基于DSP的煤礦井下電能質量在線監測

謝長波 張領中 胡 超

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

0 引言

隨著大量電力電子設備的使用造成大量的非線性負荷和不對稱負荷接入電網，致使電能質量不斷惡化，比如變頻電動機、礦井提升機、大量的異步電動機都是諧波的主要來源和電壓波動閃變的主要原因，由于以前對電能質量重視程度不夠，好多礦井下的低壓或高壓補償都不是濾波器，會造成諧波一定程度的放大，并且由于礦井自身的電力系統特點，電纜長度一般很長，出線很多，容易產生諧振。煤礦作為一門特殊的行業，面臨的電能質量問題日益嚴重，對電能質量的要求特別嚴格。本文針對煤礦行業的特殊性，提出一種基于DSP的井下電能質量在線監測，本系統可以很好的實時遠程在線監控，及時的對采集數據進行分析處理，可以為用戶提供有效的決策。

1 系統總體結構及功能

本系統采用數字信號處理器DSP和高精度數字采樣芯片AD并配合LCD顯示各通道波形和計算分析結果，采用大容量存儲設備記錄存儲采樣波形和分析結果，以單片DSP芯片為核心，建立起多種通信方式，其中利用帶有硬件協議棧的網絡控制芯片W5100實現大量數據高速遠程傳輸，使得軟件開發時間大大縮短，可靠性也得到提高，完成基于DSP的硬件電路設計及相關軟件設計。系統的硬件結構如圖1所示，主要包括信號調理電路、AD轉換電路、DSP處理電路。本監測設備具有小型化、便攜式、多功能的特點，可用于井下電能質量的實時在線監控。

圖1

數據采集部分在系統中占有比較重要的地位，數據采集的精度直接影響到后面的處理結果，它的合理設計能能提供預期的采樣速度，簡化電路，提高電路抗干擾性能。這部分主要包括電壓互感器、電流互感器和AD轉換芯片等。DSP數據采集與處理電路主要完成控制AD對信號的多路同步采集并進行電能質量相關測量參數的運算，再將運算結果通過串口傳給RS485，RS485在傳給上位機，同時將采集的電壓電流的原始數據保存到SD卡中，通過獨立的以太網接口，實現遠程數據通訊和實時在線監控。

2 系統硬件設計

2.1 電壓和電流互感器

在實際測量中，必須對輸入的電壓和電流進行必要的處理，才能作為采樣單元的輸入，為了保證系統工作安全可靠，相電壓采樣采用電壓互感器，電流采樣采用電流互感器隔離變換，為了保證諧波測量的準確性，要求電壓和電流互感器在50Hz~2500Hz的頻率范圍內具有一致的頻率響應特性。為防止直流分量使互感器飽和，要使用抗直流分量的互感器。

電壓互感器采用霍苑公司的HTP205A互感器，它的最大輸入、輸出電流均為10mA，有0.1%級的精度，即變比為2mA：2mA，工作溫度在-35℃~+60℃。

電流互感器為霍遠公司的HCT206-AF互感器，它的最大輸入電流為20A，最大輸出電流為10mA，有0.1%級的精度，即變比為5A：2.5mA，工作溫度在-35℃~+60℃。電流互感器的使用方法和電壓互感器的使用方法相似。

2.2 AD采樣芯片的選擇

在電量采集過程中，由于存在諧波等干擾因素，因此如何準確、快速的采集電力系統中的各個模擬量一直是電力系統研究中的熱點。電力系統中經常需要測量多路電壓及電流信號，當電網頻率變化時，必須采用同步技術才能保證采樣計算的精度。本文采用美國AD公司的AD73360型AD變換器及美國TI公司推出的2000系列DSP TMS320F2812很好地實現了高速同步采樣，并且實現電力參數在時域的計算。AD73360使用六線工業標準同步串行接口與CPU接口，由于接口信號線的數目只有6條，所以這樣不僅節約了印制板的面積，而且也有效的減小了電磁干擾，從而使得系統運行更加穩定。TMS320LF2407支持6線工業標準同步串行接口，所以AD73360與DSP經過及其簡潔的連接后即可實現高速同步交流采樣，另外，由于AD73360具有6個同時采樣的的模擬量輸入通道，所以特別適合于三相制電力運行參數測控類應用系統。

2.3 DSP數據采集與處理電路

DSP主要作為計算各項電能質量參數的平臺，采用TMS320F2812作為主芯片，它是美國TI公司推出的頂點32位DSP芯片，主頻最高可達150MHz，處理性能可達150MIPS，每條指令周期6.67ns，能和好地滿足實時性需求。在DSP中主要完成電信號的采集、各個監測量的計算。

三相電壓、三相電流分別經過電壓、電流互感器變換，在經過電阻取樣和電容濾波變換為適合采集的交流信號，然后以差分方式輸入AD轉換芯片AD73360內進行采樣轉換，最后AD通過DSP的McBSP接口將采樣數據送給DSP做相關數字信號處理。AD73660與F2812的硬件接口電路如圖所示。

圖2

圖3

3 系統軟件設計

DSP是整個系統的核心，系統的功能都是由這個核心部分來完成的。整個系統的軟件主要由以下幾個部分構成：系統初始化、數據采集、數據處理、液晶顯示、參數遠程傳輸等。所需要完成的任務是正確的控制AD采樣并對采樣結果進行傅里葉變換，計算電網參數，把參數正確地顯示在LCD上，統計參數并保存整點數據，實現與上位機的正常通訊。

系統程序流程圖如圖3所示，本系統是基于DSP的井下電能質量在線監控，其主要監測的指標有：三相電壓、三相電流不平衡度、各次諧波電壓、電壓波動及閃變等。同時系統有LCD及鍵盤的人機交互界面，SD卡的數據存儲等功能。

4 總結

本文設計立足于煤礦井下電能質量的特殊性，以DSP為整個系統的核心，研制出了一套功能完備的井下電能質量實時在線監測系統，系統設計方案穩定可靠，系統性能穩定。而且具有很好的人機交互界面，提供了以太網接口，可供用戶實時讀取監測數據，同時，用戶可以很方便的通過以太網接口對監測時的閥值等信息進行設定，很好的滿足了現代電能監測系統網絡化、實時性的要求。

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