基于DSP的矿用馈电开关保护系统设计

王党树， 王新霞

(西安科技大学 a. 电气与控制工程学院； b. 理学院， 陕西 西安 710054)

0 引 言

矿井环境恶劣，井下电网经常发生各种各样的故障，给煤矿生产造成了巨大的损失，馈电开关是井下供配电系统的重要组成部分，但目前大部分低压供电系统中仍使用着非智能化馈电保护设备，在矿井下恶劣环境中，不能过载和断相检测，保护可靠性差[1]。现有的基于PLC[2]、ARM[3-4]、FPGA[5]、CPLD[6]和以太网馈电保护设备或者功能单一，或者成本过高[7-8]。基此,本文重点研究智能、廉价型矿用馈电保护系统的设计。

1 系统设计

系统框图如图1所示,以DSP为中央控制单元，由信号输入模块、微机模块和输出模块三部分组成。输入模块包括电压互感器、电流互感器，偏置、滤波、限幅电路，漏电缺相检测电路，开关量输入电路，光电隔离电路，按键电路；微机模块即为DSP数字信号处理器，输出电路包括开关量输出电路、继电器动作电路、液晶显示电路。

2 交流信号调理及采集设计

2.1 信号调理

信号调理以三相中一相为例,见图2，T1为电压互感器，RAV为串入一次侧的限流电阻，RAS1为并联在二次侧的采样电阻，两个串联的二极管1N4001起限幅作用，把输出电压幅值限制0～3 V，CA1为滤波电容，RA1为限流电阻，电压调理偏置、滤波、限幅。由于采样电路的输出为正弦波，有正负电压不适于DSP的A/D采样电压0～3 V，在正弦交流信号上叠加一个直流信号进行偏置，然后滤波、限幅后送入A/D采样。

2.2 信号处理

在馈电保护时要计算三相电压、电流有效值,判断过压过流及缺相短路判断[9]。因此对采集数据计算出有效值进行相应判断，在计算时采用傅里叶算法，不但能滤除一切谐波分量，也可以滤除由输电线路分布电容引起的高频分量[10]。数据处理采用傅里叶算法，傅里叶算法的基本原理是建立一个傅里叶数字滤波系统，滤取电压、电流中的基频分量。周期函数x(t)可用傅氏级数的形式来表示，即用直流分量和其谐波分量之和的形式来表示为

(1)

式中包含了恒定的直流分量及各次谐波，继电保护只要基频分量，则周期函数基波分量(n=1)的傅里叶余弦系数(X1C)和正弦系数(X1S)分别为:

(2)

式中:ω为基波频率;ω=2πf;f=50 Hz。

对于离散数字信号，上述积分将改为累加和形式，如果每周采样N次，得到的采样值为x(0)，x(1)，…，x(n),进行全波傅里叶运算时，对式(2)离散化，得到:

(3)

由X1C和X1S可以计算出基波幅值X1与相角θ1等电气参数，分别为:

(4)

3 漏电保护

漏电保护采取附加直流法[11]，原理图见图3，附加直流电源检测通道为:直流电源正极→RS→大地→绝缘电阻→三相电网→三相电抗器→直流电源负极。由于井下低压馈电开关中皆不设零序互感器，故设计中增设了电压采样回路，便于附加直流原理的实现。

电流

(5)

式中：RE为接地电阻；rΣ为三相电网对地总绝缘电阻，

(6)

式中，仅r∑为变量，故检测电流I直接反映了电网的绝缘情况。取样电阻上的电压US可表示为

(7)

三相电网对地的总绝缘电阻可由下式计算:

(8)

电网正常运行时，根据式(3)可连续检测绝缘电阻；当漏电故障发生并使rΣ下降到动作设定值时，保护电路迅速切断电源，完成漏电闭锁。当rΣ大于设定值的1.5倍时，解除漏电闭锁。另外，即使绝缘电阻在均匀下降，仍能够检测出漏电，这也本设计采用附加直流电源法的一大原因。

根据以上检测原理分析漏电检测原理图如图4所示，通过检测RS两端的电压，计算绝缘电阻值，判断是否漏电。

4 缺相保护

三相交流电设备如果出现断相(三相缺一相)会造成设备损害，必须将设备的电源断开进行断相保护。

缺相保护采用附加直流原理法[12]，靠近负载一侧三相经电抗器接直流源，远离负载一侧三相接光电耦合器的输入，通过光电耦合器的输出信号来判断缺相，当三相负载出现断相后，光电耦合器输出信号发生跳变，DSP检测到信号后，控制继电器分闸。附加直流源缺相保护原理图如图5所示。

图5中，当开关S1、S2、S3均闭合，即没有缺相时，TLP521中的光二极管导通，触发光敏三极管导通，输出为低电平到I/O;当S1、S2、S3有一个断开，即出现缺相时，该相中TLP521中的光二极管没有导通，光敏三极管截止，输出高电平到I/O。通过这样的电平变化，DSP即可检测到负载是否缺相运行。

5 短路保护

5.1 短路保护原理分析

当三相电网中出现三相、两相、单相、单相接地、相间短路等短路故障时，电路中电流瞬间增大，三相对称且功率因数较大，针对这种故障特点，为了同时达到保护区域和灵敏度的要求，本设计采用相敏原理[13]。三相系统中，根据电压、电流的相位差，能发现其相位关系在发生故障时有明显改变，在故障状态下，电流相位超前电压。在设备起动时，电压相位总是超前电流，且大于正常时的相位差，这样可以判断出是供电线路由容量较大的电机起动造成的，还是短路过电流引起的，即便是较小的短路电流也能检测到，从而减小过电流的动作设定值，提高短路过流保护的快速性。根据以上原理，可以由电流电压的相位差来实现相敏短路保护。相敏原理框图如图6所示。

5.2 短路检测

针对短路故障，采用相敏原理对电路进行保护根据信号调理和数据采集，对采集的数据进行傅里叶变换及运算后需要检测电流与电压的相位差，计算功率因数，计算出电压电流率因数的算法。根据式(4)，电流和电压基波相角θ1I、θ1U分别为:

(9)

其中:I1C、I1S分别为电流基波分量的余弦系数和正弦系数;U1C、U1S分别为电压基波分量的余弦系数和正弦系数。由此可计算电流与电压的相位差θ=θ1I-θ1U。

根据θ即可计算出功率因数cosθ，并可已通过电流和电压的相位关系来判断线路是否短路。

6 软件设计

6.1 下位机软件设计

下位机软件主程序完成装置各部分功能的初始化，对采样、保护、报警、按键、显示及通信等程序的调用，利用傅里叶算法将交流采样的数据进行处理，求得电流、电压、功率因数、有功和无功功率等电网参数, 通过这些参数来分析故障类型。液晶显示系统运行时的各种参数，并将其上传至上位机进行监控，故障时，液晶显示故障类型以及故障位置，并将故障数据及信息上传至上位机以通知监控人员及时发现并排除故障。主程序流程图如图7所示。

6.2 监控界面设计

采用LabVIEW[14]软件完成了上位机界面的编程，监控界面框图如图8所示。主界面各个功能模块以选项卡的形式来实现，共有14个选项卡选择所要观察的界面如图9所示。

7 结 语

系统经过软硬件调试，能够实现三相电压电流采集、过压过流保护、漏电检测、缺相检测、跳闸、合闸、显示、历史数据记录、参数设定及上下位机通信功能。该系统工作稳定，性能可靠，能够有效地提高煤矿生产效率。该系统工作稳定，性能可靠，能够有效的提高煤矿生产效率。

(a)三相电压监控界面(b)历史数据记录界面

(c)缺相检测界面(d)漏电检测界面

图9 监控界面

[1] 徐小军. 基于DSP的矿用馈电开关检测与保护的研究 [D]. 合肥：安徽理工大学，2006.

[2] 李翠兰,李 萍,罗 明,等.基于 PLC的矿用智能低压馈电开关选择性漏电保护系统[J].工矿自动化, 2010(1):122-125.

LI Cui-Lan,LI Ping,NUO Ming,etal.Design on intelligent selective leakage protection system for mine intelligent low-voltage feed switch based on PLC[J]. Industry and Mine Automation,2010(1):122-125.

[3] 刘瑞祥，陈 乐，杭庆彪. 基于ARM7内核的井下智能馈电开关保护器的设计[J] .工业仪表与自动化装置，2010(4)：98-100.

LIU Rui-xiang,CHEN-Le，HANG Qing-biao. Design of intelligent protector of mine feeder switch based on ARM7 microprocessor[J]. Industrial Instrumentation & Automation,2010(4)：98-100.

[4] 王世斌,梁 睿,刘建华,等.基于ARM的低压馈电开关智能保护装置[J] .煤矿机械,2009，30(5)：130-132.

WANG Shi-bin,LIANG-Rui,LIU Jian-hua,etal. Design on low-voltage feeder switch intelligent protective device based on ARM processor[J]. Coal Mine Machinery,2009,30(5):130-132.

[5] 叶天迟.基于FPGA的矿用馈电开关保护应用[J] . 煤炭技术，2011，30(11)：38-39.

YIE Tian-chi.Applies based on FPGA mineral product feed switch protection[J].Coal Technology, 2011，30(11)：38-39.

[6] 刘 博,柳明洙,陈世杰,等. 基于CPLD的馈电开关保护器的设计[J] .电气技术,2008(11)：51-53.

LIU Bo，LIU Ming-zhu，CHEN Shi-jie,etal. Design of feeder switchgear protector based on CPLD[J]. Electrical Engineering，2008(11)：51-53.

[7] 王彦文,张艳平,侯晓宁,等.基于光纤以太网的矿用低压馈电开关继电保护的研究[J] .煤矿机械,2012，33(7)：178-180.

WANG Yan-wen,ZHANG Yan-ping,HOU Xiao-ning,etal.Research of low voltage feed switch relay in coal mines based on optical fiber ethernet [J]. Coal Mine Machinery, 2012，33(7)：178-180.

[8] 江永玲,欧阳名三,曹 粟,等.基于DSP的矿用馈电开关保护系统设计[J].煤炭技术,2012,31(6)：32-33.

JIANG Yong-ling, OUYANG Ming-san, CAO-Su,etal. Design of mine feed switch protection system by DSP[J].Coal Technology, 2012，31(6)：32-33.

[9] 周心权，傅 贵，方裕璋.煤矿主要负责人安全培训教材[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.

[10] 邹智慧，李啸骢，罗晓芬,等.有效滤除偶次谐波的改进半波傅立叶算法[J]. 电力系统保护与控制,2009,30(20):65-68.

ZOU Zhi-hui,LI Xiao-cong,LUO Xiao-fen,etal.Improved half-wave Fourier algorithm that can filtrate even wave components availably[J].Power System Protection and Control,2009,30(20):65-68.

[11] 高 赟. 一种附加直流电源漏电保护器的研制[J]. 工矿自动化, 2010(4): 22-24.

GAO Yun. Development of a leakage protector with additional DC source[J].Industry and Mine Automation,2010(4):22-24.

[12] 胡天禄. 矿井电网的漏电保护[M]. 北京: 煤炭工业出版社，1987.

[13] 郑丽君,宋建成,高云广.相敏保护在负荷控制中心的研究应用[J].煤炭学报，2012,37(26):1056-1060.

ZHENG Li-jun,SONG Jian-cheng,GAO Yun-guang,etal.Research and application of phase-sensitive protection in load control center[J]. Journal of China Coal Society, 2012,37(26):1056-1060.

[14] 肖成勇，雷镇山，魏 丽. LabVIEW2010基础教程[M]. 北京：中国铁道出版社，2012.