基于DSP的礦用饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

王黨樹， 王新霞

(西安科技大學(xué) a. 電氣與控制工程學(xué)院； b. 理學(xué)院， 陜西 西安 710054)

0 引 言

礦井環(huán)境惡劣，井下電網(wǎng)經(jīng)常發(fā)生各種各樣的故障，給煤礦生產(chǎn)造成了巨大的損失，饋電開關(guān)是井下供配電系統(tǒng)的重要組成部分，但目前大部分低壓供電系統(tǒng)中仍使用著非智能化饋電保護(hù)設(shè)備，在礦井下惡劣環(huán)境中，不能過載和斷相檢測，保護(hù)可靠性差[1]?，F(xiàn)有的基于PLC[2]、ARM[3-4]、FPGA[5]、CPLD[6]和以太網(wǎng)饋電保護(hù)設(shè)備或者功能單一，或者成本過高[7-8]?；?本文重點(diǎn)研究智能、廉價型礦用饋電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)框圖如圖1所示,以DSP為中央控制單元，由信號輸入模塊、微機(jī)模塊和輸出模塊三部分組成。輸入模塊包括電壓互感器、電流互感器，偏置、濾波、限幅電路，漏電缺相檢測電路，開關(guān)量輸入電路，光電隔離電路，按鍵電路；微機(jī)模塊即為DSP數(shù)字信號處理器，輸出電路包括開關(guān)量輸出電路、繼電器動作電路、液晶顯示電路。

2 交流信號調(diào)理及采集設(shè)計

2.1 信號調(diào)理

信號調(diào)理以三相中一相為例,見圖2，T1為電壓互感器，RAV為串入一次側(cè)的限流電阻，RAS1為并聯(lián)在二次側(cè)的采樣電阻，兩個串聯(lián)的二極管1N4001起限幅作用，把輸出電壓幅值限制0～3 V，CA1為濾波電容，RA1為限流電阻，電壓調(diào)理偏置、濾波、限幅。由于采樣電路的輸出為正弦波，有正負(fù)電壓不適于DSP的A/D采樣電壓0～3 V，在正弦交流信號上疊加一個直流信號進(jìn)行偏置，然后濾波、限幅后送入A/D采樣。

2.2 信號處理

在饋電保護(hù)時要計算三相電壓、電流有效值,判斷過壓過流及缺相短路判斷[9]。因此對采集數(shù)據(jù)計算出有效值進(jìn)行相應(yīng)判斷，在計算時采用傅里葉算法，不但能濾除一切諧波分量，也可以濾除由輸電線路分布電容引起的高頻分量[10]。數(shù)據(jù)處理采用傅里葉算法，傅里葉算法的基本原理是建立一個傅里葉數(shù)字濾波系統(tǒng)，濾取電壓、電流中的基頻分量。周期函數(shù)x(t)可用傅氏級數(shù)的形式來表示，即用直流分量和其諧波分量之和的形式來表示為

(1)

式中包含了恒定的直流分量及各次諧波，繼電保護(hù)只要基頻分量，則周期函數(shù)基波分量(n=1)的傅里葉余弦系數(shù)(X1C)和正弦系數(shù)(X1S)分別為:

(2)

式中:ω為基波頻率;ω=2πf;f=50 Hz。

對于離散數(shù)字信號，上述積分將改為累加和形式，如果每周采樣N次，得到的采樣值為x(0)，x(1)，…，x(n),進(jìn)行全波傅里葉運(yùn)算時，對式(2)離散化，得到:

(3)

由X1C和X1S可以計算出基波幅值X1與相角θ1等電氣參數(shù)，分別為:

(4)

3 漏電保護(hù)

漏電保護(hù)采取附加直流法[11]，原理圖見圖3，附加直流電源檢測通道為:直流電源正極→RS→大地→絕緣電阻→三相電網(wǎng)→三相電抗器→直流電源負(fù)極。由于井下低壓饋電開關(guān)中皆不設(shè)零序互感器，故設(shè)計中增設(shè)了電壓采樣回路，便于附加直流原理的實現(xiàn)。

電流

(5)

式中：RE為接地電阻；rΣ為三相電網(wǎng)對地總絕緣電阻，

(6)

式中，僅r∑為變量，故檢測電流I直接反映了電網(wǎng)的絕緣情況。取樣電阻上的電壓US可表示為

(7)

三相電網(wǎng)對地的總絕緣電阻可由下式計算:

(8)

電網(wǎng)正常運(yùn)行時，根據(jù)式(3)可連續(xù)檢測絕緣電阻；當(dāng)漏電故障發(fā)生并使rΣ下降到動作設(shè)定值時，保護(hù)電路迅速切斷電源，完成漏電閉鎖。當(dāng)rΣ大于設(shè)定值的1.5倍時，解除漏電閉鎖。另外，即使絕緣電阻在均勻下降，仍能夠檢測出漏電，這也本設(shè)計采用附加直流電源法的一大原因。

根據(jù)以上檢測原理分析漏電檢測原理圖如圖4所示，通過檢測RS兩端的電壓，計算絕緣電阻值，判斷是否漏電。

4 缺相保護(hù)

三相交流電設(shè)備如果出現(xiàn)斷相(三相缺一相)會造成設(shè)備損害，必須將設(shè)備的電源斷開進(jìn)行斷相保護(hù)。

缺相保護(hù)采用附加直流原理法[12]，靠近負(fù)載一側(cè)三相經(jīng)電抗器接直流源，遠(yuǎn)離負(fù)載一側(cè)三相接光電耦合器的輸入，通過光電耦合器的輸出信號來判斷缺相，當(dāng)三相負(fù)載出現(xiàn)斷相后，光電耦合器輸出信號發(fā)生跳變，DSP檢測到信號后，控制繼電器分閘。附加直流源缺相保護(hù)原理圖如圖5所示。

圖5中，當(dāng)開關(guān)S1、S2、S3均閉合，即沒有缺相時，TLP521中的光二極管導(dǎo)通，觸發(fā)光敏三極管導(dǎo)通，輸出為低電平到I/O;當(dāng)S1、S2、S3有一個斷開，即出現(xiàn)缺相時，該相中TLP521中的光二極管沒有導(dǎo)通，光敏三極管截止，輸出高電平到I/O。通過這樣的電平變化，DSP即可檢測到負(fù)載是否缺相運(yùn)行。

5 短路保護(hù)

5.1 短路保護(hù)原理分析

當(dāng)三相電網(wǎng)中出現(xiàn)三相、兩相、單相、單相接地、相間短路等短路故障時，電路中電流瞬間增大，三相對稱且功率因數(shù)較大，針對這種故障特點(diǎn)，為了同時達(dá)到保護(hù)區(qū)域和靈敏度的要求，本設(shè)計采用相敏原理[13]。三相系統(tǒng)中，根據(jù)電壓、電流的相位差，能發(fā)現(xiàn)其相位關(guān)系在發(fā)生故障時有明顯改變，在故障狀態(tài)下，電流相位超前電壓。在設(shè)備起動時，電壓相位總是超前電流，且大于正常時的相位差，這樣可以判斷出是供電線路由容量較大的電機(jī)起動造成的，還是短路過電流引起的，即便是較小的短路電流也能檢測到，從而減小過電流的動作設(shè)定值，提高短路過流保護(hù)的快速性。根據(jù)以上原理，可以由電流電壓的相位差來實現(xiàn)相敏短路保護(hù)。相敏原理框圖如圖6所示。

5.2 短路檢測

針對短路故障，采用相敏原理對電路進(jìn)行保護(hù)根據(jù)信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換及運(yùn)算后需要檢測電流與電壓的相位差，計算功率因數(shù)，計算出電壓電流率因數(shù)的算法。根據(jù)式(4)，電流和電壓基波相角θ1I、θ1U分別為:

(9)

其中:I1C、I1S分別為電流基波分量的余弦系數(shù)和正弦系數(shù);U1C、U1S分別為電壓基波分量的余弦系數(shù)和正弦系數(shù)。由此可計算電流與電壓的相位差θ=θ1I-θ1U。

根據(jù)θ即可計算出功率因數(shù)cosθ，并可已通過電流和電壓的相位關(guān)系來判斷線路是否短路。

6 軟件設(shè)計

6.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件主程序完成裝置各部分功能的初始化，對采樣、保護(hù)、報警、按鍵、顯示及通信等程序的調(diào)用，利用傅里葉算法將交流采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得電流、電壓、功率因數(shù)、有功和無功功率等電網(wǎng)參數(shù), 通過這些參數(shù)來分析故障類型。液晶顯示系統(tǒng)運(yùn)行時的各種參數(shù)，并將其上傳至上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，故障時，液晶顯示故障類型以及故障位置，并將故障數(shù)據(jù)及信息上傳至上位機(jī)以通知監(jiān)控人員及時發(fā)現(xiàn)并排除故障。主程序流程圖如圖7所示。

6.2 監(jiān)控界面設(shè)計

采用LabVIEW[14]軟件完成了上位機(jī)界面的編程，監(jiān)控界面框圖如圖8所示。主界面各個功能模塊以選項卡的形式來實現(xiàn)，共有14個選項卡選擇所要觀察的界面如圖9所示。

7 結(jié) 語

系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)三相電壓電流采集、過壓過流保護(hù)、漏電檢測、缺相檢測、跳閘、合閘、顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)設(shè)定及上下位機(jī)通信功能。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能可靠，能夠有效地提高煤礦生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能可靠，能夠有效的提高煤礦生產(chǎn)效率。

(a)三相電壓監(jiān)控界面(b)歷史數(shù)據(jù)記錄界面

(c)缺相檢測界面(d)漏電檢測界面

圖9 監(jiān)控界面

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