基于ARM嵌入式的煤用馈电开关保护装置设计

2018-07-06王晓峰

机械管理开发 2018年6期

王晓峰

（西山煤电杜儿坪矿，山西太原 030200）

引言

电力系统中使用的馈电开关技术在我国起步较晚，其最早是在1950年前后引进前苏联的产品和技术，后来逐渐接触到西欧的一些更加先进的产品。从最开始自主研发非智能的产品到后来逐渐发展为智能化。在煤矿井下低压供电环节中馈电开关起着举足轻重的作用。目前井下应用了多种低压馈电保护方法，但或多或少都存在某些无法容忍的缺点，主要表现在灵敏度无法达到使用要求，工作的稳定性和保护的可靠性容易受环境的干扰等，尤其是在复杂环境条件下干扰尤其严重。综上所述，本文设计了一套基于ARM嵌入式系统的馈电开关保护装置。具有成本低、性能稳定以及功耗低等优点[1]。

1 保护装置系统总体设计

如图1所示为本系统的整体架构图。从图中我们可以看出系统整体可分为四大模块，分别为：核心处理器模块、输入输出模块、通信模块与人际接口模块。其中输入包括各种互感器接口电源输入，输出是继电器控制输出。人际接口模块包括按键、报警、显示等。通信模块包括与上位机的通信以及其他控制器的通信。

图1 井下低压馈电开关保护装置系统功能结构图

由于工作环境是在煤矿井下，所以控制器需要安装在防爆壳内进行防爆处理，通过控制馈电开关的断路器完成电路的通断。工作流程为：先通过互感器对电网中的电压和电流参数进行采集，由于采集到的是模拟量，所以需要通过A/D模块进行信号转换，由模拟量转换为可以被CPU直接识别的数字量。将信号输入到处理器后由处理器对其进行分析处理，得出最后的判断，如果有故障发生则通过控制继电器的闭合来控制断路器的跳闸，从而保护电路。保护装置的主要功能包括以下几项：其一，通过互感器实时采集电路上的电压电流信号，通过处理器进行处理同时将处理结果通过RS-485总线上传到地面监控主站；其二，充分利用通信功能实现数据传播与交换，提高整个系统的稳定性和安全性；其三，可以通过显示器的显示系统实时工作情况，在发生故障时提示声光报警，同时还能够通过键盘实现参数修改等操作[2]。

2 保护装置硬件系统的设计

综合各方面考虑，本系统设计中采用了ST公司生产的ARM7系列32处理器型号为STM32F103。内部集成了两个12位A/D转化模块，能够进行高效的模数转化。从而省去外部的A/D转化模块减小控制板空间，和简单的ARM相比较本处理器所需要的内存能够降低30%以上，其主要原因是采用了Thumb-2以及RISC等技术，功耗也相应降低，性能方面却得到提高。如下页图2所示为保护装置控制器硬件结构图，主要包括处理器模块、光电隔离模块、测温模块以及采样模块等。其中由于矿井下工作环境比较复杂，干扰比较多，所以采用隔离模块将电路前后隔离增强抗干扰能力[3]。

1）电源模块设计。保护装置的电源电压主要取决于井下电网的配电，通过变压器将电压降为24 V的交流电供馈电开关使用。由于系统的需求，采用整流滤波方式将电压转换为直流的12 V、5 V、3.3 V三种电压等级。为了防止系统对电源的影响，本设计采取了光电隔离的方式来保证各个电压等级的稳定性。整体电源的设计方案为：将24 V交流电转化为12 V直流电采用的电源芯片为LM2575HV，然后分别利用DC/DC芯片将12 V直流电转换为5 V、3.3 V和 24 V等。芯片分别是 78M05、MC34063、SP6201-3V3。

图2 井下低压馈电开关保护装置硬件结构框图

2）通信模块设计。本系统采用的通信总线模式为RS-485通信。其通信距离远，能够很好地与矿井下其他控制器实现连接，因其线路少所以被广泛采用。本电路采用的通信芯片型号为MAX485，由于该芯片具有高速通信功能，还具有较强的抗干扰能力，内部集成了发送驱动器和接收器等。考虑到需要安装进防爆壳里所以必须采用隔离装置，本设计中采用的光电隔离器件是PC817、6N137还有高压隔离转换器B0505，同时为了增加电路的稳定性额外加入了整流桥。

3）信号预处理模块设计。由于井下采集信号大多采用电阻或者是互感器，所以采集到的信号不能直接被A/D电路转换，需要对其进行信号调理。检测断路器的通断只需检测其绝缘电阻和零序信号便可以了，采用继电器来控制测量回路是否通断。从变压器上能够获得零序电压是大小为40 V的交流信号，为了满足系统的要求，需要对其进行降压处理。通过电流互感器来获得零序电流，通过CPU的GPIO口接入到处理器，互感器在测量电流时会发生相位滞后的现象，为了对其进行补偿采用微分电路进行信号处理，再转化为电压信号后经过隔离送入到CPU进行处理。

4）I/O模块设计。开关量的输入输出直接关系到继电保护的输出和参数的设定。为了增强电路的抗干扰能力，增加电路的驱动能力以及安全性和稳定性，在设计中添加了隔离模块来增加抗干扰能力，型号为6N137和PC817，由于继电器所需要的启动电流比较大，本系统采用了能够支持大电流的ULN2003模块来驱动继电器。

5）其他模块设计。测温单元：本系统中的温度传感器采用的是电阻型测温装置，型号为PT100系列，在温度变化时其电阻值也会发生线性变化，通过测量其电阻便可得出此时的温度

3 保护装置软件系统的设计

一般没有系统的程序称为裸程序，裸程序所有的功能都是建立在一个大的While循环里，一旦有某一个环节出现问题便会导致整个系统程序崩溃。所以本系统加入了嵌入式操作系统μC/OS-II，这是一个抢占式的嵌入式系统，通过将任务划分优先级来竞争CPU的使用权。每个任务都是一个小循环。如图3所示为软件结构框图。根据具体的功能将整个软件系统分为三部分：分别是Main主程序、底层驱动程序和上层功能模块。具体包括人际接口程序、逻辑算法程序、通信程序和显示程序等[4]。

图3 馈电开关软件结构框图

馈电开关保护系统软件组成包括以下几项：操作系统内核、主程序入口、底层驱动程序、软硬件接口BSP、系统功能程序、故障处理程序以及特殊的中断程序等。首先是操作系统的移植，接下来是编写硬件驱动最后是编写功能程序以及中断服务子程序等。操作系统各项任务间的通信是通过信号量、消息邮箱以及事件等实现的。另外将功能函数以及算法等编写为小循环模块设置合适的优先级供系统调用。如图4所示为系统启动流程。系统上电启动后首先处理器芯片进行初始化配置各种寄存器，接下来对操作系统进行初始化，启动与之相关的定时器中断，最后创建任务与系统调度任务模块执行功能程序。