基于DSP的井下低压馈电开关保护器设计

田 野

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西朔州 037200）

0 引言

煤炭作为中国的主要一次能源，在国内社会能源消费结构中占比70%左右[1]。随着社会经济的发展，对资源的需求量也越来越大，煤矿为了实现高效、高产的目的，不断发展与提高井下生产设备的自动化水平，对井下供电系统的稳定性与可靠性提出了更高的要求[2-3]。江永玲等[4]设计了一种基于DSP 的矿用馈电开关保护系统设计，结果表明，系统具有一定的保护功能，但文章缺少对供电系统故障的分析与信号采集模块的研究设计，无法保障系统采集数据的准确性，影响故障诊断。为了提高煤矿供电系统的安全性，保障故障诊断的可靠性，本文将针对矿井低压馈电开关保护器进行研究与设计[5]。

1 供电系统故障分析

矿井下环境恶劣，电路负荷较大，电气设备频繁启停，极易导致井下线路出现各种电气故障。馈电保护器的主要目的是监测井下电网的运行参数，保护矿井供电系统。根据矿井的实际工作情况，井下电网出现的主要故障类型主要分为漏电故障、过流故障、过压故障与欠压故障4类[6]。

漏电故障是矿井电网发生的主要故障之一，主要表现为电路绝缘电阻降低，如最常见的单相接地故障等。过流故障是指电路中的实际电流超过了设备的允许电流，异步电机在启动时产生的电流在某一瞬间会超过允许范围，但不会对系统造成危害，所以不属于过流故障。过流故障的形式主要有短路、超时过载等。过压故障和欠压故障是指电网的相电压超出或者低于正常情况下电网的电压允许范围。实际工况中，当实际电压高于1.15 倍额定电压时，认定为过压故障，如果机电设备长时间处于过压状态，各器件均有可能被烧毁；当实际电压低于0.7倍额定电压时，认定为欠压故障，如果设备长时间处于欠压状态，易引起过流故障，损坏各机电设备。

2 保护器方案设计

本文设计的馈电开关保护器主要实现的功能要求为故障保护，保护器通过采样电路或传感器对电网的工作状态进行实时监测，通过处理器对采集到的信号进行计算处理，判断电网是否发生故障及发生故障的类型，根据分析结果对电网的各器件进行实时保护。保护器在实现对井下各电气电路保护的基础上，可灵活配置系统参数，适应井下不同环境的要求。保护器可与其他系统实现数据共享、信息传输等，上位机可对井下各保护器进行集中管控，提高整个供电系统的稳定性。保护器应具有良好的人机交互功能，通过显示器可实时显示电网运行参数，系统监测到发生故障时，保护器可及时发出报警信号。

馈电开关保护器的总体方案如图1 所示。保护器主要由电源模块、通讯模块、人机交互模块、信号采集模块、数据处理模块与故障报警模块等组成。信号采集模块负责测量电网的各工作参数，如电压信号、电流信号与温度信号等，采集得到的数据传输到处理器模块，经过模数转换后，处理器对信号计算分析，判断电网是否故障及发生故障的类型，并通过继电输出控制保护单元对相应的故障进行处理。系统具有显示模块与输入模块，通过按键输入可以改变系统的运行参数，工作人员可通过上位机直接对系统进行操作与监视。

图1 系统总体结构图

3 保护器硬件设计

3.1 处理器选型

为了满足系统保护功能的要求，本文选用美国某公司生产的高性能DSP 处理器芯片TMS320DM642。TMS320DM642芯片为高性能的数字芯片，主频最高达720 MHz，数据处理速度非常块，最高可达5 760 MIPS。TMS320DM642 芯片集成了完整的键盘输入与视频输出接口、通讯接口、网络接口等，可满足系统各模块需求，芯片采用哈佛体系结构，可并行处理多数指令要求，优化了数据分析能力[7]。

3.2 信号采集模块

电网在运行过程中的主要信号参数有电压信号、电流信号与温度信号3种，这些信号都是通过采样电路或各传感器进行测量，经过预处理后传入到处理器模块中。

对电压测量电路、电流测量电路与温度传感器进行选型设计，系统的电压信号采集电路如图2所示。电路左侧的输入端信号由电压变压器处取得，该电路通过电阻R1对采集信号进行降压处理，信号电压范围为1.0～2.2 V，满足AD 转换器3.3 V的输入要求。信号预处理后经过R3电阻限流，经过C4电容滤波后传输到处理器模块的A/D引脚。

图2 保护器电压信号采集电路

系统的电流信号采集电路如图3所示。电流信号由左侧I口输入，利用4个单向二极管对输入的电流信号进行降幅，以降低外界环境的干扰作用。信号经过运算放大器LM324后，输出为0～3.3 V的电压信号，电路的输出端接处理器模块的AD转换引脚。

图3 保护器电流信号采集电路

温度测量模块用来测量井下电网工作环境的温度，测温传感器种类有很多，本文选用PT100 矿井温度传感器，利用铂热电阻的物理性能，其阻抗会随着温度的变化而变化。测量传感器两端的电压信号和电流信号可得到其阻抗值，根据温度与阻抗之间的线性关系，可计算得到所测温度值[8]。PT100温度传感器具有测量精度高、响应速度快等优点，可精确测量0～100 ℃内的温度信号，分辨率为0.1 ℃。

3.3 通信模块

井下馈电开关保护器与调度室上位机之间的距离较远，所以采用RS485 串口通信的方式实现两者之间信息与控制指令的传输。RS485 采用平衡传输方式，是一种多发送器标准，可实现多点的通信，正常情况下传输距离可达1 500 m，传输速度可达100 kb/s，具有较强的抗干扰性，可实现井下的长距离传输，并保证信号的稳定性与准确性。

4 保护器软件设计

保护器的主程序流程图如图4 所示。系统初始化后，运行通信子程序，保证上位机与保护器之间的信号导通，再运行信号采集子程序，对电网的电流、电压与工作温度等参数进行实时监测，系统通过数据的分析处理，分别判断电网是否发生漏电、过流、过压与欠压等故障。如果电网未发生故障，系统自循环继续监测；如果发生故障，系统报警并切断供电系统的电闸，防止事故的发生。

图4 保护器软件主程序流程图

5 结束语

本文针对井下的供电系统设计了一种基于DSP 的馈电开关保护器，通过对电流、电压信号采集电路及温度测量模块的选型设计，提高了系统故障诊断的准确性，保障了供电系统的安全性与可靠性。