基于ARM嵌入式的煤用饋電開關保護裝置設計

王曉峰

（西山煤電杜兒坪礦， 山西 太原 030200）

引言

電力系統中使用的饋電開關技術在我國起步較晚，其最早是在1950年前后引進前蘇聯的產品和技術，后來逐漸接觸到西歐的一些更加先進的產品。從最開始自主研發非智能的產品到后來逐漸發展為智能化。在煤礦井下低壓供電環節中饋電開關起著舉足輕重的作用。目前井下應用了多種低壓饋電保護方法，但或多或少都存在某些無法容忍的缺點，主要表現在靈敏度無法達到使用要求，工作的穩定性和保護的可靠性容易受環境的干擾等，尤其是在復雜環境條件下干擾尤其嚴重。綜上所述，本文設計了一套基于ARM嵌入式系統的饋電開關保護裝置。具有成本低、性能穩定以及功耗低等優點[1]。

1 保護裝置系統總體設計

如圖1所示為本系統的整體架構圖。從圖中我們可以看出系統整體可分為四大模塊，分別為：核心處理器模塊、輸入輸出模塊、通信模塊與人際接口模塊。其中輸入包括各種互感器接口電源輸入，輸出是繼電器控制輸出。人際接口模塊包括按鍵、報警、顯示等。通信模塊包括與上位機的通信以及其他控制器的通信。

圖1 井下低壓饋電開關保護裝置系統功能結構圖

由于工作環境是在煤礦井下，所以控制器需要安裝在防爆殼內進行防爆處理，通過控制饋電開關的斷路器完成電路的通斷。工作流程為：先通過互感器對電網中的電壓和電流參數進行采集，由于采集到的是模擬量，所以需要通過A/D模塊進行信號轉換，由模擬量轉換為可以被CPU直接識別的數字量。將信號輸入到處理器后由處理器對其進行分析處理，得出最后的判斷，如果有故障發生則通過控制繼電器的閉合來控制斷路器的跳閘，從而保護電路。保護裝置的主要功能包括以下幾項：其一，通過互感器實時采集電路上的電壓電流信號，通過處理器進行處理同時將處理結果通過RS-485總線上傳到地面監控主站；其二，充分利用通信功能實現數據傳播與交換，提高整個系統的穩定性和安全性；其三，可以通過顯示器的顯示系統實時工作情況，在發生故障時提示聲光報警，同時還能夠通過鍵盤實現參數修改等操作[2]。

2 保護裝置硬件系統的設計

綜合各方面考慮，本系統設計中采用了ST公司生產的ARM7系列32處理器型號為STM32F103。內部集成了兩個12位A/D轉化模塊，能夠進行高效的模數轉化。從而省去外部的A/D轉化模塊減小控制板空間，和簡單的ARM相比較本處理器所需要的內存能夠降低30%以上，其主要原因是采用了Thumb-2以及RISC等技術，功耗也相應降低，性能方面卻得到提高。如下頁圖2所示為保護裝置控制器硬件結構圖，主要包括處理器模塊、光電隔離模塊、測溫模塊以及采樣模塊等。其中由于礦井下工作環境比較復雜，干擾比較多，所以采用隔離模塊將電路前后隔離增強抗干擾能力[3]。

1）電源模塊設計。保護裝置的電源電壓主要取決于井下電網的配電，通過變壓器將電壓降為24 V的交流電供饋電開關使用。由于系統的需求，采用整流濾波方式將電壓轉換為直流的12 V、5 V、3.3 V三種電壓等級。為了防止系統對電源的影響，本設計采取了光電隔離的方式來保證各個電壓等級的穩定性。整體電源的設計方案為：將24 V交流電轉化為12 V直流電采用的電源芯片為LM2575HV，然后分別利用DC/DC芯片將12 V直流電轉換為5 V、3.3 V和 24 V等 。 芯 片 分 別 是 78M05、MC34063、SP6201-3V3。

圖2 井下低壓饋電開關保護裝置硬件結構框圖

2）通信模塊設計。本系統采用的通信總線模式為RS-485通信。其通信距離遠，能夠很好地與礦井下其他控制器實現連接，因其線路少所以被廣泛采用。本電路采用的通信芯片型號為MAX485，由于該芯片具有高速通信功能，還具有較強的抗干擾能力，內部集成了發送驅動器和接收器等。考慮到需要安裝進防爆殼里所以必須采用隔離裝置，本設計中采用的光電隔離器件是PC817、6N137還有高壓隔離轉換器B0505，同時為了增加電路的穩定性額外加入了整流橋。

3）信號預處理模塊設計。由于井下采集信號大多采用電阻或者是互感器，所以采集到的信號不能直接被A/D電路轉換，需要對其進行信號調理。檢測斷路器的通斷只需檢測其絕緣電阻和零序信號便可以了，采用繼電器來控制測量回路是否通斷。從變壓器上能夠獲得零序電壓是大小為40 V的交流信號，為了滿足系統的要求，需要對其進行降壓處理。通過電流互感器來獲得零序電流，通過CPU的GPIO口接入到處理器，互感器在測量電流時會發生相位滯后的現象，為了對其進行補償采用微分電路進行信號處理，再轉化為電壓信號后經過隔離送入到CPU進行處理。

4）I/O模塊設計。開關量的輸入輸出直接關系到繼電保護的輸出和參數的設定。為了增強電路的抗干擾能力，增加電路的驅動能力以及安全性和穩定性，在設計中添加了隔離模塊來增加抗干擾能力，型號為6N137和PC817，由于繼電器所需要的啟動電流比較大，本系統采用了能夠支持大電流的ULN2003模塊來驅動繼電器。

5）其他模塊設計。測溫單元：本系統中的溫度傳感器采用的是電阻型測溫裝置，型號為PT100系列，在溫度變化時其電阻值也會發生線性變化，通過測量其電阻便可得出此時的溫度

3 保護裝置軟件系統的設計

一般沒有系統的程序稱為裸程序，裸程序所有的功能都是建立在一個大的While循環里，一旦有某一個環節出現問題便會導致整個系統程序崩潰。所以本系統加入了嵌入式操作系統μC/OS-II，這是一個搶占式的嵌入式系統，通過將任務劃分優先級來競爭CPU的使用權。每個任務都是一個小循環。如圖3所示為軟件結構框圖。根據具體的功能將整個軟件系統分為三部分：分別是Main主程序、底層驅動程序和上層功能模塊。具體包括人際接口程序、邏輯算法程序、通信程序和顯示程序等[4]。

圖3 饋電開關軟件結構框圖

饋電開關保護系統軟件組成包括以下幾項：操作系統內核、主程序入口、底層驅動程序、軟硬件接口BSP、系統功能程序、故障處理程序以及特殊的中斷程序等。首先是操作系統的移植，接下來是編寫硬件驅動最后是編寫功能程序以及中斷服務子程序等。操作系統各項任務間的通信是通過信號量、消息郵箱以及事件等實現的。另外將功能函數以及算法等編寫為小循環模塊設置合適的優先級供系統調用。如圖4所示為系統啟動流程。系統上電啟動后首先處理器芯片進行初始化配置各種寄存器，接下來對操作系統進行初始化，啟動與之相關的定時器中斷，最后創建任務與系統調度任務模塊執行功能程序。

圖4 饋電開關保護裝置軟件啟動流程圖

4 結語

本文設計的基于ARM嵌入式系統為核心的饋電開關保護裝置由硬件結構包括通信模塊、故障處理模塊、人際交互接口、操作系統內核、主程序入口、底層驅動程序、軟硬件接口BSP、系統功能程序、故障處理程序以及特殊的中斷程序等組成，是一種高度智能化的開關保護裝置，為煤礦井下電網的安全使用提供了有力保障。

[1]宋建成，翟生勤，范世民，等.礦井低壓電網漏電保護技術的發展[J].電網技術，2001，25（10）：58-62.

[2]王太續.煤礦供電設備電氣保護技術的探討[J].煤礦機電，2003（5）：55-58.

[3]陳廣大，劉德君，李遠芳，等.基于ARM的礦用電動機綜合保護器的設計[J].煤礦機械，2013，34（7）：250-252.

[4]杜力.淺析基于ARM9的嵌入式軟件開發[J].煤炭技術，2013，32（3）：201-203.