基于多CPU控制的高压防爆开关综合保护系统的研究.pdf
1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 第6期2008年12月工矿自动化Industry and Mine AutomationNo.6Dec.2008实验研究文章编号:1671-251X(2008)06-0001-05基于多CPU控制的高压防爆开关综合保护系统的研究刘忠富1,刘忠强2,杨亚宁1(1.大连民族学院机电信息工程学院,辽宁 大连 116605;2.中科院沈阳自动化研究所第二研究室,辽宁 沈阳 110016)摘要:针对目前煤矿井下6 kV电网防爆开关存在载流能力小、保护简单、故障率高等问题,文章提出了一种基于多CPU控制的高压防爆开关综合保护系统的设计方案,分析了矿井6 kV高压电网故障保护的工作原理,详细介绍了系统软硬件设计。基于多CPU控制的高压防爆开关综合保护系统采用单片机MSP430F149和DSP TMS320VC5402作为主控制器,可对各种电网信号进行综合分析,实现对高压电网的全面监测功能。实验结果表明,该系统工作稳定、动作可靠、显示准确。关键词:煤矿;高压防爆开关;综合保护;DSP;单片机;CPU;TMS320VC5402;MSP430F149 中图分类号:TD611.5/684 文献标识码:AResearch of Integrated Protection System of High2voltage Flameproof SwitchBased on Multi2CPU ControlLIU Zhong2fu1,LIU Zhong2qiang2,YANG Ya2ning1(1.College of Electromechanical and Information Engineering of Dalian Nationalities University,Dalian 116605,China.2.No.2 Laboratory of Shenyang Institute of Automation ofChinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)Abstract:Aiming at the problems of little ability of current carrying,simple protection,high fault rateof flameproof switch for underground 6 kV power grid,the paper proposed a design scheme of integratedprotection system of high2voltage flameproof switch based on multi2CPU control,analyzed workingprinciple of fault protection of 6 kV high2voltage power grid of coal mine underground,and introduceddesign of hardware and software of the system in details.The integrated protection system of high2voltageflameproof switch based on multi2CPU control used single2chip microcomputer MSP430F149 and DSPTMS320VC5402 as main controllers,and the main controllers synthetically analyzed all kinds of signals ofpower grid in order to realize function of general monitoring for high2voltage power grid.The experimentresult showed that the system is stable in running,reliable in action and accurate in display.Key words:coal mine,high2voltage flameproofswitch,integrated protection,DSP,single2chipmicrocomputer,CPU,TMS320VC5402,MSP430F149收稿日期:2008-06-05作者简介:刘忠富(1973-),男,硕士,讲师,2003年毕业于太原理工大学电力电子与电力传动专业,研究方向为智能电器、嵌入式仪器仪表。Tel:13390524092,E2mail:lzhongfu 0 引言煤矿井下6 kV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作机械提供电能。长期以来现场所使用的防爆开关载流能 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/力小保护简单故障率高,直接影响矿井供电的可靠性安全性和连续性1,因此,研究高性能的6 kV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。本文介绍了一种基于单片机MSP430F149和DSP TMS320VC5402的高压防爆开关综合保护系统,分析了矿井6 kV电网故障保护的工作原理,给出了系统的软硬件设计方案,并对其实现方法及其关键技术进行了研究。1 系统工作原理煤矿安全规程 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2。1.1 短路保护在高压综合保护中,对各种短路故障都应采取电流速断保护。短路保护一般采用电流检测原则,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。但在电网中,当远端负荷和近端负荷距离较远时,远端负荷的短路电流有时和近端负荷的启动电流较为接近。如果是短路电流就应立即保护,以最低限度减轻短路危害3。为了有效地区分上述情况下的启动电流和短路电流,保证系统最远端发生短路时,保护具有足够高的灵敏度,系统采用“相敏保护”原理。“相敏保护”的基本出发点是既检测短路电流的大小,同时又检测短路回路的阻抗角,两者相“与”。一般来说,启动时的功率因数较小,而短路时的功率因数较大。利用这一特点,通过检测电流滞后电压的相位来区分启动电流和短路电流,这在软件上很容易实现。当CPU采样到强电流信号时,同时计算与其对应相电压的相位,便可准确可靠地判断短路故障。1.2 过载保护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4。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,其整定范围定为0.61.2倍额定电流,整定误差不超过10%。按ZBK3506的规定:标准电子式过流反时限继电保护系统延时在0.51.6 s之间连续可调,因此,综合保护系统的过载延时定为0.51.6 s。1.3 选择性漏电保护对于经消弧线圈接地的系统,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,已有的零序电流型功率方向型保护原理已不能满足选择性漏电的要求5。为了能够同时适应各种中性点运行方式电网选择性选择性漏电的要求,本文提出了一种“零序电压基波启动,5次谐波功率方向比较”的高压电网漏电保护方案。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。选择性漏电保护的工作原理框图如图1所示。图1 选择性漏电保护的工作原理框图 图1中,选择性漏电保护主要由零序电压回路、零序电流回路以及相位比较3个部分组成。零序电压回路包括零序电压5次谐波提取有源移相波形变换等部分。其功能是将电网单相接地故障时的零序电压5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。零序电流回路包括零序电流5次谐波提取波形变换等部分。其功能是将来自零序电流互感器的零序电流信号中的5次谐波成分提取出来,并对其进行放大和波形变换,以便与零序电压回路的输出信号进行相位比较。相位比较对零序电压回路和零序电流回路输出的经过正反变化的信号进行脉冲比较,最终通过判断脉冲宽度来实现选择性漏电保护功能。2 系统功能与结构煤矿井下配电网情形复杂,故障形式多样,电网信号中干扰的随机性以及对电能质量监测的实时性要求进行大量的在线实时测量、计算,如果采用传统2工矿自动化2008年12月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/的MCS51、MCS96和普通CPU芯片实现这些运算,精度和实时性都会变差,难以得到较好的结果。因此,基于多CPU控制的高压防爆开关综合保护系统采用双CPU结构 TI公司研制的DSPTMS320VC5402(以下简称DSP)作为计算和部分控制CPU、16位RISC单片机MSP430F149(以下简称单片机)作为通信、显示、键盘输入及保护出口控制CPU。所有的逻辑控制由Xilinx公司生产的CPLD芯片XC95144XL实现;ADC芯片MAX125用来实现模拟量到数字量的转换;由于片内资源有限,计算的数据量大且要在DSP和MCU之间共享数据,笔者采用DSP的HPI(Host Port Interface)接口传递DSP和单片机之间的数据;通过FRAM存储器FM18L08和FLASH存储器SST39VF200扩展存储空间。整个系统结构如图2所示。图2 基于多CPU控制的高压防爆开关综合保护系统结构图2.1 双机通信HPI接口设计该系统中,单片机为主机,DSP为从机。DSP可提供一种特殊的并行端口 HPI接口,利用该接口可以方便地和外部主机实现高速并行通信6。DSP和单片机的连接示意图如图3所示。图3DSP和单片机的连接示意图HPI接口允许主机访问DSP的整个片内空间,主机还能访问DSP存储器的扩展页。对HPI接口进行数据读写需要3个步骤:设置控制寄存器、写地址寄存器及读写数据寄存器。在寄存器读写过程中,MCU通过端口发送控制信号和监测状态信号,完成对HPI接口访问的时序模拟。该系统中,HPI接口的寄存器访问采用共用寻址方式,DSP和单片机通过向对方发送中断来通知对方数据已准备好,通过检测对方设置的状态判断对方是否准备好接收数据。2.2CPLD在系统中的应用为了提高系统的集成度,减少外部环境的干扰,采用CPLD芯片XC95144XL完成外部逻辑功能。CPLD主要完成的功能:(1)控制模拟信号的采集:独立控制MAX125和全部数据采集过程,完成每一个工频周期内模拟量的24点采样,并把采集结果送到DSP中进行处理。(2)DSP I/O端口译码电路逻辑控制。(3)开关量处理:在CPLD中设置的计数器可以对输出量进行计数,只有当连续3次输出开关量时,CPLD才将计数器的高位输出。(4)频率测量:在CPLD中设置1个计数器,对整形后的波形进行计数以测量模拟输入信号的频率。2.3 存储器的扩展该系统采用2片Ramtron公司的FRAM芯片FM18L08作为数据暂存空间。数据在系统掉电后可保存10年而不丢失,而且能够进行无数次读写,不存在延时6。该系统采用SST39VF400作为外扩FLASH,不但可以作为引导用的ROM,还可以装载系统程序代码。3 硬件电路设计3.1 数据采集电路数据采集电路包括信号调理电路、抗混叠低通滤波电路、A/D采样转换电路。三相交流电及零序电压、零序电流信号经电压、电流互感器隔离后由信号调理电路衰减为-4.5+4.5 V的正弦电压信号,然后送抗混叠低通滤波器滤去高频分量,经A/D采样转换后得到数字量,由DSP进行FFT运算得到各种电网参数。3.1.1 信号调理电路信号调 理电路采用 北京星格公司 生 产 的SPT204A型电压互感器和SCT254FK型电流互感器进行信号转换。SPT204A型电压互感器是一款毫安级精密电压互感器,额定输入、输出电流均为2 mA。使用时需要将原边电压信号变换为电流信号,因此,要在原边串联1个合适的电阻,以满足输入端电流的要求。电压信号调理电路如图4所示。32008年第6期刘忠富等:基于多CPU控制的高压防爆开关综合保护系统的研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图4 电压信号调理电路图 图4中,R1为限流电阻,保证输入端电流为2 mA。调整反馈电阻R2和R3的值可得到所需的输出电压,其中R2用于微调。电容C1和R4作为相位补偿。2个反接的二极管D1、D2起保护运算放大器的作用。SCT254FK型电流互感器是通过感应原边的输入电流进行信号转换的,额定输入电流为5 A,额定输出电流为2.5 mA。3.1.2 抗混叠低通滤波电路由于传感器、放大电路本身的影响,造成信号在进入A/D转换电路之前,所采集的信号中混有各种频率的信号。因此,在采样之前需进行抗混叠低通滤波,以滤去高于采样频率一半的高频分量。该系统采用BB公司的通用滤波器UAF42完成对隔离放大器传送信号的车比雪夫二阶低通滤波,可以直接调整外围电阻来改变截止频率和品质因素。3.1.3A/D采样转换电路A/D转换采用MAXIM公司的高速MAX125芯片,该芯片包含24通道可同步采样的14位逐次逼近型模数转换器,单通道转换时间为3s;4个同步采样/保持器可同时采样4个通道的模拟信号,以保持输入信号间的对应相位信息7。为了保证三相工频信号之间的正确相位关系和有功功率计算的准确性,必须同时采样三相电压和电流,所以使用2片MAX125,且2片MAX125都工作 于A组 多 路 开 关、4路 采 样 方 式。一 个MAX125的4个通道分别对UA、UB、UC和零序电压U0进行采样,另一个MAX125用来对IA、IB、IC和零序电流I0进行采样。MAX125与DSP之间的数据传输由CPLD控制。为了消除非同步采样对测量精度的影响,该系统采用软件同步采样法:使用过零比较器将正弦信号整形成方波信号送给DSP的捕获引脚,DSP通过捕获信号的2个上升沿测出被测信号的周期T,用该周期除以1个周波的采样点数得到采样间隔,以该采样间隔确定定时器的计算值,用定时中断方法实现软同步采样。3.2 通信接口电路通信接口电路采用RS485标准。RS485采用平衡发送和差分接收方式实现通信功能,具有极强的抗共模干扰的能力。该系统选用MAX485作为RS485收发器,其最高传输速率为2.5 Mbps,完全可以满足通信要求。RS485通信接口电路如图5所示。由于DSP工作于3.3 V,而MAX485工作于5 V,因此,在DSP与MAX485端加了隔离光耦TLP521。为避免信号线上电平受到干扰,可在输入信号线上加上拉电阻和输入输出缓冲。图5RS485通信接口电路图3.3 保护出口电路当发生短路过载过压欠压等故障、同时达到动作时限要求时,CPU会发出跳闸指令,通过I/O口驱动中间继电器,最后作用于断路器,使其脱扣,切断故障源。跳闸回路电路如图6所示。图6 跳闸回路电路图 图6中,采用2个并行口P1.0、P1.1同时控制跳闸回路,一方面是为了增强并行口的带负载能力,另一方面是在采用了混合逻辑门后,必须同时满足P1.0为高电平、P1.1为低电平,才能使继电器K1动作,从而增加了抗干扰能力。当2个条件同时满足时,CPLD输出低电平,使光耦导通,经运算放大器与给定电压比较后,发出跳闸信号。4 软件设计系统软件采用C语言编写、模块化编程技术,4工矿自动化2008年12月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 第6期2008年12月工矿自动化Industry and Mine AutomationNo.6Dec.2008收稿日期:2008-07-043 基金项目:中国矿业大学科技基金项目(OC4501)作者简介:陈若山(1971-),男,中国矿业大学信电学院在读硕士研究生,研究方向为超宽带无线通信。Tel:13151234306,E2mail:ahhuaibeicrs 主要完成保护、测量、通信、故障记忆、自诊断和人机交互等功能。系统主程序流程如图7所示。图7 系统主程序流程图5 结语本文以单片机MSP430 F149和DSP芯片TMS320VC5402为中央控制单元,设计了一种新型的智能化高压防爆开关综合保护系统。该系统能够自动判断短路、过载、过压、欠压、选择性漏电等故障,真正实现了保护系统的数字化。实验结果表明,该系统工作稳定、动作可靠、显示准确,具有广阔的应用前景。参考文献:1 张长勇,李志刚,刘子胥,等.高压防爆开关微机综合保护装置的研究与开发J.电气应用,2006(7):3941.2 国家安全生产监督管理局.煤矿安全规程 M.北京:煤炭工业出版社,2005.3 高 进.一种10 kV线路电流速断保护的改进措施J.云南电力技术,2005(3):3536.4 宋建成,石宗义,杨 毅,等.矿井电网过电流特征分析及其保护系统的研究J.煤炭学报,2001(1):8185.5 陈忠仁,李微波,吴维宁.一种新型小电流接地综合选线装置J.电力自动化设备,2007(5):114117.6 冯高辉,雷 彬,陈 雷.基于FM18L08的高速数据存储系统J.国外电子元器件,2005(1):3335.7 张 柯,律方成,王永强.基于MAX125/126的电气设备在线检测数据采集单元设计J.电力自动化设备,2003(4):4950.文章编号:1671-251X(2008)06-0005-04UWB定位算法在煤矿井下的应用研究3陈若山,王艳芬(中国矿业大学信电学院,江苏 徐州 221008)摘要:针对传统的定位技术难以在煤矿井下应用的问题,文章提出了一种基于超宽带UWB技术的POCS测距和定位算法,建立了该算法模型,详细介绍了该算法的原理及其实现。仿真结果验证了该算法在煤矿井下应用的可行性。关键词:煤矿;测距;定位;UWB;POCS算法 中图分类号:TD655;TN929.5 文献标识码:A
