專利名稱：煤礦井下高壓開關(guān)智能測控及保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種煤礦井下高壓開關(guān)智能測控及保護(hù)裝置，是對煤礦高 壓電網(wǎng)進(jìn)行測控和綜合保護(hù)的裝置。特別適用于中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線 圈接地的礦井供配電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
公知的傳統(tǒng)高壓開關(guān)保護(hù)裝置由傳感器、信號處理電路、控制單元和信號 輸出電路構(gòu)成。傳感器把電網(wǎng)中的高壓電流、電壓轉(zhuǎn)換成低壓、小電流信號，經(jīng) 信號處理電路濾波整形，由控制單元進(jìn)行邏輯判斷，根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出控制指令， 信號輸出電路通過控制繼電器，使高壓開關(guān)跳閘，從而起到保護(hù)的作用。這樣的 高壓開關(guān)保護(hù)裝置，采用分離元件構(gòu)成，功能少，保護(hù)裝置體積大，保護(hù)效果不 理想。從國外引進(jìn)和目前企業(yè)自主開發(fā)的保護(hù)裝置采用單片機(jī)代替控制單元，但 仍沒有自診斷、人機(jī)對話以及遠(yuǎn)程通信功能，保護(hù)原理和信號處理方式?jīng)]有根本 的改進(jìn)，致使保護(hù)裝置的可靠性、靈活性、抗干擾性、系統(tǒng)性等無法得到保證， 特別是通訊功能的缺乏，使礦井電網(wǎng)系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控等功能無法實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有保護(hù)裝置的不足，本實(shí)用新型提供一種煤礦井下高壓開關(guān)智能 測控及保護(hù)裝置，對煤礦井下高壓開關(guān)進(jìn)行智能測控和保護(hù)。該裝置能實(shí)現(xiàn)煤礦
井下6/10KV高壓開關(guān)柜及其饋出線的短路保護(hù)、接地保護(hù)、監(jiān)視線保護(hù)，測量、 控制、實(shí)時向地面控制室提供設(shè)備的運(yùn)行情況和井下線路負(fù)載的電流、電壓、功 率等參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和集中控制。
本實(shí)用新型是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種煤礦井下高壓開關(guān)智能測控及
保護(hù)裝置，它包括電流傳感器、電壓傳感器、信號處理電路、控制單元、控制信
號輸出電路、鍵盤和顯示電路；電流傳感器和電壓傳感器與信號處理電路的入口 端連接，信號處理電路與控制單元連接，控制信號輸出電路、鍵盤和顯示電路與 控制單元的對應(yīng)接口連接；其特征是控制單元為雙CPU，即由依次連接的主 控制器、RAM存儲器和輔助處理器組成。
工作原理是電流、電壓傳感器把電網(wǎng)中的高壓電流、電壓轉(zhuǎn)換成低壓小電流信號，通過信號處理電路的進(jìn)一步調(diào)理輸入到主處理器(嵌入式CPU)，嵌入 式CPU中集成的高性能A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的 采集，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，確定各電網(wǎng)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并根 據(jù)運(yùn)行狀態(tài)決定是否啟動保護(hù)。同時主處理器還將相關(guān)數(shù)據(jù)和處理結(jié)果存入雙端 口RAM中。輔助處理器(單片機(jī))從RAM存儲器中讀取測量數(shù)據(jù)并傳給地面 控制室的主機(jī)，達(dá)到遙測、遙控的目的。
本實(shí)用新型的有益效果是，在對煤礦井下高壓電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)的同時，實(shí)現(xiàn)電 網(wǎng)各種參數(shù)的循環(huán)動態(tài)顯示并實(shí)時向地面控制室提供設(shè)備的運(yùn)行情況和井下線 路負(fù)載的電流、電壓、功率等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和集中控制。裝置體積小、 結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、保護(hù)效果好，并能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的不開蓋整定。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。


圖1是本實(shí)用新型的電原理框圖2是電壓、電流互感器的原理圖3是信號處理電路原理圖4是CAN通信電路原理圖5是控制信號輸出電路原理閨；
圖6是鍵盤電路原理圖中1、電壓互感器，2、電流互感器，2-1、電壓互感器的輸入端，2-2、 電壓互感器的輸出端，2-3、電流互感器的輸入端，2-4、電流互感器的輸出端, 3、信號處理電路，3-1、信號處理電路輸入端，3-4信號處理電路另一輸入端， 3-2、信號處理電路輸出端a， 3-3、信號處理電路控制輸入端a, 3-5、信號處理 電路輸出端b， 3-6信號處理電路控制輸入端b， 3-7、低通濾波電路，3-8、另一 低通濾波電路，3-9、幅值抬高電路，3-10、另一幅值抬高電路，3-11、采樣保持 電路，3-12、另一采樣保持電路，4、主處理器，5、雙端口RAM， 6、輔處理器， 7、 CAN通信電路，4-1、 CAN通信連接線，4-2、另一 CAN通信連接線，8、 控制信號輸出電路，5-l控制信號輸入端，9、鍵盤電路，6-1、按鍵輸入端a, 6-2、按鍵輸入端b， 6-3、按鍵輸入端c， 6-4按鍵輸入端d， 6-5、輔處理器輸入 端a， 6-6、輔處理器輸入端b， 6-7、輔處理器輸入端c, 6-8、輔處理器輸入端d, 10、顯示電路。
具體實(shí)施方式
如圖l所示，煤礦井下高壓開關(guān)智能測控及保護(hù)裝置由電流傳感器2、電壓 傳感器l、信號處理電路3、控制單元、控制信號輸出電路8、鍵盤9和顯示電 路10組成。電流傳感器和電壓傳感器與信號處理電路的入口端連接，信號處理 電路與控制單元連接，控制信號輸出電路、鍵盤和顯示電路與控制單元的對應(yīng)接 口連接；控制單元為嵌入式雙CPU,即由依次連接的主控制器4、 RAM存儲器 5和輔助處理器6組成。電流傳感器2、電壓傳感器l分別采用電流互感器和電 壓互感器，將電網(wǎng)的數(shù)據(jù)引入控制單元。 一次電流互感器將高壓電路中大電流變 換為小電流，并將高壓和低壓電路隔離，使它們之間不存在電的直接聯(lián)系。二次 互感器采用小型精密交流電壓電流互感器，在額定情況下， 一次電流互感器輸出 電流為5A, 二次電流互感器一次側(cè)電流為5A,這樣使保護(hù)系統(tǒng)和二次回路設(shè)備 的設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。二次回路設(shè)備工作于小電流的情況下，不僅造價 降低、維護(hù)方便，更重要的是保證了操作人員的安全。同樣電壓互感器將高壓轉(zhuǎn) 換為低壓信號，使高壓與低壓信號隔離，保證安全并降低二次回路體積及造價， 并使電壓互感器的二次電壓和一次電壓成正比，正確反應(yīng)一次側(cè)系統(tǒng)電壓的變 化。
如圖2、圖3所示，本實(shí)施例采用了 SPT204A型小型精密電壓互感器和 FLH0-1型小型精密電流互感器作為電壓形成回路的二次互感器。在圖2中，電 壓互感器1采用SPT204A型小型精密電壓互感器，電壓互感器的輸入端2-1與 高壓配電裝置或高壓開關(guān)柜相連，電壓互感器的輸出端2-2與信號處理電路3的 輸入端3-l連接。電流互感器2采用FLH0-1型小型精密電流互感器，電流互感 器的輸入端2-3與髙壓配電裝置或高壓開關(guān)柜相連，電流互感器2的輸出端24 與信號處理電路3的輸入端3-4相連。
在精密電流互感器的出口處經(jīng)過電容接地，在電壓的出口處經(jīng)穩(wěn)壓管接地， 經(jīng)過了這樣的措施就能將竄入模擬通道的高頻信號濾除，防止其干擾系統(tǒng)的正常 工作，還能將電路的信號幅度限制在額定輸出范圍之內(nèi)，防止輸入電壓過高而損 壞測控單元后續(xù)環(huán)節(jié)中的電子器件。
如圖3所示，信號處理電路包括低通濾波電路3-7和另一低通濾波電路 3-8,幅值抬高電路3-9和另一幅值抬高電路3-10、采樣保持電路3-ll和另一釆 樣保持電路3-12幾部分。信號處理電路輸入端3-1與電壓互感器1的輸出端2-1連接，信號處理電 路另一輸入端34與電流互感器2的輸出端2-3連接，信號處理電路輸出端a3-2 和信號處理電路輸出端b3-5分別與主處理器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端連接，信號處理 電路控制輸入端a3-3、信號處理電路控制輸入端b3-6分別與主處理器的輸出端 口連接。
為了減少有源濾波電路中放大器的干擾問題，本實(shí)施例選用二階無源低通 濾波器。低通濾波電路3-7對電壓互感器l的輸出信號濾波、另一低通濾波電路 3-8對電流互感器2的輸出信號濾波。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時候，系統(tǒng)中有很多的 諧波成分，兩個低通濾波器電路的作用就是濾除輸入信號中髙于1/2采樣頻率的 高頻成分。在本實(shí)施例中，對每周波工頻信號進(jìn)行64點(diǎn)采樣，因此可得低通濾 波器的截止頻率最高為1600Hz。
幅值抬高電路3-9對經(jīng)過濾波的電壓互感器l的輸出信號的幅值進(jìn)行抬高， 另一幅值抬高電路3-10對經(jīng)過濾波的電流互感器2的輸出信號的幅值進(jìn)行抬高。
為簡化硬件電路設(shè)計(jì)，本實(shí)施例選用的主處理器內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換器，但 是由于該CPU自帶的A/D是單極性輸入，因此，對于從低通濾波電路而來的模 擬信號而言，其波形是正弦波，存在正負(fù)的區(qū)分，為了能保證A/D很好的處理 輸入進(jìn)來的模擬信號，不至于因?yàn)椴ㄐ蔚恼?fù)而導(dǎo)致計(jì)算錯誤，在實(shí)施例中使用 幅值抬高電路3-9和另一幅值抬高電路3-10。該電路在單極性輸入的A/D系統(tǒng) 設(shè)計(jì)中，可以通用。選擇1,25V作為參考電壓，可以滿足系統(tǒng)抬高模擬量波形幅 值的要求。
采樣保持電路3-11對經(jīng)過濾波、幅值抬高的電壓互感器1的輸出信號進(jìn)行 采樣保持，采樣保持電路3-12對經(jīng)過濾波、幅值抬高的電流互感器2的輸出信 號進(jìn)行采樣保持。
本實(shí)施例中采用LF398采樣保持器，其模擬信號范圍為WL5「之間，捕捉
時間為25/^ (精度為0.01%時)，C"采用聚四氟乙烯電容。3-11、 3-12中，VDD 接高電平+12V， VEE接低電平-12V。 CB為邏輯輸入信號(Logic Input) 3-6， 與主處理器的輸出端口連接，與TTL，. CMOS, PMOS等電平兼容。
本實(shí)施例主處理器4選用意法(ST)公司的嵌入式CPU: STM32F103,該 CPU采用Cortex M3核心，具有高達(dá)72MHz的時鐘，以及90DMips， 1.25DMips/MHz的運(yùn)算速度。STM32F103在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的控制下工作，開機(jī)后運(yùn)行主程序，首 先到雙口 RAM的特定字節(jié)讀常數(shù)標(biāo)志，到特定區(qū)域讀已定義的參數(shù)采集地址， 進(jìn)行循環(huán)檢測。接收到的各采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判斷，確定各電網(wǎng)參數(shù)和 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)和處理結(jié)果存入雙口RAM中，再由輔單片機(jī)隨時 讀出傳送到地面計(jì)算機(jī)中。
主程序每采集一次數(shù)據(jù)就讀一次控制操作命令，無命令則執(zhí)行下一個數(shù)據(jù) 采集操作，有命令則立刻停止正常采集而讀要控制的操作數(shù)據(jù)地址，發(fā)出控制操 作指令，并把該數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的雙口 RAM地址中，再由輔單片機(jī)傳給地面主機(jī)。
當(dāng)電網(wǎng)沒有發(fā)生故障時，主程序一直在循環(huán)地對參數(shù)進(jìn)行采集和處理，然后 根據(jù)處理結(jié)果得出一個合適的控制量。如果收到了控制命令，則根據(jù)計(jì)算機(jī)得到 的控制量給出控制輸出。同時在主程序中，還包括電網(wǎng)過流、過壓、接地等的判 斷，以及斷路器開關(guān)量狀態(tài)的監(jiān)視等。
雙端口 RAM 5選用IDT7007，它是IDT7007公司的32KB的異步高速雙端 口靜態(tài)RAM。它有兩套獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制信號線,，分別與主處理器 4和輔處理器6的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線相連，允許兩個處理器共享其中的數(shù) 據(jù)。
輔處理器6選用STI公司新型的的8032標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核單片機(jī)MCUuPSD3334, 它具有可編程WDT，晶振時鐘為40MHz, 4CL0CK標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，運(yùn)算性能達(dá)到 IOMIPS。它還具有PSD結(jié)構(gòu)16個宏單元，3000門PLD;分頁存儲器訪問； IAP系統(tǒng)應(yīng)用再編程；ISP系統(tǒng)再編程。它具有三個獨(dú)立的存儲器64K、 128K 或256K字節(jié)主Flash存儲器；16K或32K字節(jié)次Flash存儲器；2K、 8K或32K 字節(jié)SRAM存儲器(支持自動后備電池切換)；可編程邏輯可為所有存儲器提供 靈活的地址映射，輔處理器專用于同地面計(jì)算機(jī)通信。
圖4是CAN通信電路原理圖，在主處理器STM32F103中集成有CAN控制 器，只需在外部擴(kuò)展一個CAN收發(fā)器再通過光電隔離就可以直接掛在井下CAN 網(wǎng)上了。本實(shí)施例選用廣州致遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的CTM8251通用CAN隔離收發(fā)器， 其內(nèi)部已集成了光耦、CAN收發(fā)器及限流電阻等。它有8個管腳，接口簡單， 其TXD、 RXD管腳直接和STM32F103的CAN控制器管腳相連即可，4-1、 4-2 與井下CAN網(wǎng)相連。
圖5是控制信號輸出電路原理圖，當(dāng)發(fā)生短路、過載、過壓、欠壓等需要動作于跳閘的故障時，CPU會發(fā)出跳閘指令，通過驅(qū)動中間繼電器來作用于斷
路器，使斷路器跳閘，達(dá)到保護(hù)的目的。本實(shí)施例中，采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的
MC1416芯片來驅(qū)動繼電器的動作，這樣的設(shè)計(jì)使得出口電路的接線簡潔，可靠 性得到了很大的提高。5-1為STM32F103輸出端口連接端。
圖6為鍵盤電路原理圖，本裝置所需的按鍵少，采用獨(dú)立式鍵盤配合軟件 來實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整和保存。圖中，TLP181GB為光電耦合器，作用是隔離外部高 壓和內(nèi)部芯片的聯(lián)系，圖中VDD為12V，該光耦能承受的最大電流為50mA,
所以選擇lk"的電阻作為限流電阻使用。6-1、 6-2、 6-3、 64與按鍵相連，6-5、
6-6、 6-7、 6-8與MCUuPSD3334的輸入端口相連。
本實(shí)施例的顯示電路IO選用金鵬科技出品的OCMJ4X8C。它是一款具有串 /并接口，并且內(nèi)部含有中文字庫圖形點(diǎn)陣的液晶顯示模塊。該模塊的控制/驅(qū)動 器采用臺灣矽創(chuàng)公司的ST7920，具有很強(qiáng)的控制顯示能力。OCMJ4X8C的液晶 屏為128*64點(diǎn)陣，可以顯示4行、每行8個漢字。為了便于簡單方便的顯示漢 字，該模塊具有2Mb的中文字形CGROM，其中含有8192個16*16點(diǎn)陣中文字 庫；同時為了便于英文和其他常用字符的顯示，具有16Kb的16*8點(diǎn)陣的ASCII 字符庫；為了構(gòu)造用戶圖形，提供了一個64*256點(diǎn)陣的GDRAM繪圖區(qū)域，此 外還有4組16*16點(diǎn)陣的造字空間。利用上述功能，OCMJ4X8C可以實(shí)現(xiàn)漢字、 ASCII碼、點(diǎn)陣圖形，自造字體的同屏顯示。為了便于和多種微處理器、單片機(jī) 連接，該模塊提供了4位并行、8位并行、2線串行、3線串行多種接口方式。
在本實(shí)施例中，MCUuPSD3334通過串行接口和液晶顯示模塊連接，可以通 過將該模塊的PSB腳直接接地來選擇其串行接口模式。然后將SID管腳和 MCUuPSD3334串行接口的數(shù)據(jù)輸出端連接，將SCLK和MCUuPSD3334串口的 串行時鐘口連接即可。
本實(shí)用新型具有如下功能
故障診斷可診斷短路、過載、漏電閉鎖、漏電保護(hù)、監(jiān)視線開路、監(jiān)視線 短路、欠壓、過壓等故障，實(shí)時顯示故障信息并記憶。
保護(hù)功能短路保護(hù)、過載保護(hù)、漏電保護(hù)、電纜監(jiān)視保護(hù)、欠壓保護(hù)、過 壓保護(hù)。
測量功能實(shí)時測量并顯示當(dāng)前電網(wǎng)電壓、電流數(shù)值及有功功率。 通訊功能配備CAN標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況
8的實(shí)時上傳，遙控分合閘、遠(yuǎn)方整定和復(fù)位操作。
顯示功能循環(huán)動態(tài)顯示井下電網(wǎng)的電流、電壓、有功功率、無功功率、用 電量、功率因數(shù)和絕緣水平。
其它功能:雙單片機(jī)控制與數(shù)據(jù)傳輸功能，可將電網(wǎng)參數(shù)傳輸?shù)降孛婵刂剖? 數(shù)據(jù)存儲不少于一天；具有看門狗和電源監(jiān)視電路，系統(tǒng)安全、可靠。
權(quán)利要求1、一種煤礦井下高壓開關(guān)智能測控及保護(hù)裝置，它包括電流傳感器(2)、電壓傳感器(1)、信號處理電路(3)、控制單元、控制信號輸出電路(8)、鍵盤(9)和顯示電路(10)；電流傳感器(2)和電壓傳感器(1)與信號處理電路(3)的輸入端連接，信號處理電路(3)與控制單元連接，控制信號輸出電路(8)、鍵盤(9)和顯示電路(10)與控制單元的對應(yīng)接口連接；其特征是控制單元為雙CPU，即由依次連接的主處理器(4)、RAM存儲器(5)和輔助處理器(6)組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下高壓開關(guān)智能測控及保護(hù)裝置，其特征 是主處理器(4)為嵌入式CPU,輔助處理器(6)為單片機(jī)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦井下高壓開關(guān)智能測控及保護(hù)裝置，其特征 是RAM存儲器(5)為雙端口RAM存儲器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種煤礦井下高壓開關(guān)智能測控及保護(hù)裝置，屬煤礦高壓電網(wǎng)綜合保護(hù)裝置。由傳感器、信號處理電路、主處理器、雙端口存儲器、輔助處理器、嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)和相關(guān)控制軟件等組成。用于煤礦井下6/10kV高壓開關(guān)柜及其饋出線的短路保護(hù)、接地保護(hù)、監(jiān)視線保護(hù)，測量、控制、實(shí)時向地面控制室提供設(shè)備的運(yùn)行情況和井下線路負(fù)載的電流、電壓、功率等參數(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和集中控制。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)更安全、可靠，并實(shí)現(xiàn)了不開蓋參數(shù)整定。
文檔編號H02J13/00GK201341023SQ200820161020
公開日2009年11月4日 申請日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者劉建華, 劉紅玲, 翔 唐 申請人:徐州工程學(xué)院