煤矿风机微机继电保护设计
摘 要本论文开展了关于煤矿风机的单片机继电保护设计，在掌握煤矿风机单片机继电保护的工作原理的基础上，对煤矿风机微机继电保护的设计方案进行全面探讨设计，提出自己的解决方法，设计微机继电保护的软硬件部分，提出有用可行的微机保护算法并实现运行。本课题探索了着重于DSP的双CPU结构微机继电保护装置，在硬件部分电路的设计上，采用了TMS320LF2407芯片，不但利用了DSP处理速率快和可以完成庞大算法的优点，并且采取了两个CPU，使两个CPU各负其责，从而很大的提升了数据处理的速率和准确度。在软件方面的设计上，采取了FFT快速傅里叶算法来实现微机继电保护的数据处理。 然后给出了多种微机保护经常用的算法以及装置软件设计中采用 的FFT算法，并在最后试验验证了方案的可行性与有效性。文章最后还介绍了一些微 机装置在软硬件上的抗干扰措施，目的是提高微机保护装置的可靠性和安全性。
Key words:TMS320LF2407 chip; double CPU; FFT algorithm 目 录
第一章 绪 论 3
1.1 课题背景及意义 3
1.2 微机继电保护的发展现状 3
1.3 微机继电保护的发展趋势 3
1.4风机综合保护原理 3
第二章 继电保护装置的硬件设计 3
2.1 硬件整体概述 3
2.2 数据采集单元设计 3
2.3 继电保护装置的CPU主系统 3
2.4开关量输入/输出设计 3
2.5通信电路 3
2.6 显示电路设计 3
第三章 系统软件设计 3
3.1 软件设计基本原则 3
3.2 系统主程序 3
3.3监控程序设计 3
3.4数据采集程序 3
3.5中断子程序 3
第四章 系统软件运行分析 3
4.1 微机保护的启动元件 3
4.2 快速傅里叶变换算法 3
4.3 快速傅里叶变换的测量原理 3
第五章 电动机微机保护装置的模拟实验 3
5.1静态模拟实验方案及接线图 3
5.2实验参数
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3
5.3实验结果与分析 3
结束语 3
致 谢 3
参考文献 3
附录 3
第一章 绪 论
1.1 课题背景及意义
为了保证煤矿企业的安全生产，经常采用机械通风的方法控制矿井内爆炸性气体及爆炸性粉尘的浓度保持在爆炸极限范围之内，因而煤矿风机除必须满足爆炸性气体环境及爆炸性粉尘环境的一些必要条件外，风机还必须要求具有完整的控制和保护系统，能够实现风机在任何情况下都能不间断运行。煤矿风机的供电系统继电保护在煤矿安全生产中具有极其重要的作用。继电保护一般具有选择性、快速性、灵敏性及可靠性四个基本要求，否则有可能引起保护拒跳，或者保护跳闸范围扩大，严重时造成瓦斯极具增加，给矿井和人身安全造成严重威胁。煤矿供电系统应用微机继电保护装置，可以确保煤矿风机系统安全稳定的运行。
微机保护装置具有灵敏性，速动性，选择性，可靠性四大特点，这四大特点可以提高煤矿风机的安全运行，减少事故的发生。煤矿风机微机继电保护装置的设计与应用，实现更加安全、稳定、更加可靠地煤矿风机供电系统运行。
1.2 微机继电保护的发展现状
煤矿瓦斯或粉尘爆炸时有发生，与煤矿风机的不稳定运行密切相关。这也为微机继电保护装置提出了更高的要求，为了提高煤矿风机继电保护的准确性，灵敏性和稳定性，必须在硬件和软件上做文章。一方面，在选择算法时，要考虑到其精度和收敛速度，目前应用最广的就是傅里叶算法；另一方面就是要提高硬件水平，选择更先进的元件来提高其工作的速度和可靠性。目前的继电保护在硬件上的 发展趋势是采用高速的微处理器来提高运算能力，例如是用DSP来代替传统的单片机，另外就是选择高分辨率的模数转换器，从而达到减小采样数据误差的目的。从单CPU到多CPU 并行运行的保护系统，是微机保护发展的主流趋势之一。
1.3 微机继电保护的发展趋势
1.3.1自适应继电保护技术
自适应继电保护概念起源于20世纪80年代，其主要就是根据电力系统运行方式与故障状态变化，实时改变保护定值、特性、性能的新型继电保护其基本思想就是确保保护装置尽量适应电力系统变化，并且对系统保护性能进行改进此种新型保护原理的提出，吸引了大多数学者的关注在一定程度上而言，自适应继电保护具有提高可靠性与经济效益、改善系统响应的优势，在偷电线路的变压器保护、距离保护、发电机保护等方面得到了普遍应用在电力系统单相接地短路、领率变化的影响下，自适应继电保护可以进行有效的处理。
1.3.2 人工神经网络在继电保护中的应用
进入20世纪90年代以来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，电力系统保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究。专家系统、人工神经网络（ANN）和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护的发展注入了活力。基于生物神经系统的人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学习等特点，其应用研究发展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和非线性优化等问题。近几年来，电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。
1.4风机综合保护原理
电机故障的类型有多种,但主要故障原因为定子过热损坏。分析其损坏原因采用相应的保护措施。传统的电机保护算法主要是采用检测三相电流的幅值,并与限定值进行比较,然后做出相应的处理。这种做法现已逐渐被摒弃,而代之以对不对称故障判断更加敏感与准确的对称分量法,因为对称分量中的负序分量和零序分量只有在故障的时候才会产生`。
1.4.1电流速断保护
电动机的定子绕组或引线的相间短路会产生大的短路电流,可在短时间内烧毁电机,故短路保护装置是瞬时动作,即瞬时断开发生故障的电机动作。设置电流速断保护,时限可整定为速断或带较短的时限。本装置速断保护分为两段,其中启动速断为启动中的短路电流保护,这段时间允许有较大的启动电流整定,启动完成后自动退出。另一段速断保护为运行中的短路电流保护,正常运行时任一相电流大于整定值电流,速断保护经整定延时跳闸。
1.4.2过负荷保护
过负荷保护是电动机运行过程中电机发热与散热平衡测定,反映定子、转子绕组的平均发热状况,防止电动机过热。主要保护电动机的对称过负荷及不对称过负荷。根据电动机的发热和散热特性,在装置中设置一个模拟电动机发热的模型因为正、负序电流的发热效应不同,用等效电流瑞,片对描述电机发热,其中,,为正序电流,为负序电流,,为正序电流发热系数,为负序电流发热系数。为防止电动机在正常起动过程中误动作,在起动过程中,为躲避电机启动电流取,二,起动完成后,取,。对于的值,为模拟负序电流的增强发热效应,根据经验取一,一般取为。过负荷反时限保护模拟电动机的发热积累,当等效电流大于过负荷电流。时电动机开始热量积累,当等效电流小于过负荷电流时,热积累通过散热逐渐减少。当热量积累至告警或跳闸整定值时,保护装置报警或跳闸。
Key words:TMS320LF2407 chip; double CPU; FFT algorithm 目 录
第一章 绪 论 3
1.1 课题背景及意义 3
1.2 微机继电保护的发展现状 3
1.3 微机继电保护的发展趋势 3
1.4风机综合保护原理 3
第二章 继电保护装置的硬件设计 3
2.1 硬件整体概述 3
2.2 数据采集单元设计 3
2.3 继电保护装置的CPU主系统 3
2.4开关量输入/输出设计 3
2.5通信电路 3
2.6 显示电路设计 3
第三章 系统软件设计 3
3.1 软件设计基本原则 3
3.2 系统主程序 3
3.3监控程序设计 3
3.4数据采集程序 3
3.5中断子程序 3
第四章 系统软件运行分析 3
4.1 微机保护的启动元件 3
4.2 快速傅里叶变换算法 3
4.3 快速傅里叶变换的测量原理 3
第五章 电动机微机保护装置的模拟实验 3
5.1静态模拟实验方案及接线图 3
5.2实验参数
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3
5.3实验结果与分析 3
结束语 3
致 谢 3
参考文献 3
附录 3
第一章 绪 论
1.1 课题背景及意义
为了保证煤矿企业的安全生产，经常采用机械通风的方法控制矿井内爆炸性气体及爆炸性粉尘的浓度保持在爆炸极限范围之内，因而煤矿风机除必须满足爆炸性气体环境及爆炸性粉尘环境的一些必要条件外，风机还必须要求具有完整的控制和保护系统，能够实现风机在任何情况下都能不间断运行。煤矿风机的供电系统继电保护在煤矿安全生产中具有极其重要的作用。继电保护一般具有选择性、快速性、灵敏性及可靠性四个基本要求，否则有可能引起保护拒跳，或者保护跳闸范围扩大，严重时造成瓦斯极具增加，给矿井和人身安全造成严重威胁。煤矿供电系统应用微机继电保护装置，可以确保煤矿风机系统安全稳定的运行。
微机保护装置具有灵敏性，速动性，选择性，可靠性四大特点，这四大特点可以提高煤矿风机的安全运行，减少事故的发生。煤矿风机微机继电保护装置的设计与应用，实现更加安全、稳定、更加可靠地煤矿风机供电系统运行。
1.2 微机继电保护的发展现状
煤矿瓦斯或粉尘爆炸时有发生，与煤矿风机的不稳定运行密切相关。这也为微机继电保护装置提出了更高的要求，为了提高煤矿风机继电保护的准确性，灵敏性和稳定性，必须在硬件和软件上做文章。一方面，在选择算法时，要考虑到其精度和收敛速度，目前应用最广的就是傅里叶算法；另一方面就是要提高硬件水平，选择更先进的元件来提高其工作的速度和可靠性。目前的继电保护在硬件上的 发展趋势是采用高速的微处理器来提高运算能力，例如是用DSP来代替传统的单片机，另外就是选择高分辨率的模数转换器，从而达到减小采样数据误差的目的。从单CPU到多CPU 并行运行的保护系统，是微机保护发展的主流趋势之一。
1.3 微机继电保护的发展趋势
1.3.1自适应继电保护技术
自适应继电保护概念起源于20世纪80年代，其主要就是根据电力系统运行方式与故障状态变化，实时改变保护定值、特性、性能的新型继电保护其基本思想就是确保保护装置尽量适应电力系统变化，并且对系统保护性能进行改进此种新型保护原理的提出，吸引了大多数学者的关注在一定程度上而言，自适应继电保护具有提高可靠性与经济效益、改善系统响应的优势，在偷电线路的变压器保护、距离保护、发电机保护等方面得到了普遍应用在电力系统单相接地短路、领率变化的影响下，自适应继电保护可以进行有效的处理。
1.3.2 人工神经网络在继电保护中的应用
进入20世纪90年代以来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，电力系统保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究。专家系统、人工神经网络（ANN）和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护的发展注入了活力。基于生物神经系统的人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学习等特点，其应用研究发展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和非线性优化等问题。近几年来，电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。
1.4风机综合保护原理
电机故障的类型有多种,但主要故障原因为定子过热损坏。分析其损坏原因采用相应的保护措施。传统的电机保护算法主要是采用检测三相电流的幅值,并与限定值进行比较,然后做出相应的处理。这种做法现已逐渐被摒弃,而代之以对不对称故障判断更加敏感与准确的对称分量法,因为对称分量中的负序分量和零序分量只有在故障的时候才会产生`。
1.4.1电流速断保护
电动机的定子绕组或引线的相间短路会产生大的短路电流,可在短时间内烧毁电机,故短路保护装置是瞬时动作,即瞬时断开发生故障的电机动作。设置电流速断保护,时限可整定为速断或带较短的时限。本装置速断保护分为两段,其中启动速断为启动中的短路电流保护,这段时间允许有较大的启动电流整定,启动完成后自动退出。另一段速断保护为运行中的短路电流保护,正常运行时任一相电流大于整定值电流,速断保护经整定延时跳闸。
1.4.2过负荷保护
过负荷保护是电动机运行过程中电机发热与散热平衡测定,反映定子、转子绕组的平均发热状况,防止电动机过热。主要保护电动机的对称过负荷及不对称过负荷。根据电动机的发热和散热特性,在装置中设置一个模拟电动机发热的模型因为正、负序电流的发热效应不同,用等效电流瑞,片对描述电机发热,其中,,为正序电流,为负序电流,,为正序电流发热系数,为负序电流发热系数。为防止电动机在正常起动过程中误动作,在起动过程中,为躲避电机启动电流取,二,起动完成后,取,。对于的值,为模拟负序电流的增强发热效应,根据经验取一,一般取为。过负荷反时限保护模拟电动机的发热积累,当等效电流大于过负荷电流。时电动机开始热量积累,当等效电流小于过负荷电流时,热积累通过散热逐渐减少。当热量积累至告警或跳闸整定值时,保护装置报警或跳闸。
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