矿用高压开关保护系统设计

任吉文

（阳煤集团一矿机电工区矿修队，山西阳泉 045000）

0 引言

煤矿井下高压开关常用于保护高压供电系统的供电线路与变电站，是一种故障保护和处理的电气设备，但是该装置处于井下工作环境差、空气湿度大、综采负荷变化大的场合中[1-2]。传统的高压开关使用的短路保护实时性低、灵敏性差，也不具备远程通信的能力，也就难以实现保护的选择性[3-5]。随着微机信息技术的发展，利用微机控制原理，开发一套集保护、通讯、监测等功能于一体的高性能高压开关保护系统对于提高煤矿智能化管理水平以及生产效益具有重要的意义[6-8]。本文根据煤矿实际情况，设计一套基于DSP的高压开关保护系统，针对井下生产特点，设计相关硬件电路与软件系统，从而实现煤矿高压开关保护系统的实时监测与应急处理功能。

1 高压开关保护系统主要功能及原理

1.1 保护系统主要功能

为满足井下供电质量与安全性，适应现代化煤矿的建设需求，高压开关保护系统具备以下功能。

（1）保护功能。具有短路保护、漏电保护、低电压过电压保护、反时限保护以及闭锁等基本保护功能。

（2）事件记录功能。能记录最近发生的事件且在保护装置即使停电时信息也不丢失，便于工作人员分析事故原因。

（3）电能质量监测功能。具有高精度的信息采集单元，并能高速地对三项电压和电流进行跟踪，实时计算有功、无功以及功率因素的大小，为供电质量的计算提供可靠基础信息。

（4）人机交互与通讯功能。人机交互方面可以实时显示保护系统运行状态与系统菜单显示，方便工作人员进行开关的操作及整定；同时有故障发生时能自动报警，并通过CAN总线连接的光纤环网进行实时传输信息。

1.2 常见故障保护原理

1.2.1 短路保护

短路是指供电系统中由于电位不相同导致导体在电气设备上被短接，该事故的发生是井下供电系统最常见的故障之一。为应对短路故障，一般采用电路检测来进行判定，控制器通过电流幅值的大小判定是否进行保护动作，同时为避免保护盲区，在此基础上也要加入相敏保护，从而使得保护更加可靠。

1.2.2电缆绝缘保护

煤矿井下特殊的工作环境使得供电电缆向工作面进行供电时，除装有漏电保护装置还需具备监视线保护，从而能实时监测到电缆线是否有断路或短路故障的发生。当监视线与接地线发生短路故障时，其电阻两端的电压将会大于正常电压值；当监视线与接地线发生断路故障时，其电阻两端的电压将会小于正常电压值，由电压信号的不同，控制器便可以判别监视线与电缆存在何种故障。

2 硬件电路

2.1 保护系统硬件整体结构设计

本文为了在对保护系统设计时的方便性，将硬件电路按照模块化的思路将整体电路分为模块单元设计，使得它们之间相互独立又有关联，对其分别测试时可以方便程序的修改。如图1所示，本系统的硬件部分主要有信号采集的模拟量输入单元、信号调理电路、开关量输入输出电路、CAN总线与485通信电路、显示与键盘控制电路等组成。

图1 系统硬件整体结构

2.2 主控芯片选型

本系统为适用矿井下复杂环境，完成保护系统的实时监测与数据处理的功能，以TMS320F2812为核心的嵌入式控制芯片进行控制，该型号的控制处理器有如下特点。

（1）内部自带12位分辨率的数模转换器，该ADC模块因具有自动排序能力，每次进行任务时可以选择16个通道输入进行快速转换，且单次转换时间为200 ns。

（2）该数字处理控制器每秒可以实现1.5亿次指令的执行运算操作，强大的运算能力可使其具有更高的效率，能同时输出多路PWM控制信号。

（3）自带有128 KB的Flash用于存储数据，该型号的逻辑与数字处理性能提高1倍且集成度与存储量更高，方便开发软件程序在线升级。

2.3 CAN通信电路

在煤矿井下通信环境恶劣的条件下，为保证通讯质量以及监测系统监测的线路电压电流、断路器电信号、刀闸位置信息、功率、频率等主要监测量传输的稳定可靠性，常采用CAN通信总线的方式进行各设备之间的信息传输，从而达到实时监测目的。CAN通信总线因其通信速度快、传输距离远、容错率低、纠错能力强且成本低的特点，所以被煤矿中的井下设备广泛使用，故它也是煤矿井下高压开关保护系统重要组成部分。

本系统中采用的DSP主控芯片中内置有eCAN模块，而该模块集成有CAN控制器与必要的通讯协议，无需再外接CAN控制器，仅仅需要匹配合适的收发装置即可，所以这便节省了主控芯片的控制信号资源。如图2所示，本系统采用飞利浦公司的82C250器件作为收发装置，该装置具有物理总线和协议控制器接口，便可以为CAN总线提供差动发送信息的能力，将该器件上的CANTX与CANRX引脚作为DSP主控单元上的通迅信息的发送和接受引脚。同时，为保证信息传输过程中电平信号对DSP主控芯片的保护，在收发器与主控芯片之间增加高速光电耦合器6N137，从而对主控芯片进行隔离保护。

图2 CAN通信电路

2.4 放大滤波电路

由上节可知，在煤矿供电系统发生故障时，特别是高压开关保护装置，在故障发生的瞬间含有大量的高频分量，而本文设计的保护系统是以微机保护的原理进行设计，所以为保障设计的微机系统能对低频信号稳定控制，需要对采样电路增加低频滤波电路。为保证消除采样电路中的部分高频信号获得更好的滤波效果，如图3所示，本文在滤波电路设计时通过将低通滤波电路与运放电路相结合。运算放大器采用ADI公司的Opx177系列放大器，该放大器功耗低、漂移量小、精度高、具有广泛的使用温度范围，这些优势可以保证即使在大电容高电阻负载与环境恶劣的条件下也可以稳定输出，保护输入电路。

图3 放大滤波电路

在采样过程中最高采样频率不能大于设定采样频率的1/2，为防止采样过程中出现混叠效应，去除输入信号中的高频信号，在低通滤波器中每个工频周期采样设置24个点，采集的模拟量信号经过互感器后由低通滤波电路进入运算放大器，同时在运算放大电路外部连接稳压管，从而提高输入模拟量的稳定性。

3 软件设计

本系统监测故障的采样程序是通过主控芯片中自带的A/D转换器进行采样。如图4所示，本系统采样开始前先将已有的中断标志位清除，并重新分配中断向量表。系统设置好下一次的中断触发方式和模式后再进入信号采集过程。需注意的是在利用主控芯片控制采集信息时，使用内部时钟的基准，当芯片开始产生初始化采集间隔时开始。主控制单元在读取数据时将进行故障识别，保护系统正常则将数据写入存储设备中，当判别有故障时进入保护子程序并进行相应的处理。

图4 采样流程图

4 结束语

本文首先通过对井下高压开关保护系统所需要的基本功能进行分析，同时对保护的基本原理进行介绍，设计了以DSP数字处理器系列为核心的保护控制系统。对硬件电路设计方面，详细介绍CAN通信电路、信号放大滤波电路以及显示电路的设计，同时采用模块化的编程思路对软件程序中的采样程序进行说明。整个保护系统在煤矿井下运行良好，极大提高保护的安全性。