基于ARM的矿用低压馈电开关保护装置的设计

雷振光

(西山煤电 东曲矿 机电科检修队， 山西 古交 030200)

0 引言

随着煤矿综采面的增大和采区的扩展，井下用电设备的负荷日益增大，尤其是综采设备的装机容量不断提高，作为煤矿安全生产的重要组成部分，井下低压供电系统继电保护的重要性不言而喻。《煤矿安全规程》对矿用馈电开关保护装置的功能性、选择性、快速性和可靠性均做出了明确规定，现有馈电保护装置已经不能满足要求，因此本文设计了一种基于ARM控制器的功能全面、动作迅速和抗电磁干扰的矿用低压馈电开关综合保护装置。

1 馈电开关保护装置系统总体方案

设计的低压馈电开关保护装置及其外围设备的安装示意图如图1所示。低压馈电开关保护装置包括保护器1和保护器2，是保护系统的核心控制器。如果被保护的线路发生某种故障，各项电参量通过电流互感器、零序电流互感器和电压互感器采集，经过A/D转换后发送给保护器，经保护器处理后，发出跳闸信号，控制真空断路器动作，达到保护的目的。此外，系统通过一个变压器取被保护线路两相电源，作为保护器的供电电源。上位机是井下各分机的集中管理平台，能够对整个保护系统进行管理和控制。

保护装置最主要的功能是对被保护线路发生的故障进行保护。主控制器采用了ARM Cortex-M3高性能芯片，采用RS-485通信，为保护动作的快速性节约了时间。本装置主要的故障保护包括漏电保护、过流保护和过欠压保护。漏电保护包括漏电闭锁和选择性漏电保护；过流保护包括对称性过流保护(三相短路保护和超时过载保护)和非对称性过流保护(两相短路保护、断相保护和三相电流不平衡保护)。

图1 低压馈电开关保护装置及其外围设备的安装示意图

在实现上述保护功能的基础上，保护装置还可以根据井下具体线路情况的不同配置不同的参数，使其可以灵活应用于总馈电开关和分馈电开关处。对于多条线路的复杂馈电系统，保护装置可以通过通信功能进行数据交换，提高可靠性。此外保护装置具有良好的人机交互平台，保护器在线路正常状态下可以通过液晶屏显示线路的运行参数，当故障发生时可以通过LED灯提供报警信息，运行人员可以通过按键设置各项参数。

2 保护装置硬件设计

整套保护装置系统的硬件设计包括微机控制系统及其外部电路、电源电路、通信电路、信号处理电路和抗干扰电路等。

2.1 微机控制系统及其外部电路

目前大部分矿用低压馈电开关保护装置都采用单片机进行控制，单片机控制方案成本低，但是计算能力有限，集成度也较低，面对多功能的处理任务和实时性要求较高的应用场景，嵌入式处理器ARM更加具有优势。STM32F103是一款32位高性能处理器，且片内具有2个12位精度的模数转换器。除主控制器及其模数转换器以外，外部电路包括开关量输入电路、电网参数采集和处理电路、RS-485通信电路以及光电隔离电路等。STM32F103微机控制系统及其外部电路原理框图如图2所示。

图2 STM32F103微机控制系统及其外部电路原理框图

2.2 电源电路

稳定的供电电源是保护装置能够稳定工作的保障，因此在设计供电系统时，除满足各电压等级的用电设备功率要求外，还应该充分考虑电源之间的干扰，在各级电压转换时设计不同的滤波器以稳定电压。系统电源转换关系如图3所示，井下电网取电后，经过一个降压变压器变换为24 V交流电，经过一个整流电路后变成直流，然后通过一级DC/DC变换器得到12 V直流电，供继电器使用，经过两个二级DC/DC变换器得

到24 V直流电和5 V直流电，分别供附加直流电源和液晶，5 V直流电经三级DC/DC变换器得到3.3 V直流电，供ARM处理器工作。

图3 系统电源转换关系图

2.3 通信电路

RS-485是一种在工控领域使用广泛的通信技术，具有信号传输速率高、距离远的特点，芯片内部集成了差分接收器和平衡驱动器的组合，大大提高了共模信号的抑制能力，总线具有多站功能。本保护装置的通信芯片选用MAX485，该芯片接收器的灵敏度为200 mV，传输效率为2.5 Mb/s，接收器和驱动器可接32个。图4为设计的RS-485及其光耦电路原理图，MAX485芯片通过光耦PC817和6N137与主控制器STM32F103连接，以达到防爆的目的。端口A、端口B是收发差分信号的引脚，当Uab为+2 V～+6 V时表示逻辑1，Uab为-2 V～-6 V时表示逻辑0，抗干扰能力较强。

图4 RS-485及其光耦电路原理图

2.4 信号处理电路

保护装置的信号处理电路是电网运行参数的入口，包括绝缘电阻信号、零序电压电流信号。限于篇幅，简单介绍绝缘电阻的输入电路，图5为其电路图。采用阻值10 kΩ功率2 W的电阻为采样电阻，采样电流经过阻值2 MΩ的电阻限流，得到数百毫安的输入信号。运算放大器LM324M的作用是电压跟随，以提高电路的带载能力。

2.5 抗干扰电路

本文在硬件设计上采用了各项抑制措施，包括钳位保护、滤波和屏蔽等。主要的抗干扰部分有电源抗干扰设计、通信电路抗干扰设计和印刷电路板的布线设计。井下可能会发生的干扰有高频脉冲、电网波动和雷击等，由于保护装置的电源是通过变压器取自井下配电站，且控制器对电磁干扰很敏感，恶劣的电源供电可能使得芯片误动作，因此设计了压敏电阻、扼流圈以及雪崩二极管等抗干扰电路。通信电路主要采用前文提及的光电隔离芯片抑制高频电磁波。在设计印刷电路板时，走线布局合理，在功率较大的芯片电源接口处外加陶瓷电容滤波，模拟地和数字地分开防止相互影响，增加底线宽度以减小线路产生的电压降。

图5 绝缘电阻信号输入电路

3 保护装置软件设计

保护装置的软件设计包括系统软件设计、主控制器程序设计、人机交互程序设计、通讯软件设计、A/D转换程序设计和数据处理算法等。

3.1 系统软件设计

STM32F103是一款基于ARMv7架构的嵌入式处理器，因此可以方便地移植开源嵌入式操作系统μC/OS-II。μC/OS-II实时性好、可靠性高、扩展性强，具有运行时间确定的多任务系统。图6为软件系统总体设计框图，系统软件由系统内核、驱动程序、中断ISR、任务和基本应用程序等组成。

图6 软件系统总体设计框图

在移植完成操作系统之后，设计所需执行的各类任务，最后进行具体程序函数、中断服务函数设计。中断函数包括时钟节拍中断、故障中断和其他中断。API指的是基本应用程序，包括算法函数、基本功能函数和库函数。驱动程序包括LCD驱动、RTC驱动、A/D转换驱动、FLASH驱动、RS-485驱动和开关量输入输出驱动。

3.2 主控制器程序设计

图7为主控制器的程序流程图，程序开始时控制器STM32F103和操作系统μC/OS-II初始化，初始化完成后启动操作系统，然后启动硬件定时器中断，创建所有任务并建立适当的堆栈和任务优先级，按照任务优先级，操作系统开始调度各任务。

图7 主控制器的程序流程

4 结论

本文结合井下低压电网的生产实际和煤矿安全生产规程，在原有矿用低压馈电开关保护装置的基础上，设计研发了一款基于ARM处理器的新型低压馈电保护装置。新型低压馈电开关具有保护功能齐备、动作迅速、抗干扰能力强等特点，既可以用于总馈电开关保护，又可以应用于分馈电开关保护，实际使用场合灵活，对提升煤矿井下用电安全具有重要的意义。