，CPU根据这个值从固定的存储器单元中读出定值。对于短路、绝缘监视等故障，要求瞬时跳闸。 5.6本章小结 本章详细介绍了系统总体软件设计方法以及软件结构，并对各功能模块分别予以说明，包括主程序模块、初始化模块、额定参数检测模块.软件定时器中断处理模块、傅立叶算法模块及故障处理模块。系统过载发生后采用软件定时器延时，不但准确，而且使用起来方便。软件设计采用模块化结构程序设计方法，不但便于编写、查错、测试和修改，而且能提高编程效率和运行的可靠性。6保护系统抗干扰措施6.1概述 可靠性是对继电保护的基本要求之一，它包括两个方面:不误动和不拒动。除了保护的基本原理应满足可靠性要求之外，还有两个因素影响保护的可靠性，这就是干扰和元件损坏，这些都不应该引起误动和拒动。保护系统微机化后，其元件数量大大减少，而且大规模集成电路损坏率很低，特别是微机可以实现高级在线自动检测，绝大多数元件损坏都能被检测出 来并且自动报警，不会引起保护的误动。 单片机控制高压开关工作的电磁环境是比较恶劣的，综合保护系统在工作时不仅要受到从电网上传来的 “噪声”干扰，其本身也是一个很强的干扰源，像变压器绕组电流、电压的变化以及负载线上的电流频繁变化和真空断路器本身的操作过程都会产生高频噪声。尤其是，该高频信号会通过导线和空间馈入单片机系统内，造成既定程序脱离原有轨道，跳飞到其他的程序段上，造成系统的不正常工作，甚至损坏系统。所以对综合保护各单元的抗干扰性能提出了较高的要求，尤其是单片机系统的抗干扰问题则更加重要。因此，在整个单片机系统的研制工作中，始终将抗干扰性能作为综合保护系统设计和制作时首先考虑的问题之一，并从硬件和软件两个方面采取了一系列抗干扰措施，有效地保证了系统稳定可靠地工作。 6.2电磁干扰与抑制电磁干扰的原则 在电路中，所谓噪声就是对有用信号进行干扰，对信息传输进行阻碍的扰乱。由于噪声在一定条件下干扰电子设备的工作，所以也把这种噪声称为电磁干扰 (Electro Magnetic Interference简称EMI)，简称干扰。 一般来说形成电磁干扰的条件有三:向外发送电磁干扰的源一噪声源:传递电磁干扰的途径一噪声祸合和辐射:承受电磁千扰的客体一受扰设备。因此为保证系统在特定的电磁环境中免受电磁干扰，必须从设计阶段起便采取三方面的抑制措施:抑制噪声源;消除噪声源和受扰设备之间的噪声祸合和辐射，切断电磁干扰的传递途径，或提高传递途径 对电磁干扰的衰减作用;加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力。 6.3硬件的抗干扰设计 抗干扰的硬件设计方法是基于上述抑制电磁干扰的原则，针对现场实际情况，采用不同的措施，破坏干扰三要素中的某一因素的存在，从而达到抗干扰的目的。 实际应用系统中千扰的来源一般可分为以下三类: 电源的干扰: 通道干扰，通过与主机相连的输入通道、输出通道及与其他主机相连的相互通道进入; 空间干扰，通过电磁波辐射窜入系统。 电源干扰对单片机系统来说是一个较为严重的千扰源，单片机系统的电源一般都和其它设备、照明线路共用一个供电系统，它们在线路上一般都有公共地，因此其它电气设备引起的电源噪声很容易通过电源进入单片机系统。干扰信号会通过主回路到主变压器副边，经过初、次级之问的寄生电容对变压器原边影响，最终通过电源线和地线窜入到单片机控制系统中。另外在数字电路中，当电路从一个状态转换成另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。 当电路接通与断开电感负载时，产生的瞬变噪声干扰往往严重妨害系统的正常工作。实践证明，包括高频在内的多数干扰来自单片机系统所用的电源，所以，对电源的净化就显得十分重要，可以说，单片机供电电源品质的好坏是计算机免受干扰的关键因素。 利用静电屏蔽的一般原理和变压器的特殊性，可在变压器的初级绕组和次级绕组之间加屏蔽层。这相当于在变压器的初级和静电屏蔽层间接入一个旁路电容。这样，从电网进入电源变压器初级的高频干扰信号，相当一部分将不经过变压器初级与次级间的分布电容的祸合而传到次级去，而是通过静电屏蔽层直接旁路到地，从而减少了由交流电网引进的高频干扰。6.3.1 通道干扰的抑制 输入输出通道干扰是通过前向后向接口而引入的干扰，在通道中长线 传输的干扰是主要因素。抑制此种干扰本文采用的是双绞线传输、隔离等措施。 隔离 在单片机控制的综合保护系统中，单片机系统属于弱电部分，而互感器、断路器属于强电部分，它们之间的接口直接控制着被控设备的起停，经它引入的干扰更直接、更强烈，因而被控设备成为单片机控制系统的主要干扰源。在设计中，我们通过隔离来从电路上把干扰源和易受干扰部分隔离开来，使控制系统与被控系统仅保持信号联系，但不直接发生电的联系，这样就切断了干扰通道。常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离等，另外在布线上也应该注意隔离。 光电隔离 单片机系统其它部分与外部信息交换通道均采取光电隔离。光电祸合器的输入阻抗低，而干扰内阻一般很大，按分压比原理传送到光电祸合器输入端的干扰电压就变得很小了，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，也不能使二极管发光，即抑制了干扰。 布线隔离 将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最 基本的做法是强电信号线和弱电信号线分开;高频信号线和低频信号线分 开:交流和直流分开;电源线和信号线分开;数字信号线和模拟信号线分开。实践证明，布线间隔越大，离地越近，线越短，噪声越小。 6.3.2印刷电路板抗干扰措施 印刷电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体，所以印刷电路板设计得好坏对抗干扰能力影响很大，具体的抗干扰措施有: 加粗地线来降低导线电阻，使它能通过三倍于印刷板上的允许电流，此处根据电路板的大小和器件的多少取地线宽度为0.6mm。 布电源线时，根据电流的大小，加粗导线宽度，并使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致，能增强系统抗噪声能力。 在选择接地方式时，首先考虑电路的工作频率。本系统中电路的工作频带相当宽，单片机及其外围系统工作于12MHz的高频，交流电源信号工作于50Hz的工频，另外还有工作于直流和低频的给定、反馈等模拟信号。不同频率的电路对接地方式有不同的要求。在设计低频部分的接地时，主要考虑尽可能减小地线上的电位差，为此采取并联一点接地的方式。 电路中尖峰电流的存在给数字系统带来不良影响，它将在电源内阻上产生压降，在公共传输导线阻抗上产生压降，使供电电压跳动，从而形成一个干扰源。因此在印刷电路板的各个集成电路的电源线端和地线端加接去耦电容，在印制板入口处的电源线与地线之间并接一个100pF的电容和一个的非电解电容。去耦电容一方面提供和吸收该集成电路开关门瞬间的充放电能量，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。 6.4软件抗干扰分析 为了提高智能测控系统的可靠性和安全性，除了采取有效的硬件抗干扰措施以外，还要采用软件抗干扰