基于双微处理器的馈电开关智能保护器模块的设计

姜德昌，杜金满，薛俊国

(1．河北能源职业技术学院;2．唐山职业技术学院;3．开滦集团钱家营矿，河北 唐山 063000)

1．引言

矿用隔爆型馈电开关作为配电系统的关键设备，其性能直接影响到煤矿井下的生产安全和生产效率。随着现代化采煤技术的推广，对供电系统的安全可靠性提出了更高的要求。因此研发高水平、高性能的智能馈电开关已势在必行。

目前，国产矿用隔爆型馈电开关采用两类保护。

第一类是熔断器和过流继电器保护，第二类是由分立元件、集成电路组成的电子保护器。第一类保护的元件本身存在着离散性，使开关整定、更换不便;第二类保护虽然保护性能有所提高，但存在着信号采集电路、输出接口电路故障率高、内部供电电源输出稳压效果差、程序容易丢失等缺陷。从而造成保护不动作或误动作，给现场技术人员带来诸多不便，难以适应煤矿生产的需要。针对上述问题，笔者设计了一种基于DSP微处理器的矿用隔爆馈电开关智能保护器模块。该模块可以对煤矿井下供电系统进行实时监测、显示电网的各种参数，实现漏电、过电流和过电压保护及联网通讯等功能。

2．设计原理

2．1 模块硬件设计

模块硬件基于模块化设计思想，分为DSP微处理器系统模块、模拟量输入模块、开关量输入输出模块、人机接口模块、通讯接口模块及电源模块。所有元器件均安装在一块长200毫米，130毫米的四层印刷电路板上，结构简单。上层安装微处理器模块、模拟量输入模块、开关量输入输出模块和通讯接口模块;中间第一层为数据线布线;中间第二层为电源布线;下层为人机接口模块和电源模块。模块硬件系统如图1所示。

图1 模块硬件系统图

2．1．1 微处理器模块:以先进DSP TMS320F283、ATMEGA128A微处理器为核心进行双芯片工作。TMS320F283是TI公司生产的数字信号处理芯片，采用高性能CMOS技术，具有150M的工作频率，微处理器为32位定点低功耗，其32X32位的MAC操作及8级流水线技术，使程序的执行不用高速存储器也能达到极高的速度，大部分指令能够在一个指令周期内完成。在1S内可执行1000万条指令。片上存储器包括512KB的闪存与68KB的RAM，代码安全模块具有128位密码保护，从而保证相关寄存器的安全，数据不会丢失。TMS320F283主要承担漏电、过电压和过电流等信号的高精度数据采样及处理。ATMEGA128A采用先进的RISCJ结构，带有硬件乘法器;128K的FLASH，4K的SRAM。串行时钟部分采用了PFC8563芯片。A/D转换器采用TI公司的12位逐次逼近串行模数转换芯片TLC2543，采用SPI接口方式。ATMEGA128A主要承担先进的保护算法、逻辑判断、显示和定时存储等任务。

2．1．2 模拟量输入模块:采集处理煤矿井下电网的三相电压信号、三相电流信号、零序电流信号、零序电压信号及电网绝缘超前检测信号，经转换电路转换成0—5V的电压信号，送入DSP微处理器系统模块，转化成数字信号。

通常电流或电压检测一般采用采样电阻、互感器和霍尔传感器。采样电阻的信号处理电路与主电路存在非隔离性，抗干扰能力差且易损坏;互感器在测量含有谐波分量的电流或电压时误差较大，难以准确测量电流或电压的瞬时值;霍尔传感器要求其供电电源稳定，测量值受环境温度和磁饱和影响较大。针对上述问题，在模拟量输入模块设计中，采用CT20型无源交流隔离传感器。它不需要供电电源，测试数据明显优于霍尔传感器。模拟量输入模块通道为14个，见表1。

模拟量输入模块通道为模块的左侧接线端子。

2．1．3 开关量输入输出模块:开关量输入模块从外面引人智能保护器模块的开关量，如风电闭锁、瓦斯报警、远方分励和真空断路器的常开触点和常闭触点等。由光电耦合隔离电路处理后，将信息送至微处理器系统模块;开关量输出模块是从智能保护模块送出的开关量，如跳闸指令，报警信息等。由光电耦和隔离电路处理后，驱动固态继电器，实现漏电、过电流和过电压保护及联网通讯等功能。开关量输入输出模块通道为17个，见表2。开关量输入输出模块通道为模块的下侧接线端子。

表1 模拟量输入模块通道

表2 开关量输入输出模块通道

2．1．4 人机接口模块:包括液晶显示器和按钮组。按钮组用来对各种电气参数进行定值调整、保护试验、信息查询等。通过按钮移位，确认可显示当前整定的各种参数。液晶显示器选用了MGLS12864型液晶显示模块，通过74LS164串人并出口将要显示的内容送到液晶显示模块。采用菜单式人机交互界面，操作直观简便，实时显示馈电开关的分闸合闸状态;电网电压、三相电流、有功功率、功率因数;电网的绝缘电阻;瓦斯浓度、风电闭锁;故障类型、故障参数;当前时间等。当井下电网系统发生故障时，便于维修人员判断故障类型，提高处理故障的效率，减少井下电网停电时间。

2．1．5 通讯接口模块:具有RS－485和RS－232通讯接口，与上位控制系统计算机或其它控制设备通信，向控制系统提供被保护对象的各项电气参数，接受控制指令，实现电器的远动操作和动作参数的遥控。

2．1．6 电源模块:采用双TL494脉宽调制开关控制电路。微处理器系统模块的5V电源为一路单独供电，该电源设计为多级限流限压保护，确保微处理器系统模块不受电网电压的影响，系统程序不会丢失;漏电检测和人机接口的电源为本质安全型，确保其外部接线短路，不会引发瓦斯煤尘爆炸事故。

2．2 系统软件设计

系统软件编程主要包括模块:主程序模块、初始化模块、信号处理模块、采样与保护算法模块、监控与故障处理模块等。

2．2．1 主程序设计

在软件设计中，馈电开关保护器的主程序采用了循环方式来执行信号的采集、故障的判断、参数分析、及故障处理等功能，它将保护器的各个功能模块按照预先设计设定的步骤整合在一起，从而实现对电路的监控与保护功能。保护器主程序流程如图2所示。

图2 主程序流程图

2．2．2 初始化模块，建立任务间通信的信号量、消息队列及任务队列，分配任务优先权，所有新建任务为就绪状态。系统在接到控制系统的命令后，应立即按照指令动作，故通信和保护应有较高的实时性。电压、电流等模拟信号的采集和A/D转换是智能保护器模块工作的基础，为了保证严格的时间间隔要求，软件中模拟信号采集与转换由中断服务程序实现，中断结束后，系统调度程序调用就绪任务队列中优先权最高的任务。

2．2．3 信号处理模块，主要包括数据采集、数字滤波、有效值计算等，通过检测，获得电机运行状态，DSP完成各种故障的分析判别。对电流和电压采样时，每个周波采样12个点，即两个采样点之间间隔1．67ms，在此时间段可安排一组任务。在执行外部任务过程中程序转入中断服务程序执行其他任务。

2．2．4 采样算法设计

采样算法采用两点乘积法，两点乘积法利用1/4周波的时间就可计算出正旋波信号的最大值，从而缩短采样时间，加快保护的响应。

式2－1和式2－2表明，通过计算我们可以很容易得到出电流的有效值、相位等参数，为保护器的相应保护动作提供依据。

2．2．5 保护算法设计

保护算法采用反时限保护。在数据存储器内预先存人反时限动作曲线的电流值和相应的动作时间，当采样算法计算出电流值后，将该值和额定值相比，然后查表，求出动作时间，通过定时器延时后发出分断信号。定时过程中，仍然对信号进行采样。如果电流值发生变化，则根据发热效应相等的原则随时调整动作时间。

4．结语

该通用型智能保护器模块吸取了当前各种型号智能保护器的优点，通用性强，可与任何型号的矿用隔爆馈电开关配套使用;模块化设计，使其结构简单，联线少，工作可靠;微处理器系统模块以先进的DSP TMS320F283和Atmega128A微处理器为核心进行双芯片工作，具有高速的运算能力和完备的存储记忆能力;电源模块设计为双电源，确保微处理器系统模块可靠工作具有完善的漏电、过电流、过电压保护功能、液晶显示和联网通讯等功能，该模块进行了工业性现场试验，各项技术指标均符合要求，实践表明:该模块可大大地提高煤矿井下供电系统的可靠性。

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