基于DSP的礦用饋電開關檢測與保護系統

李大偉

(西山煤電 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

對于煤礦井下低壓供電系統而言，惡劣的工作環境造成了其經常發生各種故障，常見的礦用饋電開關故障有短路、缺相、漏電等，這些故障極易引起井下停電事故發生，直接造成生產效率的降低和影響煤礦安全運行。本文研究了一種基于DSP的礦用饋電開關檢測與保護系統，對煤礦的安全生產和提高生產效率具有現實意義。

1 礦用饋電開關檢測與保護系統總體概述

礦用饋電開關檢測與保護系統硬件總體方案的設計應當建立在保護系統的功能分析基礎上，經過實際調查研究和查閱相關資料，確定保護系統的基本功能應當包括漏電保護、缺相保護、短路保護、過載保護、過壓欠壓保護和過流保護。漏電保護應用附加直流電壓法，缺相保護應用附加直流電源檢測法，短路保護采用相敏原理，過載保護使用反時限動作原理，過壓欠壓保護應用鑒定幅值原理，過流保護應用幅值判斷原理。根據上述功能和所應用的原理，可以得到系統的總體設計方案。

基于DSP的礦用饋電開關檢測與保護系統的總體方案如圖1所示，以數字信號處理器DSP為核心，具有礦井下低壓電網監測、監控和保護等功能。系統包括信號調理電路、故障檢測電路、DSP控制電路、繼電保護電路、液晶顯示電路、按鍵操作電路和通信接口電路。井下供電系統經隔離變壓器向系統信號調理電路和故障檢測電路提供信號，DSP控制電路對信號進行處理，識別出當前運行狀態或故障類型后，通過控制繼電保護電路的繼電器開斷和液晶顯示屏進行保護動作和狀態顯示，按鍵操作的功能是方便運行人員進行狀態檢查和定值修改，通信接口采用RS-485總線通信方式，一方面向上位機傳輸當前系統信息，另一方面接收上位機的控制指令，實現遙控操作。

圖1 系統總體方案

2 系統硬件設計

根據系統總體方案，得到系統硬件結構如圖2所示，DSP采集信號后進行傅里葉變換，實現各類故障的判斷和發出動作指令，此外系統還有液晶顯示電路、鍵盤電路、通信接口電路、繼電器控制電路等。下面簡要介紹關鍵電路的設計思路，具體的電路設計需根據《煤礦安全規程》規定的技術指標進行。

圖2 系統硬件結構框圖

(1) 控制器選擇。TMS320F28335是一款浮點型數字信號處理器，其在計算精度、功耗、存儲、外設等方面均具有先進的技術，能夠滿足預定的各項技術指標。

(2) 漏電檢測電路。在合閘之前，需要對系統的絕緣進行檢測，采用附加直流電壓法，通過電阻電壓的變化反映系統的絕緣水平，如果絕緣水平達到預定值，絕緣電阻解除閉鎖開關，允許設備正常啟動；如果絕緣水平低于預定值，啟動漏電閉鎖開關，不允許系統合閘。

(3) 缺相檢測電路。缺相故障發生后，電機可能會燒毀。本文采用附加直流電源法進行缺相檢測，具體是通過電抗器在電源輸入端并聯一個電壓源，在負載端通過三相光耦的電平變化來檢測斷相與否，如果有缺相則切斷三相電源。

(4) 短路檢測電路。采用相敏檢測法，即同時檢測電流變化和電壓、電流的相位，以區分短路電流和啟動電流，這種方法的靈敏性和快速性較好。

(5) 繼電器電路。繼電器電路和聲光報警電路是保護動作的出口，通過一個放大電路對I/O口的電平變化進行功率放大，控制繼電器的常開觸點和常閉觸點，同時發光二極管和蜂鳴器進行聲、光報警，隔離系統中的故障點。

3 系統軟件設計

系統軟件可以分為上位機軟件和下位機軟件，下位機軟件是主控制器DSP的控制軟件，其主要包括系統初始化子程序、模數轉換子程序、數據處理子程序、分閘子程序、按鍵子程序、顯示子程序和SCI通信子程序等。

3.1 下位機軟件

主控制器DSP TMS320F28335的編程環境為CCS 4.2，這是一款專用的開發軟件，其具有功能全面、易上手、調試方便等特點。系統下位機的軟件主程序流程如圖3所示，程序開始后首先進行系統初始化和自檢，系統正常則進行數據采集，數字濾波，計算電壓、電流、有功功率和功率因數以及對地絕緣電阻，然后進行漏電閉鎖檢測，檢測完成后依次進行漏電、缺相、合閘、過流、過壓、欠壓等故障判斷，最后將相關結論顯示在液晶屏幕和上傳到上位機中。

圖3 系統軟件主程序流程圖

3.2 上位機軟件

上位機軟件主要實現數據和狀態監測，本文采用LabVIEW編制上位機軟件。LabVIEW取代了常規的C語言和Basic語言，采用了更為簡潔的圖形化G語言，實現所有上位機軟件功能。上位機軟件主要包括用戶登錄界面、軟件啟動界面和主監測界面，主監測界面下包含數個不同功能的子界面，包括合閘控制、界限值、漏電檢測、缺相檢測、功率因數監控、有功功率監控、正弦電流曲線、正弦電壓曲線、歷史數據記錄、實時電流曲線、實時電壓曲線、三相電流監控、三相電壓監控和串口設置等。

4 應用效果分析

將設計的礦用饋電開關檢測與保護系統應用于煤礦井下實際工作場景，并且對相關運行技術指標進行了測試，主要有過載測試、欠壓過壓測試和漏電測試等，測試結果見表1～表3。

從表1可以看出：當系統中發生過載時，隨著工作電流從14.78 A到41.06 A的不斷增大，動作時間越來越短，從2.6 min縮短到38 s，都能夠滿足規定值。

表1 過載測試

從表2可以看出:在整定電壓660 V和1 140 V兩種情況下，無論是過壓還是欠壓，繼電保護動作時間均能滿足規定時間。

表2 欠壓、過壓測試

從表3可以看出:在整定電壓380 V和660 V兩種情況下，當實際電阻值小于規定值時，動作時間均小于0.1 s，滿足規定要求。

表3 漏電測試

5 結束語

基于DSP的礦用饋電開關檢測與保護系統能夠實現煤礦井下供電系統的繼電保護、檢測與通信功能。實際應用結果表明：在660 V和1 140 V電壓等級的井下電力系統，電網的運行狀況更加透明可控，安全性和可靠性顯著提高。應用本系統之后，煤礦的井下低壓供電系統滿足了“三大保護”要求，對各項故障都能夠準確判斷并有效及時切除，保護了設備和人身安全。