. . .低压馈电开关智能测控单元的设计软件设计毕业论文目 录1 绪 论11.1研究低压馈电开关智能测控单元的意义11.2低压馈电开关智能测控单元的基本要求11.3低压馈电开关的研究现状及发展趋势11.3.1国外低压馈电开关的发展现状11.3.2低压馈电开关的发展趋势21.4研究微机型智能测控单元的必要性41.5本文分析的主要容42 低压电网故障保护原理52.1概述52.2漏电保护52.2.1低压电网漏电故障特征62.2.2漏电保护原理92.2.3漏电闭锁电阻值与动作值的确定122.3短路保护132.3.1短路故障特征132.3.2短路故障保护原理142.4过负荷保护182.4.1过负荷特征182.4.2过负荷保护原理182.5过压与欠压保护192.5.1过压保护192.5.2欠压保护212.6本章小结213 智能测控单元硬件设计223.1总体方案223.2馈电开关测控单元硬件模块233.2.1数据采集模块233.2.2开关量输入模块243.2.3开关量输出模块253.2.4人机接口模块253.2.5通信模块273.3外扩芯片地址分配283.4本章小结284 智能测控单元软件设计294.1保护参数软件算法294.1.1傅立叶算法原理294.1.2克服衰减分量的基频幅值算法314.2软件概述354.2.1软件设计原则354.2.2软件结构364.2.3软件设计流程364.3软件组成364.3.1主控程序364.3.2各功能模块设计374.4提高运算速度的程序设计方法494.5本章小结505 智能测控单元抗干扰设计515.1概述515.2主要的干扰源及危害515.2.1干扰的来源515.2.2干扰的危害525.3硬件抗干扰525.3.1电源抗干扰525.3.2通道抗干扰535.3.3空间电磁抗干扰535.3.4CPU抗干扰535.4软件抗干扰535.5本章小结546 系统调试556.1概述556.2保护功能调试556.2.1合闸前调试556.2.2合闸后调试566.3本章小结587 总结59参考文献60翻译部分61致 谢70.参考资料. . .1 绪 论1.1研究低压馈电开关智能测控单元的意义 煤矿井下工作环境恶劣，空气潮湿，温度较高，因此低压电网经常会出现漏电和单相接地故障，故障若不及时排除，电网绝缘将会承受线电压，长期运行将导致绝缘击穿，发展成三相或两相短路故障。另外，在接地点出现的电弧和电火花能量会导致煤尘、瓦斯爆炸，直接危及人身安全。矿用隔爆馈电开关适用于含有瓦斯或煤尘等爆炸危险环境的矿井中，作为配电开关使用，是煤矿井下配电系统的关键设备，其性能好坏直接影响着煤矿井下的生产安全和生产效率。随着电子信息技术的发展，隔爆馈电开关趋向智能化。而我国目前大部分矿井馈电开关仍然是早期非智能化产品，主要有两类：1.DW80型空气断路器馈电开关，其保护是电磁式，不能电动合闸，由于保护不完善，逐渐被淘汰；2.各种新型的真空馈电开关，其保护一般为模拟电子线路或微机数字式保护，由于数字技术具有无可比拟的优越性，微机智能保护将是低压馈电开关和低压供电系统综合自动化的发展方向。随着我国对煤炭需求量的增大，矿井供电安全可靠性与提高煤炭生产效率的矛盾越来越突出，因此研发高水平、高性能的智能开关已势在必行。1.2低压馈电开关智能测控单元的基本要求 根据低压馈电开关在煤矿井下供电系统中的重要作用，参考煤矿安全规程，对低压馈电开关智能测控单元系统提出以下几点要求： (1)可靠性 保护系统能准确判断电网的故障类型，可靠执行相应的操作。 (2)大容量 现代化科学技术飞速发展煤矿产量不断提高，用电量成倍增长。低压馈电开关作为煤矿井下重要设备其容量应有较大的提升。 (3)快速性 当保护围发生故障后，保护系统应快速反应，防止故障围扩大，降低电气设备的损坏程度。 (4)灵敏度 保护系统应具有较强反应故障的能力。即不论在保护围的始端还是在保护围的末端发生故障，保护系统均应准确反应，甚至在后备保护围发生故障时，也应具有一定的反应能力。1.3低压馈电开关的研究现状及发展趋势1.3.1国外低压馈电开关的发展现状 国的低压馈电开关，从保护的硬件来看，主要经历了机电式、半导体式和微型计算机式等发展阶段。上世纪50年代以前，我国矿用低压馈电开关主要是从苏联引进，后来虽然对其进行了改进，但其技术性能差，寿命短，故障多，保护不完善，且分断容量小，配套能力差的情况没有得到本质改善。我国在70年代末引进一大批国外产品，有德国、英国、波兰、美国和日本的产品，但由于有些国家井下供电方式与我国不同，致使进口设备没能发挥其应有的作用，另外其价格昂贵，配件周期长，不利于推广使用。在上世纪90年代初，我国在引进外来技术的基础上，自行开发了BKD系列矿用隔爆型真空馈电开关，该馈电开关的保护系统属于半导体式，尽管在保护性能和动作指标上都明显优于机电式保护装置，但由于其所用元件的分散性，在可靠性和保护性能方面仍不能满足生产实际需要。目前，我国市场上的低压馈电开关是经过改进了的BKD系列，该开关已经有采用微机作为中央控制单元的，使控制电路大大简化，单一插件就可完成控制与保护功能，但是由于此馈电开关的短路保护采用鉴幅式原理，在保护围和灵敏度方面存在冲突，动作整定值的确定比较困难，整定值过小，大电机起动时保护误动，整定值过大，线路末端短路时保护可能拒动，不利于可靠供电。 国外，早在上世纪二三十年代，德国、英国等采煤技术发达的国家已先后开展了矿井电气安全的研究工作。经过几十年的发展，国外在这个领域的研究取得了很大的进步，智能隔爆型电气设备在煤矿井下得到了广泛的应用。最近几年，微型机算机在煤矿井下的应用发展较快，从北京国际煤炭博览会上看，1995年国外防爆开关实现微机测控的仅有英国Allenwest公司等少数几个厂家。到1997年，大部分国外厂家的馈电开关与磁力起动器均已采用微机测控。例如：德国西门子公司生产的Siprotec 4系列多功能保护继电器，不仅具有完善的保护功能，而且能够提供友好的人机界面。1.3.2低压馈电开关的发展趋势 随着科学技术的发展，矿井自动化水平不断提高，现有智能馈电开关不能完全适应不断发展的电网运行状况，于是研究人员提出了以下几点发展意见： (1)大容量空气型馈电开关的开发 近年来，采用国先进技术及引进国外先进技术生产的电器元件相继投入批量生产，为成套配电设备的更新换代提供了良好的技术基础，例如ABB、日本峙奇公司、德国西门子公司等均在国有国产化的产品，是地面配电设备的优选产品，部分产品也用于煤矿井下。尤其是国产化的空气断路器，不但成本低，而且各项技术指标均远远优于过去的老式断路器。例如：引进日本峙奇公司技术生产的TG-600B高分断能力断路器，其分断能力在20kA以上，分断时间小于30ms额定电流达600A (600V)，机械寿命0.4万次，电寿命0.1万次(380V)，并集短路、失压、过载保护于一体，体积小，重量轻，用该断路器做成的低压馈电开关是煤矿井下强有力的配套开关。 (2)真空断路器用于低压馈电开关 真空开关电器是60年代以后迅速发展起来的一种新型开关设备。它具备其它类型开关电器所不及的高耐压强度，高分断能力、长寿命及结构简单、体积小、重量轻、电弧不外喷、检修周期长、维修工作量小等优点，在国际上已被推崇为“触头之王”。但此类产品存在的问题也不容忽视：真空断路器触头封装在真空管中，并且要想使灭弧系统正常工作必须使真空管保持一定的真空度，但是真空开关管存在着慢性漏气问题，一旦其真空度下降到一定程度，其后果将是雪崩式的，不堪设想。所以，增加保护措施，提高真空管的制造工艺及检测水平非常重要。近二十年来新发展起来的真空断路器，其制造水平，尤其是真空灭弧室的制造水平有了显著提高。因为其工作可靠性高、分断能力强、互换性好等优点，被井下低压供电系统广泛采用，特别是为大电流馈电开关的安全运行提供了保障。 (3)电磁兼容性的发展 随着智能电器技术的不断发展，对电磁兼容性(EMC)也提出了更高的要求。EMC要求包括两种含义：一方面要求智能馈电开关在使用场合工作时，不受外界电磁干扰而引起误动作；而另一方面要求开关操作所产生的电磁场不干扰附近的电子设备。目前国外对智能电器和机电一体化产品的EMC问题非常重视，因为电磁干扰会引起这类系统失灵而误动作，会造成巨大的经济损失。比如美国和加拿大2003年8月的大停电事故，造成直接经济损失就达上百亿美元，从而引发了人们对电力保护以及保护在抗干扰能力方面的重视。所以国外智能电器及其测控系统在设计初始阶段就制定了严格的电磁兼容控制与管理计划。该计划主要包括产品或系统EMC分析，制定EMC设计技术指标、设计计划、标准、实施计划与测试方法等，并把这一计划作为产品或系统设计的重要一环。EMC分析包括电子线路的辐射程度、抗干扰能力以及系统集成的电磁兼容性能；EMC设计包括电磁屏蔽、接地、导线间距确定以及印刷电路板布线之间的电磁耦合等。 目前随着高频电磁场数字分析和计算机硬件的发展，采用现代仿真技术取代传统的测试方法和经验分析方法，已在EMC分析中起到越来越大的作用。 (4)馈电开关的实时监控 随着电子技术的发展和采煤技术自动化程度的提高，矿井安全检测监控技术的数字化、智能化已经成为现代化矿井发展的必然趋势。馈电开关的运行状态对矿井的安全生产起着非常重要的作用，因此为了实时检测馈电开关的运行状况，开发一种具有通讯功能的智能化馈电开关以组成监控网络对确保矿井安全供电具有重要的现实意义，并必然成为一种发展方向。1.4研究微机型智能测控单元的必要性 随着煤矿井下机械化和自动化水平的提高，供电方式的改变与容量的增大，对控制单元的要求也相应提高。从1997年国际煤炭博览会上可以看出，国外矿用控制开关不断更新，大多采用微机控制，充分发挥计算机灵活、快速、准确的特点，使其在性能和功能方面都显著优于传统的保护系统。而我国在这一方面的研究工作相对比较落后，只有少量的馈电开关采用微机控制，但无论在性能还是人机交互方面都明显存在缺陷。首先是开关的分断能力小、速度慢，保护动作时间长，性能不稳定，尤其是过载动作时间具有阶段性；其次短路故障大多采用鉴幅式保护原理，在保护围和灵敏度方面存在冲突；第三是系统参数的整定极不方便，使微机的许多功能没有发挥出来。 针对以上这些情况，研制低压馈电开关智能测控单元，将微机保护推广应用于煤矿井下，进一步提高保护性能，满足煤矿生产发展的需要，成为本课题的研究目的。1.5本文分析的主要容 针对上面分析的研究微机型智能测控单元的必要性，通过查阅大量文献，结合现场实际情况，确定本文研究的主要容如下：(1)分析煤矿井下供电系统的工作方式及低压电网发生故障时的故障特征，提出有针对性的保护原理。(2)通过对保护原理的分析，开发以单片机Inte180C196KC为核心的智能测控单元，编制软件并建立液晶显示系统和通讯系统。 (3)针对煤矿井下恶劣环境下的各种干扰源，提出有针对性的抗干扰措施，以提高测控综合保护系统工作的可靠性。 2 低压电网故障保护原理 2.1概述 本文所设