基于DSP的井下低壓饋電開關(guān)保護(hù)器設(shè)計(jì)

田 野

（大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤炭作為中國的主要一次能源，在國內(nèi)社會(huì)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比70%左右[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)資源的需求量也越來越大，煤礦為了實(shí)現(xiàn)高效、高產(chǎn)的目的，不斷發(fā)展與提高井下生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平，對(duì)井下供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性提出了更高的要求[2-3]。江永玲等[4]設(shè)計(jì)了一種基于DSP 的礦用饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，系統(tǒng)具有一定的保護(hù)功能，但文章缺少對(duì)供電系統(tǒng)故障的分析與信號(hào)采集模塊的研究設(shè)計(jì)，無法保障系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，影響故障診斷。為了提高煤礦供電系統(tǒng)的安全性，保障故障診斷的可靠性，本文將針對(duì)礦井低壓饋電開關(guān)保護(hù)器進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)[5]。

1 供電系統(tǒng)故障分析

礦井下環(huán)境惡劣，電路負(fù)荷較大，電氣設(shè)備頻繁啟停，極易導(dǎo)致井下線路出現(xiàn)各種電氣故障。饋電保護(hù)器的主要目的是監(jiān)測井下電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，保護(hù)礦井供電系統(tǒng)。根據(jù)礦井的實(shí)際工作情況，井下電網(wǎng)出現(xiàn)的主要故障類型主要分為漏電故障、過流故障、過壓故障與欠壓故障4類[6]。

漏電故障是礦井電網(wǎng)發(fā)生的主要故障之一，主要表現(xiàn)為電路絕緣電阻降低，如最常見的單相接地故障等。過流故障是指電路中的實(shí)際電流超過了設(shè)備的允許電流，異步電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流在某一瞬間會(huì)超過允許范圍，但不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危害，所以不屬于過流故障。過流故障的形式主要有短路、超時(shí)過載等。過壓故障和欠壓故障是指電網(wǎng)的相電壓超出或者低于正常情況下電網(wǎng)的電壓允許范圍。實(shí)際工況中，當(dāng)實(shí)際電壓高于1.15 倍額定電壓時(shí)，認(rèn)定為過壓故障，如果機(jī)電設(shè)備長時(shí)間處于過壓狀態(tài)，各器件均有可能被燒毀；當(dāng)實(shí)際電壓低于0.7倍額定電壓時(shí)，認(rèn)定為欠壓故障，如果設(shè)備長時(shí)間處于欠壓狀態(tài)，易引起過流故障，損壞各機(jī)電設(shè)備。

2 保護(hù)器方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的饋電開關(guān)保護(hù)器主要實(shí)現(xiàn)的功能要求為故障保護(hù)，保護(hù)器通過采樣電路或傳感器對(duì)電網(wǎng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過處理器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，判斷電網(wǎng)是否發(fā)生故障及發(fā)生故障的類型，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)電網(wǎng)的各器件進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)。保護(hù)器在實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各電氣電路保護(hù)的基礎(chǔ)上，可靈活配置系統(tǒng)參數(shù)，適應(yīng)井下不同環(huán)境的要求。保護(hù)器可與其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、信息傳輸?shù)龋衔粰C(jī)可對(duì)井下各保護(hù)器進(jìn)行集中管控，提高整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。保護(hù)器應(yīng)具有良好的人機(jī)交互功能，通過顯示器可實(shí)時(shí)顯示電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)器可及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

饋電開關(guān)保護(hù)器的總體方案如圖1 所示。保護(hù)器主要由電源模塊、通訊模塊、人機(jī)交互模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與故障報(bào)警模塊等組成。信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)測量電網(wǎng)的各工作參數(shù)，如電壓信號(hào)、電流信號(hào)與溫度信號(hào)等，采集得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥髂K，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，處理器對(duì)信號(hào)計(jì)算分析，判斷電網(wǎng)是否故障及發(fā)生故障的類型，并通過繼電輸出控制保護(hù)單元對(duì)相應(yīng)的故障進(jìn)行處理。系統(tǒng)具有顯示模塊與輸入模塊，通過按鍵輸入可以改變系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，工作人員可通過上位機(jī)直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作與監(jiān)視。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 保護(hù)器硬件設(shè)計(jì)

3.1 處理器選型

為了滿足系統(tǒng)保護(hù)功能的要求，本文選用美國某公司生產(chǎn)的高性能DSP 處理器芯片TMS320DM642。TMS320DM642芯片為高性能的數(shù)字芯片，主頻最高達(dá)720 MHz，數(shù)據(jù)處理速度非常塊，最高可達(dá)5 760 MIPS。TMS320DM642 芯片集成了完整的鍵盤輸入與視頻輸出接口、通訊接口、網(wǎng)絡(luò)接口等，可滿足系統(tǒng)各模塊需求，芯片采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，可并行處理多數(shù)指令要求，優(yōu)化了數(shù)據(jù)分析能力[7]。

3.2 信號(hào)采集模塊

電網(wǎng)在運(yùn)行過程中的主要信號(hào)參數(shù)有電壓信號(hào)、電流信號(hào)與溫度信號(hào)3種，這些信號(hào)都是通過采樣電路或各傳感器進(jìn)行測量，經(jīng)過預(yù)處理后傳入到處理器模塊中。

對(duì)電壓測量電路、電流測量電路與溫度傳感器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的電壓信號(hào)采集電路如圖2所示。電路左側(cè)的輸入端信號(hào)由電壓變壓器處取得，該電路通過電阻R1對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行降壓處理，信號(hào)電壓范圍為1.0～2.2 V，滿足AD 轉(zhuǎn)換器3.3 V的輸入要求。信號(hào)預(yù)處理后經(jīng)過R3電阻限流，經(jīng)過C4電容濾波后傳輸?shù)教幚砥髂K的A/D引腳。

圖2 保護(hù)器電壓信號(hào)采集電路

系統(tǒng)的電流信號(hào)采集電路如圖3所示。電流信號(hào)由左側(cè)I口輸入，利用4個(gè)單向二極管對(duì)輸入的電流信號(hào)進(jìn)行降幅，以降低外界環(huán)境的干擾作用。信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器LM324后，輸出為0～3.3 V的電壓信號(hào)，電路的輸出端接處理器模塊的AD轉(zhuǎn)換引腳。

圖3 保護(hù)器電流信號(hào)采集電路

溫度測量模塊用來測量井下電網(wǎng)工作環(huán)境的溫度，測溫傳感器種類有很多，本文選用PT100 礦井溫度傳感器，利用鉑熱電阻的物理性能，其阻抗會(huì)隨著溫度的變化而變化。測量傳感器兩端的電壓信號(hào)和電流信號(hào)可得到其阻抗值，根據(jù)溫度與阻抗之間的線性關(guān)系，可計(jì)算得到所測溫度值[8]。PT100溫度傳感器具有測量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可精確測量0～100 ℃內(nèi)的溫度信號(hào)，分辨率為0.1 ℃。

3.3 通信模塊

井下饋電開關(guān)保護(hù)器與調(diào)度室上位機(jī)之間的距離較遠(yuǎn)，所以采用RS485 串口通信的方式實(shí)現(xiàn)兩者之間信息與控制指令的傳輸。RS485 采用平衡傳輸方式，是一種多發(fā)送器標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的通信，正常情況下傳輸距離可達(dá)1 500 m，傳輸速度可達(dá)100 kb/s，具有較強(qiáng)的抗干擾性，可實(shí)現(xiàn)井下的長距離傳輸，并保證信號(hào)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

4 保護(hù)器軟件設(shè)計(jì)

保護(hù)器的主程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)初始化后，運(yùn)行通信子程序，保證上位機(jī)與保護(hù)器之間的信號(hào)導(dǎo)通，再運(yùn)行信號(hào)采集子程序，對(duì)電網(wǎng)的電流、電壓與工作溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)的分析處理，分別判斷電網(wǎng)是否發(fā)生漏電、過流、過壓與欠壓等故障。如果電網(wǎng)未發(fā)生故障，系統(tǒng)自循環(huán)繼續(xù)監(jiān)測；如果發(fā)生故障，系統(tǒng)報(bào)警并切斷供電系統(tǒng)的電閘，防止事故的發(fā)生。

圖4 保護(hù)器軟件主程序流程圖

5 結(jié)束語

本文針對(duì)井下的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于DSP 的饋電開關(guān)保護(hù)器，通過對(duì)電流、電壓信號(hào)采集電路及溫度測量模塊的選型設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)故障診斷的準(zhǔn)確性，保障了供電系統(tǒng)的安全性與可靠性。