基于DSP的煤矿低压馈电开关保护器研究

范鹏伟

(山西中招招标代理有限公司，山西 太原 030053)

0 引言

隔爆馈电开关是煤矿井下低压供电系统中的重要电气设备，起到控制低压供电系统通断的作用。《煤矿安全规程》规定井下低压供电系统必须安装低压馈电开关保护装置，在发生短路、过载、漏电、欠压等故障后应能在相关保护器的控制下迅速动作跳闸，因此馈电开关保护装置的性能关系到井下供电系统的安全性和可靠性；另一方面，随着计算机技术和网络技术的发展，馈电开关保护装置也朝着智能化和信息化方向发展，因此研究高性能、高可靠性、高智能化的保护器具有重要意义。

1 保护器基本要求

(1) 选择性。选择性指的是当井下供电系统发生故障时，保护器能够判断故障范围，对发生故障的馈线支路进行跳闸保护，而非故障范围内的馈线支路正常供电，尽量减小故障所带来的停电影响。

(2) 可靠性。可靠性指的是当井下供电系统发生的故障在本保护器保护范围内时，保护器能够发出跳闸指令，断开所在馈线的短路器，而当本保护器保护范围之外发生故障时本保护器不发出跳闸指令。

(3) 快速性。快速性指的是当井下供电系统发生故障时，保护器在一定时间内发出跳闸指令，保护器快速性不满足要求将会导致事故范围扩大。

(4) 灵敏性。灵敏性指的是无论故障点在保护范围的始端还是末端，甚至是作为后备保护，均应该准确动作。

2 保护器硬件设计

本文所研究的煤矿低压馈开关保护器包括信号采集电路、液晶显示电路、报警电路、开关量电路、跳闸电路和抗干扰电路。

2.1 信号采集电路

保护器需要采集电网的三相电压信号、三相电流信号和零序电流信号等。三相电压信号由电压互感器采集，由于井下低压供电系统采用的是中性点绝缘运行方式，因此三相电流信号可只采集A、C两相，零序电流信号由零序电流互感器单独采集。经过电压互感器和电流互感器处理，电压信号和电流信号均为0～1 A的电流信号，然后经电流变送器S3-AD转换为0～1 V的电压信号，通过8路模拟开关CD4051选通某一路信号，然后经仪用放大器AD620放大为0～5 V电压信号，以上电流或电压信号转换均为模拟信号之间的转换，需经过模数转换器TLV2554转换为数字信号后才能被数字信号处理器接收，进行进一步滤波和计算等处理。当电流大于8倍额定电流时，判断故障为短路，立即发出跳闸指令，200 ms之内完成短路器跳闸；当电流大于1.2倍额定电流时，判断故障为过流，并根据反时限原则进行动作。图1为信号采集电路结构框图。

图1 信号采集电路结构框图

2.2 液晶显示电路

液晶显示屏的作用是显示故障信息，包括故障类型和线路名称。本文选择某公司生产的KY-D29X型液晶显示器，这是一款单色带背光、对比度和亮度可调的显示屏，开发者可通过编程对显示文字的特性进行修改，例如字符方向和大小等。KY-D29X与控制器可通过串行接口进行连接，使用时将BUSY接口连接到控制器信号接收端，DATA接口连接到信号发送端即可。

2.3 报警电路

报警电路有声音报警电路和灯光报警电路，其电路原理相似。当保护器判断有故障发生时，通过控制器的IO口电平变化，经驱动电路进行功率放大，对蜂鸣器和警示灯进行控制，提醒工作人员进行事故处理。

2.4 开关量电路

开关量电路分为开关量输入电路和开关量输出电路，开关量输入电路指的是按键接口电路和远方信号电路，包括瓦斯闭锁状态信号、合闸信号等，开关量输出电路指的是控制执行机构的连锁信号、报警信号等。开关量输入、输出电路均采用光耦TLP521进行电气隔离，采用ULN2033达林顿管进行继电器驱动，这款达林顿管最大电流可达0.5 A。

2.5 跳闸电路

跳闸电路动作的条件有两个：一是由控制器判断发生了漏电、短路、欠压等需要跳闸的故障;二是达到了对应故障的跳闸动作时限。跳闸电路与报警电路类似，也是通过控制器IO口电平变化实现，由于跳闸电路动作会直接导致高压回路断路器跳闸停电，因此跳闸电路的抗干扰措施更完善，光耦隔离电路能够防止干扰信号进入跳闸回路，避免误动作。

2.6 抗干扰电路

井下电磁环境复杂，因此抗干扰电路十分重要，否则保护器容易发生误动作，导致不必要的停电。可采取的抗干扰措施有芯片电源接口并联滤波电容、键盘输入端口并联除抖电容、AD转换电路设置钳位二极管、光耦隔离，除此以外PCB布线时也要考虑信号干扰问题。

3 保护器软件设计

3.1 开发环境

本设计采用的主控制芯片为TI公司生产的TMS320F28335，这是一款专为实时控制设计的数字信号处理器。本设计采用C语言在CCS4.12环境下进行软件开发，配合XDS100v2仿真器进行软件下载。软件设计分为两步：第一步是对板级支持包BSP和驱动程序的编写，板级支持包可以采用TI提供的f2833x-v133，驱动程序主要是完成主控制器与外围电路的数据交换；第二步是功能程序编写，功能程序又包括主程序、子程序和中断程序。

3.2 主程序

主程序开始后进行初始化，然后判断馈电开关是否闭合，如果馈电开关闭合则进入主循环，在主循环内依次进行数据采集、数据处理分析、漏电故障判断、过流故障判断、过压故障判断等，所有故障判断结束后返回主循环。

3.3 模数转换程序

本文采用TI公司生产的TLV2544进行模数转换，这是一款12位低功耗高性能CMOS AD转换器，其最快转换速度可达到3.6 μs。TLV2544上电时将CFR配置寄存器写入初始化命令A000h，然后在高4位写入控制指令，TLV2544的部分命令集如表1所示。

表1 模数转换芯片TLV2544的部分命令集

3.4 故障保护功能程序

故障保护功能程序是软件系统的核心程序，主要包括漏电故障保护程序、过流故障保护程序和电压故障保护程序等。上述各故障保护程序按照优先级的不同扫描的周期也不同，漏电故障优先级最高，扫描周期为25 ms；过流故障的优先级居中，扫描周期为50 ms；电压故障的优先级最低，扫描周期为100 ms。当进行故障判断时，若判断结果为故障发生，则发出跳闸指令，然后执行声光报警和故障数据存储等程序。

3.5 CAN通信程序

CAN是一种高性能、高可靠性的国际标准化串行通信协议，传输距离最远可达10 km，数据传输速率可达1 Mb/s，被广泛应用于各行各业。开发CAN通信程序时需要开发者自行定义应用层协议，使得CAN通信程序的开发更加便捷、可移植性更高。本保护器的CAN总线应用层协议是基于CAN2.0B而定义的，目的是进行总馈电开关和分馈电开关之间的通信。在一个低压供电系统中，一个总馈电开关对应于多个分馈电开关，因此定义协议为主从结构。CAN通信程序可分为两部分：①对总线功能寄存器的初始化程序；②总分馈电开关的通信，以完成漏电保护功能。

4 结束语

研究了一种基于DSP控制器的矿用低压隔爆馈电开关智能保护器，这款保护器能够在井下低压供电系统发生短路、过流、漏电和欠压等故障时发出跳闸信号，控制馈电开关动作跳开。实际应用表明，所研究的智能保护器符合《煤矿安全规程》对井下低压电网保护装置的选择性、可靠性、快速性和灵敏性要求，提高了井下低压供电系统的安全性。