基于DSP的矿用馈电开关检测与保护系统

李大伟

(西山煤电 西曲矿，山西 古交 030200)

0 引言

对于煤矿井下低压供电系统而言，恶劣的工作环境造成了其经常发生各种故障，常见的矿用馈电开关故障有短路、缺相、漏电等，这些故障极易引起井下停电事故发生，直接造成生产效率的降低和影响煤矿安全运行。本文研究了一种基于DSP的矿用馈电开关检测与保护系统，对煤矿的安全生产和提高生产效率具有现实意义。

1 矿用馈电开关检测与保护系统总体概述

矿用馈电开关检测与保护系统硬件总体方案的设计应当建立在保护系统的功能分析基础上，经过实际调查研究和查阅相关资料，确定保护系统的基本功能应当包括漏电保护、缺相保护、短路保护、过载保护、过压欠压保护和过流保护。漏电保护应用附加直流电压法，缺相保护应用附加直流电源检测法，短路保护采用相敏原理，过载保护使用反时限动作原理，过压欠压保护应用鉴定幅值原理，过流保护应用幅值判断原理。根据上述功能和所应用的原理，可以得到系统的总体设计方案。

基于DSP的矿用馈电开关检测与保护系统的总体方案如图1所示，以数字信号处理器DSP为核心，具有矿井下低压电网监测、监控和保护等功能。系统包括信号调理电路、故障检测电路、DSP控制电路、继电保护电路、液晶显示电路、按键操作电路和通信接口电路。井下供电系统经隔离变压器向系统信号调理电路和故障检测电路提供信号，DSP控制电路对信号进行处理，识别出当前运行状态或故障类型后，通过控制继电保护电路的继电器开断和液晶显示屏进行保护动作和状态显示，按键操作的功能是方便运行人员进行状态检查和定值修改，通信接口采用RS-485总线通信方式，一方面向上位机传输当前系统信息，另一方面接收上位机的控制指令，实现遥控操作。

图1 系统总体方案

2 系统硬件设计

根据系统总体方案，得到系统硬件结构如图2所示，DSP采集信号后进行傅里叶变换，实现各类故障的判断和发出动作指令，此外系统还有液晶显示电路、键盘电路、通信接口电路、继电器控制电路等。下面简要介绍关键电路的设计思路，具体的电路设计需根据《煤矿安全规程》规定的技术指标进行。

图2 系统硬件结构框图

(1) 控制器选择。TMS320F28335是一款浮点型数字信号处理器，其在计算精度、功耗、存储、外设等方面均具有先进的技术，能够满足预定的各项技术指标。

(2) 漏电检测电路。在合闸之前，需要对系统的绝缘进行检测，采用附加直流电压法，通过电阻电压的变化反映系统的绝缘水平，如果绝缘水平达到预定值，绝缘电阻解除闭锁开关，允许设备正常启动；如果绝缘水平低于预定值，启动漏电闭锁开关，不允许系统合闸。

(3) 缺相检测电路。缺相故障发生后，电机可能会烧毁。本文采用附加直流电源法进行缺相检测，具体是通过电抗器在电源输入端并联一个电压源，在负载端通过三相光耦的电平变化来检测断相与否，如果有缺相则切断三相电源。

(4) 短路检测电路。采用相敏检测法，即同时检测电流变化和电压、电流的相位，以区分短路电流和启动电流，这种方法的灵敏性和快速性较好。

(5) 继电器电路。继电器电路和声光报警电路是保护动作的出口，通过一个放大电路对I/O口的电平变化进行功率放大，控制继电器的常开触点和常闭触点，同时发光二极管和蜂鸣器进行声、光报警，隔离系统中的故障点。

3 系统软件设计

系统软件可以分为上位机软件和下位机软件，下位机软件是主控制器DSP的控制软件，其主要包括系统初始化子程序、模数转换子程序、数据处理子程序、分闸子程序、按键子程序、显示子程序和SCI通信子程序等。

3.1 下位机软件

主控制器DSP TMS320F28335的编程环境为CCS 4.2，这是一款专用的开发软件，其具有功能全面、易上手、调试方便等特点。系统下位机的软件主程序流程如图3所示，程序开始后首先进行系统初始化和自检，系统正常则进行数据采集，数字滤波，计算电压、电流、有功功率和功率因数以及对地绝缘电阻，然后进行漏电闭锁检测，检测完成后依次进行漏电、缺相、合闸、过流、过压、欠压等故障判断，最后将相关结论显示在液晶屏幕和上传到上位机中。

图3 系统软件主程序流程图

3.2 上位机软件

上位机软件主要实现数据和状态监测，本文采用LabVIEW编制上位机软件。LabVIEW取代了常规的C语言和Basic语言，采用了更为简洁的图形化G语言，实现所有上位机软件功能。上位机软件主要包括用户登录界面、软件启动界面和主监测界面，主监测界面下包含数个不同功能的子界面，包括合闸控制、界限值、漏电检测、缺相检测、功率因数监控、有功功率监控、正弦电流曲线、正弦电压曲线、历史数据记录、实时电流曲线、实时电压曲线、三相电流监控、三相电压监控和串口设置等。

4 应用效果分析

将设计的矿用馈电开关检测与保护系统应用于煤矿井下实际工作场景，并且对相关运行技术指标进行了测试，主要有过载测试、欠压过压测试和漏电测试等，测试结果见表1～表3。

从表1可以看出：当系统中发生过载时，随着工作电流从14.78 A到41.06 A的不断增大，动作时间越来越短，从2.6 min缩短到38 s，都能够满足规定值。

表1 过载测试

从表2可以看出:在整定电压660 V和1 140 V两种情况下，无论是过压还是欠压，继电保护动作时间均能满足规定时间。

表2 欠压、过压测试

从表3可以看出:在整定电压380 V和660 V两种情况下，当实际电阻值小于规定值时，动作时间均小于0.1 s，满足规定要求。

表3 漏电测试

5 结束语

基于DSP的矿用馈电开关检测与保护系统能够实现煤矿井下供电系统的继电保护、检测与通信功能。实际应用结果表明：在660 V和1 140 V电压等级的井下电力系统，电网的运行状况更加透明可控，安全性和可靠性显著提高。应用本系统之后，煤矿的井下低压供电系统满足了“三大保护”要求，对各项故障都能够准确判断并有效及时切除，保护了设备和人身安全。