礦用供電系統(tǒng)面保護技術(shù)的研究與實現(xiàn)

論文題目：礦用供電系統(tǒng)面保護技術(shù)的研究與實現(xiàn)專業(yè)：電氣工程及其自動化摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，電力、化工、冶金等高耗能行業(yè)對煤炭的需求量劇增，煤炭的安全生產(chǎn)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)作為煤礦生產(chǎn)的重要組成部分，其繼電保護性能的好壞直接影響著煤礦的生產(chǎn)效率和安全性。煤礦井下供電系統(tǒng)傳統(tǒng)的繼電保護故障判斷信息比較單一，導致故障動作準確性不足，很容易造成井下越級跳閘，擴大停電面積，對井下安全生產(chǎn)造成極大的危害，傳統(tǒng)的煤礦供電系統(tǒng)繼電保護已不能滿足現(xiàn)代化煤礦的生產(chǎn)需求。本次研究設(shè)計的礦用供電系統(tǒng)面保護系統(tǒng)，各個現(xiàn)場測控單元對系統(tǒng)保護安裝處的設(shè)備運行信息進行采集，包括設(shè)備的運行參數(shù)及運行狀態(tài)，通過全面的信息進行綜合故障判斷，實現(xiàn)故障保護動作的準確性，減少保護動作誤動，防止越級跳閘，減少井下大面積停電，提高煤礦井下供電系統(tǒng)的安全性，確保煤礦井下生產(chǎn)人員的人身安全。利用CAN-bus現(xiàn)場總線通信技術(shù)，將現(xiàn)場測控單元所采集的運行參數(shù)、運行狀態(tài)以及供電系統(tǒng)的故障信息上傳到上位機，實現(xiàn)上位機對整個供電系統(tǒng)的實時監(jiān)控。 關(guān)鍵詞:面保護,測控單元,CAN-bus現(xiàn)場總線,上位機Subject:ResearchandImplementationofthesupplysystemaboutarea-protectiontechnologyinundergroundcoalminesSpecialty:ElectricEngineeringandit’sAutomation

ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofmodernindustry,electricpower,chemicalindustry,metallurgyindustry,highenergy-consumingsurgeindemandforcoal,coalproductionsafetyfacesenormouschallenges.Powersystemasanimportantcomponentofcoalproduction,therelayperformancehasadirectimpactonmineproductivityandsafety.Thetraditionalcoalminepowersystemprotectionfaultdiagnosisinformationisrelativelysimple,resultingininsufficientaccuracyoffaultmovement,itislikelytocausedownholegradetrip,expandingblackoutareaforminesafetyproductioncausedgreatharm,traditionalcoalpowersystemrelayprotectioncannotmeetmoderncoalmineproductionneeds.Thestudydesignsurfaceminepowersystemprotectionsystem,eachsitesystemprotectionandcontrolunitfortheoperationoftheequipmentinstalledattheinformationcollection,includingequipmentoperatingparametersandoperatingstatusinformationthroughacomprehensiveintegratedfaultdiagnosis,faultprotectiontoachieveaccuracyofactiontoreducetheprotectiveactionmalfunction,preventinggradetripdownholelargeareapoweroutage,thepowersupplysystemtoimprovecoalminesafety,coalmineproductiontoensurepersonalsafety.UsingtheCAN-busfieldbuscommunicationtechnology,theon-sitecontrolunitacquiredtheoperatingparametersofpowersystemoperationstatusandfaultinformationuploadedtothePC,hostcomputerfortheentirepowersupplysystem,real-timemonitoring.Keywords:ProtectionbasedoncommunicationMeasurement,controlunit,CAN-busfieldbus,PCmonitorunits目錄TOC\o"1-4"\h\z\u第1章緒論 11.1礦用供電系統(tǒng)面保護技術(shù)研究背景及研究現(xiàn)狀 11.2礦用供電系統(tǒng)面保護技術(shù)研究意義 11.3本次設(shè)計的主要依據(jù) 21.4本課題的主要工作內(nèi)容 2第2章本次設(shè)計面保護系統(tǒng)的總體方案 42.1煤礦供電系統(tǒng) 42.2煤礦供電系統(tǒng)的仿真模型 42.3煤礦供電系統(tǒng)面保護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 52.4故障保護控制策略 62.4.1煤礦供電系統(tǒng)繼電保護存在問題 62.4.2解決方法 62.4.3基于面保護原理的煤礦供電系統(tǒng)繼電保護 6面保護技術(shù) 6供電系統(tǒng)短路保護控制邏輯 7供電系統(tǒng)缺相保護控制邏輯 10第3章CAN-bus現(xiàn)場總線 113.1概述 113.2CAN-bus現(xiàn)場總線的特點 113.3CAN-bus現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)范 123.3.1CAN-bus總線基本概念 13依據(jù)ISO/OSI參考模型的層結(jié)構(gòu) 13CAN-bus總線的基本概念 143.3.2CAN報文的傳送和幀結(jié)構(gòu) 14CAN報文的幀格式 14幀類型 153.3.3CAN-bus其它規(guī)范介紹 16第4章DPS8000組態(tài)監(jiān)控軟件 184.1DPS8000的特點 184.2DPS8000的功能介紹 184.2.1組態(tài)實時監(jiān)控功能 184.2.2設(shè)備通信狀態(tài)實時查看功能 234.2.3報表系統(tǒng) 234.2.4歷史數(shù)據(jù)查詢 244.2.5數(shù)據(jù)歷史曲線生成功能 244.2.6故障錄波功能 244.2.7告警功能 24第5章現(xiàn)場測控單元設(shè)計 265.1現(xiàn)場測控單元的硬件設(shè)計 265.1.1測控單元電源模塊設(shè)計 265.1.2電網(wǎng)電壓電流采集信號處理電路 275.1.3電網(wǎng)頻率信號的采集與處理 295.1.4功率因數(shù)角檢測電路設(shè)計 315.1.5測溫模塊設(shè)計 325.1.6開關(guān)量輸出電路設(shè)計 325.1.7缺相檢測電路設(shè)計 335.1.8液晶顯示接口電路設(shè)計 355.2現(xiàn)場測控單元的軟件設(shè)計 36第6章通信單元的設(shè)計 376.1礦用供電系統(tǒng)面保護通信方式的選擇 376.2礦用供電系統(tǒng)面保護通信單元通信流程 396.3CAN232MB智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器 406.4礦用供電系統(tǒng)面保護通信單元硬件設(shè)計 416.4礦用供電系統(tǒng)面保護通信系統(tǒng)CAN-bus總線通信協(xié)議 426.4.1概述 426.4.2CAN-bus物理層 426.4.3CANBUS鏈路層 436.4.4通信進程 446.4.5通信報文格式 45現(xiàn)場測控單元主動向上位機發(fā)送報文 45上位機向現(xiàn)場測控單元發(fā)送的遠程控制報文 47現(xiàn)場測控單元間信息交互的報文 476.5通信單元的軟件設(shè)計 486.5.1eCAN模塊基本通信模式基本配置 486.5.2TMS320F2812eCAN模塊郵箱資源配置 486.5.3F2812的eCAN通信程序設(shè)計 49第7章上位機組態(tài)監(jiān)控 507.1遙測監(jiān)控 507.2遙信監(jiān)控 527.3遠程遙控 54第8章結(jié)論與展望 588.1結(jié)論 588.2展望 58致謝 59參考文獻 60第1章緒論1.1礦用供電系統(tǒng)面保護技術(shù)研究背景及研究現(xiàn)狀現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，電力、化工、冶金等高耗能行業(yè)對煤炭的需求量劇增，使得煤炭的安全生產(chǎn)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。隨著煤礦井下大功率設(shè)備的應(yīng)用，特別是配套大功率設(shè)備（如大功率采煤機、排水泵、傳輸機等）在高產(chǎn)高效礦井中推廣應(yīng)用，這就對煤礦供電系統(tǒng)的安全可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的煤礦供電系統(tǒng)繼電保護即“點保護”，其只依據(jù)保護裝置安裝處的故障電流、電壓等信息進行故障判斷處理，沒有通過對整個供電系統(tǒng)的實際運行情況進行綜合判斷分析，因其動作依據(jù)僅僅是供電系統(tǒng)中一個點的信息，獲得的信息量太少，難以對系統(tǒng)的動態(tài)行為和故障原因做出正確判斷，因而難以提高其故障保護動作正確性。在一個使用“點保護”的供電系統(tǒng)中，當發(fā)生短路故障時，盡管保護的上下級速斷整定值有差別，但卻起不到明顯的作用，很有可能出現(xiàn)越級跳閘。在煤礦供電系統(tǒng)中，越級跳閘對煤礦的危害是巨大的，若越級到采區(qū)變電所將會造成采區(qū)內(nèi)大面積停電，不但影響礦井的生產(chǎn)，還將影響各級風井和水泵的供電，引起井下瓦斯積聚和排水緩慢，直接威脅到井下工作人員的生命安全；如果越級跳閘到井下中央變電所，將造成整個井下生產(chǎn)系統(tǒng)的癱瘓。供電系統(tǒng)的安全可靠性決定了“點保護”已經(jīng)不再適合現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)供電安全可靠的需要。因此，煤礦供電系統(tǒng)繼電保護的智能化、一體化成為了必然的發(fā)展趨勢。 目前國內(nèi)的各大繼電保護研究機構(gòu)對適合于我國煤礦井下特殊環(huán)境的供電系統(tǒng)面保護的研究工作尚處于初級階段，因此我們可以充分利用現(xiàn)有的知識儲備及實驗設(shè)備來研究能夠提高煤礦生產(chǎn)效率和保證煤礦供電安全的供電系統(tǒng)面保護技術(shù)。1.2礦用供電系統(tǒng)面保護技術(shù)研究意義現(xiàn)代通信技術(shù)與計算機技術(shù)迅速發(fā)展，使得煤礦井下供電系統(tǒng)的繼電保護逐漸由傳統(tǒng)的“點保護”向面向整個供電系統(tǒng)的綜合保護轉(zhuǎn)變。面向整個系統(tǒng)的綜合保護的大面積實際應(yīng)用大大的提高了煤礦供電系統(tǒng)的安全可靠性，有效地防止了越級跳閘。隨著面向整個供電系統(tǒng)的綜合保護的發(fā)展，面保護的理論得以逐漸形成。面保護的定義是：除了利用保護裝置自身采集的信息外，還要利用系統(tǒng)中其他信息作出故障判斷和動作出口，以保護自身設(shè)備和整個供電系統(tǒng)。面保護的出現(xiàn)為解決礦用供電系統(tǒng)的傳統(tǒng)繼電保護的不足提供了理論的支持。“面保護”是相對于傳統(tǒng)的繼電保護而言，傳統(tǒng)的繼電保護裝置只采集故障點信息?！包c保護”只依據(jù)保護裝置安裝處的故障電流或電壓等信息，即其動作依據(jù)僅僅是電力系統(tǒng)中一個測點的信息，獲得的信息量太少，難以對系統(tǒng)的動態(tài)行為和故障原因做出正確判斷，因而難以提高其動作正確率。面保護原理的先進之處在于除了采集故障點的信息外，還通過通信獲得其他相關(guān)的非故障點的信息進行判斷，通過更為全面的分析做出更為正確的動作決策以保護自身設(shè)備和供電系統(tǒng)，面保護不需要依靠延時來實現(xiàn)保護動作的配合，縮短了切除故障時間，有利于延長設(shè)備的壽命和檢修周期。面保護原理克服了傳統(tǒng)點保護信息不全的弱點，故障段判據(jù)簡單明了。所有保護裝置安裝點的測控單元同時并行采集信息、綜合判斷故障、執(zhí)行動作命令，通過上位機可以對供電系統(tǒng)進行運行狀態(tài)、運行參數(shù)的實時監(jiān)控。因此，面保護原理在供電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。研究基于CAN總線通信控制的面保護技術(shù)，對于礦井安全供電具有很重要的現(xiàn)實意義。本次畢設(shè)選擇礦用供電系統(tǒng)面保護的課題，不僅能將大學所學到的理論知識應(yīng)用于實際應(yīng)用中，還提高了自己的動手能力，更希望能通過本課題的研究為提高礦用供電系統(tǒng)的安全性、可靠性做出一定的貢獻。1.3本次設(shè)計的主要依據(jù)本次設(shè)計的礦用供電面保護系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場測控單元、通信單元和上位機監(jiān)控等幾部分。設(shè)計的主要依據(jù)分別是煤礦安全規(guī)程、煤礦井下供電系統(tǒng)設(shè)計國家規(guī)范、煤礦供電繼電保護系統(tǒng)國家規(guī)范等。測控單元能夠通過交流采樣技術(shù)采集各個保護安裝處設(shè)備的基本信息并送入DSPF2812進行處理，最終能夠?qū)崿F(xiàn)保護及手動分合閘操作，其主要依據(jù)為A/D轉(zhuǎn)換及采樣定理。通信單元能夠進行現(xiàn)場測控單元與上位機、現(xiàn)場測控單元與現(xiàn)場測控單元之間的通訊，其通訊方式采用現(xiàn)場CAN-bus總線通訊方式。上位機主要是綜合各個保護安裝點的信息按照一定的控制規(guī)則實現(xiàn)保護系統(tǒng)的面保護功能，其主要依據(jù)為繼電保護系統(tǒng)的四個要求，即選擇性、速動性、靈敏性及可靠性。1.4本課題的主要工作內(nèi)容本次礦用供電系統(tǒng)面保護技術(shù)的研究與實現(xiàn)是以實驗室的380V單母分段供電系統(tǒng)作為研究對象，完成供電系統(tǒng)面保護的模擬仿真，實現(xiàn)面保護的功能。本課題研究的內(nèi)容包括三個部分：實現(xiàn)現(xiàn)場測控單元的基本功能每個測控單元能夠通過來自自身的和上位機的命令來控制設(shè)備的運行與停止，從而完成饋電功能。在發(fā)生故障能夠準確判斷該線路的故障信息，實現(xiàn)對故障設(shè)備的保護。實時監(jiān)測自身的運行狀態(tài)（投切與否、節(jié)點閉合時間、節(jié)點斷開時間、節(jié)點溫度）、運行參數(shù)（電壓、電流、有功功率、無功功率，電壓頻率）和故障信息（短路、過流、過壓、欠壓、缺相），并將以上相關(guān)信息做實時顯示，實現(xiàn)開關(guān)對自身故障的實時顯示功能，并實現(xiàn)其它的附加功能。實現(xiàn)現(xiàn)場測控單元與上位機通信、現(xiàn)場測控單元間的通信功能通過CAN-bus現(xiàn)場總線，實現(xiàn)現(xiàn)場測控單元之間、現(xiàn)場測控單元與上位機的通信，完成信息交互，為上位機對供電系統(tǒng)實時監(jiān)控做好準備。實現(xiàn)上位機對整個供電系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能本次設(shè)計的監(jiān)控上位機軟件采用由新疆新華能西安研發(fā)中心針對供電系統(tǒng)監(jiān)控研發(fā)的組態(tài)軟件DPS8000，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能。小結(jié)：本章主要從選題背景及研究的現(xiàn)狀方面闡述了本課題研究的意義所在，并概括地介紹了本設(shè)計的主要依據(jù)及基本工作。第2章本次設(shè)計面保護系統(tǒng)的總體方案2.1煤礦供電系統(tǒng)煤礦供電系統(tǒng)是煤礦企業(yè)生產(chǎn)的重要支撐。在深井供電系統(tǒng)中，6kV/10kV高壓電能從礦山地面變電所母線引出，沿井筒用高壓鎧裝電纜向井下中央變電所提供電源。再經(jīng)高壓電纜將6kV/10kV電能輸送到各個采區(qū)變電所，采區(qū)變電所再將6kV/10kV電壓降至660V（或380V）、1140V低壓電能，再經(jīng)采掘工作面配電點向采掘機械等設(shè)備供電。其一路供電系統(tǒng)如圖2.1所示。圖2.1煤礦供電系統(tǒng)圖2.2煤礦供電系統(tǒng)的仿真模型依據(jù)以上提到的面保護定義與原理。煤礦供電系統(tǒng)面保護的實現(xiàn)需要硬件平臺的支撐，并對系統(tǒng)模型進行保護配置，驗證面保護原理的實用性。我們熟知的電力系統(tǒng)的組成包括電氣一次主接線和二次電氣設(shè)備，煤礦的供電系統(tǒng)亦是如此。電氣一次主接線代表了發(fā)電廠或者變電站及工礦企業(yè)高電壓、大電流的電氣部分主體結(jié)構(gòu)，是電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。煤礦供電系統(tǒng)中電氣一次接線直接影響電力生產(chǎn)運行的可靠性、靈活性，同時對電氣設(shè)備選擇、配電裝置布置、繼電保護、自動裝置等諸多方面都有決定的關(guān)系，為煤礦提供電力能源，保證煤礦的運營生產(chǎn)。二次電氣設(shè)備包括保護，測量，控制部分，其主要功能是實現(xiàn)對一次電氣主接線的保護和監(jiān)視，確保電氣一次接線安全可靠運行。目前煤礦供電采用6kV和10kV中性點不接地系統(tǒng)，大多數(shù)采用單母線分段的主接圖2.2煤礦供電系統(tǒng)仿真模型線形式，供電可靠、靈活，由兩個電源或雙回路供電，接線簡單，也滿足了可靠性要求。因此本設(shè)計采用如下系統(tǒng)仿真模型并對其進行面保護設(shè)計。如圖2.2所示。2.3煤礦供電系統(tǒng)面保護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測控單元安裝于斷路器安裝處用于測量該節(jié)點的進線電壓、電流，出線電壓、電流，有功功率、無功功率以及斷路器觸頭的溫度等模擬量信息，作為遙測量?，F(xiàn)場測控單元還通過開關(guān)量輸入通道檢測斷路器的分合閘狀態(tài)，作為遙信量。同時將現(xiàn)場測控單元測量的信息數(shù)據(jù)通過TMS320F2812的eCAN模塊采用CAN現(xiàn)場總線送至上位機進行監(jiān)視處理，實現(xiàn)一定的遙測和遙信功能。面保護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。圖2.3面保護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖本硬件仿真模型總共包含6臺斷路器，使用六個測控單元去完成對斷路器安裝處的電壓、電流、開關(guān)量等信息進行測控和檢測。將各處測控單元獲取的信息量經(jīng)TMS320F2812的各個外設(shè)模塊進行處理后，綜合信息進行運行狀態(tài)的判斷，如果發(fā)生故障，則按故障控制策略判斷故障類型、故障位置，然后執(zhí)行保護動作。采集到的運行參數(shù)、運行狀態(tài)、故障信息等數(shù)據(jù)，通過TMS320F2812自帶的eCAN模塊經(jīng)CAN-bus總線傳輸?shù)狡渌鼫y控單元和上位機。2.4故障保護控制策略通過一定的故障判斷保護規(guī)則，在系統(tǒng)故障時能正確執(zhí)行保護動作，防止系統(tǒng)發(fā)生越級跳閘，減少停電面積，提高煤礦安全性2.4.1煤礦供電系統(tǒng)繼電保護存在問題隨著煤礦生產(chǎn)電氣化程度的提高，井下電力大功率設(shè)備的增加，供電系統(tǒng)對繼電保護的安全性、可靠性提出了更高的要求。而在煤礦井下供電系統(tǒng)中，負載與電源側(cè)大多采用長度較短、截面較大的多段電纜線路構(gòu)成供電網(wǎng)絡(luò)，供電線路阻抗小。在進行三段式電流保護整定過程中，電纜阻抗小，線路首末兩端的短路電流比較接近，使得整定的電流速斷保護范圍小。一旦考慮可靠系數(shù)后，電流速斷保護的范圍將更小，甚至為零。這樣致使上下級電流保護整定配合艱難，目前煤礦井下普遍采用微機保護，保護動作與否只取決于整定的短路電流的大小，一旦短路電流過大，同時滿足上下級保護動作條件，即將會造成越級跳閘，導致大面積停電。煤礦傳統(tǒng)過電流保護配置是依靠時間的配合。受上一級供電管理部門的要求，過電流保護時限不能超過一定的時限要求。由于煤礦井下供電線路級數(shù)較多，按照通常的0.5s的時間差無法實現(xiàn)供電線路級數(shù)多的過電流保護時限配合。2.4.2解決方法根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，要求煤礦井下的繼電保護裝置不僅要具有短路、過負荷、接地、欠電壓釋放、缺相等常規(guī)的保護功能，還應(yīng)能夠滿足礦井綜合自動化管理的要求，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程檢測與調(diào)控，還應(yīng)改變以往繼電保護裝置只能整定固定時限的弊端，實現(xiàn)無級調(diào)整，使上下級保護能夠更好的配合。為了防止上述越級跳閘情況的發(fā)生，本設(shè)計采用面保護原理。在故障發(fā)生時，對系統(tǒng)信息進行采集、處理、判斷，做出更加為正確的動作決策，提高和改善煤礦供電系統(tǒng)現(xiàn)有的保護性能。2.4.3基于面保護原理的煤礦供電系統(tǒng)繼電保護面保護技術(shù)八十年代末，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了針對整個系統(tǒng)的面保護原理。面保護的定義：面保護是指除了利用保護裝置自身采集的信息外，還利用整個系統(tǒng)中其它信息，作為依據(jù)進而做出故障判斷和動作出口，以保護自身設(shè)備或局部系統(tǒng)進行故障隔離。根據(jù)面保護的定義和相關(guān)資料的描述面保護需具備三個必要條件：①通信；②CPU；③并行處理。通信是面保護實現(xiàn)的必要條件之一，因為沒有通信保護單元則不可能獲得整個供電系統(tǒng)中的其它信息，也就是是系統(tǒng)其他信息的獲得必須依賴于通信。另外，用于保護的通信還必須具有一定的快速性和可靠性。CPU是保護裝置的核心器件，也是面保護實現(xiàn)的必要硬件基礎(chǔ)。CPU完成對測控單元獲取的信息進行處理，并且控制通信單元實現(xiàn)系統(tǒng)其他信息的獲取，完成對系統(tǒng)的控制，在發(fā)生故障時進行故障識別實現(xiàn)故障的迅速隔離，同時對系統(tǒng)的參數(shù)進行監(jiān)視。重要的是保護算法的實現(xiàn)也需要CPU的支持，也決定了保護裝置的處理速度。并行處理是確保保護裝置滿足繼電保護快速性的要求，即在供電系統(tǒng)中有許多保護裝置，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置將同時啟動。面保護要獲取系統(tǒng)的各處綜合信息以判故障，因而要并行處理。這樣便在一定程度上滿足了繼電保護速動性的要求。由以上定義和結(jié)論可以知道，只有滿足以上三個條件才能稱之為面保護。現(xiàn)如今煤礦井下的保護大都屬于點保護，比如過流保護、接地保護、漏電保護等都屬于點保護。其保護的動作與否只利用了設(shè)備自身的故障信息（電壓、電流、零序電流等）并沒有利用系統(tǒng)中的其它保護裝置的信息。因此有效地將面保護原理利用于煤礦供電系統(tǒng)，在完成故障的隔離和防越級跳閘意義重大。供電系統(tǒng)短路保護控制邏輯系統(tǒng)模型如圖2.4所示。圖2.4系統(tǒng)模型由于采用多段短電纜組成干線式縱向供電網(wǎng),它的各段短路電流差值較小,因而采用在各級增加時限級差來構(gòu)成縱向選擇性速斷短路保護系統(tǒng)。然而時限級差的設(shè)定受上級供電部門繼電保護時限與《煤礦安全規(guī)程》的制約,不能構(gòu)成有效的縱向選擇性速斷短路保護系統(tǒng),所以發(fā)生短路故障時常導致越級跳閘是不可避免,而且由于限級差與跳閘操作機構(gòu)的時間也很難配合,因此在發(fā)生短路故障時導致越級跳閘難以避免。系統(tǒng)面保護采用下級保護閉鎖上級保護的控制方法防止越級跳閘。如圖所示，以a點故障為例，當a點發(fā)生短路故障后，斷路器QF3保護3應(yīng)立即啟動保護跳閘，如果QF3發(fā)生拒動或者是上級保護動作比QF3動作快，最終是QF2或QF3保護動作，則造成保護越級跳閘，擴大了停電范圍。采用下級保護閉鎖上級保護的控制策略，在a點發(fā)生短路故障時，保護3保護動作跳閘，同時發(fā)出閉鎖信號閉鎖所有的上級保護，經(jīng)一定時間延時后不管故障有沒有切除都發(fā)解鎖信號解鎖上級保護2，如果保護3拒動，則保護2啟動保護跳閘；保護2經(jīng)一定延時后向保護1發(fā)送解鎖信號解鎖保護1，如果保護2也發(fā)生拒動，則保護1啟動保護跳閘，保護動作依次類推，即可有效防止越級跳閘，起到很好的保護作用。為實現(xiàn)保護可靠閉鎖，每個保護的過流I段需設(shè)置一短延時t1，作為等待閉鎖信號傳遞的配合時間。發(fā)生短路故障時，其保護在保護元件（繼電器）動作的同時，向所有上級保護發(fā)出閉鎖信號。故障區(qū)域保護待故障電流消失或經(jīng)一延時t3（認為斷路器失靈）后，發(fā)送出口解鎖信號給上一級保護。 輸電線路除使用瞬時電流速斷保護和限時電流速斷保護外，還采用電流縱聯(lián)差動保護進行快速故障區(qū)域判斷，在發(fā)生短路故障時，可以不經(jīng)t1短延時，故障區(qū)域保護單元電流縱聯(lián)差動保護立即啟動保護，并向所有上級發(fā)出閉鎖信號。上級保護按正常短路保護進行。短路故障控制信號產(chǎn)生邏輯:(1)故障發(fā)生段保護采用縱聯(lián)差動保護和短路保護，故障閉鎖信號、跳閘信號產(chǎn)生邏輯，BSJ為向上級發(fā)送閉鎖信息，CKJ為保護出口動作。圖X-X故障段差動保護閉鎖信息、分閘信號產(chǎn)生邏輯圖如圖所示，為故障發(fā)生段差動電流，短路電流、，t3為斷路器切除故障時間，故障保護動作同時，保護單元向所有上級保護發(fā)出閉鎖信號，故障電流切除后電流原件返回。若斷路器拒動，經(jīng)過t3延時后，不產(chǎn)生閉鎖信號，解除上一級級保護閉鎖信號，允許上一級保護動作。(2)非故障段上級保護閉鎖信息、分閘信號產(chǎn)生邏輯圖x-x非故障段保護閉鎖信息、分閘信號產(chǎn)生邏輯圖 如圖所示，在檢測系統(tǒng)到發(fā)生短路故障時，保護向其所有上級保護發(fā)送閉鎖信息。如果下級保護發(fā)生故障時，由于下級保護斷路器拒動故障沒有切除，經(jīng)過一定時間延時后，下級保護向上級所有保護所發(fā)送閉鎖信息解除。上一級閉鎖解除后，上一級的短路保護啟動，切除故障。若本級保護還是沒有切除故障，經(jīng)t3延時后向所有上級保護發(fā)送閉鎖信息解除，允許上一級保護啟動。 每一級非故障段的短路保護只有在所有下級保護不起保護作用，所有下級保護閉鎖信息解除后，本級的短路故障保護才能啟動。通過上述的保護控制邏輯，能有效的防止在發(fā)生短路故障時發(fā)生越級跳閘。供電系統(tǒng)缺相保護控制邏輯 缺相是正常的三相電源中某一相發(fā)生斷路。線路電源缺相時，會產(chǎn)生負序電流分量，三相電流不均衡或過大，原有的三相設(shè)備會降低輸出功率使其不能正常工作，有可能造成生產(chǎn)事故.煤礦井下生產(chǎn)設(shè)備安全性要求很高，因此對于一些重要的設(shè)備，如通風機、空壓機、提升機等，需要加缺相保護裝置，在發(fā)生缺相時能快速檢測到故障段位置并能切除故障。 以如圖所示系統(tǒng)模型圖X-X系統(tǒng)模型 在a處發(fā)生缺相故障時，保護裝置通過安裝在負荷入口處的缺相檢測裝置檢測到缺相故障，保護3啟動缺相保護，同時向所有上級保護發(fā)送缺相故障信息。若保護3不能切除故障，則由上一級保護2啟動缺相保護，依次類推。 缺相故障保護邏輯第3章CAN-bus現(xiàn)場總線3.1概述現(xiàn)場總線（FieldBus）技術(shù)是當前自動化技術(shù)的熱點之一。現(xiàn)場總線技術(shù)集成了先進的嵌入式系統(tǒng)、現(xiàn)代通信、自控理論、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，沖充分體現(xiàn)出了先進技術(shù)的進步能夠為人類帶來的便利性。CAN-bus總線作為符合國際標準的現(xiàn)場總線之一，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)獲得了非常廣泛的使用。目前，在中國每年就有超過500萬個CAN-bus網(wǎng)絡(luò)節(jié)點投入現(xiàn)場使用，它們分布在各個行業(yè)領(lǐng)域，包括國防軍事、電力通信、智能樓宇、工業(yè)機械、電梯網(wǎng)絡(luò)等諸多關(guān)系到國計民生的場合。控制器局域網(wǎng)（CAN-CONTROLLERAREANETWORK）,最早是德國Bosch公司于1983年為汽車應(yīng)用而開發(fā)的一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場總線（FieldBus）的范疇。1991年9月Bosch公司制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（Version2.0），該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。CAN2.0A協(xié)議規(guī)范定義了標準幀格式，CAN2.0B協(xié)議規(guī)范定義了擴展幀格式。1993年11月，ISO正式頒布了道路交通運載功能—數(shù)字交換—高速通信控制器局域網(wǎng)國際標準ISO11898，為CAN協(xié)議規(guī)范的標準化、規(guī)范化的推廣鋪平了道路。3.2CAN-bus現(xiàn)場總線的特點CAN-bus現(xiàn)場總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，能有效地支持具有很高安全等級的分布式實時控制。CAN-bus現(xiàn)場總線的應(yīng)用很范圍很廣，從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用CAN總線。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義2047或536870911個不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一特點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PCATXT兼容機上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。3.3CAN-bus現(xiàn)場總線技術(shù)規(guī)范CAN-bus通信協(xié)議是一種串行通信協(xié)議，能夠支持具有很高安全等級的多主分布式實時控制。為達到設(shè)計透明度以及實現(xiàn)靈活性，根據(jù)ISO/OSI參考模型，CAN被細分為一下不同的層次：數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層（DataLinkLayer）可分為：邏輯鏈路控制子層（LLC）；媒體訪問控制子層（MAC）。物理層應(yīng)用層邏輯鏈路控制子層的作用范圍如下：為遠程數(shù)據(jù)請求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)；確定由實際要使用的LLC子層接收哪一個報文；為恢復管理和過載通知提供手段。MAC子層的作用主要是傳送規(guī)約，也就是控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定?？偩€上什么時候開始發(fā)送新報文及什么時候開始接收報文，均在MAC子層里確定。物理層（PhysicalLayer）的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位的實際傳輸。同一網(wǎng)絡(luò)的物理層對于所有的節(jié)點都是相同的，但在選擇物理層方面還是很自由。應(yīng)用層為ISO結(jié)構(gòu)中的最高應(yīng)用層，應(yīng)用層與用戶的需要密切相關(guān)，應(yīng)用層直接定義了所需要傳輸?shù)男畔?。?yīng)用層協(xié)議就是定義了如何實現(xiàn)應(yīng)用層功能，滿足信息傳遞的要求的具體規(guī)范。CAN-bus的應(yīng)用層協(xié)議是在現(xiàn)有的CAN底層協(xié)議（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層）之上形成的協(xié)議，CAN-bus總線的協(xié)議規(guī)范：CAN2.0A/CAN2.0B協(xié)議規(guī)范中定義了數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層，并不完整。用戶可以直接簡歷基于CAN2.0規(guī)約的數(shù)據(jù)通信。在CAN-bus的一些應(yīng)用中，一些附加的功能需要通過應(yīng)用層協(xié)議實現(xiàn)：（1）網(wǎng)絡(luò)控制與管理；（2）確認數(shù)據(jù)的發(fā)送；（3）發(fā)送大于8個字節(jié)的數(shù)據(jù)塊；（4）為不同的物理節(jié)點分配不同的報文標識符；（5）定義幀報文的內(nèi)容以及含義；（6）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制，節(jié)點故障的診斷和標識。 因此，為保證CAN-bus網(wǎng)絡(luò)可靠地運行，必須制定嚴謹?shù)腃AN-bus應(yīng)用層協(xié)議。3.3.1CAN-bus總線基本概念依據(jù)ISO/OSI參考模型的層結(jié)構(gòu)CAN的ISO/OSI參考模型的層結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1CAN的ISO/OSI參考模型的層結(jié)構(gòu)物理層物理層定義信號是如何實際地傳輸數(shù)據(jù)的，因此涉及位時間、位編碼、同步的解釋。CAN2.0技術(shù)規(guī)范沒有定義物理層的驅(qū)動器/接收器特性，以便允許根據(jù)它們的應(yīng)用，對發(fā)送媒體和信號電平進行優(yōu)化。數(shù)據(jù)鏈路層①MAC子層是CAN協(xié)議的核心，它把接收到的報文提供給LLC子層，并接收來自LLC子層的報文。MAC子層負責報文分幀、仲裁、應(yīng)答、錯誤檢測和標定。MAC子層也被稱作“故障界定”的管理實體監(jiān)管。此故障界定為自檢機制，以便把永久故障和短時擾動區(qū)別開來；②LLC子層涉及報文濾波、過載通知以及恢復管理。CAN-bus總線的基本概念（1）報文 總線上的報文以不同的固定報文格式發(fā)送，但長度受限。當總線空閑時，任何連接的單元都可以開始發(fā)送新的報文。（2）位速率對于不同的系統(tǒng)，CAN的位速率（bitrate）不同，但在同一個給定的系統(tǒng)里，位速率是唯一的，并且是固定的。（3）優(yōu)先權(quán)在總線訪問期間，標識符定義一個靜態(tài)的報文優(yōu)先權(quán)（Priorities）。（4）多主機多主機全稱為Multimaster?？偩€空閑時，任何單元都可以開始傳送報文。具有較高優(yōu)先權(quán)報文的單元可以獲得總線訪問權(quán)。（5）仲裁只要總線空閑時，則任何單元都可以開始發(fā)送報文。如果兩個或兩個以上的單元同時開始傳送報文時，那么就會有總線訪問沖突。通過使用了識別符的逐位仲裁可以解決這個沖突。仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀和遠程幀同時初始化時，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠程幀。（6）安全性安全性指的是為了獲得最安全的數(shù)據(jù)發(fā)送，CAN的每一個節(jié)點均采取了強有力的措施，以便于錯誤檢測、錯誤標定及錯誤自檢。（7）故障界定故障界定全稱為FaultConfinement。CAN節(jié)點能夠把永久的故障和短暫擾動區(qū)別開來。故障的節(jié)點會被關(guān)閉。3.3.2CAN報文的傳送和幀結(jié)構(gòu)CAN報文的幀格式CAN報文有兩種不懂的幀格式，根據(jù)標識符長度的不同：具有11位標識符的幀稱為標準幀，而含有29位標識符的幀為擴展幀。幀類型報文傳輸由以下4個不同的幀類型所表示和控制：數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?；遠程幀：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一標識符的數(shù)據(jù)幀；錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀；過載幀：過載幀可以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀之間提供一附加延時。數(shù)據(jù)幀和遠程幀可以使用標準幀及擴展幀兩種格式。它們使用一個幀空間與前面的幀分隔。（1）數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀（DataFrame）由7個不同的位組成。幀起始（StartofFrame）、仲裁場（ArbitrationFrame）、控制場（ControlFrame）、數(shù)據(jù)場（DateFrame）、CRC場（CRCFrame）、應(yīng)答場（ACKFrame）、幀結(jié)尾（EndofFrame）。數(shù)據(jù)場長度可以為0。幀起始（SOF）標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，僅由一個“顯性”位組成(0為顯性位，1為隱性位)。標準幀和擴展幀的仲裁場格式不同標準幀格式里，仲裁場由11位標識符和RTR位組成，標識符為ID.28～ID.18。在擴展幀里，仲裁場包括29位標識符、SRR位、IDE位、RTR位，其標識符為ID.28～ID.00?？刂茍霭〝?shù)據(jù)長度代碼、IDE位（為顯性位）及保留位r0。數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀里的發(fā)送數(shù)據(jù)組成，它可以為0～8字節(jié)，每字節(jié)包含了8位，首先發(fā)送MSB。CRC場包括CRC序列，其后是CRC界定符。應(yīng)答場長度為2個位，包含應(yīng)答間隙（ACKSlot）和應(yīng)答界定符。幀結(jié)尾標志序列由7個“隱性”的位組成。數(shù)據(jù)幀格式如圖3.2所示。圖3.2數(shù)據(jù)幀格式遠程幀通過發(fā)送遠程幀，作為某數(shù)據(jù)接收器的站可以初始化通過其資源節(jié)點傳送不同的數(shù)據(jù)。遠程幀格式如圖3.3所示。圖3.3遠程幀格式錯誤幀錯誤幀由兩個不同的場組成，第一個場是不同站提供的錯誤標志（ErrorFlag）的疊加，第二個場是錯誤界定符。主動錯誤標志由6個連續(xù)的“顯性”位組成，被動的錯誤標志由6個連續(xù)的“隱性”位組成，除非被其他節(jié)點的“顯性”位重寫。錯誤幀格式如圖3.4所示。圖3.4錯誤幀格式過載幀過載幀包括2個位場：過載標志和過載界定符。過載幀格式如圖3.5所示。圖3.5過載幀格式3.3.3CAN-bus其它規(guī)范介紹（1）報文濾波報文濾波取決于整個識別符。允許在報文濾波中將任何的識別符設(shè)置為“不考慮”的可選屏蔽寄存器?？梢赃x擇多組的識別符，使之被映射到隸屬的接收緩沖器里。如果使用屏蔽寄存器，它的每一位必須是可編程的，即它們能夠被允許或禁止報文濾波。屏蔽寄存器的長度可以包括整個識別符，也可以包括部分識別符。（2）錯誤處理錯誤檢測，CAN總線有一些5種不同的錯誤類型（這5種錯誤不會相互排斥）：①位錯誤單元在發(fā)送位的同時也對總線進行監(jiān)視，如果所發(fā)送的位值與所監(jiān)視的位值不相符合，則在此時間檢測到一個位錯誤（biterror）；但是仲裁場（ArbitrationField）的填充位流期間或應(yīng)答間隙發(fā)送以“隱性”位的情況是例外的，此時，當監(jiān)視到一“顯性”位時，不會發(fā)出位錯誤。當發(fā)送器發(fā)送一個被動錯誤標志，但檢測到“顯性”位時，也不視為位錯誤。②填充錯誤如果在使用位填充法進行編碼的信息中，出現(xiàn)了第6個連續(xù)相同的位電平時，將檢測到一個填充錯誤（StruffError）。③CRC錯誤CRC序列包括發(fā)送器的CRC計算結(jié)果，接收器計算CRC的方法與發(fā)送器的相同。如果計算結(jié)果與接收到的CRC序列的結(jié)果不相符，則檢測到一個CRC錯誤（CRCError）。④形式錯誤當一個固定形式的位場含有一個或多個非法為，則檢測到一個形式錯誤（FormError）。⑤應(yīng)答錯誤只要在應(yīng)答間隙期間所監(jiān)視的位不為“顯性”，則發(fā)送器會檢測到一個應(yīng)答錯誤（ACKError）。錯誤標定，檢測到錯誤條件的站通過發(fā)送錯誤標志指示錯誤。對于“錯誤主動”的節(jié)點，錯誤信息位“主動錯誤標志”；對于“錯誤被動”的節(jié)點，錯誤信息為“被動錯誤標志”。站檢測到無論是位錯誤、填充錯誤、形式錯誤還是應(yīng)答錯誤，這個站會在下一位時發(fā)出錯誤標志信息。只要檢測到的錯誤的條件是CRC錯誤，錯誤標志的發(fā)送開始于ACK界定符之后的位。小結(jié)：本章簡單介紹了CAN-bus現(xiàn)場總線的特性以及CAN-bus現(xiàn)場總線的一些基本概念和使用方法。第4章DPS8000組態(tài)監(jiān)控軟件組態(tài)軟件，又稱為組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、能源、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠動系統(tǒng)(RTUSystem,RemoteTerminalUnit)。煤礦井下環(huán)境比較復雜，供電系統(tǒng)設(shè)備較多，通過人員在現(xiàn)場對設(shè)備進行實時監(jiān)控比較困難，容易造成判斷錯誤。通過上位機的組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，將各個設(shè)備的實時運行狀態(tài)和運行參數(shù)上傳到中央控制室，即可以遠程完成整個供電系統(tǒng)各個設(shè)備運行狀態(tài)的檢測監(jiān)控。DPS8000是由新疆新華能西安研發(fā)中心自主研發(fā)的一款用于供電系統(tǒng)遠程監(jiān)控的組態(tài)軟件，其主要功能是完成供電系統(tǒng)實時監(jiān)控功能。由于DPS8000是針對供電系統(tǒng)開發(fā)的，除了能通過組態(tài)監(jiān)控畫面完成系統(tǒng)實時監(jiān)控外，DPS8000還提供了很多針對供電系統(tǒng)的其它功能，如報表生成、歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線、故障錄波等。4.1DPS8000的特點（1）在MicrosoftVisualC++環(huán)境下開發(fā)的組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，支持WindowXP等操作系統(tǒng)；（2）采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法；（3）具有集成化的開發(fā)環(huán)境，DPS8000優(yōu)化設(shè)計的圖庫提供了豐富的電力系統(tǒng)元器件庫，任意拖拽也不變形，使用戶能快速開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)工作畫面更加精確；（4）支持用戶自定義菜單，其中包括窗口彈出式菜單和在各個圖形對象上的右鍵菜單。通過內(nèi)部編輯腳本與自定義菜單配合，可以實現(xiàn)更為靈活與復雜的人機交互過程；（5）內(nèi)置多種打印方式，可以根據(jù)監(jiān)控畫面的大小確定任意的設(shè)置打印范圍；（6）具有多樣的觸發(fā)方式，目前支持簡單的四則運算，能完成供電系統(tǒng)的監(jiān)控功能（7）支持多種通信方式，包括串口通信、以太網(wǎng)等。4.2DPS8000的功能介紹 以35KV變電站上位機監(jiān)控為例，介紹DPS8000的使用方法和常用的功能。4.2.1組態(tài)實時監(jiān)控功能DPS8000是一款專門用于電力系統(tǒng)遠程監(jiān)控的組態(tài)軟件，用戶可以通過DPS8000提供的監(jiān)控畫面圖形編輯功能，根據(jù)實際的供電系統(tǒng)編輯符合系統(tǒng)運行監(jiān)控的監(jiān)控畫面，然后將現(xiàn)場測控單元上傳到上位機的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)綁定功能在監(jiān)控畫面實時顯示。（1）監(jiān)控畫面的編輯打開DPS8000組態(tài)軟件，進入組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。如圖4.1所示。圖4.1DPS8000電力監(jiān)控系統(tǒng)打開圖形編輯窗口，點擊進行用戶登陸，系統(tǒng)只有在用戶登陸狀態(tài)下編輯的圖形才能進行保存。 用戶可以按照相應(yīng)的國家標準編輯自己所需要上位機監(jiān)控圖形，在圖形編輯窗口中，圖4.2DPS8000通用模板庫DPS8000已經(jīng)為用戶提供了一定的圖形模板，用戶可以直接使用適合自己模板進行快速布圖，減少監(jiān)控系統(tǒng)模型的開發(fā)時間，提高工作效率。系統(tǒng)提供的部分模板如圖4.2所示。除利用系統(tǒng)提供的元器件模板進行監(jiān)控畫面開發(fā)外，用戶更多的是使用系統(tǒng)提供的作圖工具進行推行編輯。系統(tǒng)提供的圖形編輯工具如圖4.3所示。系統(tǒng)提供的圖形編輯工具包括作直線、矩形、圓角矩形、橢圓、弧線、扇形、折線、多邊形、按鈕、文字、曲線圖等，用戶也可以將多種圖形組合成一個智能單元，方便對圖形操作，用戶還可以將自己將自己所作的圖形添加到模板，建立自己模板庫，方便下次進行開發(fā)。圖4.3圖形編輯工具如圖4.4所示為系統(tǒng)提供的35KV變電站主接線圖模板，通過現(xiàn)場測控單元上傳上來的數(shù)據(jù)，工作人員通過上位機即可實時監(jiān)控整個變電站的運行狀態(tài)和運行參數(shù)，通過上位機實現(xiàn)對變電站特定設(shè)備的遙控遙調(diào)功能等。圖4.435KV變電站主接線圖（2）參數(shù)設(shè)置打開參數(shù)設(shè)置窗口，進入?yún)?shù)設(shè)置窗口，進行用戶登陸，只有在用戶登陸狀態(tài)下才能對。參數(shù)設(shè)置窗口如圖4.5所示。①在參數(shù)設(shè)置窗口中，用戶可以進行人員設(shè)置，設(shè)置選項包括用戶名稱、登陸密碼、操作權(quán)限等，設(shè)置完成后，用戶只有登陸后才能對指定的功能進行操作，操作權(quán)限的設(shè)置能有效的防止誤操作。②通過公式設(shè)置，用戶可以對數(shù)據(jù)進行簡單的運算處理，選擇進行處理的數(shù)據(jù)必須為虛遙測。圖4.5參數(shù)設(shè)置③通過事故追憶設(shè)置，可以設(shè)置事故追憶時間和保存參數(shù)，在事故發(fā)生后可對事故發(fā)生是的具體參數(shù)進行追憶分析。④報警聲音文件設(shè)置，允許在發(fā)生告警信息時發(fā)出告警聲音，提醒用戶。⑤串口設(shè)備，由現(xiàn)場測控單元上傳上來的遙測量和遙信量，監(jiān)控上位機向下發(fā)送的遙控命令和遙調(diào)命令，上位機必須通過DPS8000的通信模塊完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。選擇上位機監(jiān)控系統(tǒng)所使用的通信方式和通信協(xié)議。選擇串口通信方、通信協(xié)議如圖4.6所示。圖4.6通信參數(shù)協(xié)議選擇用戶可以根據(jù)通信協(xié)議創(chuàng)建系統(tǒng)需要監(jiān)控的遙測量、遙信量、遙控事件等。遙測量:選擇通信的設(shè)備單元，然后選擇遙測設(shè)置選擇，即可創(chuàng)建多個遙測量，根據(jù)通信協(xié)議確定每個遙測量的具體類型名稱以及基準系數(shù)的一些基本的參數(shù)設(shè)置，遙測量創(chuàng)建完成。如圖4.7所示為創(chuàng)建變電站出線的一些基本遙測數(shù)據(jù)。圖4.7遙測量的創(chuàng)建遙信量：選擇通信設(shè)備單元，然后選擇遙測設(shè)置，選擇，即可創(chuàng)建多個遙信量，根據(jù)通信協(xié)議確定每個遙信量的具體類型名稱以及告警條件、告警方式等一些基本的 參數(shù)設(shè)置， 遙測量創(chuàng)建完成。如圖4.8所示為創(chuàng)建變電站出線的一些基本遙測量。圖4.8遙測量的創(chuàng)建遙控事件：選擇通信設(shè)備單元，然后選擇遙測設(shè)置，選擇即可創(chuàng)建多個遙控事件，根據(jù)通信協(xié)議確定每個遙控事件的具體類型名稱等些基本的參數(shù)設(shè)置，遙控事件創(chuàng)建完成。如圖4.9所示為創(chuàng)建變電站出線的一些基本遙控事件。圖4.9遙控事件的創(chuàng)建（3）實時監(jiān)控數(shù)據(jù)綁定通過數(shù)據(jù)綁定可以在監(jiān)控界面實時顯示現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)、運行參數(shù)。在圖形編輯窗口中，選定需要綁定的設(shè)備、圖形或文字，在右鍵菜單選擇數(shù)據(jù)綁定，即進入數(shù)據(jù)綁定框，然后根據(jù)用戶的選擇需要綁定的數(shù)據(jù)后綁定確定即可在監(jiān)控圖形顯示綁定的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運行是綁定的數(shù)據(jù)會根據(jù)實時變化顯示出來，用戶不需要進入查看通訊狀態(tài)即可查看系統(tǒng)運行參數(shù)。數(shù)據(jù)綁定框如圖4.10所示。圖4.10數(shù)據(jù)綁定框4.2.2設(shè)備通信狀態(tài)實時查看功能通過設(shè)備通訊模塊，用戶可以實時的觀察各個通信單元的實時數(shù)據(jù)，在設(shè)備通訊窗口中，可以查看通訊源碼、實時數(shù)據(jù)、告警事件，方便用戶對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，評價通訊系統(tǒng)的性能。設(shè)備通訊窗口如圖4.11所示。圖4.11設(shè)備通訊窗口4.2.3報表系統(tǒng)在組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，報表生成打印功能是必不可少的一項功能，使用報表生成打印功能，用戶能快速生成各種功能報表，減少報表制作時間，便于快速對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析，提高整個系統(tǒng)的工作效率。4.2.4歷史數(shù)據(jù)查詢在使用歷史數(shù)據(jù)查詢功能前，必須將需要查詢的數(shù)據(jù)在參數(shù)設(shè)置中設(shè)置為保存，否則不能使用歷史數(shù)據(jù)查詢功能。數(shù)據(jù)類型設(shè)置為如圖所示的保存類型。 圖4.12數(shù)據(jù)保存設(shè)置通過歷史數(shù)據(jù)查詢功能可以查詢到歷史數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、事故追憶數(shù)據(jù)，對事故后對故障分析具有重要的意義。歷史數(shù)據(jù)查詢窗口如圖4.11所示，用戶可以選擇查詢已經(jīng)系統(tǒng)已經(jīng)存儲的不同數(shù)據(jù)。圖4.13歷史數(shù)據(jù)查詢窗口4.2.5數(shù)據(jù)歷史曲線生成功能通過歷史曲線顯示功能，用戶可以查看數(shù)據(jù)歷史曲線，通過數(shù)據(jù)歷史曲線可以快速準確的對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行分析，確定系統(tǒng)的運行狀態(tài)。4.2.6故障錄波功能DPS8000的故障錄波功能是針對供電系統(tǒng)進行開發(fā)的，它能對系統(tǒng)故障時的數(shù)據(jù)變化進行記錄并生成波形進行記錄下來，方便用戶實現(xiàn)事后事故追憶，對故障類型進行分析，確定故障范圍。4.2.7告警功能DPS8000是用于供電系統(tǒng)監(jiān)控的組態(tài)軟件，當上位機接收到的遙測量超過設(shè)置的范圍時，可以設(shè)置告警可以及時的提示遙測量超過設(shè)置范圍。當供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，測控單元上傳上來故障信息，系統(tǒng)能及時的發(fā)出告警信息，提示用戶故障發(fā)生。DPS8000是一款專門用于供電系統(tǒng)上位機監(jiān)控的組態(tài)軟件，其面向?qū)ο蟮慕M態(tài)設(shè)計開發(fā)方式，操作簡單，功能強大，實用性強，能較好的適應(yīng)供電系統(tǒng)上位機監(jiān)控的要求。小結(jié)：本章介紹了電力系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件DPS8000的功能特點，然后以35KV變電站為例簡單介紹了DPS8000的使用方法和使用技巧。第5章現(xiàn)場測控單元設(shè)計現(xiàn)場測控單元，其主要任務(wù)是檢測每個饋電開關(guān)的基本運行參數(shù)、運行狀態(tài)、執(zhí)行開關(guān)的投切命令及記錄故障信息。每一個饋電開關(guān)的運行參數(shù)包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率，運行狀態(tài)包括開關(guān)的動作時間、觸點溫度，故障信息包括短路、缺相、三相不平衡、過壓、過流、欠壓、錯相等。現(xiàn)場測控單元通過檢測到的饋電開關(guān)的各項實時信息，依據(jù)一定的控制策略，對一些重點保護對象進行實時保護，可以不需要上位機的授權(quán)即可啟動保護，只需在保護動作后向上位機發(fā)送動作信息即可。現(xiàn)場測控單元原理圖如圖5.1所示。圖5.1現(xiàn)場測控單元原理圖5.1現(xiàn)場測控單元的硬件設(shè)計5.1.1測控單元電源模塊設(shè)計本次設(shè)計中采用主控制芯片TMS320F2812采用DC3.3V電源、測控單元采用DC5V電源、控制繼電器采用DC24V。其中，芯片供電有專門的電源由開發(fā)板配套電源提供，因此不需要外接電源。本部分主要介紹5V電源和24V電源的設(shè)計。5V直流電源為本次測控電路提供電源支撐，主要是為芯片和信號處理電路提高電源，功率不大。采用7805三端集成穩(wěn)壓芯片，輸出最大電流1A.可以滿足對測控單元供電的要求。24V直流電源主要是用于24V繼電器驅(qū)動斷路器的合閘跳閘，采用LM317三端集成穩(wěn)壓芯片，通過一定的處理電路可以得到滿足要求的24V直流穩(wěn)壓電源。小功率穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路組成。如圖5.2所示圖5.2電源設(shè)計框圖電源變壓器將交流電網(wǎng)220V的電壓降壓至需要的電壓值，然后通過全橋整流電路將交流電壓變直流信號。由于整流后的直流電壓信號還包含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電源。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)的電壓波動（一般有±10%左右的波動）、負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。這里采用LM317穩(wěn)壓芯片和7805穩(wěn)壓芯片就可以確保輸出的24V、+5V直流電壓的穩(wěn)定。硬件電如圖5.3所示。圖5.3DC5V/24V電源原理圖5.1.2電網(wǎng)電壓電流采集信號處理電路供電系統(tǒng)電壓電流信號的采集與處理，在系統(tǒng)保護和系統(tǒng)遠程監(jiān)控中占有重要地位，是煤礦供電系統(tǒng)面保護組成的基礎(chǔ)部分，它是系統(tǒng)有功功率、無功功率計量的基礎(chǔ)，也是保護動作執(zhí)行與否及某些故障類型的判斷的依據(jù)。交流采樣的采樣精度直接影響到了整個保護系統(tǒng)的準確性和可靠性。TMS320F2812具有高實時性、高準確性的特點，其內(nèi)部集成有兩個12位8路參考電壓范圍為0～3V的A/D轉(zhuǎn)換外設(shè)模塊，因此，進行交流采樣時將不需要外擴AD轉(zhuǎn)換模塊。在此，采用電流互感器、電壓互感器、運算放大器和TMS320F2812對交流信號進行處理和采樣，交流采樣流程圖如圖5.4所示，其采樣具有實時性好、準確度高的優(yōu)點。圖5.4交流采樣流程圖電壓信號處理電路設(shè)計：通常標準電壓互感器的電壓輸出電壓是100V或220V交流電壓信號，在進入測控單元之前要對進行降壓，濾波處理。由于本設(shè)計使用的主控芯片TMS320F2812的AD采用的是單極性輸入，因此需要將電流信號通過偏置處理使其位于X軸上方，便于AD處理。處理框圖如圖5.5所示。圖5.5電壓處理框圖高壓電網(wǎng)側(cè)電壓經(jīng)過一次電壓互感器輸出變?yōu)?20V標準交流信號，本電路設(shè)計采用北京耀華TV16E電壓互感器，匝數(shù)比2000:2000，輸入電流范圍為0～2.5mA，對220V交流信號進行降壓，使其幅值在±1V范圍內(nèi)，在對其偏置使其輸出位于X軸上方，幅值在0～3V以內(nèi)并留一定的裕量，防止電壓突然升高而損壞DSP的AD輸入引腳。在設(shè)計電壓信號處理電路時考慮到采用單電源供電，因此該信號處理電路包括三部分，偏置放大部分、濾波環(huán)節(jié)和輸出跟隨部分。偏置部分的作用是將電壓互感器輸出的波形抬高至X軸上方，變成DSP能轉(zhuǎn)換的直流信號。濾波環(huán)節(jié)是為了滿足采樣定律的要求，經(jīng)RC濾波電路將高頻干擾信號濾除掉，確保輸入到AD的電壓信號在進行算法處理時不失真。輸出跟隨部分由于運算放大器接成電壓跟隨器的形式，其輸入阻抗大，輸出阻抗小，帶負載能力強，還起到一定的隔離作用，確保輸出電壓信號處理電路的抗干擾能力。交流電壓處理電路硬件電路原理如圖5.6所示。圖5.6電壓信號處理電路電流信號處理電路設(shè)計交流電流處理電路原理與電壓處理一致。本次設(shè)計負載采用三相異步電機（380V，120W，0.48A），在采用星型連接時，負載電流為0.48A?；ジ衅鞑捎米儽?000/1的測量用電流互感器TA-04，在設(shè)計電流信號處理電路時，要考慮到短路時電流是正常額定電流的好幾倍甚至十幾倍，因此電壓信號處理電路最終的輸出波形必須留有幾倍的裕度?？紤]到測量準確性，綜合考慮因此預(yù)留三倍的裕量，既保證輸入到AD的信號不至于過低，還可以保證短路時信號處理電路的輸出電壓不至于過高而損壞AD接口。電流信號處理電路硬件電路如圖5.7所示。圖5.7電流信號處理電路5.1.3電網(wǎng)頻率信號的采集與處理頻率是衡量電能質(zhì)量的一個基本指標，我國采用的額定頻率為50Hz，正常運行時允許的偏移為±0.2～±0.5Hz。煤礦使用最多的就是電動機，其轉(zhuǎn)速和輸出功率均與頻率有關(guān)。因此對煤礦供電系統(tǒng)的頻率進行檢測具有重要作用，通過檢測頻率可以監(jiān)視供電系統(tǒng)電能質(zhì)量。電網(wǎng)頻率信號檢測流程頻率檢測設(shè)計思路是通過電壓互感器將電網(wǎng)電壓交流信號進行降壓處理，使互感器二次側(cè)輸出的弱電壓交流通過零比較器，交流電壓信號處理成矩形波，再對比較器的輸出波形進行限幅處理，最終波形輸入至TMS320F2812的捕獲單元。通過檢測輸出波形的兩個上升沿的時間就可以確定交流電壓信號的周期T,進而求出電網(wǎng)的頻率。頻率檢測處理流程如圖5.8所示。圖5.8電網(wǎng)頻率信號處理流程電網(wǎng)頻率信號檢測硬件設(shè)計該頻率信號檢測設(shè)計利用電網(wǎng)電壓，選擇的電壓互感器為耀華電子的TV16E，其匝數(shù)比為2000:2000，輸入電流為0～2.5mA。電壓信號用的為相電壓，即220V，利用在電壓互感器一次側(cè)串聯(lián)一個200K的電阻，再在二次側(cè)并聯(lián)一個的電阻來降低電壓幅值。硬件電路如圖5.9所示。圖5.9頻率檢測硬件電路圖其最終的輸出波形如圖3-11所示。圖5.10頻率信號測量波形5.1.4功率因數(shù)角檢測電路設(shè)計本設(shè)計思路是采集同一相的電壓和電流兩個過零點之間的時間差，分別使電壓和電流的兩個上升沿進入到D觸發(fā)器，最終輸出高電平的持續(xù)時間就對應(yīng)功率因數(shù)角，通過一定的算法在軟件中處理便可以計算出功率因數(shù)。其設(shè)計思路框圖如圖5.11所示。圖5.11功率因數(shù)檢測設(shè)計框圖功率因素角硬件電路如圖5.12所示。圖5.12功率因數(shù)角檢測硬件電路圖本電路設(shè)計中用到的D觸發(fā)器為CD4013。由兩個相同的、相互獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)、置位、復位、時鐘輸入和Q及Q非輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過將Q輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計數(shù)器和觸發(fā)器。本電路設(shè)計CD4013作為觸發(fā)器使用，在時鐘上升沿觸發(fā)時，加在D輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復位與時鐘無關(guān)，而分別由置位或復位線上的高電平完成。各個部分輸出波形如圖5.13所示。電壓和電流互感器二次側(cè)輸出波形如圖A，通過過零比較器后輸出波形為圖B，最終的CD4013的輸出為圖C。圖5.13功率因數(shù)檢測電路波形5.1.5測溫模塊設(shè)計NS公司生產(chǎn)的LM35系列溫度傳感器，是精密集成電路溫度傳感器，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，他的輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，且無需外部校準或微調(diào)，可以提供±1／4℃的常用的室溫精度。LM35的輸出電壓與攝氏溫度的線形關(guān)系可用下面公式表示，0℃時輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。 溫度傳感器LM35的信號處理電路如圖所示5.14所示。圖5.14LM35的信號處理電路該處理電路共分為兩級，第一級電壓跟隨器，主要起隔離作用可以提高電路抗干擾能力。第二級為同相比例放大起，能夠?qū)囟葌鞲衅鬏敵鲭妷盒盘柗糯?倍。5.1.6開關(guān)量輸出電路設(shè)計開關(guān)量輸出主要包括保護的跳閘出口和合閘出口。一般都采用并行接口的輸出來控制繼電器（干簧或密封小中間繼電器）的方法。本次設(shè)計由于斷路器的線圈額定電壓為380V，因此需要采用觸頭耐壓和通流量較大的繼電器去進行控制斷路器的合閘和跳閘，這里選用DC24V的直流繼電器。這樣還需要采用一個密封的小型中間繼電器去驅(qū)動DC24V的繼電器。開關(guān)量的輸出電路如圖5.15所示。圖5.15開關(guān)量輸出電路本設(shè)計選取的的斷路器型號為NM1-100，其操作機構(gòu)分合閘和分閘線圈，分合閘的控制通過TMS320F2812的GPIO引腳置高電平來實現(xiàn)。該電路的工作過程為：當GPIO口輸出為低電平時，NPN三極管9013截止，出口繼電器的線包不帶電，K1不會閉合，最終斷路器操作機構(gòu)線圈不會帶電，斷路器不動作；當GPIO口輸出高電平時，NPN三極管9013導通，出口繼電器的線包帶電，K1閉合，DC24V繼電器線圈得電，動作指示燈亮，K2閉合，斷路器操作機構(gòu)線圈帶電，斷路器動作，作用于合閘或者跳閘。5.1.7缺相檢測電路設(shè)計缺相就是正常的三相電源其中某一相斷路，原有的三相設(shè)備會降低輸出功率使其不能正常工作或造成事故.因此對于一些重要的設(shè)備需要加缺相保護裝置。缺相檢測硬件電路如圖5.16所示。 其工作原理如下：當三相輸入電壓正常時，其三相輸入相電壓波形如圖所示，為便于分析，將一個電源周期分為6等份，如圖2所示T1、T2、T3、T4、T5、T6。在這六個區(qū)間，三相電源間的關(guān)系如表5.1所示。在區(qū)間T1內(nèi)，UA>UC>UB，A相電壓最大，B相電壓最小，因此，在圖中的光藕U1和二極管D1導通，此時，輸出控制信號為低電平，當時間從T1進入T2區(qū)間時，UA>UB>UC，A相電壓最大，C相電壓最小，因此，在圖1中的光藕U1和二極管D3導通，輸出控制信號為低電平，如此類推，在區(qū)間T3、T4、T5、T6時，控制信號UC均為低電平，所以，在一個電源周期內(nèi)，輸出控制信號為低電平，也就是說，當三相輸入電壓正常時（不缺相），輸出控制信號一直為低電平，從而使缺相告警信號為低電平，表示A、B、C輸入正常。如圖5.17所示。圖5.16缺相檢測硬件電路T1T2T3T4T5T6三相電源之間的關(guān)系UA>UC>UBUA>UB>UCUB>UA>UCUB>UC>UAUC>UB>UAUC>UA>UB表5.1三相電源關(guān)系圖5.17三相正常時檢測電路波形圖當三相輸入電壓缺相時，其檢測電路波形圖如圖5.18所示.圖5.18三相缺C相時檢測電路波形圖由于缺C相時，線電壓只有UAB一相，當UAB在過零點附近時，光藕U1不導通，其余二個光藕也不導通，此時，輸出控制信號為高電平，從而使缺相告警信號為矩形波，表示輸入缺相，此信號經(jīng)過限幅處理可送至TMS320F2812的捕獲單元進行處理。5.1.8液晶顯示接口電路設(shè)計煤礦供電系統(tǒng)面保護的測控單元安裝于現(xiàn)場，需要將測量的電壓、電流、頻率、有功功率和無功功率等重要信息，顯示出來以便實現(xiàn)人機交互非。用戶能夠通過人機對話界面了解當前保護安裝處的綜合信息。本次設(shè)計選用的12864型號為SMG12864G2-ZK，內(nèi)部控制器為ST7920，原理圖如圖5.19所示。圖5.1912864液晶顯示接口電路5.2現(xiàn)場測控單元的軟件設(shè)計測控單元的正常工作除了需要依靠硬件電路的支持外，還離不開軟件的支持。測控單元測量的各個信息都由具體的軟件進行數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)。系統(tǒng)總程序流程結(jié)構(gòu)如圖5.20所示。圖5.20系統(tǒng)程序流程圖AD采樣子程序用于完成系統(tǒng)電壓、電流、溫度模擬量的采集；使用DSP的捕獲單元采集供電系統(tǒng)頻率、功角、合閘時間、分閘時間、缺相信息；故障判斷保護子程序根據(jù)采集到的所有的系統(tǒng)信息按照一定的故障保護控制規(guī)約進行故障保護；eCAN通信子程序完成現(xiàn)場測控單元所采集的信息往上位機傳送并接收來自上位機的控制命令；液晶顯示子程序用于現(xiàn)場測控單元數(shù)據(jù)輸出顯示。小結(jié)：本章簡單的介紹了系統(tǒng)的測控單元硬件電路和軟件設(shè)計，實現(xiàn)測控單元的測控功能。第6章通信單元的設(shè)計在礦用供電系統(tǒng)面保護中，實現(xiàn)上位機監(jiān)控單元實時遠程監(jiān)控監(jiān)測保護安裝點設(shè)備運行參數(shù)、狀態(tài)、故障的相關(guān)信息及進行遠程控制等，必須依賴于通信。如果脫離了通信，則談不上遠程監(jiān)控監(jiān)測，所以通信在整個礦用供電系統(tǒng)面保護中占據(jù)著十分重要的地位，它為現(xiàn)場測控單元之間、現(xiàn)場測控單元與上位機之間的信息交互提供了信息通道。目前，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)常用的通信方式主要有RS232、RS485、現(xiàn)場總線以及工業(yè)以太網(wǎng)等，選擇一種適合于煤礦井下復雜工作環(huán)境的通信方式是保證礦用供電面保護系統(tǒng)可靠運行的前提條件和重要保障。6.1礦用供電系統(tǒng)面保護通信方式的選擇工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可供選擇的通信方式有很多種，每種通信方式都有各自的應(yīng)用場合和不同的優(yōu)缺點。因此，在選擇通信方式時，必須根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)具體的工作環(huán)境、系統(tǒng)運行要求選擇進行選擇。目前，比較常見的工業(yè)控制通信方式有RS232、RS422、RS485、CAN總線、Profibus過程總線、工業(yè)以太網(wǎng)等，每一種通信方式根據(jù)其優(yōu)缺點應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。RS232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制定的一種串行物理接口標準，也是目前數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的一種標準。它適合于數(shù)據(jù)傳輸數(shù)度在0～20000b/s范圍內(nèi)的點對點數(shù)據(jù)通信，采用直通方式，雙向通信、基本頻帶、電流環(huán)方式，串行傳輸方式，DCE-DTE間使用的信號形態(tài)，交接方式，全雙工通信。RS232所用電纜的形狀并不固定，但大多使用帶屏蔽的24芯電纜。電纜的最大長度為15m。使用RS232在20K位/秒以下的任何速率都能進行數(shù)據(jù)傳輸。RS232通信方式的缺點主要包括：①接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接；②傳輸速度較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps，因此在很多實際應(yīng)用中，綜合程序波特率只能采用19200；③接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；④傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在15米左右。RS485是一種串行物理接口標準，支持一對多通信，所有設(shè)備的通信都由主機控制，RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，較長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。Profibus是一種由Siemens公司提出并極力倡導的過程現(xiàn)場總線，Profibus-DP和Frofibus-FMS系列采用RS-485通信標準，傳輸速率為9.6kbps～12Mbps，傳輸距離為1200～100m（與傳輸速率有關(guān)）。Profibus是一種比較成熟的總線，在工程上的應(yīng)用十分廣泛。CAN（ControlAreaNetwork）現(xiàn)場總線，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標準（ISO11898）。CAN-bus是一種多主方式的串行同行總線，基本設(shè)計規(guī)范要求高位速率，高抗電磁干擾性，而且能檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時，CAN-bus仍可提供高達5kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN總線數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，總線成本低利用率高。CAN總線遵循ISO/OSI模型,采用了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,應(yīng)用層協(xié)議允許用戶自行開發(fā)，采用短幀結(jié)構(gòu),最可靠，可采用雙絞線、同軸電纜、光纜等傳輸介質(zhì)，通訊速率最高1Mb/s,最遠通訊距離可達10km，通訊穩(wěn)定。CAN網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)多主模式，它的通信模型結(jié)構(gòu)只有3層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂上層的應(yīng)用層。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線且CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。CAN-bus總線在通信能力、可靠性、實時性、靈活性、易用性、傳距離遠、低成本等方面具有著明顯的優(yōu)勢，因此CAN總線在自動控制領(lǐng)域和對通信可靠性要求較高的領(lǐng)域得到廣泛使用。相對于RS485,現(xiàn)場總線CAN-bus具有明顯的優(yōu)勢。RS484與CAN-bus比較如表6.1所示。特性RS-485CAN-bus成本低廉稍高，20～50元/節(jié)點總線利用率低高網(wǎng)絡(luò)特性單主網(wǎng)絡(luò)多主網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸率低高容錯機制無可靠的錯誤處理和檢錯機制通信失敗率高極低節(jié)點錯誤的影響導致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓無任何影響通信距離<1.5km可達10km（5kbps）網(wǎng)絡(luò)測試困難非常容易開發(fā)難度大小后期維護成本高低表6.1RS-485與CAN-bus特性比較由于煤礦井下供電系統(tǒng)占地面大，距離長，井下環(huán)境較為特殊，高瓦斯、高粉塵、空氣潮濕，這就需要井下通訊媒介具有在潮濕、振動、腐蝕和電磁干擾等條件下長周期、連續(xù)、可靠完整地傳輸數(shù)據(jù)的能力且其本身還得具有安全性能。通過以上對比不難發(fā)現(xiàn)CAN通信的優(yōu)勢所在，因此在本設(shè)計中我們選擇采用CAN-bus現(xiàn)場總線通信作為礦用供電系統(tǒng)面保護的通信方式。6.2礦用供電系統(tǒng)面保護通信單元通信流程本次設(shè)計的通信單元充分利用現(xiàn)場測控單元的核心處理芯片TMS320F2812自帶的eCAN通信模塊。eCAN模塊與CAN2.0B協(xié)議完全兼容，其最高支持總線通信速率大1Mbps，具有32個郵箱以及在仲裁或錯誤丟失信息時，自動重發(fā)一幀信息，能夠保證所發(fā)送接收信息的準確性。eCAN的結(jié)構(gòu)框圖和接口電路如圖所示。圖6.1eCAN的結(jié)構(gòu)框圖和接口電路通過eCAN模塊自身的32獨立完全可配置的發(fā)送接收郵箱和實時郵遞功能，完成信息的實時串行通信。現(xiàn)場測控單元之間可以利用發(fā)送接收郵箱通過CAN-bus網(wǎng)絡(luò)完成信息的交互，而上位機自身不帶CAN接口，必須通過協(xié)議轉(zhuǎn)換完成上位機與CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的連接。本次設(shè)計采用周立功的CAN232MB智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器完成上位機與CAN-bus總線網(wǎng)絡(luò)的信息交互。礦用供電面保護通信流程圖如圖所示。圖6.2礦用供電面保護通信流程圖6.3CAN232MB智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器本次所選用周立功CAN232MB智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以快速將RS-232通訊設(shè)備連接到CAN-bus網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議轉(zhuǎn)換器支持600~11520bps范圍的RS-232通訊速率，5Kbps~1Mbps范圍的CAN-bus通訊速率。CAN232MB智能轉(zhuǎn)換器為用戶的使用提供了足夠的靈活性，用戶可以根據(jù)實際需要設(shè)置RS-232通道和CAN-bus通道的通訊參數(shù)，能夠滿足用戶在不同應(yīng)用場合中對于RS-232數(shù)據(jù)與CAN-bus數(shù)據(jù)之間轉(zhuǎn)換的要求。CAN232MB智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器的通訊參數(shù)由上位機軟件配置，能使用戶快速進入高效率的CAN-bus通信應(yīng)用。CAN232MB的RS-232通道支持多種通訊波特率，范圍是600bps~115200bps。CAN-bus通道支持CiA推薦的15種標準通訊波特率和用戶自定義波特率，通訊速率范圍為5Kbps~1M