【文章內容簡介】 ，現(xiàn)有防爆開關通訊電路不完善，不能及時將采集的電力數(shù)據(jù)反映至上位機中供 工作 人員檢查、操作。 隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提高和井下高壓供電距離的增加，對煤礦井下供電系統(tǒng)可靠性、安全性和連續(xù)性的要求越來越高；同時，由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，負荷波動大，工況很不穩(wěn)定，瓦斯煤塵積聚、滴水冒頂事 故等會使電氣設備絕緣強度逐漸降低。同時由于操作人員維護不當或操作錯誤、輸電線路的導線斷裂等原因，經(jīng)常會出現(xiàn)漏電及單相接地故障。接地故障若不及時排除，電網(wǎng)各相線會運行在線電壓下，長期運行將導致絕緣擊穿，甚至發(fā)生三相或兩相短路事故。單相接地、相間短路故障發(fā)生時產生的電弧能量會引起瓦斯、煤塵爆炸，直接危及人身安全和礦井生產。為了避免事故的發(fā)生，保障人身安全，有效減小事故范圍，及時采集電能質量數(shù)據(jù)，正確的進行處理，與上位機進行通訊，及時啟動保護裝置，具有重要的現(xiàn)實意義和重大的經(jīng)濟價值。 在煤礦井下供電系統(tǒng)設備的一般 位置為： 高 壓 防 爆 開關 、 移動變電站 、 饋電開關 、 起動器 、 電機 。高壓防爆開關位于最前的位置，其重要性不言而喻。 基于數(shù)字信號處理器的防爆開關數(shù)據(jù)采集電路，不僅具有完善數(shù)據(jù)采集功能和顯示功能，而且具有和上位機通信及聯(lián)網(wǎng)通訊等功能。它不僅可以提高我國煤礦配電設備的智能化水平，保障人員和設備的安全，而且可以 聯(lián)網(wǎng) 實現(xiàn)遠程操作，為礦井供電的無人化打下基礎 [3] 。 通常為了安全起見， 在很多煤礦井下防爆開關中 設置雙 CPU系統(tǒng)來進行綜合保護器的設計，一套為監(jiān)護系統(tǒng)，主要負責數(shù)據(jù)的采集， 處理， 顯示 和通信；另一套為保護系統(tǒng)，主要完成保護功能。由于本設計 是防爆開關的數(shù)據(jù)采集電路的設計，屬于監(jiān)護系統(tǒng)，所以對保護部分只是略作介紹 [4] 。 國內外相關領域研究 情況 煤礦防爆裝置的發(fā)展 上世紀二三十年代，采煤技術發(fā)達的德國、前蘇聯(lián)和英國等國家先后開展了礦井電氣安全的研究工作。近幾年，英國、德國等西方主要產煤國在高壓繼電保護方面均趨于利用計算機功能多、可靠性高的優(yōu)點，大量采用計算機控制，使繼電保護具有多功能、智能化的優(yōu)點。國外許多公司都相繼 推出了性能優(yōu)越的微機保護系統(tǒng)。隨著微機技術和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，以多處理器和現(xiàn)場總線為標志的智能電器得到了飛速的發(fā)展。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 目前德國、法國等一些發(fā)達國家的煤礦生產基本上實現(xiàn)了無人化，井下開關設備和地面微機實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)，工人通過現(xiàn)場總線的方式控制智能開關設備的正常運行。不但提高了生產效率而且大大降低了操作的危險度 [2] 。 我國煤礦井下防爆電器從 50 年代仿制原蘇聯(lián)產品起步 ， 60 年代開始自行設計 ， 70 年代末期生產了真空防爆電器。經(jīng)過四十多年的發(fā)展 ， 技術上取得了長足的進步 ， 無 論是防爆結構還是整體結構 ， 以及電氣系統(tǒng)設計 ， 其合理性、可靠性、安全性、維修的方便性、技術的先進性等方面和德國、英國等西方國家的同類產品相比 ， 差距日趨縮小 [] 。 數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理的 情況 煤礦防爆開關的數(shù)據(jù)采集在防爆開關保護中占有極其重要的位置，大量模擬數(shù)據(jù)的采集的是否準確，直接影響著保護裝置的保護功能。 數(shù)據(jù)采集和處理模塊完成對大量原始的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和信息的采集與預處理，并通過建立與上位機的實時通信，向系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)采集模塊，通常要求其能對多 通道進行并行處理，具備較高的實時性并有一定的數(shù)據(jù)處理能力。 隨著現(xiàn)代檢測與控制系統(tǒng)復雜性的提高，對數(shù)據(jù)采集模塊也提出了新的要求。在很多控制系統(tǒng)中，要求數(shù)據(jù)采集模塊能夠對多個信號通道進行實時，高速的數(shù)據(jù)采集與高精度的數(shù)據(jù)預處理。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理模塊多以單片機為中央處理器，結合外圍的信號調理電路， A/D 轉換電路，以及控制電路來完成數(shù)據(jù)采集過程。 8 位的 51 單片機對數(shù)據(jù)的運算與處理能力有限，難以適應高精度數(shù)據(jù)采集與處理的要求。因此，對于高精度，高速度的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，需要使用更高端的處理器。使用高端的處理器的 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組織較為復雜，開發(fā)周期長，而且由于其指令的通用性，數(shù)字信號處理算法如數(shù)字濾波， FFT等實現(xiàn)困難，對處理器的利用效率不高。單片機從本質上說屬于事務密集型的處理器，使用傳統(tǒng)的單片機難以滿足該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)運算方面的要求 [5] 。 數(shù)字信號處理器 (DSP)的出現(xiàn)和廣泛使用，很好地滿足了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對于核心處理器的要求。無論從實時處理外部事件 (中斷， I/O)的能力，還是對于數(shù)據(jù)運算的速度和精度來看，數(shù)字信號處理器都有非常大的優(yōu)勢。 1982 年 TI 公司成功 推出了第一代 DSP 芯片 TM32020，之后很快又推出了第二代 DSP芯片 TMS32020， 20 實際 80 年代后期， TI公司推出了第三代 DSP 芯片 TMS32C3x，到了90 年代， TI 公司相繼推出了第四代 DSP 芯片和 TMS32C4x，第五代芯片 TMS32C5x/C54x以及集多個 DSP 和于一體的高性能 DSP 芯片 TMS32C8x 等，到最近第六代 DSP 芯片TMS32C62x/C67x/C64x 誕生后，構成了 20 5000、 6000 系列的龐大 DSP 家族。 從內部結構上看，與傳統(tǒng)的馮 諾依曼結構不同，數(shù)字信號處理器采用 了程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開的先進的哈佛總線結構，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高一倍 ； 而且數(shù)字信號處理器在指令上實現(xiàn)多級流水操作，并采用特殊的數(shù)據(jù)運算指令快速實現(xiàn)了乘法累加等常用的數(shù)字信號處理運算操作； DSP 的運行速度比傳統(tǒng)的單片機更快，而且運算精度也很高，例如所有這些，都大大提高了數(shù)字信號處理器的運算與處理能力，使得它兼有事務密集型處理器和運算密集型處理器的特點。 因此， DSP 自從上世紀 70 年代問世以來，在通信，控制，圖像處理，語音處理等領域得到了極其廣泛的應用 [6] 。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 本人要做的主要工作 針對煤礦井下防爆開關采集數(shù)據(jù)龐大、采集數(shù)據(jù)不準確、通信協(xié)議不完善 、干擾眾多等問題，提出了一種基于 DSP 的煤礦防爆開關數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要具有以下功能 : 1 對 三相電流、三相電壓和線電壓進行采集，并計算出有效值和功率因素；對零序電壓和零序電流進行采集，并計算出有效 值和相位；對交流電壓進行采集，并計算出直流成分、基波和三次諧波 ；對開關量進行監(jiān)測； 2 將計算出的結果顯示出來，供操作人員查看； 3 通過通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至上位機 并將多個系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) ，進行分析比對； 4 進行抗干擾分析 和設計 。 通過設計， 用 TMS320F2812 作為核心芯片，完成硬件接口； 用 Protel DXP 畫出硬件原理圖 （各部分原理圖和系統(tǒng)總體原理圖） ，并進行解釋說明，完成論文。 為工程應用中的實現(xiàn)打下了理論依據(jù)和實踐基礎。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 2 采樣 方法 及采集數(shù)據(jù)簡介 電力系統(tǒng)在運行過程中，需要監(jiān)測很多的電力參數(shù)，以此來判斷電的質量是否能達到電能質量標準。其主要電力參數(shù)有電壓、電流的有效值， 頻率，有功功率，無功功率，功率因數(shù)，以及關于諧波方面的各種參數(shù)。 在本章中將對 采樣及其方式選取， 采集的參數(shù)和算法進行簡單的介紹。 采 樣方法簡介 采樣原理簡介 所謂 “ 采樣 ” 就是利用采樣脈沖序列 p(t)從連續(xù)時間信號 ()axt中抽取一系列的離散樣值，由此得到的離散時間信號通常稱為采樣信號，以 ()axt? 表示，下標 a 表示連續(xù)時間信號，而其頂部符號（ ? ）表示它的采樣信號。實現(xiàn)采樣的原理框圖如圖 所示。 采樣器可以看成一個電子開關，設開關每隔 T 秒短暫地閉合一次，將連續(xù)信號接通，實現(xiàn)一次采樣。如果開關每 次閉合的時間為 ? 秒，那么采樣的輸出將是一串周期為 T，寬度為 ? 的脈沖，而脈沖幅度卻是重復著這段 ? 時間內的信號幅度，這個過程可以看作是一個脈沖調幅過程。被調制的脈沖載波是一串周期為 T，寬度為 ? 的矩形脈沖信號，即采樣脈沖序列 p（ t），而調制信號就是輸入的連續(xù)信號。 采 樣 器連 續(xù) 信 號 采 樣 信 號()axt()axt?采 樣 脈 沖 ()pt 圖 采樣原理框圖 采樣的公式為： ( ) ( ) ( )aax t x t p t? ? （ ） 當采樣脈沖序列為脈寬為 ? 的矩形脈沖時，稱為矩形脈沖采樣，也就是實際采樣。當脈沖寬度 0?? 時，得到的是理想采樣 [7] 。 采樣方式選取 采樣方式一般分為直流采樣和交流采樣 [8] 。 直流采樣 直流采樣是指將現(xiàn)場不斷變化的模擬量先轉換成直流電壓信號，再送至 A/D 轉換器進行轉換，即將各種交流量通過降壓、整流、濾波、非線性校準等各種電子電路變換為相應 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 大小的直流電量，然后對直流量進行采樣和 A/D 轉換?？傊绷鞑蓸拥闹饕卣魇?A/D轉換器所采集轉換的模擬信號已轉換成變化緩慢的直流信號。直流采樣的主要特點是： （ 1）直流采樣對 A/D 轉換器的轉換速率要求不高，軟件算法簡單。只要將采樣結果乘上相應 的標度系數(shù)便可得到電流、電壓的有效值，因此采樣程序簡單，軟件的可靠性好 ； （ 2）直流采樣經(jīng)過整流和濾波環(huán)節(jié)，轉換成直流信號，抗干擾能力強 ； （ 3）直流采樣輸入回路，要濾去整流后的紋波，往往采用 RC 濾波電路，因此其時間常數(shù)較大 (一般幾十毫秒一幾百毫秒 )，采樣結果實時性差，而且無法反映被測模擬量的波形 ； （ 4）直流采樣需要變送器，故增加了設備投資。 交流采樣 交流采樣是指直接對經(jīng)過系統(tǒng)內部轉換后形成的交流電壓信號進行采樣保持和 A/D轉換，然后在軟件中通過各種算法計算出線路的電流、電壓有效值及相位。交流采 樣法對軟件提出了較高的要求，但由于各種成熟算法的推出，使得這一問題變得非常容易解決。交流采樣的主要特點為： （ 1）實時性好。它能避免直流采樣中整流、濾波環(huán)節(jié)的時間常數(shù)大的影響。特別是在微機保護中必須采用 ； （ 2）能反映原來電流、電壓的實際波形，便于對所測量的結果進行波形分析。在需要諧波分析或故障錄波場合，必須采用交流采樣 ； （ 3）有功、無功功率通過采樣得到的 u、 i 計算出來的，因此可以省去有無功變送器，節(jié)約投資并減少量測設備占地 ； （ 4）對 A/D 轉換器的轉換速率和采樣保持器要求較高。為了保證測量的精度，一個 周期須有足夠的采樣點數(shù) ； （ 5）測量準確性不僅取決于模擬量輸入通道的硬件，而且還取決于軟件算法，因此采樣和計算程序相對復雜。以監(jiān)測為目的的交流采樣是為了獲得高精度的有效值和有功無功功率等，一般采用均方根算法；以保護為目的的交流采樣是為了獲得與基波有關的信息，對精度要求不高，一般采用全波或半波傅氏算法。 在本設計中選擇交流采樣，傅氏算法。 各項采集數(shù)據(jù) 的計算 介紹 有效值和功率因素的計算 在 電力系統(tǒng)運行時，電壓和電流不是標準的正弦波，其中包含一些諧波， 電壓 和電流的 有效值的計算公式為 ： 201 TU u dtT? ? （ ） 201 TI i dtT? ? （ ） 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 非正弦周期的電壓 和 電流的傅氏級數(shù)表示式為 ： 1( ) s in ( ) d k m k uku t U U k t? ? ???? ? ?? （ ） 1( ) s in ( )d k m k iki t I I k t? ? ???? ? ?? （ ） 我們以 ()ut? 為例分析其有效值，由有效值定義可得 ： 20 11 [ s in ( ) ] ( )T d k m k ikU U U k t d tT??? ? ???? ? ??? （ ） 將該式展開求解，由于正交性原理，可得有效值為： 221dkkU U U????? （ ） 式中，2kmk UU ?為 k 次諧波分量電壓的有效值 。 同 理，可得非正弦周期電流 ()it? 的有效值為： 221dkkI I I????? （ ）