矿用供电系统面保护技术的研究与实现

论文题目：矿用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随着现代工业的飞速发展，电力、化工、冶金等高耗能行业对煤炭的需求量剧增，煤炭的安全生产面临着巨大的挑战。电力系统作为煤矿生产的重要组成部分，其继电保护性能的好坏直接影响着煤矿的生产效率和安全性。煤矿井下供电系统传统的继电保护故障判断信息比较单一，导致故障动作准确性不足，很容易造成井下越级跳闸，扩大停电面积，对井下安全生产造成极大的危害，传统的煤矿供电系统继电保护已不能满足现代化煤矿的生产需求。本次研究设计的矿用供电系统面保护系统，各个现场测控单元对系统保护安装处的设备运行信息进行采集，包括设备的运行参数及运行状态，通过全面的信息进行综合故障判断，实现故障保护动作的准确性，减少保护动作误动，防止越级跳闸，减少井下大面积停电，提高煤矿井下供电系统的安全性，确保煤矿井下生产人员的人身安全。利用CAN-bus现场总线通信技术，将现场测控单元所采集的运行参数、运行状态以及供电系统的故障信息上传到上位机，实现上位机对整个供电系统的实时监控。 关键词:面保护,测控单元,CAN-bus现场总线,上位机Subject:ResearchandImplementationofthesupplysystemaboutarea-protectiontechnologyinundergroundcoalminesSpecialty:ElectricEngineeringandit’sAutomation

ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofmodernindustry,electricpower,chemicalindustry,metallurgyindustry,highenergy-consumingsurgeindemandforcoal,coalproductionsafetyfacesenormouschallenges.Powersystemasanimportantcomponentofcoalproduction,therelayperformancehasadirectimpactonmineproductivityandsafety.Thetraditionalcoalminepowersystemprotectionfaultdiagnosisinformationisrelativelysimple,resultingininsufficientaccuracyoffaultmovement,itislikelytocausedownholegradetrip,expandingblackoutareaforminesafetyproductioncausedgreatharm,traditionalcoalpowersystemrelayprotectioncannotmeetmoderncoalmineproductionneeds.Thestudydesignsurfaceminepowersystemprotectionsystem,eachsitesystemprotectionandcontrolunitfortheoperationoftheequipmentinstalledattheinformationcollection,includingequipmentoperatingparametersandoperatingstatusinformationthroughacomprehensiveintegratedfaultdiagnosis,faultprotectiontoachieveaccuracyofactiontoreducetheprotectiveactionmalfunction,preventinggradetripdownholelargeareapoweroutage,thepowersupplysystemtoimprovecoalminesafety,coalmineproductiontoensurepersonalsafety.UsingtheCAN-busfieldbuscommunicationtechnology,theon-sitecontrolunitacquiredtheoperatingparametersofpowersystemoperationstatusandfaultinformationuploadedtothePC,hostcomputerfortheentirepowersupplysystem,real-timemonitoring.Keywords:ProtectionbasedoncommunicationMeasurement,controlunit,CAN-busfieldbus,PCmonitorunits目录TOC\o"1-4"\h\z\u第1章绪论 11.1矿用供电系统面保护技术研究背景及研究现状 11.2矿用供电系统面保护技术研究意义 11.3本次设计的主要依据 21.4本课题的主要工作内容 2第2章本次设计面保护系统的总体方案 42.1煤矿供电系统 42.2煤矿供电系统的仿真模型 42.3煤矿供电系统面保护网络结构 52.4故障保护控制策略 62.4.1煤矿供电系统继电保护存在问题 62.4.2解决方法 62.4.3基于面保护原理的煤矿供电系统继电保护 6面保护技术 6供电系统短路保护控制逻辑 7供电系统缺相保护控制逻辑 10第3章CAN-bus现场总线 113.1概述 113.2CAN-bus现场总线的特点 113.3CAN-bus现场总线技术规范 123.3.1CAN-bus总线基本概念 13依据ISO/OSI参考模型的层结构 13CAN-bus总线的基本概念 143.3.2CAN报文的传送和帧结构 14CAN报文的帧格式 14帧类型 153.3.3CAN-bus其它规范介绍 16第4章DPS8000组态监控软件 184.1DPS8000的特点 184.2DPS8000的功能介绍 184.2.1组态实时监控功能 184.2.2设备通信状态实时查看功能 234.2.3报表系统 234.2.4历史数据查询 244.2.5数据历史曲线生成功能 244.2.6故障录波功能 244.2.7告警功能 24第5章现场测控单元设计 265.1现场测控单元的硬件设计 265.1.1测控单元电源模块设计 265.1.2电网电压电流采集信号处理电路 275.1.3电网频率信号的采集与处理 295.1.4功率因数角检测电路设计 315.1.5测温模块设计 325.1.6开关量输出电路设计 325.1.7缺相检测电路设计 335.1.8液晶显示接口电路设计 355.2现场测控单元的软件设计 36第6章通信单元的设计 376.1矿用供电系统面保护通信方式的选择 376.2矿用供电系统面保护通信单元通信流程 396.3CAN232MB智能协议转换器 406.4矿用供电系统面保护通信单元硬件设计 416.4矿用供电系统面保护通信系统CAN-bus总线通信协议 426.4.1概述 426.4.2CAN-bus物理层 426.4.3CANBUS链路层 436.4.4通信进程 446.4.5通信报文格式 45现场测控单元主动向上位机发送报文 45上位机向现场测控单元发送的远程控制报文 47现场测控单元间信息交互的报文 476.5通信单元的软件设计 486.5.1eCAN模块基本通信模式基本配置 486.5.2TMS320F2812eCAN模块邮箱资源配置 486.5.3F2812的eCAN通信程序设计 49第7章上位机组态监控 507.1遥测监控 507.2遥信监控 527.3远程遥控 54第8章结论与展望 588.1结论 588.2展望 58致谢 59参考文献 60第1章绪论1.1矿用供电系统面保护技术研究背景及研究现状现代工业的飞速发展，电力、化工、冶金等高耗能行业对煤炭的需求量剧增，使得煤炭的安全生产面临着巨大的挑战。随着煤矿井下大功率设备的应用，特别是配套大功率设备（如大功率采煤机、排水泵、传输机等）在高产高效矿井中推广应用，这就对煤矿供电系统的安全可靠性提出了更高的要求。传统的煤矿供电系统继电保护即“点保护”，其只依据保护装置安装处的故障电流、电压等信息进行故障判断处理，没有通过对整个供电系统的实际运行情况进行综合判断分析，因其动作依据仅仅是供电系统中一个点的信息，获得的信息量太少，难以对系统的动态行为和故障原因做出正确判断，因而难以提高其故障保护动作正确性。在一个使用“点保护”的供电系统中，当发生短路故障时，尽管保护的上下级速断整定值有差别，但却起不到明显的作用，很有可能出现越级跳闸。在煤矿供电系统中，越级跳闸对煤矿的危害是巨大的，若越级到采区变电所将会造成采区内大面积停电，不但影响矿井的生产，还将影响各级风井和水泵的供电，引起井下瓦斯积聚和排水缓慢，直接威胁到井下工作人员的生命安全；如果越级跳闸到井下中央变电所，将造成整个井下生产系统的瘫痪。供电系统的安全可靠性决定了“点保护”已经不再适合现代煤矿生产供电安全可靠的需要。因此，煤矿供电系统继电保护的智能化、一体化成为了必然的发展趋势。 目前国内的各大继电保护研究机构对适合于我国煤矿井下特殊环境的供电系统面保护的研究工作尚处于初级阶段，因此我们可以充分利用现有的知识储备及实验设备来研究能够提高煤矿生产效率和保证煤矿供电安全的供电系统面保护技术。1.2矿用供电系统面保护技术研究意义现代通信技术与计算机技术迅速发展，使得煤矿井下供电系统的继电保护逐渐由传统的“点保护”向面向整个供电系统的综合保护转变。面向整个系统的综合保护的大面积实际应用大大的提高了煤矿供电系统的安全可靠性，有效地防止了越级跳闸。随着面向整个供电系统的综合保护的发展，面保护的理论得以逐渐形成。面保护的定义是：除了利用保护装置自身采集的信息外，还要利用系统中其他信息作出故障判断和动作出口，以保护自身设备和整个供电系统。面保护的出现为解决矿用供电系统的传统继电保护的不足提供了理论的支持。“面保护”是相对于传统的继电保护而言，传统的继电保护装置只采集故障点信息。“点保护”只依据保护装置安装处的故障电流或电压等信息，即其动作依据仅仅是电力系统中一个测点的信息，获得的信息量太少，难以对系统的动态行为和故障原因做出正确判断，因而难以提高其动作正确率。面保护原理的先进之处在于除了采集故障点的信息外，还通过通信获得其他相关的非故障点的信息进行判断，通过更为全面的分析做出更为正确的动作决策以保护自身设备和供电系统，面保护不需要依靠延时来实现保护动作的配合，缩短了切除故障时间，有利于延长设备的寿命和检修周期。面保护原理克服了传统点保护信息不全的弱点，故障段判据简单明了。所有保护装置安装点的测控单元同时并行采集信息、综合判断故障、执行动作命令，通过上位机可以对供电系统进行运行状态、运行参数的实时监控。因此，面保护原理在供电系统中应用广泛。研究基于CAN总线通信控制的面保护技术，对于矿井安全供电具有很重要的现实意义。本次毕设选择矿用供电系统面保护的课题，不仅能将大学所学到的理论知识应用于实际应用中，还提高了自己的动手能力，更希望能通过本课题的研究为提高矿用供电系统的安全性、可靠性做出一定的贡献。1.3本次设计的主要依据本次设计的矿用供电面保护系统主要包括现场测控单元、通信单元和上位机监控等几部分。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个保护安装处设备的基本信息并送入DSPF2812进行处理，最终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。通信单元能够进行现场测控单元与上位机、现场测控单元与现场测控单元之间的通讯，其通讯方式采用现场CAN-bus总线通讯方式。上位机主要是综合各个保护安装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。1.4本课题的主要工作内容本次矿用供电系统面保护技术的研究与实现是以实验室的380V单母分段供电系统作为研究对象，完成供电系统面保护的模拟仿真，实现面保护的功能。本课题研究的内容包括三个部分：实现现场测控单元的基本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设备的运行与停止，从而完成馈电功能。在发生故障能够准确判断该线路的故障信息，实现对故障设备的保护。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），并将以上相关信息做实时显示，实现开关对自身故障的实时显示功能，并实现其它的附加功能。实现现场测控单元与上位机通信、现场测控单元间的通信功能通过CAN-bus现场总线，实现现场测控单元之间、现场测控单元与上位机的通信，完成信息交互，为上位机对供电系统实时监控做好准备。实现上位机对整个供电系统的实时监控功能本次设计的监控上位机软件采用由新疆新华能西安研发中心针对供电系统监控研发的组态软件DPS8000，实现对供电系统的实时监控功能。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。第2章本次设计面保护系统的总体方案2.1煤矿供电系统煤矿供电系统是煤矿企业生产的重要支撑。在深井供电系统中，6kV/10kV高压电能从矿山地面变电所母线引出，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煤矿供电系统图2.2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视，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图2.2煤矿供电系统仿真模型线形式，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。因此本设计采用如下系统仿真模型并对其进行面保护设计。如图2.2所示。2.3煤矿供电系统面保护网络结构现场测控单元安装于断路器安装处用于测量该节点的进线电压、电流，出线电压、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。现场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。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。面保护网络结构如图2.3所示。图2.3面保护网络结构图本硬件仿真模型总共包含6台断路器，使用六个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。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，综合信息进行运行状态的判断，如果发生故障，则按故障控制策略判断故障类型、故障位置，然后执行保护动作。采集到的运行参数、运行状态、故障信息等数据，通过TMS320F2812自带的eCAN模块经CAN-bus总线传输到其它测控单元和上位机。2.4故障保护控制策略通过一定的故障判断保护规则，在系统故障时能正确执行保护动作，防止系统发生越级跳闸，减少停电面积，提高煤矿安全性2.4.1煤矿供电系统继电保护存在问题随着煤矿生产电气化程度的提高，井下电力大功率设备的增加，供电系统对继电保护的安全性、可靠性提出了更高的要求。而在煤矿井下供电系统中，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，目前煤矿井下普遍采用微机保护，保护动作与否只取决于整定的短路电流的大小，一旦短路电流过大，同时满足上下级保护动作条件，即将会造成越级跳闸，导致大面积停电。煤矿传统过电流保护配置是依靠时间的配合。受上一级供电管理部门的要求，过电流保护时限不能超过一定的时限要求。由于煤矿井下供电线路级数较多，按照通常的0.5s的时间差无法实现供电线路级数多的过电流保护时限配合。2.4.2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、缺相等常规的保护功能，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。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。2.4.3基于面保护原理的煤矿供电系统继电保护面保护技术八十年代末，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。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：①通信；②CPU；③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，同时对系统的参数进行监视。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意义重大。供电系统短路保护控制逻辑系统模型如图2.4所示。图2.4系统模型由于采用多段短电缆组成干线式纵向供电网,它的各段短路电流差值较小,因而采用在各级增加时限级差来构成纵向选择性速断短路保护系统。然而时限级差的设定受上级供电部门继电保护时限与《煤矿安全规程》的制约,不能构成有效的纵向选择性速断短路保护系统,所以发生短路故障时常导致越级跳闸是不可避免,而且由于限级差与跳闸操作机构的时间也很难配合,因此在发生短路故障时导致越级跳闸难以避免。系统面保护采用下级保护闭锁上级保护的控制方法防止越级跳闸。如图所示，以a点故障为例，当a点发生短路故障后，断路器QF3保护3应立即启动保护跳闸，如果QF3发生拒动或者是上级保护动作比QF3动作快，最终是QF2或QF3保护动作，则造成保护越级跳闸，扩大了停电范围。采用下级保护闭锁上级保护的控制策略，在a点发生短路故障时，保护3保护动作跳闸，同时发出闭锁信号闭锁所有的上级保护，经一定时间延时后不管故障有没有切除都发解锁信号解锁上级保护2，如果保护3拒动，则保护2启动保护跳闸；保护2经一定延时后向保护1发送解锁信号解锁保护1，如果保护2也发生拒动，则保护1启动保护跳闸，保护动作依次类推，即可有效防止越级跳闸，起到很好的保护作用。为实现保护可靠闭锁，每个保护的过流I段需设置一短延时t1，作为等待闭锁信号传递的配合时间。发生短路故障时，其保护在保护元件（继电器）动作的同时，向所有上级保护发出闭锁信号。故障区域保护待故障电流消失或经一延时t3（认为断路器失灵）后，发送出口解锁信号给上一级保护。 输电线路除使用瞬时电流速断保护和限时电流速断保护外，还采用电流纵联差动保护进行快速故障区域判断，在发生短路故障时，可以不经t1短延时，故障区域保护单元电流纵联差动保护立即启动保护，并向所有上级发出闭锁信号。上级保护按正常短路保护进行。短路故障控制信号产生逻辑:(1)故障发生段保护采用纵联差动保护和短路保护，故障闭锁信号、跳闸信号产生逻辑，BSJ为向上级发送闭锁信息，CKJ为保护出口动作。图X-X故障段差动保护闭锁信息、分闸信号产生逻辑图如图所示，为故障发生段差动电流，短路电流、，t3为断路器切除故障时间，故障保护动作同时，保护单元向所有上级保护发出闭锁信号，故障电流切除后电流原件返回。若断路器拒动，经过t3延时后，不产生闭锁信号，解除上一级级保护闭锁信号，允许上一级保护动作。(2)非故障段上级保护闭锁信息、分闸信号产生逻辑图x-x非故障段保护闭锁信息、分闸信号产生逻辑图 如图所示，在检测系统到发生短路故障时，保护向其所有上级保护发送闭锁信息。如果下级保护发生故障时，由于下级保护断路器拒动故障没有切除，经过一定时间延时后，下级保护向上级所有保护所发送闭锁信息解除。上一级闭锁解除后，上一级的短路保护启动，切除故障。若本级保护还是没有切除故障，经t3延时后向所有上级保护发送闭锁信息解除，允许上一级保护启动。 每一级非故障段的短路保护只有在所有下级保护不起保护作用，所有下级保护闭锁信息解除后，本级的短路故障保护才能启动。通过上述的保护控制逻辑，能有效的防止在发生短路故障时发生越级跳闸。供电系统缺相保护控制逻辑 缺相是正常的三相电源中某一相发生断路。线路电源缺相时，会产生负序电流分量，三相电流不均衡或过大，原有的三相设备会降低输出功率使其不能正常工作，有可能造成生产事故.煤矿井下生产设备安全性要求很高，因此对于一些重要的设备，如通风机、空压机、提升机等，需要加缺相保护装置，在发生缺相时能快速检测到故障段位置并能切除故障。 以如图所示系统模型图X-X系统模型 在a处发生缺相故障时，保护装置通过安装在负荷入口处的缺相检测装置检测到缺相故障，保护3启动缺相保护，同时向所有上级保护发送缺相故障信息。若保护3不能切除故障，则由上一级保护2启动缺相保护，依次类推。 缺相故障保护逻辑第3章CAN-bus现场总线3.1概述现场总线（FieldBus）技术是当前自动化技术的热点之一。现场总线技术集成了先进的嵌入式系统、现代通信、自控理论、网络技术于一身，冲充分体现出了先进技术的进步能够为人类带来的便利性。CAN-bus总线作为符合国际标准的现场总线之一，已经在世界范围内获得了非常广泛的使用。目前，在中国每年就有超过500万个CAN-bus网络节点投入现场使用，它们分布在各个行业领域，包括国防军事、电力通信、智能楼宇、工业机械、电梯网络等诸多关系到国计民生的场合。控制器局域网（CAN-CONTROLLERAREANETWORK）,最早是德国Bosch公司于1983年为汽车应用而开发的一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络，属于现场总线（FieldBus）的范畴。1991年9月Bosch公司制定并发布了CAN技术规范（Version2.0），该技术规范包括A和B两部分。CAN2.0A协议规范定义了标准帧格式，CAN2.0B协议规范定义了扩展帧格式。1993年11月，ISO正式颁布了道路交通运载功能—数字交换—高速通信控制器局域网国际标准ISO11898，为CAN协议规范的标准化、规范化的推广铺平了道路。3.2CAN-bus现场总线的特点CAN-bus现场总线是一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，能有效地支持具有很高安全等级的分布式实时控制。CAN-bus现场总线的应用很范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN总线。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率最高可达1Mbps。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2047或536870911个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一特点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。另外，CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。CAN总线插卡可以任意插在PCATXT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。3.3CAN-bus现场总线技术规范CAN-bus通信协议是一种串行通信协议，能够支持具有很高安全等级的多主分布式实时控制。为达到设计透明度以及实现灵活性，根据ISO/OSI参考模型，CAN被细分为一下不同的层次：数据链路层数据链路层（DataLinkLayer）可分为：逻辑链路控制子层（LLC）；媒体访问控制子层（MAC）。物理层应用层逻辑链路控制子层的作用范围如下：为远程数据请求以及数据传输提供服务；确定由实际要使用的LLC子层接收哪一个报文；为恢复管理和过载通知提供手段。MAC子层的作用主要是传送规约，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在MAC子层里确定。物理层（PhysicalLayer）的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。同一网络的物理层对于所有的节点都是相同的，但在选择物理层方面还是很自由。应用层为ISO结构中的最高应用层，应用层与用户的需要密切相关，应用层直接定义了所需要传输的信息。应用层协议就是定义了如何实现应用层功能，满足信息传递的要求的具体规范。CAN-bus的应用层协议是在现有的CAN底层协议（物理层、数据链路层）之上形成的协议，CAN-bus总线的协议规范：CAN2.0A/CAN2.0B协议规范中定义了数据链路层和部分物理层，并不完整。用户可以直接简历基于CAN2.0规约的数据通信。在CAN-bus的一些应用中，一些附加的功能需要通过应用层协议实现：（1）网络控制与管理；（2）确认数据的发送；（3）发送大于8个字节的数据块；（4）为不同的物理节点分配不同的报文标识符；（5）定义帧报文的内容以及含义；（6）网络节点的控制，节点故障的诊断和标识。 因此，为保证CAN-bus网络可靠地运行，必须制定严谨的CAN-bus应用层协议。3.3.1CAN-bus总线基本概念依据ISO/OSI参考模型的层结构CAN的ISO/OSI参考模型的层结构如图3.1所示。图3.1CAN的ISO/OSI参考模型的层结构物理层物理层定义信号是如何实际地传输数据的，因此涉及位时间、位编码、同步的解释。CAN2.0技术规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。数据链路层①MAC子层是CAN协议的核心，它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。MAC子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC子层也被称作“故障界定”的管理实体监管。此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来；②LLC子层涉及报文滤波、过载通知以及恢复管理。CAN-bus总线的基本概念（1）报文 总线上的报文以不同的固定报文格式发送，但长度受限。当总线空闲时，任何连接的单元都可以开始发送新的报文。（2）位速率对于不同的系统，CAN的位速率（bitrate）不同，但在同一个给定的系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。（3）优先权在总线访问期间，标识符定义一个静态的报文优先权（Priorities）。（4）多主机多主机全称为Multimaster。总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问权。（5）仲裁只要总线空闲时，则任何单元都可以开始发送报文。如果两个或两个以上的单元同时开始传送报文时，那么就会有总线访问冲突。通过使用了识别符的逐位仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。（6）安全性安全性指的是为了获得最安全的数据发送，CAN的每一个节点均采取了强有力的措施，以便于错误检测、错误标定及错误自检。（7）故障界定故障界定全称为FaultConfinement。CAN节点能够把永久的故障和短暂扰动区别开来。故障的节点会被关闭。3.3.2CAN报文的传送和帧结构CAN报文的帧格式CAN报文有两种不懂的帧格式，根据标识符长度的不同：具有11位标识符的帧称为标准帧，而含有29位标识符的帧为扩展帧。帧类型报文传输由以下4个不同的帧类型所表示和控制：数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器；远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧；错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧；过载帧：过载帧可以在先行的和后续的数据帧之间提供一附加延时。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们使用一个帧空间与前面的帧分隔。（1）数据帧数据帧（DataFrame）由7个不同的位组成。帧起始（StartofFrame）、仲裁场（ArbitrationFrame）、控制场（ControlFrame）、数据场（DateFrame）、CRC场（CRCFrame）、应答场（ACKFrame）、帧结尾（EndofFrame）。数据场长度可以为0。帧起始（SOF）标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组成(0为显性位，1为隐性位)。标准帧和扩展帧的仲裁场格式不同标准帧格式里，仲裁场由11位标识符和RTR位组成，标识符为ID.28～ID.18。在扩展帧里，仲裁场包括29位标识符、SRR位、IDE位、RTR位，其标识符为ID.28～ID.00。控制场包括数据长度代码、IDE位（为显性位）及保留位r0。数据场由数据帧里的发送数据组成，它可以为0～8字节，每字节包含了8位，首先发送MSB。CRC场包括CRC序列，其后是CRC界定符。应答场长度为2个位，包含应答间隙（ACKSlot）和应答界定符。帧结尾标志序列由7个“隐性”的位组成。数据帧格式如图3.2所示。图3.2数据帧格式远程帧通过发送远程帧，作为某数据接收器的站可以初始化通过其资源节点传送不同的数据。远程帧格式如图3.3所示。图3.3远程帧格式错误帧错误帧由两个不同的场组成，第一个场是不同站提供的错误标志（ErrorFlag）的叠加，第二个场是错误界定符。主动错误标志由6个连续的“显性”位组成，被动的错误标志由6个连续的“隐性”位组成，除非被其他节点的“显性”位重写。错误帧格式如图3.4所示。图3.4错误帧格式过载帧过载帧包括2个位场：过载标志和过载界定符。过载帧格式如图3.5所示。图3.5过载帧格式3.3.3CAN-bus其它规范介绍（1）报文滤波报文滤波取决于整个识别符。允许在报文滤波中将任何的识别符设置为“不考虑”的可选屏蔽寄存器。可以选择多组的识别符，使之被映射到隶属的接收缓冲器里。如果使用屏蔽寄存器，它的每一位必须是可编程的，即它们能够被允许或禁止报文滤波。屏蔽寄存器的长度可以包括整个识别符，也可以包括部分识别符。（2）错误处理错误检测，CAN总线有一些5种不同的错误类型（这5种错误不会相互排斥）：①位错误单元在发送位的同时也对总线进行监视，如果所发送的位值与所监视的位值不相符合，则在此时间检测到一个位错误（biterror）；但是仲裁场（ArbitrationField）的填充位流期间或应答间隙发送以“隐性”位的情况是例外的，此时，当监视到一“显性”位时，不会发出位错误。当发送器发送一个被动错误标志，但检测到“显性”位时，也不视为位错误。②填充错误如果在使用位填充法进行编码的信息中，出现了第6个连续相同的位电平时，将检测到一个填充错误（StruffError）。③CRC错误CRC序列包括发送器的CRC计算结果，接收器计算CRC的方法与发送器的相同。如果计算结果与接收到的CRC序列的结果不相符，则检测到一个CRC错误（CRCError）。④形式错误当一个固定形式的位场含有一个或多个非法为，则检测到一个形式错误（FormError）。⑤应答错误只要在应答间隙期间所监视的位不为“显性”，则发送器会检测到一个应答错误（ACKError）。错误标定，检测到错误条件的站通过发送错误标志指示错误。对于“错误主动”的节点，错误信息位“主动错误标志”；对于“错误被动”的节点，错误信息为“被动错误标志”。站检测到无论是位错误、填充错误、形式错误还是应答错误，这个站会在下一位时发出错误标志信息。只要检测到的错误的条件是CRC错误，错误标志的发送开始于ACK界定符之后的位。小结：本章简单介绍了CAN-bus现场总线的特性以及CAN-bus现场总线的一些基本概念和使用方法。第4章DPS8000组态监控软件组态软件，又称为组态监控软件系统软件。译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、能源、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTUSystem,RemoteTerminalUnit)。煤矿井下环境比较复杂，供电系统设备较多，通过人员在现场对设备进行实时监控比较困难，容易造成判断错误。通过上位机的组态监控系统，将各个设备的实时运行状态和运行参数上传到中央控制室，即可以远程完成整个供电系统各个设备运行状态的检测监控。DPS8000是由新疆新华能西安研发中心自主研发的一款用于供电系统远程监控的组态软件，其主要功能是完成供电系统实时监控功能。由于DPS8000是针对供电系统开发的，除了能通过组态监控画面完成系统实时监控外，DPS8000还提供了很多针对供电系统的其它功能，如报表生成、历史数据、历史曲线、故障录波等。4.1DPS8000的特点（1）在MicrosoftVisualC++环境下开发的组态监控系统，支持WindowXP等操作系统；（2）采用了面向对象的设计方法；（3）具有集成化的开发环境，DPS8000优化设计的图库提供了丰富的电力系统元器件库，任意拖拽也不变形，使用户能快速开发监控系统，系统工作画面更加精确；（4）支持用户自定义菜单，其中包括窗口弹出式菜单和在各个图形对象上的右键菜单。通过内部编辑脚本与自定义菜单配合，可以实现更为灵活与复杂的人机交互过程；（5）内置多种打印方式，可以根据监控画面的大小确定任意的设置打印范围；（6）具有多样的触发方式，目前支持简单的四则运算，能完成供电系统的监控功能（7）支持多种通信方式，包括串口通信、以太网等。4.2DPS8000的功能介绍 以35KV变电站上位机监控为例，介绍DPS8000的使用方法和常用的功能。4.2.1组态实时监控功能DPS8000是一款专门用于电力系统远程监控的组态软件，用户可以通过DPS8000提供的监控画面图形编辑功能，根据实际的供电系统编辑符合系统运行监控的监控画面，然后将现场测控单元上传到上位机的数据通过数据绑定功能在监控画面实时显示。（1）监控画面的编辑打开DPS8000组态软件，进入组态监控系统。如图4.1所示。图4.1DPS8000电力监控系统打开图形编辑窗口，点击进行用户登陆，系统只有在用户登陆状态下编辑的图形才能进行保存。 用户可以按照相应的国家标准编辑自己所需要上位机监控图形，在图形编辑窗口中，图4.2DPS8000通用模板库DPS8000已经为用户提供了一定的图形模板，用户可以直接使用适合自己模板进行快速布图，减少监控系统模型的开发时间，提高工作效率。系统提供的部分模板如图4.2所示。除利用系统提供的元器件模板进行监控画面开发外，用户更多的是使用系统提供的作图工具进行推行编辑。系统提供的图形编辑工具如图4.3所示。系统提供的图形编辑工具包括作直线、矩形、圆角矩形、椭圆、弧线、扇形、折线、多边形、按钮、文字、曲线图等，用户也可以将多种图形组合成一个智能单元，方便对图形操作，用户还可以将自己将自己所作的图形添加到模板，建立自己模板库，方便下次进行开发。图4.3图形编辑工具如图4.4所示为系统提供的35KV变电站主接线图模板，通过现场测控单元上传上来的数据，工作人员通过上位机即可实时监控整个变电站的运行状态和运行参数，通过上位机实现对变电站特定设备的遥控遥调功能等。图4.435KV变电站主接线图（2）参数设置打开参数设置窗口，进入参数设置窗口，进行用户登陆，只有在用户登陆状态下才能对。参数设置窗口如图4.5所示。①在参数设置窗口中，用户可以进行人员设置，设置选项包括用户名称、登陆密码、操作权限等，设置完成后，用户只有登陆后才能对指定的功能进行操作，操作权限的设置能有效的防止误操作。②通过公式设置，用户可以对数据进行简单的运算处理，选择进行处理的数据必须为虚遥测。图4.5参数设置③通过事故追忆设置，可以设置事故追忆时间和保存参数，在事故发生后可对事故发生是的具体参数进行追忆分析。④报警声音文件设置，允许在发生告警信息时发出告警声音，提醒用户。⑤串口设备，由现场测控单元上传上来的遥测量和遥信量，监控上位机向下发送的遥控命令和遥调命令，上位机必须通过DPS8000的通信模块完成数据的接收和发送。选择上位机监控系统所使用的通信方式和通信协议。选择串口通信方、通信协议如图4.6所示。图4.6通信参数协议选择用户可以根据通信协议创建系统需要监控的遥测量、遥信量、遥控事件等。遥测量:选择通信的设备单元，然后选择遥测设置选择，即可创建多个遥测量，根据通信协议确定每个遥测量的具体类型名称以及基准系数的一些基本的参数设置，遥测量创建完成。如图4.7所示为创建变电站出线的一些基本遥测数据。图4.7遥测量的创建遥信量：选择通信设备单元，然后选择遥测设置，选择，即可创建多个遥信量，根据通信协议确定每个遥信量的具体类型名称以及告警条件、告警方式等一些基本的 参数设置， 遥测量创建完成。如图4.8所示为创建变电站出线的一些基本遥测量。图4.8遥测量的创建遥控事件：选择通信设备单元，然后选择遥测设置，选择即可创建多个遥控事件，根据通信协议确定每个遥控事件的具体类型名称等些基本的参数设置，遥控事件创建完成。如图4.9所示为创建变电站出线的一些基本遥控事件。图4.9遥控事件的创建（3）实时监控数据绑定通过数据绑定可以在监控界面实时显示现场设备的运行状态、运行参数。在图形编辑窗口中，选定需要绑定的设备、图形或文字，在右键菜单选择数据绑定，即进入数据绑定框，然后根据用户的选择需要绑定的数据后绑定确定即可在监控图形显示绑定的数据。在系统运行是绑定的数据会根据实时变化显示出来，用户不需要进入查看通讯状态即可查看系统运行参数。数据绑定框如图4.10所示。图4.10数据绑定框4.2.2设备通信状态实时查看功能通过设备通讯模块，用户可以实时的观察各个通信单元的实时数据，在设备通讯窗口中，可以查看通讯源码、实时数据、告警事件，方便用户对原始数据进行数据分析，评价通讯系统的性能。设备通讯窗口如图4.11所示。图4.11设备通讯窗口4.2.3报表系统在组态监控系统中，报表生成打印功能是必不可少的一项功能，使用报表生成打印功能，用户能快速生成各种功能报表，减少报表制作时间，便于快速对系统数据进行分析，提高整个系统的工作效率。4.2.4历史数据查询在使用历史数据查询功能前，必须将需要查询的数据在参数设置中设置为保存，否则不能使用历史数据查询功能。数据类型设置为如图所示的保存类型。 图4.12数据保存设置通过历史数据查询功能可以查询到历史数据、告警数据、事故追忆数据，对事故后对故障分析具有重要的意义。历史数据查询窗口如图4.11所示，用户可以选择查询已经系统已经存储的不同数据。图4.13历史数据查询窗口4.2.5数据历史曲线生成功能通过历史曲线显示功能，用户可以查看数据历史曲线，通过数据历史曲线可以快速准确的对系统工作状态进行分析，确定系统的运行状态。4.2.6故障录波功能DPS8000的故障录波功能是针对供电系统进行开发的，它能对系统故障时的数据变化进行记录并生成波形进行记录下来，方便用户实现事后事故追忆，对故障类型进行分析，确定故障范围。4.2.7告警功能DPS8000是用于供电系统监控的组态软件，当上位机接收到的遥测量超过设置的范围时，可以设置告警可以及时的提示遥测量超过设置范围。当供电系统发生故障时，测控单元上传上来故障信息，系统能及时的发出告警信息，提示用户故障发生。DPS8000是一款专门用于供电系统上位机监控的组态软件，其面向对象的组态设计开发方式，操作简单，功能强大，实用性强，能较好的适应供电系统上位机监控的要求。小结：本章介绍了电力系统监控组态软件DPS8000的功能特点，然后以35KV变电站为例简单介绍了DPS8000的使用方法和使用技巧。第5章现场测控单元设计现场测控单元，其主要任务是检测每个馈电开关的基本运行参数、运行状态、执行开关的投切命令及记录故障信息。每一个馈电开关的运行参数包括三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率，运行状态包括开关的动作时间、触点温度，故障信息包括短路、缺相、三相不平衡、过压、过流、欠压、错相等。现场测控单元通过检测到的馈电开关的各项实时信息，依据一定的控制策略，对一些重点保护对象进行实时保护，可以不需要上位机的授权即可启动保护，只需在保护动作后向上位机发送动作信息即可。现场测控单元原理图如图5.1所示。图5.1现场测控单元原理图5.1现场测控单元的硬件设计5.1.1测控单元电源模块设计本次设计中采用主控制芯片TMS320F2812采用DC3.3V电源、测控单元采用DC5V电源、控制继电器采用DC24V。其中，芯片供电有专门的电源由开发板配套电源提供，因此不需要外接电源。本部分主要介绍5V电源和24V电源的设计。5V直流电源为本次测控电路提供电源支撑，主要是为芯片和信号处理电路提高电源，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。24V直流电源主要是用于24V继电器驱动断路器的合闸跳闸，采用LM317三端集成稳压芯片，通过一定的处理电路可以得到满足要求的24V直流稳压电源。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5.2所示图5.2电源设计框图电源变压器将交流电网220V的电压降压至需要的电压值，然后通过全桥整流电路将交流电压变直流信号。由于整流后的直流电压信号还包含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电源。但这样的电压还随电网的电压波动（一般有±10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。这里采用LM317稳压芯片和7805稳压芯片就可以确保输出的24V、+5V直流电压的稳定。硬件电如图5.3所示。图5.3DC5V/24V电源原理图5.1.2电网电压电流采集信号处理电路供电系统电压电流信号的采集与处理，在系统保护和系统远程监控中占有重要地位，是煤矿供电系统面保护组成的基础部分，它是系统有功功率、无功功率计量的基础，也是保护动作执行与否及某些故障类型的判断的依据。交流采样的采样精度直接影响到了整个保护系统的准确性和可靠性。TMS320F2812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0～3V的A/D转换外设模块，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TMS320F2812对交流信号进行处理和采样，交流采样流程图如图5.4所示，其采样具有实时性好、准确度高的优点。图5.4交流采样流程图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，因此需要将电流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5.5所示。图5.5电压处理框图高压电网侧电压经过一次电压互感器输出变为220V标准交流信号，本电路设计采用北京耀华TV16E电压互感器，匝数比2000:2000，输入电流范围为0～2.5mA，对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0～3V以内并留一定的裕量，防止电压突然升高而损坏DSP的AD输入引脚。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。交流电压处理电路硬件电路原理如图5.6所示。图5.6电压信号处理电路电流信号处理电路设计交流电流处理电路原理与电压处理一致。本次设计负载采用三相异步电机（380V，120W，0.48A），在采用星型连接时，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。电流信号处理电路硬件电路如图5.7所示。图5.7电流信号处理电路5.1.3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±0.2～±0.5Hz。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。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5.8所示。图5.8电网频率信号处理流程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0～2.5mA。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。硬件电路如图5.9所示。图5.9频率检测硬件电路图其最终的输出波形如图3-11所示。图5.10频率信号测量波形5.1.4功率因数角检测电路设计本设计思路是采集同一相的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5.11所示。图5.11功率因数检测设计框图功率因素角硬件电路如图5.12所示。图5.12功率因数角检测硬件电路图本电路设计中用到的D触发器为CD4013。由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q非输出。此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。本电路设计CD4013作为触发器使用，在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。各个部分输出波形如图5.13所示。电压和电流互感器二次侧输出波形如图A，通过过零比较器后输出波形为图B，最终的CD4013的输出为图C。图5.13功率因数检测电路波形5.1.5测温模块设计NS公司生产的LM35系列温度传感器，是精密集成电路温度传感器，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，他的输出电压与摄氏温度线性成比例，且无需外部校准或微调，可以提供±1／4℃的常用的室温精度。LM35的输出电压与摄氏温度的线形关系可用下面公式表示，0℃时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。 温度传感器LM35的信号处理电路如图所示5.14所示。图5.14LM35的信号处理电路该处理电路共分为两级，第一级电压跟随器，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起，能够将温度传感器输出电压信号放大4倍。5.1.6开关量输出电路设计开关量输出主要包括保护的跳闸出口和合闸出口。一般都采用并行接口的输出来控制继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法。本次设计由于断路器的线圈额定电压为380V，因此需要采用触头耐压和通流量较大的继电器去进行控制断路器的合闸和跳闸，这里选用DC24V的直流继电器。这样还需要采用一个密封的小型中间继电器去驱动DC24V的继电器。开关量的输出电路如图5.15所示。图5.15开关量输出电路本设计选取的的断路器型号为NM1-100，其操作机构分合闸和分闸线圈，分合闸的控制通过TMS320F2812的GPIO引脚置高电平来实现。该电路的工作过程为：当GPIO口输出为低电平时，NPN三极管9013截止，出口继电器的线包不带电，K1不会闭合，最终断路器操作机构线圈不会带电，断路器不动作；当GPIO口输出高电平时，NPN三极管9013导通，出口继电器的线包带电，K1闭合，DC24V继电器线圈得电，动作指示灯亮，K2闭合，断路器操作机构线圈带电，断路器动作，作用于合闸或者跳闸。5.1.7缺相检测电路设计缺相就是正常的三相电源其中某一相断路，原有的三相设备会降低输出功率使其不能正常工作或造成事故.因此对于一些重要的设备需要加缺相保护装置。缺相检测硬件电路如图5.16所示。 其工作原理如下：当三相输入电压正常时，其三相输入相电压波形如图所示，为便于分析，将一个电源周期分为6等份，如图2所示T1、T2、T3、T4、T5、T6。在这六个区间，三相电源间的关系如表5.1所示。在区间T1内，UA>UC>UB，A相电压最大，B相电压最小，因此，在图中的光藕U1和二极管D1导通，此时，输出控制信号为低电平，当时间从T1进入T2区间时，UA>UB>UC，A相电压最大，C相电压最小，因此，在图1中的光藕U1和二极管D3导通，输出控制信号为低电平，如此类推，在区间T3、T4、T5、T6时，控制信号UC均为低电平，所以，在一个电源周期内，输出控制信号为低电平，也就是说，当三相输入电压正常时（不缺相），输出控制信号一直为低电平，从而使缺相告警信号为低电平，表示A、B、C输入正常。如图5.17所示。图5.16缺相检测硬件电路T1T2T3T4T5T6三相电源之间的关系UA>UC>UBUA>UB>UCUB>UA>UCUB>UC>UAUC>UB>UAUC>UA>UB表5.1三相电源关系图5.17三相正常时检测电路波形图当三相输入电压缺相时，其检测电路波形图如图5.18所示.图5.18三相缺C相时检测电路波形图由于缺C相时，线电压只有UAB一相，当UAB在过零点附近时，光藕U1不导通，其余二个光藕也不导通，此时，输出控制信号为高电平，从而使缺相告警信号为矩形波，表示输入缺相，此信号经过限幅处理可送至TMS320F2812的捕获单元进行处理。5.1.8液晶显示接口电路设计煤矿供电系统面保护的测控单元安装于现场，需要将测量的电压、电流、频率、有功功率和无功功率等重要信息，显示出来以便实现人机交互非。用户能够通过人机对话界面了解当前保护安装处的综合信息。本次设计选用的12864型号为SMG12864G2-ZK，内部控制器为ST7920，原理图如图5.19所示。图5.1912864液晶显示接口电路5.2现场测控单元的软件设计测控单元的正常工作除了需要依靠硬件电路的支持外，还离不开软件的支持。测控单元测量的各个信息都由具体的软件进行数据处理实现。系统总程序流程结构如图5.20所示。图5.20系统程序流程图AD采样子程序用于完成系统电压、电流、温度模拟量的采集；使用DSP的捕获单元采集供电系统频率、功角、合闸时间、分闸时间、缺相信息；故障判断保护子程序根据采集到的所有的系统信息按照一定的故障保护控制规约进行故障保护；eCAN通信子程序完成现场测控单元所采集的信息往上位机传送并接收来自上位机的控制命令；液晶显示子程序用于现场测控单元数据输出显示。小结：本章简单的介绍了系统的测控单元硬件电路和软件设计，实现测控单元的测控功能。第6章通信单元的设计在矿用供电系统面保护中，实现上位机监控单元实时远程监控监测保护安装点设备运行参数、状态、故障的相关信息及进行远程控制等，必须依赖于通信。如果脱离了通信，则谈不上远程监控监测，所以通信在整个矿用供电系统面保护中占据着十分重要的地位，它为现场测控单元之间、现场测控单元与上位机之间的信息交互提供了信息通道。目前，工业控制网络常用的通信方式主要有RS232、RS485、现场总线以及工业以太网等，选择一种适合于煤矿井下复杂工作环境的通信方式是保证矿用供电面保护系统可靠运行的前提条件和重要保障。6.1矿用供电系统面保护通信方式的选择工业控制网络可供选择的通信方式有很多种，每种通信方式都有各自的应用场合和不同的优缺点。因此，在选择通信方式时，必须根据所设计的系统具体的工作环境、系统运行要求选择进行选择。目前，比较常见的工业控制通信方式有RS232、RS422、RS485、CAN总线、Profibus过程总线、工业以太网等，每一种通信方式根据其优缺点应用于不同的领域。RS232是美国电子工业协会EIA制定的一种串行物理接口标准，也是目前数据通信与网络中应用最广泛的一种标准。它适合于数据传输数度在0～20000b/s范围内的点对点数据通信，采用直通方式，双向通信、基本频带、电流环方式，串行传输方式，DCE-DTE间使用的信号形态，交接方式，全双工通信。RS232所用电缆的形状并不固定，但大多使用带屏蔽的24芯电缆。电缆的最大长度为15m。使用RS232在20K位/秒以下的任何速率都能进行数据传输。RS232通信方式的缺点主要包括：①接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接；②传输速度较低，在异步传输时，波特率为20Kbps，因此在很多实际应用中，综合程序波特率只能采用19200；③接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱；④传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。RS485是一种串行物理接口标准，支持一对多通信，所有设备的通信都由主机控制，RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，较长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。Profibus是一种由Siemens公司提出并极力倡导的过程现场总线，Profibus-DP和Frofibus-FMS系列采用RS-485通信标准，传输速率为9.6kbps～12Mbps，传输距离为1200～100m（与传输速率有关）。Profibus是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。CAN（ControlAreaNetwork）现场总线，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO11898）。CAN-bus是一种多主方式的串行同行总线，基本设计规范要求高位速率，高抗电磁干扰性，而且能检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN-bus仍可提供高达5kbps的数据传输速率。CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，总线成本低利用率高。CAN总线遵循ISO/OSI模型,采用了物理层和数据链路层,应用层协议允许用户自行开发，采用短帧结构,最可靠，可采用双绞线、同轴电缆、光缆等传输介质，通讯速率最高1Mb/s,最远通讯距离可达10km，通讯稳定。CAN网络能够实现多主模式，它的通信模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线且CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN-bus总线在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传距离远、低成本等方面具有着明显的优势，因此CAN总线在自动控制领域和对通信可靠性要求较高的领域得到广泛使用。相对于RS485,现场总线CAN-bus具有明显的优势。RS484与CAN-bus比较如表6.1所示。特性RS-485CAN-bus成本低廉稍高，20～50元/节点总线利用率低高网络特性单主网络多主网络数据传输率低高容错机制无可靠的错误处理和检错机制通信失败率高极低节点错误的影响导致整个网络的瘫痪无任何影响通信距离<1.5km可达10km（5kbps）网络测试困难非常容易开发难度大小后期维护成本高低表6.1RS-485与CAN-bus特性比较由于煤矿井下供电系统占地面大，距离长，井下环境较为特殊，高瓦斯、高粉尘、空气潮湿，这就需要井下通讯媒介具有在潮湿、振动、腐蚀和电磁干扰等条件下长周期、连续、可靠完整地传输数据的能力且其本身还得具有安全性能。通过以上对比不难发现CAN通信的优势所在，因此在本设计中我们选择采用CAN-bus现场总线通信作为矿用供电系统面保护的通信方式。6.2矿用供电系统面保护通信单元通信流程本次设计的通信单元充分利用现场测控单元的核心处理芯片TMS320F2812自带的eCAN通信模块。eCAN模块与CAN2.0B协议完全兼容，其最高支持总线通信速率大1Mbps，具有32个邮箱以及在仲裁或错误丢失信息时，自动重发一帧信息，能够保证所发送接收信息的准确性。eCAN的结构框图和接口电路如图所示。图6.1eCAN的结构框图和接口电路通过eCAN模块自身的32独立完全可配置的发送接收邮箱和实时邮递功能，完成信息的实时串行通信。现场测控单元之间可以利用发送接收邮箱通过CAN-bus网络完成信息的交互，而上位机自身不带CAN接口，必须通过协议转换完成上位机与CAN-bus网络的连接。本次设计采用周立功的CAN232MB智能协议转换器完成上位机与CAN-bus总线网络的信息交互。矿用供电面保护通信流程图如图所示。图6.2矿用供电面保护通信流程图6.3CAN232MB智能协议转换器本次所选用周立功CAN232MB智能协议转换器可以快速将RS-232通讯设备连接到CAN-bus网络。协议转换器支持600~11520bps范围的RS-232通讯速率，5Kbps~1Mbps范围的CAN-bus通讯速率。CAN232MB智能转换器为用户的使用提供了足够的灵活性，用户可以根据实际需要设置RS-232通道和CAN-bus通道的通讯参数，能够满足用户在不同应用场合中对于RS-232数据与CAN-bus数据之间转换的要求。CAN232MB智能协议转换器的通讯参数由上位机软件配置，能使用户快速进入高效率的CAN-bus通信应用。CAN232MB的RS-232通道支持多种通讯波特率，范围是600bps~115200bps。CAN-bus通道支持CiA推荐的15种标准通讯波特率和用户自定义波特率，通讯速率范围为5Kbps~1M