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漏电保护硬件电路设计研究

随着电子技术、计算机技术、网络技术及通信技术的飞速发展,煤矿井下高压电网的漏电保护也突破了传统保护形式,出现了以各种处理器为核心的保护插件,为煤矿安全生产作出了重要贡献。然而当煤矿电网发生漏电故障时,中性点发生改变,高爆开关中的漏电保护功能很难满足要求,所以有必要对高压隔爆开关漏电保护插件进行研究。硬件电路设计是微机保护插件设计的基础,保护插件的功能最终都是通过硬件执行来实现的,设计的好坏直接影响到保护功能的实现和效果。在保证保护插件满足工作性能和煤矿井下自动化电站设计要求的基础上,应尽量简化硬件系统,降低成本。

1漏电保护插件的功能

漏电保护插件是高压开关中的重要组成部分,不仅是井下供电综合自动化系统中的关键部分,而且与上位机能够实现高速可靠的通讯。其主要实现的功能有:零序电压、零序电流测量功能;选择性漏电保护功能;通过RS485、CAN总线与上位机的通信功能。

2漏电保护插件的硬件系统设计

硬件系统由五部分组成:中央处理单元、数据采集单元、开关量输入/输出单元、通信单元和电源单元。漏电保护插件的整体结构框图如图1所示。2.1中央处理单元。用于实现计算、逻辑判断、定时、控制等功能。在选择CPU时主要考虑:数据处理的速度、便于缩短开发周期、良好的兼容性、能够实现功能扩展、能够适应现场恶劣运行环境,满足系统提出的功能要求,且有足够I/O接口、具有足够通信接口,满足系统各部分之间的数据通讯功能。图1硬件系统总体结构框图中央处理单元由DSP芯片TMS320C6747及其外围器件组成,包括实时时钟RTC、CPU复位监控、电池监测及晶振电路。TMS320C6747负责数据处理、逻辑判断、控制、通信等。2.1.1TMS320C6747处理器TMS320C6747是美国TI(德州仪器)公司推出的基于C6000平台最新C674x系列浮点处理器,可为开发人员提供高度灵活的解决方案,并且TMS320C6747DSP是具备业界最低功耗的浮点DSP。全新的C6745DSP运行速度高达300MHz,包含各种串行端口用于系统控制,其中串行器与FIFO缓冲器的多通道音频串行端口(McASP)就多达16个。另外,该器件还包含一个8位外部异步存储器接口(EMIFA)和一个更高速的16位同步外部存储器接口(EMIFB),分别用于支持NAND/NOR闪存和SDRAM,片上RAM的容量还增加了128KB,进一步提高系统性能。2.1.2外围扩展单元微处理器外围电路包括:实时时钟RTC、复位电路、晶振电路。1)晶振电路。TMS320C6747微处理器可以通过外部XPLLDIS引脚选择系统的时钟源,当XPLLDIS为低电平时,系统采用外部时钟或晶振直接作为系统时钟;当XPLLDIS为高电平时,外部时钟或晶振经过PLL倍频后为系统提供时钟。系统可以通过PLL控制器来选择PLL工作模式和倍频系数。本插件选择片上振荡器30MHz外部晶体为系统提供时钟,通过内部PLL可以使CPU产生150MHz工作频率并通过高速预定标器和低速预定标器为外设提供所需时钟,外接晶体电路如图2所示。图2晶振电路2)复位电路。复位电路用于重新启动CPU令其进入或者返回到预知的循环程序并顺序执行。对于实际的DSP应用系统,特别是微机保护系统,可靠性是一个不容忽视的问题。由于DSP系统的时钟频率比较高,在运行时也极有可能发生被干扰现象,严重时系统可能会出现死机。为了克服这种情况,除了软件看门狗以外,还必须有一个可靠的硬件看门狗电路,用来监控芯片的电源电平,作为硬件上最有效的保护措施。插件采用TI公司的TPS70302低功耗微处理器电源管理监控芯片。引脚RESET——————输出低电平;MR1和MR2————为手动复位引脚输入高电平;VIN1引脚输入电压高于内部参考电压;VOUT2必须大于它的校准电压的95%。PG1引脚能够显示VOUT1的状态,当VOUT1大于它的校准电压的95%时,为高电平,否则为低电平。低电平手动复位MR1允许外部按键开关产生复位信号。3)实时时钟(RTC)。实时时钟(RTC)采用集成芯片FM31256,该芯片在微机保护装置中的应用电路原理,当串行总线上出现多个芯片时,通过两个信号实现片选使能;CAL/PFO为时钟校准和调电输出,在校准模式下,改引脚输出512方波,正常操作模式下该引脚输出掉电错误;SCL为串行时钟输入,SDA为串行数据/地址输入输出。2.2数据采集单元。数据采集单元的主要功能就是将系统所需要的电压和电流经过电压互感器和电流互感器的处理输入到系统中,并经电平转换、采样保持和模数转换后变成可以识别的数字信号。可以将数据采集分成两个部分:模拟信号调理部分和A/D转换部分。1)模拟信号调理部分。本保护插件需要采集的信号包括零序电压和零序电流。由于矿井井下特殊的环境,在井下电力系统高压电网中,一次互感器变换过后的零序电流、零序电压信号在导线传输过程中,会受到干扰。尤其是电压信号,经过传输后,幅值还会衰减。因此还必须设置信号调理电路,将输入过程中的模拟量经过处理后送入A/D转换器。系统发生故障时,含有大量的高频暂态分量,如果要不失真的对其采样,需要非常高的采样频率,这对硬件的要求将很高,造成成本的大幅增加。目前矿井保护装置的保护原理大部分都是基于稳态分量的,在采样前通过低通滤波器滤除高频分量,将频率限定在一定的范围内,这样不仅降低了对硬件的速度要求,也可以防止出现“频谱混跌效应”。2)低通滤波器的设计。电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变,特别是三次和五次谐波,通常会使谐波源产生更大的谐波电流,对设备造成相当大的危害,为了避免这些危害,必须有滤波电路将各次谐波滤除。滤波电路是一种选频网络,按通频带分类,可分为低通、高通、带通和带阻等,工频电网中存在的干扰绝大多数都是高次奇次谐波,因此设计中要采用低通滤波器。按元件分类,滤波器可分为有源滤波器、无源滤波器。本文采用有源滤波。有源滤波器可分为:最大平坦型(巴特沃思型)滤波器、等波纹型(切比雪夫型)滤波器、线性相移型(贝塞尔型)滤波器等。巴特沃斯滤波器通带最平坦,阻带下降慢。切比雪夫滤波器通带等纹波,阻带下降较快。滤除工频电流中的谐波,一般以三、五、七次谐波较多,本文设计采用四阶切比雪夫模拟滤波器用以消除三次以上谐波对系统造成的影响。此滤波器设计性能要求三次谐波衰减要达到40dB,其电路设计结构和参数如图上半部分。3)A/D转换部分。CPU处理的是数字信号,所以经过信号调理的模拟量还必须要经过A/D转换变成数字量。其保护装置中数据采集的速度、精度以及动态范围对其性能有着非常重要的影响。由于TMS320C6747引脚电压为3.3V,所以本装置采用输出数字电压高电平为3.3V的AD7656转换器。当SER/PAR和H/S引脚为低电平时,AD7656通过硬件CSTA、CSTB、CSTC引脚实现对采样通道的控制;W/B引脚接低电平,可以通过并行口D0-15读取转换后的数据;CS———为片选引脚,低电平有效;RD———为读使能信号输入端,低电平有效;当一个转化开始时,BUSY引脚输出高电平,当一个转换结束,BUSY引脚输出低电平。2.3开关量输入与输出单元。1)开关量输入单元。开关量输入单元的信号取自于TMS320C6747,用于识别现场开关的状态。将所有的输入开关量均经过光电耦合器,可以使输入信号与输出信号在电气上完全隔离,这样就避免了开关量对系统的干扰。在开关量输入中,应用光电耦合器进行隔离,不仅可以隔离外部干扰,而且还起到电平转换的作用,即:将输入量转换为CPU可以处理的电平范围之内。本文设计中对开关量的采集速度要求不是很高,只选用了开关速度为10ms的光电隔离芯片TLP521。2)开关量输出单元。开关量输出单元为真空断路器跳闸信号。TMS320C6747引脚输出电平为CMOS电平,限制其不能直接控制外部设备,因此需要经过接口转换处理之后才能控制外部设备的开启和关闭。本文设计中采用小型OEGOZ-SS-124L型PCB继电器去控制漏电后跳闸。OEGOZ-SS-124L型PCB继电器控制电路。故障时,处理器通过RL1-RL4来控制PCB继电器,每个继电器通过两路信号来控制,这样有效防止了由于信号干扰出现的误动作。控制信号经过光电耦合器使+VT12电源驱动PCB继电器,PCB继电器通过中间继电器从而使断路器跳闸,切开故障电源。2.4通信单元。在现代工业控制系统中,许多控制设备(如PLC)都带有RS-485接口。因此,有必要设计CAN总线与RS-485总线的通信接口电路。本设计采用MAX485芯片作为收发器,MAX485是半双工收发器,允许连接点为32个,完全满足RS-485规范。TMS320C6747集成的增强型CAN总线通信接口,完全兼容于CAN2.0B标准接口。CAN总线协议是一种异步串行通信协议,不仅具有较强的高抗电磁干扰性,可以应用于电磁噪声比较大的场合;而且带有32个完全可配置邮箱和定时邮递功能的增强型CAN总线模块,能灵活实现稳定的串口通信。DSP本身不具有CAN收发器功能,因此需要外接CAN收发器82C250。82C250为CAN总线收发器,是CAN控制器和物理总线间的接口,能够提供对总线的差动接收和发送功能。同时,使用光电隔离器TLP2630可以有效实现总线上各节点之间的电气隔离。2.5电源单元。装置中有包含多种电源:数字电源Vcc(3.3V)、Vdd(1.8V)、+5V;通信用+5S(+5V);模拟电源+VT3.3、+VT5、+VT24V、±VT12。TPS703xx系列器件的设计为DSP提供完整的电源管理方案,TPS703xx系列稳压器提供了非常低的压差和双输出功率顺序控制,主要针对DSP应用。该器件具有低噪声输出性能,无需使用任何附加的旁路电容器,具有快速响应和稳定的47uF低ESR电容器。

3结语

保护插件采用高性能DSP处理器TMS320C6747作为保护装置的中央处理单元,提高了装置的性能;采用RS-485和CAN串行通讯接口,实现了微机保护装置和上位PC机之间的远程数据通讯。

作者:田文科 单位:潞安矿业集团公司

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