煤矿供电系统面保护技术的研究与实现

论文题目煤矿供电系统面保护技术的研究与实现专业电气工程及其自动化摘要电力系统是煤矿生产的重要组成部分。由于煤矿井下环境较为特殊，通过提高煤矿供电和系统运行的可靠性来保证煤矿生产的正常运行及安全。煤矿现有的继电保护系统基本都是点保护，本次设计采用面保护技术，使设备能综合自身及其它开关点信息来做出故障判断和动作出口，它不需要靠延时来实现动作配合，这对煤矿供电继电保护系统以及煤矿的安全正常生产具有重要的意义。本设计包括测控单元、通信单元和上位机监控单元。测控单元采用DSPTMS320F2812及单片机STC89C52RC为处理器，通信方式采用CAN通信模式，上位机监控采用力控61。关键词面保护,测控单元,通信单元,上位机监控SUBJECTRESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFTHESUPPLYSYSTEMABOUTAREAPROTECTIONTECHNOLOGYINUNDERGROUNDCOALMINESSPECIALTYELECTRICENGINEERINGANDITSAUTOMATIONABSTRACTELECTRICITYISTHEMAINENERGYPRODUCTIONOFCOALMININGENTERPRISESDUETOTHEUNDERGROUNDENVIRONMENTOFCOALMINEISSPECIAL,INORDERTOMINIMIZETHEPOWERSUPPLYPROBLEMSWHICHTHEDAMAGECAUSEDBYPERSONNELEQUIPMENTFORCOALMINEANDTHEINFLUENCEOFTHENORMAL,WENEEDSETOUTTOCOALMINEENTERPRISEPOWERSUPPLYANDPOWERSUPPLYCOALMINERELAYPROTECTIONSYSTEMTHROUGHTWOASPECTSTOENSURETHESAFETYOFCOALMINEPERSONNELEQUIPMENTANDNORMALPRODUCTIONACTIVITIESPRODUCTIONCOALMINEOFEXISTINGRELAYPROTECTIONSYSTEMISTHEBASICPOINTPROTECTIONTHATIS,ALLPROTECTIONEQUIPMENTONLYBASEONSWITCHPOINTSWHERETHEREISFAULTINFORMATIONTOCOMPLETETHEIRPROTECTIONTASKTHEPROTECTIONBASEDONCOMMUNICATIONMAKESTHEEQUIPMENTSYNTHESIZEOWNANDOTHERSWITCHPOINTSANDMAKEFAULTINFORMATIONJUDGMENTANDACTIONEXPORTSITDOESNOTNEEDTORELYONDELAYTOIMPLEMENTACTIONSTHEPOWERSUPPLYOFCOALMINERELAYPROTECTIONSYSTEMANDTHENORMALPRODUCTIONOFCOALMINESAFETYISOFGREATSIGNIFICANCETHISDESIGNINCLUDESENSUREANDCONTROLUNIT,COMMUNICATIONCELLANDPCMONITORINGUNITMEASUREMENTANDCONTROLUNITUSESTHEDIGITALSIGNALPROCESSORTMS320F2812ANDSINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHEPROCESSORSTC89C52RCCOMMUNICATIONMODE,ADOPTINGCANCOMMUNICATIONMODE,PCMONITORUNITSUSESFORCECONTROLWITH61ASTHEMAININTERFACE,ANDTHROUGHACERTAINWAYVALIDATINGTHESYSTEMWHICHHASSOMEOFTHEIMPLEMENTALKEYWORDSPROTECTIONBASEDONCOMMUNICATIONMEASUREMENT,CONTROLUNIT,CANCOMMUNICATIONMODE,PCMONITORUNITS目录1绪论111煤矿供电系统面保护研究背景及研究现状112煤矿供电系统面保护研究意义113本设计的主要依据214本课题的主要工作22本设计中对煤矿供电系统面保护的研究421煤矿供电面保护的网络结构4211煤矿供电面保护的一次主回路4212煤矿供电面保护的二次测控单元422煤矿供电面保护控制决策的制定5221控制方法与控制决策6222故障分类与控制决策6223设备分类与控制决策6224运行环境分类与控制决策73测控单元的设计831测控单元硬件电路的设计9311电源的设计93111本设计中电源的概述93112本设计中测控单元专用电源的器件选型10312CPU的选择103121本设计中对TMS320F2812资源的配置113122本设计中对STC89C52RC资源的配置11313电网电压电流信号的采集与处理113131电流采样电路的设计123132电压采样电路的设计13314电网电压频率信号的采集与处理143141电网频率信号检测设计流程143142电网频率信号检测硬件的相关计算15315电网有功功率、无功功率的采集与处理163151电网有功功率、无功功率采集的硬件设计流程16316断路器节点温度的检测183161温度检测的硬件流程183162温度传感器的选择193163温度传感器LM35的信号调理电路19317双CPU通信电路的设计203171双CPU通信方式的选择203172双CPU并行通信的原理及流程213173双CPU并行通信的硬件电路设计213174双CPU并行通信的时序配合22318键盘电路的设计23319人机对话电路的设计24319112864液晶显示的简介及显示基本原理24319212864液晶显示的硬件设计253110分合闸信号出口执行电路的设计2531101DSP的GPIO出口继电器执行电路的设计2531102GPIO出口继电器与PLC及断路器的连接原理2631103GPIO口与PLC及断路器的接线263111开关节点开闭合时间的检测273112测控单元其他功能的设计2832测控单元软件设计29321系统初始化程序的设计293211CPU1初始化程序303212CPU2初始化程序30322AD采样程序的设计313221交流采样程序设计32323温度采样程序设计33324有功功率、无功功率检测程序的设计343241CAP的工作原理343242关于CAP使用过程中的溢出问题353243有功功率、无功功率检测的计算及程序设计36325频率检测程序的设计373251频率检测的相关计算373252频率检测的软件设计39326保护判断的程序设计39327键位扫描程序设计39328数据、命令的发送和接收程序的设计41329开关节点开闭合时间检测程序设计423210液晶显示程序的设计433211分合闸指示及故障跳闸警报程序设计流程图434通信4541煤矿供电系统面保护通信方式的选择4542CAN通信工作流程4543CAN通信电路的硬件设计4644CAN通信程序的设计465上位机监控486结论497展望50致谢51参考文献52附录1TMS320F2812部分程序54附录2STC89C52RC部分程序721绪论11煤矿供电系统面保护研究背景及研究现状现代通信技术、计算机网络技术的迅猛发展，使得开发一种具备对电力系统提供综合优化保护策略的系统成为可能，该系统具备综合电力系统各个保护单元的信息，并对各个保护单元做出正确的、合理的、优化的保护动作出口的功能。由于该系统综合了电力系统各处的信息，它不再是一个只针对自身故障信息进行保护的保护单元，所以称之为面保护。介于煤矿环境的特殊性，它对其自身供电系统的要求较其他行业更为严格，所以开发一种具备煤矿特色的面保护系统成为迫切需要。据查阅相关资料，目前煤矿供电的继电保护系统基本不具备面保护的功能，而目前国内的煤矿供电系统面保护也都正处于研发状态。12煤矿供电系统面保护研究意义煤矿井下工作环境较特殊，空间狭窄，湿度大，存在很容易爆炸的瓦斯和煤尘，井下的电缆等易受砸、压、磨等的机械损伤，电机有可能发生堵转现象等，此外如果煤矿通风系统或排水系统停电就有可能酿成严重的后果，这就对煤矿的井下供电系统提出了特殊的要求。煤矿现有的继电保护系统基本都是点的保护，即各个保护设备仅依据自身开关点处的故障信息来完成自己的保护任务，它并没有综合矿区电力系统的运行状况及其他开关点处的故障信息来做出该故障点的保护决策，难以正确判断系统的动态行为和故障原因，因而难以提高其动作正确率。具有面保护功能的保护设备不仅能利用自身的信息，还能综合其他信息来做出故障判断和动作出口，它不需要靠延时来实现动作配合，从而缩短了切除故障时间，延长设备的寿命和检修周期，并大大提高了煤矿保护的正确率1。实现煤矿供电系统面保护的基础之一是实现各测控单元的智能化。该智能化的特点包括投切时机的自行检测，运行状态检测及自诊断功能，故障时的保护功能，通讯联网功能。它可以实时地根据系统面保护控制规则的要求对其进行控制，实时地与中央控制计算机实现通信。煤矿供电继电保护系统在供电系统出现故障时，能够迅速的隔离故障，并恢复非故障区域的供电，因此研究基于现场总线控制的面保护技术，能够为煤矿的安全和正常生产提供更强大的保障。选择本题目作为毕业设计的内容，不仅可以使自己在大学所学的知识得到检验和展示，也希望能够通过本课题的研究为煤矿的电力系统继电保护做出一定的贡献。13本设计的主要依据本次设计的煤矿供电面保护系统主要包括测控单元、通信单元和面保护单元等几部分。设计的主要依据分别是煤矿安全规程、煤矿井下供电系统设计国家规范、煤矿供电继电保护系统国家规范等。测控单元能够通过交流采样技术采集各开关点的基本信息并送入DSPF2812进行处理，并能够实现保护及手动分合闸操作，其主要依据为A/D转换及采样定理。通信单元能够进行开关与上位机、开关与开关之间的通讯，其通讯方式采用现场CAN总线通讯方式。面保护单元主要是综合各个开关点的信息按照一定的控制规则实现保护系统的面保护功能，其主要依据为继电保护系统的四个要求，即选择性、速动性、灵敏性及可靠性。14本课题的主要工作本课题研究的内容包括四部分（1）开关点能够执行投切命令及实现保护功能每个测控单元能够通过来自自身的和上位机的命令来控制断路器的投与切，从而完成自馈电功能，能够判断该线路的故障，并且在该线路发生故障时实现对设备的保护功能。（2）开关点综合信息的实时检测开关点采用双CPU结构来实时监测自身的运行状态（投切与否、节点闭合时间、节点断开时间、节点温度）、运行参数（电压、电流、有功功率、无功功率，电压频率）和故障信息（短路、过流、过压、欠压、缺相），并将以上运行参数做实时显示。（3）实现开关之间及其与上位机的通讯通过CAN总线通信方式实现开关与开关之间、开关与上位机之间的通讯，从而实现信息共享，为实现煤矿供电系统面保护打下基础。（4）实现煤矿供电系统的面保护上位机能够综合各测控单元的信息并通过一定的控制规则对整个面保护区域作出合理的保护决策，从而实现煤矿供电系统的面保护。小结本章主要从选题背景及研究的现状方面阐述了本课题研究的意义所在，并概括地介绍了本设计的主要依据及基本工作。2本设计中对煤矿供电系统面保护的研究从相关的资料可以看到目前各研究机构对实现面保护的必要条件规定为通信；CPU；并行处理2。通信技术作为面保护技术的必要条件之一是因为各个保护单元之间和各个保护单元与上位机之间均需要实现信息共享，而信息共享的基础就是通信。CPU作为面保护技术的第二个必要条件是因为只有各个保护单元具备了CPU，才能够实现数据处理、信息综合、信息共享，并做出正确的动作出口。并行处理是指当某一条线路出现故障时该线路上的各个保护单元的CPU需要同时启动进行故障判断，并以最快的速度将故障设备切除，这样便在一定程度上满足了继电保护速动性的要求。本章节将重点讨论面保护的基本保护策略与控制决策。21煤矿供电面保护的网络结构煤矿供电系统面保护的组成包括电气一次主回路和电气二次测控单元。电气一次主回路是针对煤矿具体情况而设计的主馈电回路，它属于煤矿的固有组成部分，能够为煤矿提供基本的电力能源，保证煤矿生产的运作。二次测控单元是根据一次电气主回路及其负荷情况而灵活设计的测控保护单元，它的网络构成需要根据一次电气主回路的结构方式来设计，其主要功能是实现对一次电气主回路的保护。211煤矿供电面保护的一次主回路煤矿供电系统面保护一次主回路主要包括主变压器、母线、馈线及各级负荷。如图21，在该馈电线路中母线的入口及出口处、主变压器的入口及出口处均装设有测控单元。212煤矿供电面保护的二次测控单元煤矿供电系统面保护的二次测控单元主要包括测控单元和通信单元。测控单元能够实时地将当前测控单元安装处的信息上传到通信网络总线上以实现信息共享,其结构如图22所示。本设计的测控单元由DSPTMS320F2812和单片机STC89C52RC为处理器，其中DSPF2812主要用来进行信号处理和通信，STC89C52RC主要用来执行相关信息的显示和保护。测控单元与其他模块的通信采用CAN通信方式来实现，各测控单元与上位机的通信采用CAN转串口的通信方式来实现。图21煤矿供电一次主回路图22面保护测控通信网络结构图22煤矿供电面保护控制决策的制定煤矿井下供电系统复杂，线路短，存在3端线路，短路保护电流阈值难以整定，短路保护没有选择性，漏电保护准确性不高，针对母线故障更是没有相应的保护，所以在煤矿井下极易出现越级跳闸，井下一旦发生越级跳闸，将会造成大面积停电，从而带来不必要的损失。煤矿井下存在多级采区变电站级联的情况，他们不能靠增加时间级差实现各级线路短路保护的整定配合，所以解决煤矿井下继电保护系统越级跳闸的问题就成为难点。煤矿供电系统可能发生的故障种类比较多，如果所有的故障均按照一种方案来CAN转串口模块120欧姆120欧姆CAN收发器1测控单元1CAN驱动器C收发器2C驱动器测控单元2CAN收发器5CAN驱动器收发器6驱动器测控单元5测控单元6中央监控计算机收发器4驱动器测控单元4AN收发器3AN驱动器测控单元310KV10KV测控单元1测控单元2测控单元3测控单元5测控单元6测控单元7测控单元8测控单元9测控单元4测控单元10处理，显然是不够合理的，所以我们有必要针对不同的故障类型采取相应的最适合的保护策略。而目前煤矿的设备也按照重要等级的不同被分成了不同的种类，这些种类的保护策略也应该是有所不同的。另外，这套保护系统也应该具备走向不同行业的功能。221控制方法与控制决策系统面保护的控制采用下级保护闭锁上级保护的控制方法，如图23，当B点发生故障后，需要保护2立即跳闸，但是如果发生越级跳闸，保护2不动作而保护4、5或6动作，则会造成出线A、C处停电，影响煤矿的正常生产甚至引发安全问题。采用下级保护闭锁上级保护的控制策略将会避免越级跳闸的发生。如果A点发生故障，保护2将闭锁保护4、5、6，如果保护2拒动，则解锁保护4，使保护4动作，如果保护4也拒动，则解锁保护5，依次类推便可以防止开关的误动作。图23面保护控制方法示意图222故障分类与控制决策煤矿井下的供电系统可能发生的故障种类繁多，比如各种短路、缺相、漏电、三相不平衡、过压、欠压、过流、错相等。在面保护里，各开关将信息传至上位机后需要上位机决策哪一级保护动作，而这是需要时间的。如果一些大的故障类型，比如短路、缺相、相序错乱等在瞬间就有可能造成事故，因此需要将发生这类故障的设备尽快切除，这时候可以不经过上位机的授权直接跳闸，这样就大大缩短了切除故障的时间，使损失大大降低。因此，我们将短路、缺相、相序错乱规划为一类故障，当发生这类故障时，可以先直接跳闸再向上位机传送故障信息。223设备分类与控制决策煤矿井下的设备一般被划分为三个级别。一级负荷包括主风扇、排水系统、提升设备；二级负荷包括运输设备、照明设备、采掘机械；三级负荷主要指辅助生产系统。各10KV10KV测控单元6测控单元5测控单元4测控单元1A测控单元2测控单元3BC级负荷在运行中均有可能发生上述一类或二类故障，对于一类故障，保护可以先动作再上传故障信息，而二类故障均需要先上传至上位机，再由上位机决定动作与否与动作的先后顺序。如果多个设备同时发生二类故障，则会出现优先保护谁的问题。所以，对于二类故障，我们可以由上位机决定优先保护一级设备，然后保护二级设备，最后保护三级设备。224运行环境分类与控制决策运行环境涉及到各个行业及其相关规范，制定控制规则要根据国家标准以及行业标准来进行，从而使面保护具有更强的针对性和环境适应性。小结本章主要结合煤矿的具体情况介绍了煤矿供电系统面保护的网络构成及控制策略，具有一定的创新性。3测控单元的设计煤矿供电面保护系统的可靠与否与硬件电路设计和软件设计的合理与否息息相关。本设计在硬件方面主要包括单母分段仿真模型和测控单元，软件主要包括与系统硬件结构和系统功能相配套的软件。单母分段仿真模型由7个断路器组成，其中两个为母线侧断路器，一个为母联断路器，四个为出口断路器，有两回进线，四回出线，其电压等级为380V。测控单元的主要功能包括开关运行状态（投切与否、节点闭合时间、节点断开时间、节点温度）的监测功能；运行参数（电压、电流、有功功率、无功功率，电压频率）的监测功能；故障信息（短路、过流、过压、欠压、缺相）的监测功能；分合闸命令的执行功能；故障时的保护功能；开关运行状态、运行参数、故障信息的现场显示功能；分合闸状态指示功能；故障跳闸的声音警报功能。测控单元硬件部分主要包含的电路有电源CPU电流电压采样频率检测有功功率无功功率检测开关节点温度检测双CPU通信电路键盘人机对话分合闸出口执行机构开关节点开闭合时间检测其他功能。测控单元软件主要包括的内容有初始化程序AD采样程序及算法选择频率检测及计算方法程序有功功率检测及计算方法程序开关节点开闭合时间检测计算方法及及程序保护判断程序键位扫描程序双CPU通信程序分合闸指示及警报程序液晶显示程序等。图31单母分段仿真模型测控单元2测控单元3测控单元4测控单元5测控单元6测控单元1380V380V图32测控单元结构框图31测控单元硬件电路的设计311电源的设计3111本设计中电源的概述本设计共有三套电源，其一为DSP专用电源，其二为继电器执行机构专用电源，其三为测控单元专用电源。其中DSP专用电源由DSP开发板提供，继电器执行机构专用电源为型号为T50B的直流稳压电源，输出电压为5V,功率为70W。本次设计的电源为测控单元专用电源，其输出功率为15W，输出电压为DC5V。设计本电源的依据为交流采样电路能够在DC5V单电源供电的情况下将交流正弦波偏置并放大至适合于DSP识别的0V至3V的直流信号；大部分芯片如STC89C52RC、74HC00、74HC04、74HC573等芯片的电源电压典型值为DC5V；根据测控单元的功耗选择电源功率为15W。本电源主要由变压器、整流桥、三端稳压器、滤波电容构成。其结构流程图如图33所示，其电路原理图如图34所示。降压主要由变压器完成，整流主要由1N4002完成，前级滤波主要由25V/330U电解电容和01U瓷片电容来完成，稳压主要由LM7805来完成。后级滤波主要由25V/220U电解电容和01U瓷片电容来完成。电流电压电压电压AD信号调理电路信号调理电路信号调理电路信号调理电路TMS320F81单片机STC8952数据总线控制总线12864显示数据缓存器数据总线数据总线控制总线S/H频率检测有功功率检测无功功率检测开关闭合时间检测开关断开时间检测GPIO键盘跳闸警报分合闸指示断路器出口执行ECANCAN收发器CAN总线EV上位机及其他测控通信单元图33测控单元专用电源硬件结构流程图图34测控单元专用电源硬件原理图3112本设计中测控单元专用电源的器件选型本电源的核心器件为三端稳压器整流桥1N4002和LM7805。其主要电气参数如下表名称最大整流电流最大反向耐压值1N40021A100V表3111N4001的主要电气参数名称输出电压最大输出电流输入电压范围LM78055V15A8至35V表312LM7805的主要电气参数由表311可以看出整流二极管最大反向耐压值为100V，最大输出整流电流为1A。由表312可以知道芯片LM7805最大输入电压为35V，但是为了避免输入电压过高造成LM7805发热严重，通常不能让输入电压接近35V。所以在本设计中变压器选择220V/12V,变压器输出峰值电压为，满足整流二极管的电VUI97162气参数，经过整流和前级滤波以后，输入到LM7805的电压约为,满足LM7805的输入电压条件。VUI97162312CPU的选择在煤矿供电系统面保护里的测控单元，一般都需要使用双CPU来保证保护的速动性和可靠性。根据实验室现有的条件，我们选择DSPTMS320F2812和单片机STC89C52RC作为处理器芯片，现对其各自的资源配置做如下介绍。降压整流滤波稳压滤波DC5V输出3121本设计中对TMS320F2812资源的配置EVA的16位GP1定时器用于AD采样周期的控制，EVB的16位GP3定时器用于为捕获单元CAP4和CAP5提供时钟基准，并用来检测当前电网电压频率、有功功率和无功功率。CPU定时器0用于定时向STC89C52RC发送数据，GPIO口主要用来进行双CPU之间的通信和其他控制输入和输出。3122本设计中对STC89C52RC资源的配置P0口和P2口级联为16位的数据总线供TMS320F2812向STC89C52RC传递命令和数据。P1口作为8位数据总线连接12864液晶显示。P3口作为控制总线连接12864的控制端，并且P32和P33分别作为TMS320F2812向STC89C52RC传递命令和数据的外部请求控制端。313电网电压电流信号的采集与处理电网电压电流信号的采集与处理是煤矿供电系统面保护最重要的环节之一，它是保护启动与否及某些故障类型的判断的依据，是电流、电压、有功功率、无功功率计量的基础。交流采样的采样精度直接影响到了整个保护系统的精确性和可靠性。DSPF2812具有高实时性、高准确性的特点，其内部集成有两个12位8路参考电压范围为03V的A/D转换芯片，因此，进行交流采样时将不需要外扩AD转换模块。在此，采用电流互感器、电压互感器、运算放大器和DSPF2812对交流信号进行处理和采样，交流采样流程图如图37，其采样具有实时性好、准确度高的优点。图37交流采样流程图交流采样电路分为电流采样电路和电压采样电路。无论是电流采样电路还是电压采样电路，他们最终都是要将主回路的强电流或强电压信号通过一定的算法和技术手段线性变换为DSP能够识别的在0V至3V之间变化的弱电压信号。本信号采集电路选择的电流互感器为TA1704,电压互感器为TV16E，信号调理核心偏置放大滤波跟随S/HAD元件为运算放大器LM324。3131电流采样电路的设计本次电流采样电路选择的电流互感器为TA1704，其变比为20A10MA，也即20001，本次设计的模拟负载是120W、380V、048A的三相异步电动机。图38电流采样电路即电流互感器一次侧的电流大小为048A，二次侧的电流大小为024MA。如图38，在互感器二次侧并一个22K的电阻即可将一次侧的048A的强电流信号变换为二次侧的弱电压信号，其计算公式为（31）240/480/12MAAKI（32）58133VRU其峰值为（33）762P即电流互感器二次侧输出的电压范围为V至V，即一次回路里的220V的40工频交流便被线性转化为V至V。7460信号调理电路共有三级，第一级为偏置放大环节，它能够将交流信号调理成DSP能准确进行AD转换的0V至33V的直流信号。第二级为有源滤波环节，该环节能够滤去信号调理电路里的高频干扰信号。第三极为跟随环节，其输入高阻抗，输出低阻抗，进一步增加了信号调理电路的抗干扰能力。对于第一级信号调理电路，假设正相端输入电压为，反向端输入电压为，输1IU2IU出电压为，则其输入与输出有如下的关系1OU（34）121IIFIOURU在此信号调理电路里，所以输入信号与输出信号之间满足如下关系F2（35）21IIO由公式35可知，当1V时，因为的取值范围为V至V,所以的1IU2IU746071OU取值范围为02533V至17467V，此信号能够满足DSP的采样范围（0V至3V）。对于第二级信号调理电路，它是有源滤波环节，该电路对地阻抗为（36）FCJRZ213在此信号调理电路里电容取10PF,则其对地阻抗为（37）FJ/0614根据公式37，该有源滤波电路对高频干扰信号能够被滤掉，对于50HZ的工频，其阻抗非常大，故对采样的信号幅值衰减和相位的影响都很小，可以忽略。假设同相输入端信号电压为，输出电压信号为，则其对工频50HZ的传递函数近似为3IU2OU（38）3I对于第三极信号调理电路，它是一个跟随器，其输入等于输出。假设同相输入端信号电压为，输出电压信号为，则其对工频50HZ的传递函数近似为4IU3OU（39）4I由此，电流采样电路便分析完毕，其输入与输出的关系为（310）121IIFIOURU所以220V的一次侧强电流信号就被转化02533V至17467V的直流信号。3132电压采样电路的设计电压采样电路与电流采样电路的区别在于除信号调理电路以外的部分。电压采样电路如图39所示。图39电压采样电路本次电压采样电路选择的电压互感器为TV16E，其变比为20002000，本次设计采集的电压信号为相电压，即220V，在电压互感器一次侧串联一个301K的电阻，再在二次侧并联一个的电阻即可得到所需的信号，其具体计算如下30一次侧电流大小为（311）MARUI7301321由于该互感器为20002000，所以二次侧的电流大小也为073MA，当二次侧并联一个的电阻以后，其输出电压为30（312）VAIU21903722其峰值为有效值的倍，则二次侧电压信号峰值约为310MV,也即电压互感器二次侧输出电压的范围为031V至031V。此信号再经过与电流采样相同的信号调理电路，如果运放正相端所加的直流电压为1V，即可将工频220V的交流信号变换为在069V至131V之间变化的直流信号。314电网电压频率信号的采集与处理在煤矿供电系统面保护里，电网频率信号也是至关重要的一个方面。电网频率信号检测的基本原理是以电网电压信号的过零点为标志来计算两个过零点之间的时间差，进而通过一定的算法就可以求出当前电网的电压频率。3141电网频率信号检测设计流程电压信号过零点可以通过一定的硬件电路将其检测出来，其硬件结构流程图如图310所示。参照交流采样部分的原理适当选择电压互感器二次侧的并联电阻，如图311所示的硬件电路图，将互感器输出电压信号配置为峰值在5V左右的正弦信号，如图311的波形A，经过整流桥之后正弦信号被变单相脉动的直流信号,如图312的波形B，该信号与一定的直流信号在比较器中进行比较，即可将过零点信号用脉冲标记出来,如图312的波形C。两次脉冲之间的时间差即为正弦波的半周期，该脉冲信号的频率值即为正弦波频率的二倍。求该频率的具体算法将在本设计的软件部分详细介绍。图310频率检测硬件电路流程图图311频率检测波形变换图3142电网频率信号检测硬件的相关计算本次电压采样电路选择的电压互感器为TV16E，其变比为20002000，本次设计采集的电压信号为相电压，即220V，在电压互感器一次侧串联一个301K的电阻，再在二次侧并联一个的电阻。其具体计算如下K74一次侧电流大小为（311）MARUI7301321由于该互感器为20002000，所以二次侧的电流大小也为073MA，当二次侧并联一个的电阻以后，其输出电压为K74（312）VAIU431017430322其峰值为有效值的倍，则二次侧电压信号峰值约为48521V,也即电压互感器二次侧输出电压的范围为48521V至48521V。互感器二次侧输出电压经过整流桥整流的整流之后其峰值电压约为41521V，该信号被加在比较器的反相输入端，同时在比较器的同相输入端加约为1V的直流电压信号，当反相端电压大于同相端电压时比较器输出低电平，当反相端电压小于同相端电压时比UTTT43V5VABC整流比较分压电压互感器RCAP较器输出高电平，由于比较器工作电源为5V，故其输出高电平信号电压为5V。为了避免干扰信号使比较器输出端产生负电压损害DSP，在比较器输出端加一个二极管。由于DSP的CAP引脚能识别的高电平电压为33V，所以需要将比较器输出的高电平信号进行分压，采用15K与30K的电阻进行分压，当比较器输出5V高电平信号时，CAP引脚便可得到约为33V的高电平脉冲信号。图311频率检测硬件结构图315电网有功功率、无功功率的采集与处理在煤矿供电系统面保护系统的测控单元及上位机监控系统里，我们有必要知道测控单元安装处的有功功率及无功功率。有功功率及无功功率检测的基本原理是对电压信号和电流信号过零点之间的时间差进行统计，并通过一定的算法求出电压信号和电流信号之间的相位差，进而求出测控单元安装处电网的有功功率和无功功率，具体的算法将在软件部分详细介绍。3151电网有功功率、无功功率采集的硬件设计流程电网有功功率和无功功率的采集主要是通过采集电流、电压之间的相位差来实现的，而采集相位差的本质是求的电流过零点和电压过零点之间的时间差，该时间差可以用DSP的捕获单元来完成，具体的工作过程及软件算法将在软件部分详细叙述，硬件电路的主要工作是将电压电流的过零信号转换为脉冲信号送至DSP捕获单元的引脚上。该硬件电路的工作流程如图312所示，电流互感器和电压互感器分别将一次回路的强电流电压信号变送到二次回路，整流和比较是为了将电流电压的过零信号转化为脉冲信号（如图313中波形A和B所示），经过二与非门之后两路脉冲信号被合成了一路（如图313中波形Y所示），分压是为了使过零点采样电路和DSP捕获单元达到电平匹配。图312有功无功检测硬件电路流程图图313有功无功检测波形变换图3152电网有功功率、无功功率采集的硬件计算电网有功功率无功功率的硬件计算主要包括电流信号变换的计算和电压信号变换的计算。而有功无功检测硬件计算中电压信号变换的计算与频率检测硬件计算基本一致，因此本节将主要介绍有功无功检测中电流信号变换的计算。本次电流采样电路选择的电流互感器为TA1704，其变比为20A10MA，也即20001，本次设计的模拟负载是120W、380V、048A的三相异步电动机。即电流互感器一次侧的电流大小为048A，二次侧的电流大小为024MA。如图314，在互感器二次侧并一个15K的电阻即可将一次侧的048A的强电流信号变换为二次侧的弱电压信号，其计算公式为（31）240/480/12MAAKI（32）63153VRU整流比较分压电压互感器R整流比较RCAP电流互感器二与非门UA43VB5VCTTTT5VY/I其峰值为（33）0915632VUP即电流互感器二次侧输出的电压范围为V至V，即一次回路里的220V的工频交流便被线性转化为V至V，经过整流桥之后其峰值电压变为4391V。0915该信号被加在比较器的反相输入端，同时在比较器的同相输入端加约为1V的直流电压信号，当反相端电压大于同相端电压时比较器输出低电平，当反相端电压小于同相端电压时比较器输出高电平，由于比较器工作电源为5V，故其输出高电平信号电压为5V。为了避免干扰信号使比较器输出端产生负电压损害DSP，在比较器输出端加一个二极管。由于DSP的CAP引脚能识别的高电平电压为33V，所以需要将比较器输出的高电平信号进行分压，采用15K与30K的电阻进行分压，当比较器输出5V高电平信号时，CAP引脚便可得到约为33V的高电平脉冲信号。图314有功无功检测硬件结构图316断路器节点温度的检测在煤矿供电系统面保护中，最终接通与断开电路是靠断路器来完成的，断路器工作正常可靠与否与其本身的节点温度有一定的关系，因此我们有必要对断路器的节点温度进行检测。节点温度检测的主要原理是温度传感器将温度信号转换为微弱的模拟电信号，我们通过信号调理电路将该信号线性放大，经AD转换之后再按照该温度传感器的转换特性按照一定的算法即可知道当前温度传感器安装处的温度。3161温度检测的硬件流程温度检测的基本流程基本上都是先将温度信号转换为电信号，再对该电信号进行调理，最后将该调理后的信号转化为数字信号送入CPU进行处理，再在软件上进行一定的处理即可知道当前温度传感器安装处的温度。其流程图如图315所示。图315温度检测流程图3162温度传感器的选择温度传感器是温度检测的核心元件之一，其转换精度和转换周期直接影响温度采集的精度和保护的可靠性。目前比较常用的温度传感器是人们所熟知的DS18B20，该温度传感器自带AD功能，它能将温度转换结果以数字信号的形式串行发送给CPU，然而，尽管其功能强大，但是它还是有不足之处的。首先它对CPU时序的要求极为严格，如果一个程序里的中断使用太多，就有可能使其无法正常工作；其次它的转换周期长，完成一次转换大约需要九百多微妙的时间，在这期间CPU需要一直等待，在继电保护中要求保护装置具有速动性，而其程序量本身就比较大，中断也用的比较多，因此使用DS18B20有可能造成系统不能正常运行或可靠性差。除了DS18B20之外还有一种温度传感器LM35，它是精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比，其灵敏度为100MV/，精度在04至0855至150温度范围内。对于DSP而言，它拥有一个16通道12位的AD转换器，其转换时间在纳秒级别，因此LM35的优越性可见一斑，所以本设计选择LM35作为温度传感器。3163温度传感器LM35的信号调理电路LM35的输出信号为直流信号，当温度范围在0至150时，其变化率为10MV/,即当温度在150时其输出电压为15V，但是DSP的AD参考电压为0至3V，所以为了使采样后转换的温度分辨率增加一倍，需要将该电压放大一倍。在此采用同相比例运算放大器即可完成，其电路图如图316所示，该调理电路共分为两级，第一级为跟随器，主要起隔离作用可以提高电路抗干扰能力。第二级为同相比例放大环节，能够将温度传感器输出电压信号放大一倍，其电路图如图316所示。该硬件电路的计算过程如下温度信号电信号信号调理AD转换CPU图316温度传感器输出电压信号调理电路对于第一级跟随器，其输出电压等于输入电压。对于第二级同相比例放大环节，假设其输入电压为，输出电压为，则它们有如下的关系IUO在本电路里有（35）KRF102所以有（36）IOU当温度传感器输出电压为0V至15V变化时，本信号调理电路输出电压为0V至3V，因此将该信号放大了一倍，从而使其分辨率也提高了一倍。317双CPU通信电路的设计在煤矿供电系统面保护的测控单元里，通常采用双CPU来保证保护的速动性和可靠性，双CPU的任务分别为CPU1用来对开关点处基本信息的采集处理及与上位机的通信，CPU2用来做保护和显示，因此双CPU之间的通信就显得至关重要。3171双CPU通信方式的选择双CPU之间的通信方式一般来说分为串口通信和并口通信。串口通信通常只需要两根数据线和一根控制线即可完成，它非常节省数据线。对于并口通信而言，如果传送的数据为16位，则需要16根数据线和1根控制线，相对于串口通信而言，该通信方式所使用的数据线较多，但是从时序上讲，串行通信传递16位数据需要的时间为并行通信的16倍。然而，这两块CPU属于同一个测控单元，他们之间的通信距离非常短，对硬件连线来说并不造成多少浪费。所以从信息传递的快速性上讲，本设计双CPU之间的通信将采用并行通信方式。IF433172双CPU并行通信的原理及流程在设计本通信硬件电路之前查阅了大量相关资料，并做了大量的仿真实验和实际操作实验得出以下结论对于像DSP、单片机这样的可编程控制器，其IO口上的高低电平相遇以后总是出现高电平被拉低而不是低电平被拉高的现象。以此为理论基础，将两个可编程控制器（分别标记为CPU1和CPU2）的IO口高位和低位一一对应连接，并设定CPU1为主机，CPU2为从机，其中主机为数据发送CPU，从机为数据接收CPU。初始化时将从机的数据IO口赋值为高电平，当主机向从机发送数据时，先将数据写在主机的数据IO口上，同时利用锁存器将该数据缓存在数据总线上，在一定条件下命令从机读取该数据总线上数据即可完成从CPU1向CPU2的数据传输。需要额外说明的是，本设计中的双CPU并行通信为单向数据传输，即只能由主机发送数据给从机，而不能由从机发送数据给主机。当然通过若干外围电路和相应芯片及相关技术的支持是可以实现双CPU的并行双向数据传输的，这将在后续研究中具体讨论。双CPU并行通信大致流程为CPU1数据发送，然后将数据缓存在数据总线上，最后让CPU2读取该数据，如图317所示。图317双CPU并行通信流程图3173双CPU并行通信的硬件电路设计根据DSPTMS320F2812及单片机STC89C52RC的自身特性及其各自的外部IO口资源和所需要传送的数据量的大小，选择使用16位数据总线。由于DSPTMS320F2812为16位控制器，单片机STC89C52为8位控制器，所以需要将单片机的两组IO口级联之后配置为16位数据IO口，如图318。在本设计中，CPU1的系统时钟被配置为150MHZ，而CPU2系统时钟被配置为12MHZ，由于其指令执行速率不同，所以需要在数据总线上加数据缓存器，此处的数据缓存器采用锁存器74HC573。该芯片可以在LE端为高电平时让数据通过，LE端为低电平时无论输入端是什么状态输出端都会保持LE端由高电平到低电平跳变之前的状态，从而完成数据缓存功能。CPU1CPU2数据缓存图318双CPU并行通信硬件原理图另外，本设计中CPU1的高电平电压为33V，而CPU2的高电平电压为5V，它们之间还存在电平匹的配问题。对于数据总线电平匹配问题，在做本电路设计之前，曾对大量的74HC573做了测试，发现它们输出端的电平跳变发生在输入端电平在22V至24V之间，即当输入端的电平高于22V至24V时输出为高电平，当输入端的电平低于22V至24V时而其输出为低电平，而且其输出电平电压约为45V左右，符合单片机高电平的电压值。对于控制线上的电平匹配，我们采用反相器74HC04实现电平转换，经过若干该芯片的测试得知，该芯片在输入电平电压在25V以上时，输出电平翻转为低电平，输入电平电压在25V以下时，输出电平翻转为高电平。3174双CPU并行通信的时序配合在本双CPU并行通信中，当主机发送数据时，从机被设置为无条件接收，即从机的数据接收程序被设置在了其外部中断子程序里，当主机将数据发送到数据缓存器里以后立即触发从机的外部中断使从机立即接收该数据。其时序配合如图319所示。SYSCLKOUT为系统时钟，GPIOA0至GPIOA15为数据IO口，SEND1和SEND2分别为数据缓存器LE控制端，因为74HC573数据缓存器为8位的，所以需要两片来拓展成16位的数据缓存器，所以需要两个控制端口。XINT0和XINT1为从机外部中断触发信号，其中XINT0对应单片机的外部中断0，XINT1对应单片机外部中断1。XINT0用于发送因按键按下而对液晶显示进行的操作，XINT1用于定时发送CPU1对开关点信息的处理结果，在此发送按键对液晶显示操作的优先级要高于发送CPI1对开关点信息处理结果的优先级。图319双CPU并行通信时序图318键盘电路的设计键盘的主要功能是对人机对话界面进行切换以及对断路器分合闸进行操作。其原理是，CPU初始化时将键盘引脚赋值为高电平，在程序中不停对该键位进行扫描，在按键按下时，该键位端口跳变为低电平，此时CPU便认为将有一个事件被执行，该事件可以是程序开发者赋予的任何事件。在本电路中共有10个按键，如图320所示，我们规定K1键的功能为人机对话界面的上一页，K2键的功能为人机对话界面的下一页，K3键的功能为人机对话界面的确认，K4键的功能人机对话界面的取消，K5至K10键的功能分别为1至6号断路器的分合闸手动控制键。由按键的工作原理可知在没有按键按下的时候DSP的GPIO口应为高电平，虽然GPIO口有一定的上拉能力，但是为了更加可靠，我们需要在GPIO口上加上拉电阻，上拉的电压为GPIO口的高电平电压即33V。本系统的工作电压为5V，因此为了得到33V电压就需要对5V进行分压，在此，该33V仅仅是起上拉的作用，它并没有带太大的负载，所以我们选用的电阻与的电阻对5V电源进行分压，如图321，取K15K30电阻上的压降即可，其计算公式为K30由此便可得到GPIO口上拉所需要的电压。对于上拉电阻的选择，需要根据GPIO口能承受的最大灌电流确定。对于DSP，其VRU315/2127SYCLKOUTGPIA015SEND1SE2XINT0IT1图320键盘电路原理图GPIO口的最大灌电流约为2MA,在此使用10K的上拉电阻，其灌电流约为它不超过GPIO口的最大灌电流。图321上拉电压的配置原理图319人机对话电路的设计煤矿供电系统面保护的每一个测控单元的人机对话非常重要，我们能够通过人机对话界面知道当前开关点的综合信息。人机对话电路的核心器件是12864液晶显示屏，该液晶显示屏能够显示字符和汉字。319112864液晶显示的简介及显示基本原理12864的屏幕实际上是由128列64行的点阵组成，它显示汉字的时候每个汉字占1616的点阵，因此一个屏幕一次最多可以显示4832个汉字，当其显示字符时每个字符占168的点阵，因此一个屏幕最多可以显示64个字符。本次设计选用的12864的型MAKVRUI301383号为TH1286410，其内部控制器为T6963C，该液晶显示屏内部不带字库，因此所有的汉字、字符代码需人为编写。其基本原理是，对该屏幕上某一点赋值为1时，该点变成黑色，即为显示，当对该点写0时，该点为背景色，即不显示。319212864液晶显示的硬件设计根据该12864的电气特性及控制方式，本电路中该显示器的电源电压与背光电压均选择5V，其背光亮度调节电位器选择，具体原理图如图322所示。K10图322液晶显示电路设计3110分合闸信号出口执行电路的设计在煤矿供电系统面保护里的测控单元，无论断路器是手动分合闸还是故障时的跳闸，其执行电路是必不可少的，在本设计中，设计的理念是利用弱电来控制强电。在本次设计中由于时间关系，CAN通信程序没有及时完成，我们改用PLC加上位组态监控来模拟煤矿供电系统面保护，并且本次双CPU并行通信也只是个验证，我们还是将保护放在了CPU1也即DSP上，在后续研究中，我们将真正实现CAN通信，并且完成CPU1管理数据采集处理和通信，CPU2管理保护和显示的功能。31101DS