CN201341023Y - 煤矿井下高压开关智能测控及保护装置 - Google Patents

煤矿井下高压开关智能测控及保护装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种煤矿井下高压开关智能测控及保护装置，属煤矿高压电网综合保护装置。由传感器、信号处理电路、主处理器、双端口存储器、辅助处理器、嵌入式实时操作系统和相关控制软件等组成。用于煤矿井下6/10kV高压开关柜及其馈出线的短路保护、接地保护、监视线保护，测量、控制、实时向地面控制室提供设备的运行情况和井下线路负载的电流、电压、功率等参数，通过网络还可以实现远程监视和集中控制。优点是系统更安全、可靠，并实现了不开盖参数整定。

Description

煤矿井下高压开关智能测控及保护装置
技术领域
本实用新型涉及一种煤矿井下高压开关智能测控及保护装置，是对煤矿高压电网进行测控和综合保护的装置。特别适用于中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的矿井供配电系统。
背景技术
公知的传统高压开关保护装置由传感器、信号处理电路、控制单元和信号输出电路构成。传感器把电网中的高压电流、电压转换成低压、小电流信号，经信号处理电路滤波整形，由控制单元进行逻辑判断，根据处理结果发出控制指令，信号输出电路通过控制继电器，使高压开关跳闸，从而起到保护的作用。这样的高压开关保护装置，采用分离元件构成，功能少，保护装置体积大，保护效果不理想。从国外引进和目前企业自主开发的保护装置采用单片机代替控制单元，但仍没有自诊断、人机对话以及远程通信功能，保护原理和信号处理方式没有根本的改进，致使保护装置的可靠性、灵活性、抗干扰性、系统性等无法得到保证，特别是通讯功能的缺乏，使矿井电网系统的遥测、遥信、遥控等功能无法实现。
发明内容
为了克服现有保护装置的不足，本实用新型提供一种煤矿井下高压开关智能测控及保护装置，对煤矿井下高压开关进行智能测控和保护。该装置能实现煤矿井下6/10KV高压开关柜及其馈出线的短路保护、接地保护、监视线保护，测量、控制、实时向地面控制室提供设备的运行情况和井下线路负载的电流、电压、功率等参数，通过网络还可以实现远程监视和集中控制。
本实用新型是以如下技术方案实现的：一种煤矿井下高压开关智能测控及保护装置，它包括电流传感器、电压传感器、信号处理电路、控制单元、控制信号输出电路、键盘和显示电路；电流传感器和电压传感器与信号处理电路的入口端连接，信号处理电路与控制单元连接，控制信号输出电路、键盘和显示电路与控制单元的对应接口连接；其特征是：控制单元为双CPU，即由依次连接的主控制器、RAM存储器和辅助处理器组成。
工作原理是：电流、电压传感器把电网中的高压电流、电压转换成低压小电流信号，通过信号处理电路的进一步调理输入到主处理器(嵌入式CPU)，嵌入式CPU中集成的高性能A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，实现各参数的采集，并对采集的数据进行处理和判断，确定各电网参数和设备运行状态，并根据运行状态决定是否启动保护。同时主处理器还将相关数据和处理结果存入双端口RAM中。辅助处理器(单片机)从RAM存储器中读取测量数据并传给地面控制室的主机，达到遥测、遥控的目的。
本实用新型的有益效果是，在对煤矿井下高压电网进行保护的同时，实现电网各种参数的循环动态显示并实时向地面控制室提供设备的运行情况和井下线路负载的电流、电压、功率等参数，从而实现远程监视和集中控制。装置体积小、结构简单、可靠性高、保护效果好，并能实现参数的不开盖整定。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的电原理框图；
图2是电压、电流互感器的原理图；
图3是信号处理电路原理图；
图4是CAN通信电路原理图；
图5是控制信号输出电路原理图；
图6是键盘电路原理图；
图中1、电压互感器，2、电流互感器，2-1、电压互感器的输入端，2-2、电压互感器的输出端，2-3、电流互感器的输入端，2-4、电流互感器的输出端，3、信号处理电路，3-1、信号处理电路输入端，3-4信号处理电路另一输入端，3-2、信号处理电路输出端a，3-3、信号处理电路控制输入端a，3-5、信号处理电路输出端b，3-6信号处理电路控制输入端b，3-7、低通滤波电路，3-8、另一低通滤波电路，3-9、幅值抬高电路，3-10、另一幅值抬高电路，3-11、采样保持电路，3-12、另一采样保持电路，4、主处理器，5、双端口RAM，6、辅处理器，7、CAN通信电路，4-1、CAN通信连接线，4-2、另一CAN通信连接线，8、控制信号输出电路，5-1控制信号输入端，9、键盘电路，6-1、按键输入端a，6-2、按键输入端b，6-3、按键输入端c，6-4按键输入端d，6-5、辅处理器输入端a，6-6、辅处理器输入端b，6-7、辅处理器输入端c，6-8、辅处理器输入端d，10、显示电路。
具体实施方式
如图1所示，煤矿井下高压开关智能测控及保护装置由电流传感器2、电压传感器1、信号处理电路3、控制单元、控制信号输出电路8、键盘9和显示电路10组成。电流传感器和电压传感器与信号处理电路的入口端连接，信号处理电路与控制单元连接，控制信号输出电路、键盘和显示电路与控制单元的对应接口连接；控制单元为嵌入式双CPU，即由依次连接的主控制器4、RAM存储器5和辅助处理器6组成。电流传感器2、电压传感器1分别采用电流互感器和电压互感器，将电网的数据引入控制单元。一次电流互感器将高压电路中大电流变换为小电流，并将高压和低压电路隔离，使它们之间不存在电的直接联系。二次互感器采用小型精密交流电压电流互感器，在额定情况下，一次电流互感器输出电流为5A，二次电流互感器一次侧电流为5A，这样使保护系统和二次回路设备的设计、制造标准化、系列化。二次回路设备工作于小电流的情况下，不仅造价降低、维护方便，更重要的是保证了操作人员的安全。同样电压互感器将高压转换为低压信号，使高压与低压信号隔离，保证安全并降低二次回路体积及造价，并使电压互感器的二次电压和一次电压成正比，正确反应一次侧系统电压的变化。
如图2、图3所示，本实施例采用了SPT204A型小型精密电压互感器和FLH0-1型小型精密电流互感器作为电压形成回路的二次互感器。在图2中，电压互感器1采用SPT204A型小型精密电压互感器，电压互感器的输入端2-1与高压配电装置或高压开关柜相连，电压互感器的输出端2-2与信号处理电路3的输入端3-1连接。电流互感器2采用FLH0-1型小型精密电流互感器，电流互感器的输入端2-3与高压配电装置或高压开关柜相连，电流互感器2的输出端2-4与信号处理电路3的输入端3-4相连。
在精密电流互感器的出口处经过电容接地，在电压的出口处经稳压管接地，经过了这样的措施就能将窜入模拟通道的高频信号滤除，防止其干扰系统的正常工作，还能将电路的信号幅度限制在额定输出范围之内，防止输入电压过高而损坏测控单元后续环节中的电子器件。
如图3所示，信号处理电路包括低通滤波电路3-7和另一低通滤波电路3-8，幅值抬高电路3-9和另一幅值抬高电路3-10、采样保持电路3-11和另一采样保持电路3-12几部分。
信号处理电路输入端3-1与电压互感器1的输出端2-1连接，信号处理电路另一输入端3-4与电流互感器2的输出端2-3连接，信号处理电路输出端a3-2和信号处理电路输出端b3-5分别与主处理器的A/D转换输入端连接，信号处理电路控制输入端a3-3、信号处理电路控制输入端b3-6分别与主处理器的输出端口连接。
为了减少有源滤波电路中放大器的干扰问题，本实施例选用二阶无源低通滤波器。低通滤波电路3-7对电压互感器1的输出信号滤波、另一低通滤波电路3-8对电流互感器2的输出信号滤波。当电网出现故障的时候，系统中有很多的谐波成分，两个低通滤波器电路的作用就是滤除输入信号中高于1/2采样频率的高频成分。在本实施例中，对每周波工频信号进行64点采样，因此可得低通滤波器的截止频率最高为1600Hz。
幅值抬高电路3-9对经过滤波的电压互感器1的输出信号的幅值进行抬高，另一幅值抬高电路3-10对经过滤波的电流互感器2的输出信号的幅值进行抬高。
为简化硬件电路设计，本实施例选用的主处理器内部自带A/D转换器，但是由于该CPU自带的A/D是单极性输入，因此，对于从低通滤波电路而来的模拟信号而言，其波形是正弦波，存在正负的区分，为了能保证A/D很好的处理输入进来的模拟信号，不至于因为波形的正负而导致计算错误，在实施例中使用幅值抬高电路3-9和另一幅值抬高电路3-10。该电路在单极性输入的A/D系统设计中，可以通用。选择1.25V作为参考电压，可以满足系统抬高模拟量波形幅值的要求。
采样保持电路3-11对经过滤波、幅值抬高的电压互感器1的输出信号进行采样保持，采样保持电路3-12对经过滤波、幅值抬高的电流互感器2的输出信号进行采样保持。
本实施例中采用LF398采样保持器，其模拟信号范围为±11.5V之间，捕捉时间为25μs(精度为0.01％时)，CH采用聚四氟乙烯电容。3-11、3-12中，VDD接高电平+12V，VEE接低电平-12V。CB为逻辑输入信号(Logic Input)3-6，与主处理器的输出端口连接，与TTL，CMOS，PMOS等电平兼容。
本实施例主处理器4选用意法(ST)公司的嵌入式CPU：STM32F103，该CPU采用Cortex M3核心，具有高达72MHz的时钟，以及90DMips，1.25DMips/MHz的运算速度。
STM32F103在嵌入式实时操作系统的控制下工作，开机后运行主程序，首先到双口RAM的特定字节读常数标志，到特定区域读已定义的参数采集地址，进行循环检测。接收到的各采集数据，进行数据处理和判断，确定各电网参数和设备运行状态，并将相关数据和处理结果存入双口RAM中，再由辅单片机随时读出传送到地面计算机中。
主程序每采集一次数据就读一次控制操作命令，无命令则执行下一个数据采集操作，有命令则立刻停止正常采集而读要控制的操作数据地址，发出控制操作指令，并把该数据写入相应的双口RAM地址中，再由辅单片机传给地面主机。
当电网没有发生故障时，主程序一直在循环地对参数进行采集和处理，然后根据处理结果得出一个合适的控制量。如果收到了控制命令，则根据计算机得到的控制量给出控制输出。同时在主程序中，还包括电网过流、过压、接地等的判断，以及断路器开关量状态的监视等。
双端口RAM 5选用IDT7007，它是IDT7007公司的32KB的异步高速双端口静态RAM。它有两套独立的地址线、数据线和控制信号线，，分别与主处理器4和辅处理器6的地址线、数据线和控制线相连，允许两个处理器共享其中的数据。
辅处理器6选用STI公司新型的的8032标准内核单片机MCUuPSD3334，它具有可编程WDT，晶振时钟为40MHz，4CLOCK标准内核，运算性能达到10MIPS。它还具有PSD结构：16个宏单元，3000门PLD分页存储器访问；IAP系统应用再编程；ISP系统再编程。它具有三个独立的存储器：64K、128K或256K字节主Flash存储器；16K或32K字节次Flash存储器；2K、8K或32K字节SRAM存储器(支持自动后备电池切换)；可编程逻辑可为所有存储器提供灵活的地址映射，辅处理器专用于同地面计算机通信。
图4是CAN通信电路原理图，在主处理器STM32F103中集成有CAN控制器，只需在外部扩展一个CAN收发器再通过光电隔离就可以直接挂在井下CAN网上了。本实施例选用广州致远公司生产的CTM8251通用CAN隔离收发器，其内部已集成了光耦、CAN收发器及限流电阻等。它有8个管脚，接口简单，其TXD、RXD管脚直接和STM32F103的CAN控制器管脚相连即可，4-1、4-2与井下CAN网相连。
图5是控制信号输出电路原理图，当发生短路、过载、过压、欠压等需要动作于跳闸的故障时，CPU会发出跳闸指令，通过驱动中间继电器来作用于断路器，使断路器跳闸，达到保护的目的。本实施例中，采用摩托罗拉公司生产的MC1416芯片来驱动继电器的动作，这样的设计使得出口电路的接线简洁，可靠性得到了很大的提高。5-1为STM32F103输出端口连接端。
图6为键盘电路原理图，本装置所需的按键少，采用独立式键盘配合软件来实现参数的调整和保存。图中，TLP181GB为光电耦合器，作用是隔离外部高压和内部芯片的联系，图中VDD为12V，该光耦能承受的最大电流为50mA，所以选择1kΩ的电阻作为限流电阻使用。6-1、6-2、6-3、6-4与按键相连，6-5、6-6、6-7、6-8与MCUuPSD3334的输入端口相连。
本实施例的显示电路10选用金鹏科技出品的OCMJ4X8C。它是一款具有串/并接口，并且内部含有中文字库图形点阵的液晶显示模块。该模块的控制/驱动器采用台湾矽创公司的ST7920，具有很强的控制显示能力。OCMJ4X8C的液晶屏为128*64点阵，可以显示4行、每行8个汉字。为了便于简单方便的显示汉字，该模块具有2Mb的中文字形CGROM，其中含有8192个16*16点阵中文字库；同时为了便于英文和其他常用字符的显示，具有16Kb的16*8点阵的ASCII字符库；为了构造用户图形，提供了一个64*256点阵的GDRAM绘图区域，此外还有4组16*16点阵的造字空间。利用上述功能，OCMJ4X8C可以实现汉字、ASCII码、点阵图形，自造字体的同屏显示。为了便于和多种微处理器、单片机连接，该模块提供了4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。
在本实施例中，MCUuPSD3334通过串行接口和液晶显示模块连接，可以通过将该模块的PSB脚直接接地来选择其串行接口模式。然后将SID管脚和MCUuPSD3334串行接口的数据输出端连接，将SCLK和MCUuPSD3334串口的串行时钟口连接即可。
本实用新型具有如下功能：
故障诊断：可诊断短路、过载、漏电闭锁、漏电保护、监视线开路、监视线短路、欠压、过压等故障，实时显示故障信息并记忆。
保护功能：短路保护、过载保护、漏电保护、电缆监视保护、欠压保护、过压保护。
测量功能：实时测量并显示当前电网电压、电流数值及有功功率。
通讯功能：配备CAN标准通讯接口，内置标准通讯协议，可实现运行工况的实时上传，遥控分合闸、远方整定和复位操作。
显示功能：循环动态显示井下电网的电流、电压、有功功率、无功功率、用电量、功率因数和绝缘水平。
其它功能：双单片机控制与数据传输功能，可将电网参数传输到地面控制室；数据存储不少于一天；具有看门狗和电源监视电路，系统安全、可靠。

Claims (3)

1、一种煤矿井下高压开关智能测控及保护装置，它包括电流传感器(2)、电压传感器(1)、信号处理电路(3)、控制单元、控制信号输出电路(8)、键盘(9)和显示电路(10)；电流传感器(2)和电压传感器(1)与信号处理电路(3)的输入端连接，信号处理电路(3)与控制单元连接，控制信号输出电路(8)、键盘(9)和显示电路(10)与控制单元的对应接口连接；其特征是：控制单元为双CPU，即由依次连接的主处理器(4)、RAM存储器(5)和辅助处理器(6)组成。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下高压开关智能测控及保护装置，其特征是：主处理器(4)为嵌入式CPU，辅助处理器(6)为单片机。
3、根据权利要求1所述的煤矿井下高压开关智能测控及保护装置，其特征是：RAM存储器(5)为双端口RAM存储器。
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