嵌入式高压隔爆开关微机保护测控系统的研究方案.doc

嵌入式高压隔爆开关微机保护测控系统的研究方案 1引言高压隔爆开关是煤矿井下供电的关键设备开发高性能的集保护、测量、控制、通信于一体的高压隔爆开关微机保护测控单元对提高煤矿井下供电质量和保护井下的人员安全有非常重要的意义3目前国内许多高压开关测控系统主要采用16位单片或者8位单片机DPS双CPU构成现场测控单元通过RS485CAN总线等通讯方式与主控室工作站构成测控系统然而由于这些单片机系统缺乏操作系统的支持因此难以形成模块化程度高便于维护和升级的软硬件系统同时随着配电网尤其是矿山配电网系统可靠性要求的进一步提高测控系统网络化的要求也越来越高近年来32位单片机越来越受到人们重视尤其是拥有丰富外设的ARM32位MCU2ARM嵌入式技术在本系统中的应用近年来嵌入式系统的发展越来越快并以其独特的优势在各控制领域得到广泛的应用广义上讲嵌入式系统是指将单片机DSPMCU等在某方面功能得到强化而在其他方面功能弱化的能嵌入到设备内部来控制设备的专用CPU是相对于普通PC机内的通用CPU而言的随着软件系统的发展嵌入式系统已经被理解为可以移植并运行实时操作系统（RTOS）的微控制器在这方面ARM技术在业内处于领先地位CortexM3是ARM公司推出的一款新型内核它具有最高可达72MHZ的工作频率并内嵌单周期硬件乘法和除法器这对提高计算速度有重大意义该内核一经公布便被ST（意法半导体）公司购入在这个内核的基础上ST公司推出了STM32F103系列微控制器该系列微控制器具有丰富的外设：从32K到128字节的闪存程序存储器6K到20K字节的SRAM；两个12位16通道的AD；7通道DMA控制器；最多可达80个快速I/O口；7个定时器；2个I2C接口；3个USART接口；2个SPI同步串行接口；CAN控制器；USB接口；并可扩展SD/MMC存储卡国际着名的软件开发工具KEIL支持该系列芯片针对每一款微控制器都给出了起动代码和底层驱动程序这无疑是一个巨大的优势3系统的主要功能3.1电网数据采集该微控制器内置了两个12位16通道的高速AD转换器经测试精度及速度都满足要求因此该保护系统无须外扩AD芯片直接采用CPU内置的AD转换器即可本系统采集电网三相电压两相电流零序电压和电流监视线电压和电流；并计算出有功功率、无功功率功率因数等电网数据稍加改进即可实现电能采集3.2保护功能(1).电流保护：本装置设计了三段式电流保护所谓三段式电流保护即电流速断保护+限时电流速断保护+反时限电流保护（或者定时限过电流保护）其中电流速断保护和限时电流速断保护构成线路的主保护反时限电流或者定时限过电流保护作为后备保护使用(2).监视线保护：所谓监视线保护就是监视双屏蔽电缆的监视线和接地线之间有无短路或监视线和接地线有无短线故障的一种保护本设计选择终端加电阻的低频交流监视线保护原理这种方法可以通过数学的措施大幅度的提高监视线保护的抗干扰能力(3).选择性漏电保护：现在井下供电系统广泛采取中性点经消弧线圈方式同时中性点不接地系统也存在着本文针对这两种不同的方式分别选择不同的选择性漏电保护原理在中性点不接地系统中采用零序功率方向型漏电保护方法；在中性点经消弧线圈接地系统中采用消弧线圈并联电阻的方法实现漏电保护以及接地选线(4).欠压保护：当电网进线电压不足额定值的65%(可定值整定)时跳开开关4；(5).过压保护：当电网进线电压超过额定值的118%(可定值整定)时跳开开关；(6).其它保护：本系统同时还具有风电闭锁和瓦斯闭锁功能3.3故障追忆和故障录波功能装置在完成保护功能的同时可实现故障数据记忆功能为故障进一步分析提供依据 1引言高压隔爆开关是煤矿井下供电的关键设备开发高性能的集保护、测量、控制、通信于一体的高压隔爆开关微机保护测控单元对提高煤矿井下供电质量和保护井下的人员安全有非常重要的意义3目前国内许多高压开关测控系统主要采用16位单片或者8位单片机DPS双CPU构成现场测控单元通过RS485CAN总线等通讯方式与主控室工作站构成测控系统然而由于这些单片机系统缺乏操作系统的支持因此难以形成模块化程度高便于维护和升级的软硬件系统同时随着配电网尤其是矿山配电网系统可靠性要求的进一步提高测控系统网络化的要求也越来越高近年来32位单片机越来越受到人们重视尤其是拥有丰富外设的ARM32位MCU2ARM嵌入式技术在本系统中的应用近年来嵌入式系统的发展越来越快并以其独特的优势在各控制领域得到广泛的应用广义上讲嵌入式系统是指将单片机DSPMCU等在某方面功能得到强化而在其他方面功能弱化的能嵌入到设备内部来控制设备的专用CPU是相对于普通PC机内的通用CPU而言的随着软件系统的发展嵌入式系统已经被理解为可以移植并运行实时操作系统（RTOS）的微控制器在这方面ARM技术在业内处于领先地位CortexM3是ARM公司推出的一款新型内核它具有最高可达72MHZ的工作频率并内嵌单周期硬件乘法和除法器这对提高计算速度有重大意义该内核一经公布便被ST（意法半导体）公司购入在这个内核的基础上ST公司推出了STM32F103系列微控制器该系列微控制器具有丰富的外设：从32K到128字节的闪存程序存储器6K到20K字节的SRAM；两个12位16通道的AD；7通道DMA控制器；最多可达80个快速I/O口；7个定时器；2个I2C接口；3个USART接口；2个SPI同步串行接口；CAN控制器；USB接口；并可扩展SD/MMC存储卡国际着名的软件开发工具KEIL支持该系列芯片针对每一款微控制器都给出了起动代码和底层驱动程序这无疑是一个巨大的优势3系统的主要功能3.1电网数据采集该微控制器内置了两个12位16通道的高速AD转换器经测试精度及速度都满足要求因此该保护系统无须外扩AD芯片直接采用CPU内置的AD转换器即可本系统采集电网三相电压两相电流零序电压和电流监视线电压和电流；并计算出有功功率、无功功率功率因数等电网数据稍加改进即可实现电能采集3.2保护功能(1).电流保护：本装置设计了三段式电流保护所谓三段式电流保护即电流速断保护+限时电流速断保护+反时限电流保护（或者定时限过电流保护）其中电流速断保护和限时电流速断保护构成线路的主保护反时限电流或者定时限过电流保护作为后备保护使用(2).监视线保护：所谓监视线保护就是监视双屏蔽电缆的监视线和接地线之间有无短路或监视线和接地线有无短线故障的一种保护本设计选择终端加电阻的低频交流监视线保护原理这种方法可以通过数学的措施大幅度的提高监视线保护的抗干扰能力(3).选择性漏电保护：现在井下供电系统广泛采取中性点经消弧线圈方式同时中性点不接地系统也存在着本文针对这两种不同的方式分别选择不同的选择性漏电保护原理在中性点不接地系统中采用零序功率方向型漏电保护方法；在中性点经消弧线圈接地系统中采用消弧线圈并联电阻的方法实现漏电保护以及接地选线(4).欠压保