嵌入式高壓隔爆開關(guān)微機保護測控系統(tǒng)的研究方案

　　1 引言
　　高壓隔爆開關(guān)是煤礦井下供電的關(guān)鍵設(shè)備，開發(fā)高性能的集保護、測量、控制、通信于一體的高壓隔爆開關(guān)微機保護測控單元對提高煤礦井下供電質(zhì)量和保護井下的人員安全有非常重要的意義[3]。
　　目前。國內(nèi)許多高壓開關(guān)測控系統(tǒng)主要采用16 位單片或者8 位單片機＋DPS 雙CPU 構(gòu)成現(xiàn)場測控單元，通過RS-485，CAN 總線等通訊方式與主控室工作站構(gòu)成測控系統(tǒng)。然而，由于這些單片機系統(tǒng)缺乏操作系統(tǒng)的支持，因此難以形成模塊化程度高，便于維護和升級的軟硬件系統(tǒng)。同時，隨著配電網(wǎng)尤其是礦山配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性要求的進一步提高，測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的要求也越來越高。近年來，32 位單片機越來越受到人們重視，尤其是擁有豐富外設(shè)的ARM32 位MCU。
　　2 ARM 嵌入式技術(shù)在本系統(tǒng)中的應(yīng)用
　　近年來，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展越來越快，并以其獨特的優(yōu)勢在各控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
　　廣義上講，嵌入式系統(tǒng)是指將單片機，DSP，MCU 等在某方面功能得到強化而在其他方面功能弱化的能嵌入到設(shè)備內(nèi)部來控制設(shè)備的專用CPU，是相對于普通PC 機內(nèi)的通用CPU而言的。隨著軟件系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被理解為可以移植并運行實時操作系統(tǒng)（RTOS）的微控制器，在這方面ARM 技術(shù)在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。
　　Cortex M3 是ARM 公司推出的一款新型內(nèi)核，它具有最高可達72MHZ 的工作頻率，并內(nèi)嵌單周期硬件乘法和除法器，這對提高計算速度有重大意義。該內(nèi)核一經(jīng)公布便被ST（意法半導(dǎo)體）公司購入。在這個內(nèi)核的基礎(chǔ)上，ST 公司推出了STM32F103 系列微控制器。
　　該系列微控制器具有豐富的外設(shè)：從32K 到128 字節(jié)的閃存程序存儲器，6K 到20K 字節(jié)的SRAM；兩個12 位16 通道的AD；7 通道DMA 控制器；最多可達80 個快速I/O 口；7 個定時器；2 個I2C 接口；3 個USART 接口；2 個SPI 同步串行接口；CAN 控制器；USB 接口；并可擴展SD/MMC 存儲卡。國際著名的軟件開發(fā)工具KEIL 支持該系列芯片，針對每一款微控制器都給出了起動代碼和底層驅(qū)動程序，這無疑是一個巨大的優(yōu)勢。
　　3 系統(tǒng)的主要功能
　　3.1 電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集
　　該微控制器內(nèi)置了兩個12 位16 通道的高速AD 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)測試，精度及速度都滿足要求。因此該保護系統(tǒng)無須外擴AD 芯片，直接采用CPU 內(nèi)置的AD 轉(zhuǎn)換器即可。本系統(tǒng)采集電網(wǎng)三相電壓，兩相電流，零序電壓和電流，監(jiān)視線電壓和電流；并計算出有功功率、無功功率，功率因數(shù)等電網(wǎng)數(shù)據(jù)，稍加改進即可實現(xiàn)電能采集。
　　3.2 保護功能
　　(1).電流保護：本裝置設(shè)計了三段式電流保護。所謂三段式電流保護，即電流速斷保護+限時電流速斷保護+反時限電流保護（或者定時限過電流保護）。其中，電流速斷保護和限時電流速斷保護構(gòu)成線路的主保護，反時限電流或者定時限過電流保護作為后備保護使用。
　　(2).監(jiān)視線保護：所謂監(jiān)視線保護，就是監(jiān)視雙屏蔽電纜的監(jiān)視線和接地線之間有無短路或監(jiān)視線和接地線有無短線故障的一種保護。本設(shè)計選擇終端加電阻的低頻交流監(jiān)視線保護原理，這種方法可以通過數(shù)學(xué)的措施大幅度的提高監(jiān)視線保護的抗干擾能力。
　　(3).選擇性漏電保護：現(xiàn)在井下供電系統(tǒng)廣泛采取中性點經(jīng)消弧線圈方式，同時中性點不接地系統(tǒng)也存在著，本文針對這兩種不同的方式分別選擇不同的選擇性漏電保護原理。
　　在中性點不接地系統(tǒng)中，采用零序功率方向型漏電保護方法；在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，采用消弧線圈并聯(lián)電阻的方法實現(xiàn)漏電保護以及接地選線。
　　(4).欠壓保護：當電網(wǎng)進線電壓不足額定值的65%(可定值整定)時，跳開開關(guān)[4]；(5).過壓保護：當電網(wǎng)進線電壓超過額定值的118%(可定值整定)時，跳開開關(guān)；(6).其它保護：本系統(tǒng)同時還具有風(fēng)電閉鎖和瓦斯閉鎖功能。
　　3.3 故障追憶和故障錄波功能
　　裝置在完成保護功能的同時，可實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)記憶功能，為故障進一步分析提供依據(jù)。
　　故障信息還包括累計跳閘次數(shù)及其相應(yīng)的故障類型，故障時間和故障數(shù)據(jù)，故障追憶多達99 次。同時，本微控制器支持SD/MMC 存儲卡接口，能外接相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲卡，可以輕松應(yīng)對故障錄波的大容量數(shù)據(jù)存儲要求。
　　3.4 通信功能
　　該微控制器自帶CAN 控制器，只需外接收發(fā)裝置即可實現(xiàn)CAN 通信。如果沒有現(xiàn)場CAN 總線通信網(wǎng)絡(luò)，該微控制器內(nèi)部集成的有3 個USART，可以通過外加控制芯片來實現(xiàn)RS-232 和RS-485 通信系統(tǒng)。在設(shè)計時候可以根據(jù)不同現(xiàn)場進行不同設(shè)計剪裁[1]。
　　需要指出的是，本系統(tǒng)所使用的CPU 同時含有以太網(wǎng)模塊，如果在實際應(yīng)用中需要通過以太網(wǎng)進行通訊，只需對相應(yīng)的模塊進行編程即可，無須更換硬件。
　　4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
　　高壓開關(guān)微機保護測控單元的硬件結(jié)構(gòu)是根據(jù)保護的要求而設(shè)計的。原理框圖如下：
　　采用插件式電路板的設(shè)計思路。整個硬件系統(tǒng)分為核心電路板，外圍電路板和連接電路板三部分。核心板包括了一塊STM32F103 為控制器，一片含EEPROM、看門狗電路、時鐘的外圍芯片，一片內(nèi)部帶光電隔離的CAN 收發(fā)電路芯片；外圍板上其上放置所有的數(shù)據(jù)采集通道、各種實驗電路以及連接人機接口的插件；連接電路板上沒有芯片，只有線路和插槽，這樣的設(shè)計即方便了控制器內(nèi)部的安裝又方便了控制器和外部執(zhí)行機構(gòu)和人際接口的連接。
　　5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計中采用了順序結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計思想。軟件的模塊化設(shè)計，可以節(jié)省裝置的開發(fā)時間，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于進一步擴展，更主要的是提高了軟件的設(shè)計可靠性和運行可靠性。軟件部分的主要模塊有：故障處理模塊、顯示模塊、鍵盤處理模塊、通信模塊、自檢模塊等組成。
　　實時操作系統(tǒng)（RTOS）是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，在此選擇的操作系統(tǒng)為uC/OSII。
　　在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件中，uC/OSII 是規(guī)模最小的系統(tǒng)之一，它實際上就是一個微內(nèi)核。
　　除了那些與硬件關(guān)系極為緊密的軟件模塊不得不用匯編語言編寫之外，uC/OSII 的絕大多數(shù)代碼都是用C 語言編寫的。uC/OSII 是一個源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)，源代碼為C 語言，具有很強的移植性，能單獨在一個CPU 上運行，非常適合應(yīng)用在電力系統(tǒng)的內(nèi)嵌微控制器上。通過引入uC/OSII，利用其多任務(wù)管理、實時性、任務(wù)間通信等特點，使儀器儀表具備多功能性、處理及時和易于控制等優(yōu)點。自發(fā)布以來，在很多領(lǐng)域成功應(yīng)用該實時內(nèi)核的實例充分證明了它的實用性和可靠性[2]。
　　6 樣機性能指標
　　根據(jù)相關(guān)的國家標準，我們對設(shè)計出的樣機進行了電磁兼容試驗。如圖3 所示為被試設(shè)備接線圖。
　　檢驗環(huán)境溫度為24℃，相對濕度為57%，依據(jù)相關(guān)國家標準（GB/T 17626.2-1998，GB/T17626.4-1998，GB/T 17626.11-1999，GB/T 17626.5-1999）以及電磁兼容的試驗和測量技術(shù)對樣機進行了下述性能的檢測：
　　（1）靜電放電抗擾度；
　�。�2）電快速瞬變脈沖群抗擾度；
　�。�3）電壓突降、短時中斷和電壓變化抗擾度；
　�。�4）浪涌（沖擊）抗擾度；按照技術(shù)要求，在試驗期間，受試設(shè)備應(yīng)正常運行，允許暫時功能降低，但能自恢復(fù)。試驗之后，受試設(shè)備應(yīng)仍能符合有關(guān)性能要求。
　　對樣機進行了上述四個方面的實驗，實驗結(jié)果樣機實際性能能夠達到A 級標準，而超過規(guī)定的B 級保準，符合實驗要求。

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