基于DSP的煤礦井下電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)

謝長(zhǎng)波 張領(lǐng)中 胡 超

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

0 引言

隨著大量電力電子設(shè)備的使用造成大量的非線性負(fù)荷和不對(duì)稱負(fù)荷接入電網(wǎng)，致使電能質(zhì)量不斷惡化，比如變頻電動(dòng)機(jī)、礦井提升機(jī)、大量的異步電動(dòng)機(jī)都是諧波的主要來源和電壓波動(dòng)閃變的主要原因，由于以前對(duì)電能質(zhì)量重視程度不夠，好多礦井下的低壓或高壓補(bǔ)償都不是濾波器，會(huì)造成諧波一定程度的放大，并且由于礦井自身的電力系統(tǒng)特點(diǎn)，電纜長(zhǎng)度一般很長(zhǎng)，出線很多，容易產(chǎn)生諧振。煤礦作為一門特殊的行業(yè)，面臨的電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，對(duì)電能質(zhì)量的要求特別嚴(yán)格。本文針對(duì)煤礦行業(yè)的特殊性，提出一種基于DSP的井下電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)可以很好的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，及時(shí)的對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以為用戶提供有效的決策。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

本系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP和高精度數(shù)字采樣芯片AD并配合LCD顯示各通道波形和計(jì)算分析結(jié)果，采用大容量存儲(chǔ)設(shè)備記錄存儲(chǔ)采樣波形和分析結(jié)果，以單片DSP芯片為核心，建立起多種通信方式，其中利用帶有硬件協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)控制芯片W5100實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)高速遠(yuǎn)程傳輸，使得軟件開發(fā)時(shí)間大大縮短，可靠性也得到提高，完成基于DSP的硬件電路設(shè)計(jì)及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DSP處理電路。本監(jiān)測(cè)設(shè)備具有小型化、便攜式、多功能的特點(diǎn)，可用于井下電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。

圖1

數(shù)據(jù)采集部分在系統(tǒng)中占有比較重要的地位，數(shù)據(jù)采集的精度直接影響到后面的處理結(jié)果，它的合理設(shè)計(jì)能能提供預(yù)期的采樣速度，簡(jiǎn)化電路，提高電路抗干擾性能。這部分主要包括電壓互感器、電流互感器和AD轉(zhuǎn)換芯片等。DSP數(shù)據(jù)采集與處理電路主要完成控制AD對(duì)信號(hào)的多路同步采集并進(jìn)行電能質(zhì)量相關(guān)測(cè)量參數(shù)的運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果通過串口傳給RS485，RS485在傳給上位機(jī)，同時(shí)將采集的電壓電流的原始數(shù)據(jù)保存到SD卡中，通過獨(dú)立的以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電壓和電流互感器

在實(shí)際測(cè)量中，必須對(duì)輸入的電壓和電流進(jìn)行必要的處理，才能作為采樣單元的輸入，為了保證系統(tǒng)工作安全可靠，相電壓采樣采用電壓互感器，電流采樣采用電流互感器隔離變換，為了保證諧波測(cè)量的準(zhǔn)確性，要求電壓和電流互感器在50Hz~2500Hz的頻率范圍內(nèi)具有一致的頻率響應(yīng)特性。為防止直流分量使互感器飽和，要使用抗直流分量的互感器。

電壓互感器采用霍苑公司的HTP205A互感器，它的最大輸入、輸出電流均為10mA，有0.1%級(jí)的精度，即變比為2mA：2mA，工作溫度在-35℃~+60℃。

電流互感器為霍遠(yuǎn)公司的HCT206-AF互感器，它的最大輸入電流為20A，最大輸出電流為10mA，有0.1%級(jí)的精度，即變比為5A：2.5mA，工作溫度在-35℃~+60℃。電流互感器的使用方法和電壓互感器的使用方法相似。

2.2 AD采樣芯片的選擇

在電量采集過程中，由于存在諧波等干擾因素，因此如何準(zhǔn)確、快速的采集電力系統(tǒng)中的各個(gè)模擬量一直是電力系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)。電力系統(tǒng)中經(jīng)常需要測(cè)量多路電壓及電流信號(hào)，當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，必須采用同步技術(shù)才能保證采樣計(jì)算的精度。本文采用美國AD公司的AD73360型AD變換器及美國TI公司推出的2000系列DSP TMS320F2812很好地實(shí)現(xiàn)了高速同步采樣，并且實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)在時(shí)域的計(jì)算。AD73360使用六線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步串行接口與CPU接口，由于接口信號(hào)線的數(shù)目只有6條，所以這樣不僅節(jié)約了印制板的面積，而且也有效的減小了電磁干擾，從而使得系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。TMS320LF2407支持6線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)同步串行接口，所以AD73360與DSP經(jīng)過及其簡(jiǎn)潔的連接后即可實(shí)現(xiàn)高速同步交流采樣，另外，由于AD73360具有6個(gè)同時(shí)采樣的的模擬量輸入通道，所以特別適合于三相制電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)控類應(yīng)用系統(tǒng)。

2.3 DSP數(shù)據(jù)采集與處理電路

DSP主要作為計(jì)算各項(xiàng)電能質(zhì)量參數(shù)的平臺(tái)，采用TMS320F2812作為主芯片，它是美國TI公司推出的頂點(diǎn)32位DSP芯片，主頻最高可達(dá)150MHz，處理性能可達(dá)150MIPS，每條指令周期6.67ns，能和好地滿足實(shí)時(shí)性需求。在DSP中主要完成電信號(hào)的采集、各個(gè)監(jiān)測(cè)量的計(jì)算。

三相電壓、三相電流分別經(jīng)過電壓、電流互感器變換，在經(jīng)過電阻取樣和電容濾波變換為適合采集的交流信號(hào)，然后以差分方式輸入AD轉(zhuǎn)換芯片AD73360內(nèi)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，最后AD通過DSP的McBSP接口將采樣數(shù)據(jù)送給DSP做相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理。AD73660與F2812的硬件接口電路如圖所示。

圖2

圖3

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP是整個(gè)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的功能都是由這個(gè)核心部分來完成的。整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)取Ｋ枰瓿傻娜蝿?wù)是正確的控制AD采樣并對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算電網(wǎng)參數(shù)，把參數(shù)正確地顯示在LCD上，統(tǒng)計(jì)參數(shù)并保存整點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的正常通訊。

系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示，本系統(tǒng)是基于DSP的井下電能質(zhì)量在線監(jiān)控，其主要監(jiān)測(cè)的指標(biāo)有：三相電壓、三相電流不平衡度、各次諧波電壓、電壓波動(dòng)及閃變等。同時(shí)系統(tǒng)有LCD及鍵盤的人機(jī)交互界面，SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)立足于煤礦井下電能質(zhì)量的特殊性，以DSP為整個(gè)系統(tǒng)的核心，研制出了一套功能完備的井下電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。而且具有很好的人機(jī)交互界面，提供了以太網(wǎng)接口，可供用戶實(shí)時(shí)讀取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)，用戶可以很方便的通過以太網(wǎng)接口對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)的閥值等信息進(jìn)行設(shè)定，很好的滿足了現(xiàn)代電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)性的要求。

［1］王英,王軍,方春恩.基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)通信,2010(6):46-47.

［2］蘇奎峰,等.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

［3］李洪池.基于DSP的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江蘇大學(xué),2010.

［4］舒雙寶,羅家融,王勤湧,等.基于DSP和ARM便攜式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(24):185-189.

［5］肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京:中國電力出版社,2004.