基于DSP的礦用饋電開關保護系統設計

王黨樹， 王新霞

(西安科技大學 a. 電氣與控制工程學院； b. 理學院， 陜西 西安 710054)

0 引 言

礦井環境惡劣，井下電網經常發生各種各樣的故障，給煤礦生產造成了巨大的損失，饋電開關是井下供配電系統的重要組成部分，但目前大部分低壓供電系統中仍使用著非智能化饋電保護設備，在礦井下惡劣環境中，不能過載和斷相檢測，保護可靠性差[1]。現有的基于PLC[2]、ARM[3-4]、FPGA[5]、CPLD[6]和以太網饋電保護設備或者功能單一，或者成本過高[7-8]。基此,本文重點研究智能、廉價型礦用饋電保護系統的設計。

1 系統設計

系統框圖如圖1所示,以DSP為中央控制單元，由信號輸入模塊、微機模塊和輸出模塊三部分組成。輸入模塊包括電壓互感器、電流互感器，偏置、濾波、限幅電路，漏電缺相檢測電路，開關量輸入電路，光電隔離電路，按鍵電路；微機模塊即為DSP數字信號處理器，輸出電路包括開關量輸出電路、繼電器動作電路、液晶顯示電路。

2 交流信號調理及采集設計

2.1 信號調理

信號調理以三相中一相為例,見圖2，T1為電壓互感器，RAV為串入一次側的限流電阻，RAS1為并聯在二次側的采樣電阻，兩個串聯的二極管1N4001起限幅作用，把輸出電壓幅值限制0～3 V，CA1為濾波電容，RA1為限流電阻，電壓調理偏置、濾波、限幅。由于采樣電路的輸出為正弦波，有正負電壓不適于DSP的A/D采樣電壓0～3 V，在正弦交流信號上疊加一個直流信號進行偏置，然后濾波、限幅后送入A/D采樣。

2.2 信號處理

在饋電保護時要計算三相電壓、電流有效值,判斷過壓過流及缺相短路判斷[9]。因此對采集數據計算出有效值進行相應判斷，在計算時采用傅里葉算法，不但能濾除一切諧波分量，也可以濾除由輸電線路分布電容引起的高頻分量[10]。數據處理采用傅里葉算法，傅里葉算法的基本原理是建立一個傅里葉數字濾波系統，濾取電壓、電流中的基頻分量。周期函數x(t)可用傅氏級數的形式來表示，即用直流分量和其諧波分量之和的形式來表示為

(1)

式中包含了恒定的直流分量及各次諧波，繼電保護只要基頻分量，則周期函數基波分量(n=1)的傅里葉余弦系數(X1C)和正弦系數(X1S)分別為:

(2)

式中:ω為基波頻率;ω=2πf;f=50 Hz。

對于離散數字信號，上述積分將改為累加和形式，如果每周采樣N次，得到的采樣值為x(0)，x(1)，…，x(n),進行全波傅里葉運算時，對式(2)離散化，得到:

(3)

由X1C和X1S可以計算出基波幅值X1與相角θ1等電氣參數，分別為:

(4)

3 漏電保護

漏電保護采取附加直流法[11]，原理圖見圖3，附加直流電源檢測通道為:直流電源正極→RS→大地→絕緣電阻→三相電網→三相電抗器→直流電源負極。由于井下低壓饋電開關中皆不設零序互感器，故設計中增設了電壓采樣回路，便于附加直流原理的實現。

電流

(5)

式中：RE為接地電阻；rΣ為三相電網對地總絕緣電阻，

(6)

式中，僅r∑為變量，故檢測電流I直接反映了電網的絕緣情況。取樣電阻上的電壓US可表示為

(7)

三相電網對地的總絕緣電阻可由下式計算:

(8)

電網正常運行時，根據式(3)可連續檢測絕緣電阻；當漏電故障發生并使rΣ下降到動作設定值時，保護電路迅速切斷電源，完成漏電閉鎖。當rΣ大于設定值的1.5倍時，解除漏電閉鎖。另外，即使絕緣電阻在均勻下降，仍能夠檢測出漏電，這也本設計采用附加直流電源法的一大原因。

根據以上檢測原理分析漏電檢測原理圖如圖4所示，通過檢測RS兩端的電壓，計算絕緣電阻值，判斷是否漏電。

4 缺相保護

三相交流電設備如果出現斷相(三相缺一相)會造成設備損害，必須將設備的電源斷開進行斷相保護。

缺相保護采用附加直流原理法[12]，靠近負載一側三相經電抗器接直流源，遠離負載一側三相接光電耦合器的輸入，通過光電耦合器的輸出信號來判斷缺相，當三相負載出現斷相后，光電耦合器輸出信號發生跳變，DSP檢測到信號后，控制繼電器分閘。附加直流源缺相保護原理圖如圖5所示。

圖5中，當開關S1、S2、S3均閉合，即沒有缺相時，TLP521中的光二極管導通，觸發光敏三極管導通，輸出為低電平到I/O;當S1、S2、S3有一個斷開，即出現缺相時，該相中TLP521中的光二極管沒有導通，光敏三極管截止，輸出高電平到I/O。通過這樣的電平變化，DSP即可檢測到負載是否缺相運行。

5 短路保護

5.1 短路保護原理分析

當三相電網中出現三相、兩相、單相、單相接地、相間短路等短路故障時，電路中電流瞬間增大，三相對稱且功率因數較大，針對這種故障特點，為了同時達到保護區域和靈敏度的要求，本設計采用相敏原理[13]。三相系統中，根據電壓、電流的相位差，能發現其相位關系在發生故障時有明顯改變，在故障狀態下，電流相位超前電壓。在設備起動時，電壓相位總是超前電流，且大于正常時的相位差，這樣可以判斷出是供電線路由容量較大的電機起動造成的，還是短路過電流引起的，即便是較小的短路電流也能檢測到，從而減小過電流的動作設定值，提高短路過流保護的快速性。根據以上原理，可以由電流電壓的相位差來實現相敏短路保護。相敏原理框圖如圖6所示。

5.2 短路檢測

針對短路故障，采用相敏原理對電路進行保護根據信號調理和數據采集，對采集的數據進行傅里葉變換及運算后需要檢測電流與電壓的相位差，計算功率因數，計算出電壓電流率因數的算法。根據式(4)，電流和電壓基波相角θ1I、θ1U分別為:

(9)

其中:I1C、I1S分別為電流基波分量的余弦系數和正弦系數;U1C、U1S分別為電壓基波分量的余弦系數和正弦系數。由此可計算電流與電壓的相位差θ=θ1I-θ1U。

根據θ即可計算出功率因數cosθ，并可已通過電流和電壓的相位關系來判斷線路是否短路。

6 軟件設計

6.1 下位機軟件設計

下位機軟件主程序完成裝置各部分功能的初始化，對采樣、保護、報警、按鍵、顯示及通信等程序的調用，利用傅里葉算法將交流采樣的數據進行處理，求得電流、電壓、功率因數、有功和無功功率等電網參數, 通過這些參數來分析故障類型。液晶顯示系統運行時的各種參數，并將其上傳至上位機進行監控，故障時，液晶顯示故障類型以及故障位置，并將故障數據及信息上傳至上位機以通知監控人員及時發現并排除故障。主程序流程圖如圖7所示。

6.2 監控界面設計

采用LabVIEW[14]軟件完成了上位機界面的編程，監控界面框圖如圖8所示。主界面各個功能模塊以選項卡的形式來實現，共有14個選項卡選擇所要觀察的界面如圖9所示。

7 結 語

系統經過軟硬件調試，能夠實現三相電壓電流采集、過壓過流保護、漏電檢測、缺相檢測、跳閘、合閘、顯示、歷史數據記錄、參數設定及上下位機通信功能。該系統工作穩定，性能可靠，能夠有效地提高煤礦生產效率。該系統工作穩定，性能可靠，能夠有效的提高煤礦生產效率。

(a)三相電壓監控界面(b)歷史數據記錄界面

(c)缺相檢測界面(d)漏電檢測界面

圖9 監控界面

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