毕业论文-煤矿供电系统面保护技术的研究与实现.doc

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本 科 生： （签名） 指导教师： （签名） 摘 要煤矿生产各个环节的运行和保护源于煤矿供电系统，其供电的可靠性直接影响着煤矿的安全生产，因此对煤矿供电系统继电保护提出了更高的要求。传统煤矿供电系统继电保护动作的执行与否是由测量元件获取的结果与整定值比较而得来，判别故障的方法单一，有失准确性，极易造成保护误动、拒动、越级跳闸等事故，造成供电系统的大面积停电，降低了煤矿的生产效率。本设计采用煤矿供电系统面保护原理，在故障处理过程中综合供电系统的相关信息，从而快速准确地作出判断，隔离故障，有效地减少了煤矿供电系统大面积停电事故的发生。本设计由测控单元、现场总线和上位机监控系统三部分组成，完成供电系统故障的分析判断、处理，实现系统遥信、遥测、遥控、遥调等任务。测控单元采用了以TMS320F2812为核心的控制芯片，完成开关运行状态、运行参数、故障检测等任务；现场总线采用CAN总线控制技术，完成上位机和测控单元之间的通讯功能；上位机监控系统采用力控组态软件为平台，完成供电系统的信息监测、系统控制逻辑判断，遥控、遥调等功能。煤矿供电系统面保护技术的应用，可有效地提高供电系统继电保护的选择性、快速性、灵敏性、可靠性，为煤矿安全生产提供安全、可靠的技术支持。关键字：面保护，现场总线，测控单元，上位机监控Subject: Research and Implementation of the supply system about area-protection technology in underground coal minesSpecialty: Electrical Engineering and Automation Name: Wang Chi (Signature) Instructor: Lu Jianqiu (Signature) ABSTRACTOperation and protection of each link of coal mine are based on the power supply in coal mine, the reliability of power supply directly affects the coal mines safety, therefore, putting forward a higher requirement on relay protection of power supply in mine.The action of traditional protection in coal mine depends on the result of comparing with measured and setting value. This method is sample and may be not accurate, it easily cause misoperation, refusing to work, grading trip and other accidents, which will result in a big electricity cut and affect the efficiency of coal production. The design apply the principle of protection based on communication, when deal with the power failure, it will acquire related information in system, then make a quick and accurate action to insulate fault and reduce the accident of power failure in large area efficiently.This design consists of measurement and control unit, field-bus and monitoring system based host machines, which is used to analysis, judge, process system fault and achieves telemetry, remote control, remote adjustment and other tasks. The measurement and control unit uses TMS320F2012 as the core control chip, accomplishing the switch operating states, operating parameters, fault detection and other tasks. Fieldbus adopt CAN bus control technology to accomplish the communication between the host computer and measurement and control unit. PC monitoring system uses configuration software as the platform to complete power system information monitoring, system logic control, remote control, remote adjustment and other functions.With the supply system about area-protection technology in coal mines, we can efficiently improve the selectivity, speed, sensitivity, reliability of power system relay protection, and provide coal mine for safe and reliable technical support.KEY WORDS: protection based on communication, measurement and control unit, can bus, host computer目 录1绪论11.1课题背景及意义11.1.1课题背景11.1.2选题意义11.2生产需求状况21.3本设计的主要工作内容21.4小结22基于煤矿供电系统面保护的研究32.1概述32.1.1煤矿电力系统特点32.1.2煤矿井下供电系统线路保护原则32.1.3存在问题42.1.4解决方法42.2面保护的定义42.3煤矿供电系统的仿真模型52.4煤矿供电系统面保护网络结构62.5煤矿供电系统面保护控制策略72.5.1概述72.5.2面保护策略72.6小结83测控单元93.1测控单元硬件实现93.1.1电网电压电流处理电路93.1.1.1电压信号处理电路设计93.1.1.2电流信号处理电路设计123.1.2电网频率信号的采集与处理133.1.3主控芯片的选型153.1.4测控单元电源设计163.1.5功率因数检测电路设计183.1.6温度检测电路设计213.1.6.1温度传感器的选型213.1.6.2温度检测信号处理电路223.1.7开关量出口电路设计233.1.8缺相检测电路设计233.1.9分合闸时间检测电路设计263.1.9.1分闸时间检测电路263.1.9.2合闸时间检测电路273.1.10液晶显示接口电路设计283.1.10.1液晶显示模块的选型293.1.10.2 LCD12864显示电路293.1.11按键扫描电路设计293.2测控单元软件实现303.2.1采样算法的实现303.2.1.1概述303.2.1.2傅里叶算法313.2.2系统初始化程序设计323.2.3模/数转换(ADC)初始化及程序设计323.2.4捕获单元初始化及程序设计333.2.5 eCAN模块初始化及程序设计343.2.6测控单元软件流程343.3小结354通信单元的设计364.1概述364.2现场总线概况364.2.1 RS-232通信及协议364.2.2 RS-485通信及协议374.2.3 CAN总线通讯374.3通信方式的选择394.4通信原理404.5通信单元硬件设计414.6 CAN总线通信协议414.6.1概述414.6.2 CAN-bus物理层424.6.3 CAN-bus链路层424.6.4通信进程444.6.5通信报文格式444.6.5.1测控单元报文格式444.6.5.2上位机报文格式454.7小结455上位机监视476系统调试507结论与展望517.1结论517.2展望51致谢52参考文献53附录541绪论1.1课题背景及意义1.1.1课题背景煤炭是我国十分重要的能源，在我国的能源构成当中占有十分重要的地位。随着我国煤矿行业的不断发展，当前我国煤矿生产已经逐步实现了电气化。煤矿供电系统是整个煤矿生产的动力来源，对于煤炭企业生产的安全和有效运营具有直接的影响，供电系统发生故障时，需要靠继电保护系统迅速而又选择性地切除故障元件，将故障隔离在小范围内，防止事故扩大，因此煤矿继电保护系统是煤矿供电系统安全可靠运行的有力保障。短路是煤矿井下最严重的故障形式之一。短路时 整个供 电 系统的阻抗大幅度减小，而电流则大幅度增加，短路电流可以达到正常工作电流时的几倍甚至几十倍。这样大的短路电流不仅会损坏电气设备，而且容易引起火灾，导致煤尘、瓦斯爆炸，威胁井下安全生产，造成巨大的经济损失。为了使供电系统可靠、安全地运行，并将短路带来的损失和危害限制在最小范围内，必须进行井下低压电网短路电流的计算并且合理的配备继电保护系统。在煤矿井下供电中，因受各种因素的限制，大多采用长度较短的多段电缆线路构成供电网络。煤矿供电系统普遍采用简单的阶段式电流保护。其保护仍然采用传统的整定原则，即电流和时限进行配合。由于电缆线路的阻抗较小，这样上下级段瞬时电流速断保护的短路电流很难区分。当系统末端电路发生严重短路故障时，短路电流会很大，会大于上面各级保护动作整定值，使上下级瞬时电流速断保护同时启动，如果上级开关的灵敏性较高，上级会抢先动作而造成越级跳闸。1.1.2选题意义传统的矿用三大保护(过流保护、漏电保护、接地保护）属于设备保护，保护动作的执行与否是由测量元件获取的结果与整定值比较而得来，判别故障的方法单一，有失准确性，易引起越级跳闸，造成井下大面积停电，引起井下瓦斯急剧增加，威胁人身和矿井的安全，从而降低了煤矿的安全运营和生产效率。20世纪80年代末，随着现代通信技术和计算机应用技术的迅速发展，出现了对整个供电系统进行保护的面保护控制技术。面保护相对于传统的设备保护而言，面保护原理的先进之处在于除了采集故障点的信息外，还通过网络通信获得系统其他相关的非故障的信息，对信息进行采集、判断、处理，做出更为快速准确的动作决策。1.2生产需求状况随着我国国民经济的高速发展，煤矿企业对电能的需求越来越多，加之煤矿供电环境湿度大、瓦斯、煤尘浓度高的特殊性，因此对煤矿供电系统及电气设备的保护提出了更高要求。面保护可以对供电系统和相关设备的运行进行实时监测，可以迅速、准确地切除故障设备，避免事故扩大和引起其他次生事故。随着计算机技术、信息技术、现场总线技术的快速发展，面保护应用技术日渐成熟。由于测控单元采用以DSP为核心的控制芯片，在信息采集、分析、处理方面具有超强的性能，提高了保护的快速性和灵敏性。面保护技术的出现一改传统继电保护的方法，现场总线控制技术的应用使得继电保护在故障判别准确性上大大提高，确保了煤矿供电系统的可靠性。1.3本设计的主要工作内容本设计以煤矿10kV供电系统典型的单母线分段主接线为硬件仿真模型，研究煤矿供电系统面保护的控制策略，提高供电系统继电保护的快速性、准确性和可靠性。主要研究内容：测控单元、现场总线和上位机监控系统。(1)测控单元 测控单元包括系统电压和电流信号调理电路、频率和功率因数检测电路、温度采集处理电路、开关分合闸执行时间检测电路，分合闸确认检测电路。对供电系统运行状态、运行参数和故障信息进行分析和处理，在故障时显示故障类型并预警。(2)现场总线井下环境恶劣，复杂多变，为了能够及时准确地将现场采集到的数据信息可靠传送给上位机，需采用一种实时性好、可靠性高的通信方式。由于CAN总线（Controller Area Network控制器局域网）差错控制能力强、可靠性高、数据传输速率快、抗干扰能力强等特点，能适应煤矿特殊环境，因此本设计采用CAN总线技术的通信网络，将各测控单元处的现场信息送至上位机，进行监测和处理。(3)上位机监控系统本设计以力控组态软件为平台，搭建了上位机监控系统。主要任务是完成对开关的现场数据的实时监测、实现对开关的遥控、遥调等功能。1.4小结本章简要介绍了继电保护在煤矿供电系统中的重要性以及本课题的选题背景和意义，并以单母线分段的煤矿供电系统为研究对象，搭建了实验室硬件仿真模型。简述了本设计的测控单元、现场总线和上位机监控系统的主要作用。2基于煤矿供电系统面保护的研究2.1概述2.1.1煤矿电力系统特点煤矿供电系统是煤矿企业生产的重要支撑，煤矿井下高压供电系统中采用6kV/10kV系统。一般由矿山地面变电所的两段6kV/10kV母线引出两回路电源，沿井筒用高压铠装电缆向井下中央变电所提供电源，再经高压电缆将6kV/10kV电能输送到各个采区变电所，采区变电所再将6kV/10kV电压降至660V（或380V）、1140V低压电能，再经采掘工作面配电点向采掘机械等设备供电。其一路供电系统如图2.1所示。图2.1煤矿供电系统示意图2.1.2煤矿井下供电系统线路保护原则煤矿供电网络一般为单侧电源辐射状电网，保护通常采用阶段式电流保护。采用阶段式电流保护原则为：动作电流从电源端至负荷端从大至小逐级递减，动作时限从负荷至电源端从短到长逐级递增；本级电流保护的动作电流的整定值必须大于下一级线路首端的最大短路电流（考虑一定的可靠系数）。根据对煤矿企业 6kV/10kV 供电系统设计规范,对于井下高压电力电缆6kV/10kV 线路通常采用的继电保护一般装设无时限电流速断、过电流及零序保护。当过电流保护的时限小于 0.5s0.7s，且不要求保护配合时，不用装电流速断保护；变电所引出线应装瞬时电流速断保护，不能满足选择性时，可以装带时限的电流速断保护。煤矿地面35kV变电所的6 kV出线采用阶段式过电流保护的段瞬时电流速断保护，它可以0 s切除其保护区域反生的三相短路故障，电流速断保护的动作值是以本段线路末端发生三相短路电流值进行整定，系统阻抗在最大运行方式下计算，这使得系统阻抗最小。为了保证电流速断保护动作的选择性，对于保护而言，其动作电流必须整定得大于线路末端短路时可能出现的最大短路电流，考虑到非周期分量和裕度，从实际出发还需引入可靠系数。由此可见，有选择性的瞬时速断保护不可能保护线路的全长。因此另需加设一级保护与瞬时电流速断保护进行配合，以实现全线的保护。但煤矿采用电缆线路供电，从地面到井下中央变电所的阻抗特别小，按通用方法进行整定计算，瞬时电流速断保护往往没有保护范围或保护范围很小；对于6 kV井下电缆线路，瞬时电流速断保护区伸展到井下中央变电所的保护范围内，作为电气设备内部相间短路的远后备保护。定时限过电流保护作为6 kV出线的近后备保护，其动作值是按躲过被保护元件通过最大负荷电流计算，也是多段式电流保护的最后一段，在时限上每隔一级采用0.5 s的延时。2.1.3存在问题随着煤矿生产电气化程度的不断深入，井下电力负荷大大增加，而负载与电源侧大多采用长度较短、截面较大的多段电缆线路构成供电网络，供电线路阻抗小。在进行三段式电流保护整定过程中，电缆阻抗小，线路首末两端的短路电流比较接近，使得整定的电流速断保护范围小。一旦考虑可靠系数后，电流速断保护的范围将更小，甚至为零，这样致使上下级电流保护整定配合艰难。目前煤矿井下采用保护的动作与否取决于整定值和短路电流的大小，如果短路电流过大，会同时满足上下级保护动作的条件，加上开关的动作灵敏性不同，有可能上级保护抢先本级动作，造成越级跳闸。煤矿传统阶段式电流保护配置是依靠时间的配合。实际上，供电系统给煤矿地面变电所6kV出线定时限过电流的时限有一定的规定，加之煤矿供电段数比较多，使得定时限过电流保护时限相互之间很难配合。2.1.4解决方法根据煤矿安全规程，要求煤矿井下的继电保护装置不仅要具有短路、过负荷、接地、欠电压释放等常规的保护功能，还应能够满足矿井综合自动化管理的要求，可实现数据的远程检测与调控，还应改变以往继电保护装置只能整定固定时限的弊端，实现无级调整，使上下级保护能够更好的配合4。为了防止上述越级跳闸情况的发生，本设计采用面保护原理。在故障发生时，对系统信息进行采集、处理、判断，做出更加为正确的动作决策，提高和改善煤矿供电系统现有的保护性能。2.2面保护的定义八十年代末，随着现代通信技术和网络技术飞速发展，出现了针对整个系统的面保护原理。面保 护的定义：面保护是指除了利用保护装置自身采集的信息外，还利用整个系统中其它信息，作为依据进而做出故障判断和动作出口，以保护自身设备或局部系统进行故障隔离6。根据面保护的定义和相关资料的描述面保护需具备三个必要条件：通信；CPU；并行处理。通信是面保护实现的必要条件之一，因为没有通信保护单元则不可能获得整个供电系统中的其它信息，也就是是系统其他信息的获得必须依赖于通信。另外，用于保护的通信还必须具有一定的快速性和可靠性。CPU是保护装置的核心器件，也是面保护实现的必要硬件基础。CPU完成对测控单元获取的信息进行处理，并且控制通信单元实现系统其他信息的获取，完成对系统的控制，在发生故障时进行故障识别实现故障的迅速隔离，同时对系统的运行参数进行监测。重要的是保护算法的实现也需要CPU的支持，也决定了保护装置的处理速度。并行处理是确保保护装置满足继电保护快速性的要求，即在供电系统中有许多保护装置，在系统发生故障时，保护装置将同时启动。面保护要获取系统的各处综合信息以判故障，因而要并行处理。这样便在一定程度上满足了继电保护速动性的要求。由以上定义和结论可以知道，只有满足以上三个条件才能称之为面保护。现如今煤矿井下的保护大都属于点保护，比如过流保护、接地保护、漏电保护等都属于点保护。其保护的动作与否只利用了设备自身的故障信息（电压、电流、零序电流等）并没有利用系统中的其它保护装置的信息。因此有效地将面保护原理利用于煤矿供电系统，在完成故障的隔离和防越级跳闸方面有重大意义。2.3煤矿供电系统的仿真模型依据以上提到的面保护定义与原理。煤矿供电系统面保护的实现需要硬件平台的支撑，并对系统模型进行保护配置，验证面保护原理的实用性。我们熟知的电力系统的组图2.2煤矿供电系统仿真模型成包括电气一次主接线和二次电气设备，煤矿的供电系统亦是如此。电气一次主接线代表了发电厂或者变电站及工矿企业高电压、大电流的电气部分主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分。煤矿供电系统中电气一次接线直接影响电力生产运行的可靠性、灵活性，同时对电气设备选择、配电装置布置、继电保护、自动装置等诸多方面都有决定的关系，为煤矿提供电力能源，保证煤矿的运营生产。二次电气设备包括保护、测量、控制部分，其主要功能是实现对一次电气主接线的保护和监测，确保电气一次接线安全可靠运行。 目前煤矿供电采用6kV和10kV中性点不接地系统，大多数采用单母线分段的主接线形式，供电可靠、灵活，由两个电源或双回路供电，接线简单，也满足了可靠性要求。因此本设计采用如图2.2所示系统仿真模型并在实验室对其进行面保护设计。2.4煤矿供电系统面保护网络结构测控单元安装于断路器附近用于测量该节点的电压、电流、有功功率、无功功率以及断路器触头的温度等模拟量信息，作为遥测量。测控单元还通过开关量输入通道检测断路器的分合闸状态，作为遥信量。在系统发生故障时，DSP通过处理采集到的电压和电流信息并进行分析做出故障判别，发出跳闸命令，完成故障的隔离。同时将现场测控单元测量的信息数据通过TMS320F2812的eCAN模块采用CAN现场总线送至上位机进行监视处理，实现一定的遥测和遥信功能。 图2.3面保护网络结构图本硬件仿真平台总共包含6台断路器，要用到6套测控单元去完成对断路器安装处的电压、电流、开关量等信息进行测控和检测。如图2.3所示。将各处测控单元获取的信息量经TMS320F2812的各个外设模块进行处理后，将处理后数据的送至TMS320F2812的eCAN模块，对eCAN模块中的32个邮箱进行编址处理（即设置邮箱的标识符），不同的邮箱标识符代表来自不同测控单元的数据。由此CPU将发送邮箱的标识符加上邮箱中数据的进行处理后存放在相应的RAM空间中，CAN收发器在CAN控制器的控制管理下，将数据传送至CAN总线。CAN转串口模块CAN232MB工作于带标识符透明转换方式，通过设置过滤验收码和过滤屏蔽码可以只接受用户定义的特定功能的CAN报文。最终总线上带有数据信息的CAN报文被转换成串行数据被送至上位机做深进一步处理与监控。2.5煤矿供电系统面保护控制策略2.5.1概述煤矿供电系统面保护的控制策略决定保护对故障位置的识别、启动本级线路保护和向其他级保护发闭锁信息。可以有效防止煤矿供电系统的越级跳闸问题，同时对于各类故障信息的处理提供重要的理论依据。因而，合理的保护控制策略在煤矿供电的保护中具有至关重要的作用。本次设计保护控制策略整体思路是：以阶段式电流保护作为煤矿的线路保护主要保护，上位机利用电流纵联差动保护用来实现对故障发生位置的识别，以实现有效地解锁本级保护隔离故障和闭锁上级保护。当发本级保护发生拒动或不动时，解锁上级保护。我国煤矿井下的供电系统一般为单侧电源三级干线式供电系统，并由多段短电缆段组成干线式纵向电网。保护的动作过程可用图2.4煤矿主接线示意图说明。图2.4煤矿主接线示意图2.5.2面保护策略 随着现代控制理论和通信技术的发展，现场总线控制技术逐渐应用于煤矿井下供电系统，实现各节点的数据采集，利用通信网络将各节点处的信息量上传至上位机进行综合分析与处理。本设计的控制思想是充分利用上位机在数据分析与处理方面的优势，对由各测控单元发来的供电系统的实时数据信息进行分析处理，与处于同网络中的测控单元配合，实现面保护控制功能，提高煤矿供电系统继电保护的选择性和可靠性。具体控制思路是：安装在现场的测控单元实时地将供电系统的电压、电流等运行参数信息送至上位机进行数据分析。当发生故障时，供电系统中的运行参数会发生很大变化，若是不对称故障则会出现序分量，上位机利用这些故障信息，并分析计算各线路入口和出口的故障电流，通过与事先预设的数据进行比对，得到系统故障的发生位置，迅速控制故障处的断路器动作，准确地切除故障。系统上电初始化后，上位机得到供电系统的信息处于正常范围，则向各个测控单元发出闭锁信号（防止在故障发生时，因整定值接近和开关灵敏性不一致造成的越级跳闸）。发生故障时，上位机判断出故障的发生位置，并向现场故障临近处的测控单元发出解锁信息，启动保护完成故障隔离，其他保护仍然发闭锁信息。如图2.5所示。如果本级断路器拒动，便由本级保护立即向上级发解图2.5上位机处理流程锁信号，由上一级保护去切除故障，如图2.6所示。为了防止由于通信网络故障而造成解除闭锁信息不能下达，故障后现场保护若在规定的时间间隔T内未收到解锁或者闭锁报文，则保护在延时T后按照整定值进行动作。图2.6测控单元处理流程2.6小结 基于煤矿供电系统面保护的研究这一部分主要介绍了煤矿电力系统的特点，分析了传统煤矿继电保护存在的主要问题。依据煤矿安全规程的要求提出一种利用面保护原理实现的网络化保护，并对该保护的网络结构和故障发生时保护的处理逻辑进行了简要分析。3测控单元供电系统是一个复杂的、瞬变的多输入输出系统，为了保障其安全运行需要实时地监视各节点的运行状况，及时发现系统的不正常状态和故障状态，并通知运行人员或快速地通过继电保护装置切除故障。而这一切的实现依赖于测控单元对各种数据的采集和处理，有了大量来自系统的信息，才能实现监视和控制。测控装置负责采集各种数据和输出控制的全部过程，并将采集的数据上送主机，因此测控单元为CPU的故障处理提供最底层的数据信息，是本设计的基础部分。3.1测控单元硬件实现3.1.1电网电压电流处理电路交流电压电流信息是电力系统最重要的两个模拟量。在电力系统发生故障时，电压和电流会发生明显变化。因此大多数保护的启动都是依据电网的电压和电流的信号的变化为依据。这样使得电压和电流信号的采集与处理，在保护和测量中占有重要地位，是煤矿供电系统面保护的基础部分。由于对互感器二次回路中的交流电压和交流电压信号未通过变送器处理，模拟量信息采集为交流采样。TMS320F2812内部集成有两个12位16路参考电压范围为03V的单极性A/D转换外设模块，因此进行交流采样时将不需要外扩A/D转换模块。但是由于TMS320F2812自带的A/D为单极性A/D，因而在A/D处理时需要将交流信号偏置处理成一个直流信号，再对其进行采样处理。3.1.1.1电压信号处理电路设计 通常标准电压互感器的电压输出电压是100V或220V交流电压信号，在进入测控单元之前要对进行降压，滤波处理。由于本设计使用的主控芯片TMS320F2812的AD采用的是单极性输入，因此需要将电压信号通过偏置处理使其位于X轴上方，便于AD处理。处理框图如图3.1。图3.1电压处理框图高压电网侧电压经过电压互感器输出变为220V标准交流信号，本电路设计采用匝数比2000:2000，输入电流02.5mA的测量用电压互感器TV16E对通过多220V交流信号进行降压，使其幅值在1V范围内，在对其偏置使其输出位于X轴上方，幅值在03V以内，并留一定的裕量，防止电压突然升高而损坏DSP的AD输入通道。互感器的一次侧输入电流:(3-1)互感器的二次侧输出电压：(3-2)互感器的二次侧输出电压峰值：(3-3)图3.2电压信号处理电路这样，通过电压互感器一次侧串200K和二次侧串470电阻的处理，电网一次侧电压被处理成一个1.1mA的弱电流信号，在通过互感器二次侧输出电压幅值位于-0.731V至+0.731V之间。图3.3电压输出波形在设计电压信号处理电路时考虑到采用单电源供电，因此该信号处理电路包括三部分，偏置放大部分、滤波环节和输出跟随部分。偏置部分的作用是将电压互感器输出的波形抬高至X轴上方，变成DSP能转换的直流信号。滤波环节是为了满足采样定律的要求，经RC滤波电路将高频干扰信号滤除掉，确保输入到AD的电压信号在进行算法处理时不失真。输出跟随部分由于运算放大器接成电压跟随器的形式，其输入阻抗大，输出阻抗小，带负载能力强，还起到一定的隔离作用，确保输出电压信号处理电路的抗干扰能力。对于偏置放大部分，假设正相端输入电压为，反向端输入电压为，输出电压为，则其输入与输出有如下的关系：(3-4)在此部分电路里，为反馈电阻，由于，所以输入信号与输出信号之间满足如下关系：(3-5)由公式3-5可知，当=0.75V时，因为的取值范围为-0.731V至+0.731V,所以的取值范围为0.77V至2.25V，此信号能够满足DSP的采样范围（0V3V）。对于滤波环节，该电路为RC低通滤波，该电路的电压传递函数为： (3-6)在此信号处理电路里电阻取10K，电容取10pf。根据公式3-6，该RC低通滤波电路对高频干扰信号能够被滤掉，对于50Hz的工频，其阻抗非常小，故对采样的信号幅值衰减和相位的影响都很小，可以忽略。 对于跟随环节，它是一个电压跟随器，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：(3-7)由此，通过对电压信号处理电路分析，其输入与输出的关系为：(3-8)所以220V的一次侧高电压就被转化0.77V至2.23V的直流电压信号，供TMS320F2812的AD进行转换处理。3.1.1.2电流信号处理电路设计电网电流信号最终要处理成单极性的电压信号送入TMS320F2812的AD转换处理模块，处理方法与电压的方法类似：图3.4电压处理框图本次设计负载采用三相异步电机（380V，120W，0.48A），采用星型连接时，负载电流为0.48A。互感器采用变比2000/1的测量用电流互感器TA-04，在设计电流信号处理电路时，要考虑到短路时电流是正常额定电流的好几倍甚至十几倍，因此电压信号处理电路最终的输出波形必须留有几倍的裕度。考虑到测量准确性，综合考虑因此预留三倍的裕量，既保证输入到AD的信号不至于过低，还可以保证短路时信号处理电路的输出电压不至于过高而损坏AD接口。图3.5电流信号处理电路因此如图3.5所示电流互感器一次侧的电流大小为0.48A，二次侧的电流大小为0.24mA。电流互感器的型号为TA17-04变比为2000：1，在互感器二次侧并一个1K的电阻即可将一次侧的0.48A的强电流信号变换为二次侧的弱电压信号，其计算公式为：(3-9)(3-10)其峰值为： (3-11)即电流互感器二次侧输出的电压范围为-0.339V至+0.339V，即一次回路里工频交流电流便被线性转化为-0.339V至+0.339V。与电压信号处理电路的计算方法类似，通过在第一级的偏置放大电路的处理，电流信号处理电路的最终输出电压为：(3-12)通过计算得出其最终电压的幅值为：1.161V1.839V。这样最大值和最小值范围为0.678V，大约占据3V的，因此通过此电流信号电路的处理，电流留有四倍的短路裕量，符合实际工程要求。输出波形如图3.6所示。图3.6电压输出波形3.1.2电网频率信号的采集与处理频率是衡量电能质量的一个基本指标，我国采用的额定频率为50Hz，正常运行时允许的偏移为0.20.5Hz。煤矿使用最多的就是电动机，其转速和输出功率均与频率有关。因此对煤矿供电系统的频率进行检测具有重要作用，通过检测频率可以监视供电系统电能质量。本设计采用对电网电压信号进行过零检测的硬件电路和TMS320F2812的捕获单元相结合利用一定的算法实现对电网频率的检测。本部分只介绍硬件电路的设计原理，算法将在软件部分进行介绍。（1） 电网频率信号检测流程频率检测设计思路是通过电压互感器将电网电压交流信号进行降压处理，使互感器图3.7电网频率信号处理流程二次侧输出的弱电压交流通过零比较器，交流电压信号处理成矩形波，再对比较器的输出波形进行限幅处理，最终波形输入至TMS320F2812的捕获单元。通过检测输出波形的两个上升沿的时间就可以确定交流电压信号的周期T, 进而求出电网的频率。频率检测处理流程如图。（2） 电网频率信号检测硬件设计该频率信号检测设计利用电网电压，选择的电压互感器为耀华电子的TV16E，其匝数比为2000:2000，输入电流为02.5mA。电压信号用的为相电压，即220V，利用在电压互感器一次侧串联一个200K的电阻，再在二次侧并联一个的电阻来降低电压幅值。如图3.8所示。图3.8电网频率检测电路其具体计算如下：一次侧电流大小为： (3-13)由于该互感器为2000:2000，所以二次侧的电流大小也为1.1mA，当二次侧并联一个的电阻以后，其输出电压为：(3-14)其峰值为有效值的倍，即(3-15)因此二次侧电压信号峰值为0.731V,即二次侧输出电压的范围为-0.731V至+0.731V V。然后二次侧的输出电压输入到比较器，其最终的输出波形如图3.9所示。所示。图3.9频率检测原理波形3.1.3主控芯片的选型煤矿供电系统面保护本设计要实现保护功能，必须保证继电保护的速动性和可靠性。合适的CPU是供电系统面保护设计的核心部分，其必须满足各类复杂系统的实时性，并且能够适应煤矿供电系统恶劣的工作环境。随着信息技术和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展，数字信号处理的理论和技术应用于多个学科领域，在电力系统信号处理方面也发挥着巨大作用。而DSP芯片的出现则为数字信号处理算法的实现提供了硬件支撑，随着半导体生产工艺的提高，DSP芯片的生产成本逐渐降低，DSP开始大规模应用于通信、工业控制和电力系统中。与单片机相比，DSP更适合数字信号处理，它一改以往单片机采用的冯诺依曼结构，而采用哈佛结构，程序总线和数据总线相互独立，大大提高了信号处理能力。DSP还采用多级流水线技术，减少指令执行时间，进一步增强了信号处理速度。另外DSP内置大容量存储器自带SRAM和Flash、集成了A/D和采样/保持电路、提供PWM输出、多种外设中断和外部中断等等。这样用DSP可以将数字处理和控制功能集于一体实现，使系统的速动性、可靠性和经济性都得到了大幅的提高。美国TI公司的TMS320F2812具有很高的性价比，广泛应用于工业控制，特别是应用于对信息处理速度、处理精度要求较高的场合，在电子控制领域发挥着重要作用。考虑实验室现有资源，本设计最终采用TI公司生产的TMS320F2812芯片作为处理和控制芯片。先将其资源配置说明如下： TMS320F2812(1)资源的配置由于要采集交流电压和电流信号，将数/模转换（ADC）排序器配置成级联模式下的同步采样模式，利用8个AD转换通道，并将事件管理器EVA的16位通用定时器GP1用于AD采样周期的控制。其中6路AD用来转换电网三相电压和三相电流信号，1路用来转换触头温度信号。EVA的16位通用定时器GP2用于为捕获单元CAP1、CAP2和CAP3提供时钟基准，分别用来检测电网频率、功率因数角和缺相。GPIOA口主要用来控制LCD12864液晶显示，增强型控制器局域网通信接口（eCAN）工作在eCAN模式用于将现场采集到的信息数据通过CAN总线通信送至上位机。 TMS320F2812(2)资源的配置 这块TMS320F2812 DSP板作为测控单元二，将数/模转换（ADC）排序器同样设置为级联模式下的同步采样模式，采用用6个AD转换通道，去处理电网的电压和电流信号。将缺相检测电路接入GPIO口用于检测开关的动作情况。最终将电压、电流遥测量和开关状态遥信量通过eCAN送至上位机。3.1.4测控单元电源设计本次设计中主控制芯片TMS320F2812采用DC3.3V电源、测控单元采用DC5V电源、控制继电器采用DC24V。由于芯片供电有专门的电源提供因此不需要外接电源。但由于开关量输入要送入DSP的GPIO引脚，因此需要利用稳压芯片产生3.3V的直流电源。本部分主要介绍5V电源和3.3V电源的设计。5V直流电源为本次测控电路提供电源支撑，负载主要是芯片和电阻，功率不大。采用7805三端集成稳压芯片，输出最大电流1A。可以满足对测控单元供电的要求。图3.10电源设计框图小功率稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路组成。如图3.10所示。将交流220V的电压利用电源变压器进行降压处理，然后通过桥型整流电路DB107将交流电压变成脉动的直流信号。之后经过滤波和由7805构成的稳压电路，最终输出5V直流。图3.11 DC5V电源原理图如图3.11所示，本电源设计电源变压器采用变比为220V/12V的小型变压器。其输出峰值为：(3-16)通过整流桥后，输出波动的直流电压大约为输入的0.9倍，即：(3-17)因此输入到LM7805的输入端的电压大约是15.27V满足LM7805三端集成稳压芯片的输入限制，符合设计要求。LM7805的最大输出电流为1A，因此变压器二次侧的电流最大为1A，这为整流二极管的选取提供了依据。这里采用1N4007，其正向浪涌承受能力30A，最大正向平均整流电流为1A。能满足最大输出的电流为1A的要求。图3.12 DC3.3V电源LM1117是一款正电压输出的低压三端线性稳压电路，在1A输出电流下的压降为1.2V。其分为固定电压输出版本和可调电压输出版本。固定输出电压1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V和可调版本的电压精度为1%。内部集成过热保护和限流保护，适用于各类电子电路。由于DC3.3V电源仅在开关量输入时用到，因此其功率输出不需要太大，因此在这里利用LM1117-3.3固定三端稳压器，5V电源作为LM1117-3.3的输入并在输入端和输出端分别并联一个滤波电容，确保输出平滑的直流电压。如图3.12所示。3.1.5功率因数检测电路设计功率因数用来反映电力系统中有功功率和无功功率的所占的比例关系，也可以用来衡量电气设备的运行效率。煤矿井下大多数负载都是感应电动机，负载都呈现电感特性，负载电压超前电流一定的角度。功率因数如果过低，说明设备吸收的无功功率较大，从而降低了设备的出力和利用率。因此需要检测煤矿供电系统的功率因数，在功率因数过低时进行无功补偿。另外，已知系统的功率因数，就可以通过测取的电压、电流和功率因数计算出系统的有功功率和无功功率，实现对系统功率潮流的监视。本设计思路是采集电压和电流两个过零点之间的时间差，分别使电压和电流的两个上升沿进入到D触发器，最终输出高电平的持续时间就对应功率因数角，通过一定的算法在软件中处理便可以计算出功率因数。其设计思路框图如图3.13。图3.13功率因数检测原理框图由于井下供电采用中性点不接地的方式，因此采用线电压电压和另外一相电流信号的过零点进行功率因数检测。实际电网中A、B、C三相电压相差120，通常负载都是感图3.14电压电流相位图性负载，负载电流一般滞后各相电流一定的角度。若利用线电压和电流作为功率因数角的检测，则实际测量的时间对应的是超前的角度。将时间转换成对应的角度关系后减去270就是实际的功率因数角。 功率因数角相关设计计算：电压互感器接线电压，电压互感器一次侧输入电压为380V，电压互感器选取耀华电子的TV16E，其匝数比为2000:2000，输入电流为02.5mA。因此需要在互感器一次侧串接电阻，限制一次侧电流的大小。这里串接两个220K的电阻，则输入电流的大小为：(3-18)电压互感器的变比为2000:2000，其二次侧的输出电流也是0.95mA，采样电阻取470，电压互感器二次侧的输出为：(3-19)(3-20)最终峰值为0.632V的交流电压信号被送至过零比较器的输入端。图3.15功率因数角检测电路本次设计所用负载为感应电动机是感性负载，电流0.48A，电流互感器的型号为耀华电子TA17-04变比为2000：1因而通过电流互感器后，二次侧的输出电压为：(3-21)(3-22)最终峰值为0.16V的交流电压信号被送至过零比较器的输入端。本电路设计中用到的D触发器为CD4013。该芯片包含两个独立工作的边沿触发的触发器，相比电平式触发器，边沿式触发器的次态仅仅取决于CP信号的上升沿到达时刻输入至D端口的电平信号，具有较强的抗干扰能力，应用该芯片有利于提高电路的抗干扰能力。又由于该触发器具有复位和置位端，可以很容易对输出的信号实现清“0”和置“1”操作，实现必要的功能。CD4013有两个相同的、相互独立的D触发器，每一个D触发器有独立的6个端子：2个输出，4个控制。4个控制分别是R、S、CP、D。1）R和S不能同时为高电平。2）当R为1、S为0时，输出Q一定为0，因此R可称为复位端。3）当S为1、R为0时，输出Q一定为1。因此S可称为置位端。4）当R、S均为0时，Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作，具体是Q=D，即若D为1则Q也为1，若D为0则Q也为0。其真值表3.1如下表3.1 CD4013真值表CPDRSQ0000110010X00QXX1001XX0110XX1111由此可以分析该电路原理图，假设U3A触发器的R端是1，其Q输出为0，输出为1，由于U3A触发器的输出连接至U3B触发器的R端，因此U3B触发器的Q输出为0，与假设的冲突，因而正常情况下U3A触发器R端不可能为1，