基于ARM的礦用低壓饋電開關保護裝置的設計

雷振光

(西山煤電 東曲礦 機電科檢修隊， 山西 古交 030200)

0 引言

隨著煤礦綜采面的增大和采區的擴展，井下用電設備的負荷日益增大，尤其是綜采設備的裝機容量不斷提高，作為煤礦安全生產的重要組成部分，井下低壓供電系統繼電保護的重要性不言而喻。《煤礦安全規程》對礦用饋電開關保護裝置的功能性、選擇性、快速性和可靠性均做出了明確規定，現有饋電保護裝置已經不能滿足要求，因此本文設計了一種基于ARM控制器的功能全面、動作迅速和抗電磁干擾的礦用低壓饋電開關綜合保護裝置。

1 饋電開關保護裝置系統總體方案

設計的低壓饋電開關保護裝置及其外圍設備的安裝示意圖如圖1所示。低壓饋電開關保護裝置包括保護器1和保護器2，是保護系統的核心控制器。如果被保護的線路發生某種故障，各項電參量通過電流互感器、零序電流互感器和電壓互感器采集，經過A/D轉換后發送給保護器，經保護器處理后，發出跳閘信號，控制真空斷路器動作，達到保護的目的。此外，系統通過一個變壓器取被保護線路兩相電源，作為保護器的供電電源。上位機是井下各分機的集中管理平臺，能夠對整個保護系統進行管理和控制。

保護裝置最主要的功能是對被保護線路發生的故障進行保護。主控制器采用了ARM Cortex-M3高性能芯片，采用RS-485通信，為保護動作的快速性節約了時間。本裝置主要的故障保護包括漏電保護、過流保護和過欠壓保護。漏電保護包括漏電閉鎖和選擇性漏電保護；過流保護包括對稱性過流保護(三相短路保護和超時過載保護)和非對稱性過流保護(兩相短路保護、斷相保護和三相電流不平衡保護)。

圖1 低壓饋電開關保護裝置及其外圍設備的安裝示意圖

在實現上述保護功能的基礎上，保護裝置還可以根據井下具體線路情況的不同配置不同的參數，使其可以靈活應用于總饋電開關和分饋電開關處。對于多條線路的復雜饋電系統，保護裝置可以通過通信功能進行數據交換，提高可靠性。此外保護裝置具有良好的人機交互平臺，保護器在線路正常狀態下可以通過液晶屏顯示線路的運行參數，當故障發生時可以通過LED燈提供報警信息，運行人員可以通過按鍵設置各項參數。

2 保護裝置硬件設計

整套保護裝置系統的硬件設計包括微機控制系統及其外部電路、電源電路、通信電路、信號處理電路和抗干擾電路等。

2.1 微機控制系統及其外部電路

目前大部分礦用低壓饋電開關保護裝置都采用單片機進行控制，單片機控制方案成本低，但是計算能力有限，集成度也較低，面對多功能的處理任務和實時性要求較高的應用場景，嵌入式處理器ARM更加具有優勢。STM32F103是一款32位高性能處理器，且片內具有2個12位精度的模數轉換器。除主控制器及其模數轉換器以外，外部電路包括開關量輸入電路、電網參數采集和處理電路、RS-485通信電路以及光電隔離電路等。STM32F103微機控制系統及其外部電路原理框圖如圖2所示。

圖2 STM32F103微機控制系統及其外部電路原理框圖

2.2 電源電路

穩定的供電電源是保護裝置能夠穩定工作的保障，因此在設計供電系統時，除滿足各電壓等級的用電設備功率要求外，還應該充分考慮電源之間的干擾，在各級電壓轉換時設計不同的濾波器以穩定電壓。系統電源轉換關系如圖3所示，井下電網取電后，經過一個降壓變壓器變換為24 V交流電，經過一個整流電路后變成直流，然后通過一級DC/DC變換器得到12 V直流電，供繼電器使用，經過兩個二級DC/DC變換器得

到24 V直流電和5 V直流電，分別供附加直流電源和液晶，5 V直流電經三級DC/DC變換器得到3.3 V直流電，供ARM處理器工作。

圖3 系統電源轉換關系圖

2.3 通信電路

RS-485是一種在工控領域使用廣泛的通信技術，具有信號傳輸速率高、距離遠的特點，芯片內部集成了差分接收器和平衡驅動器的組合，大大提高了共模信號的抑制能力，總線具有多站功能。本保護裝置的通信芯片選用MAX485，該芯片接收器的靈敏度為200 mV，傳輸效率為2.5 Mb/s，接收器和驅動器可接32個。圖4為設計的RS-485及其光耦電路原理圖，MAX485芯片通過光耦PC817和6N137與主控制器STM32F103連接，以達到防爆的目的。端口A、端口B是收發差分信號的引腳，當Uab為+2 V～+6 V時表示邏輯1，Uab為-2 V～-6 V時表示邏輯0，抗干擾能力較強。

圖4 RS-485及其光耦電路原理圖

2.4 信號處理電路

保護裝置的信號處理電路是電網運行參數的入口，包括絕緣電阻信號、零序電壓電流信號。限于篇幅，簡單介紹絕緣電阻的輸入電路，圖5為其電路圖。采用阻值10 kΩ功率2 W的電阻為采樣電阻，采樣電流經過阻值2 MΩ的電阻限流，得到數百毫安的輸入信號。運算放大器LM324M的作用是電壓跟隨，以提高電路的帶載能力。

2.5 抗干擾電路

本文在硬件設計上采用了各項抑制措施，包括鉗位保護、濾波和屏蔽等。主要的抗干擾部分有電源抗干擾設計、通信電路抗干擾設計和印刷電路板的布線設計。井下可能會發生的干擾有高頻脈沖、電網波動和雷擊等，由于保護裝置的電源是通過變壓器取自井下配電站，且控制器對電磁干擾很敏感，惡劣的電源供電可能使得芯片誤動作，因此設計了壓敏電阻、扼流圈以及雪崩二極管等抗干擾電路。通信電路主要采用前文提及的光電隔離芯片抑制高頻電磁波。在設計印刷電路板時，走線布局合理，在功率較大的芯片電源接口處外加陶瓷電容濾波，模擬地和數字地分開防止相互影響，增加底線寬度以減小線路產生的電壓降。

圖5 絕緣電阻信號輸入電路

3 保護裝置軟件設計

保護裝置的軟件設計包括系統軟件設計、主控制器程序設計、人機交互程序設計、通訊軟件設計、A/D轉換程序設計和數據處理算法等。

3.1 系統軟件設計

STM32F103是一款基于ARMv7架構的嵌入式處理器，因此可以方便地移植開源嵌入式操作系統μC/OS-II。μC/OS-II實時性好、可靠性高、擴展性強，具有運行時間確定的多任務系統。圖6為軟件系統總體設計框圖，系統軟件由系統內核、驅動程序、中斷ISR、任務和基本應用程序等組成。

圖6 軟件系統總體設計框圖

在移植完成操作系統之后，設計所需執行的各類任務，最后進行具體程序函數、中斷服務函數設計。中斷函數包括時鐘節拍中斷、故障中斷和其他中斷。API指的是基本應用程序，包括算法函數、基本功能函數和庫函數。驅動程序包括LCD驅動、RTC驅動、A/D轉換驅動、FLASH驅動、RS-485驅動和開關量輸入輸出驅動。

3.2 主控制器程序設計

圖7為主控制器的程序流程圖，程序開始時控制器STM32F103和操作系統μC/OS-II初始化，初始化完成后啟動操作系統，然后啟動硬件定時器中斷，創建所有任務并建立適當的堆棧和任務優先級，按照任務優先級，操作系統開始調度各任務。

圖7 主控制器的程序流程

4 結論

本文結合井下低壓電網的生產實際和煤礦安全生產規程，在原有礦用低壓饋電開關保護裝置的基礎上，設計研發了一款基于ARM處理器的新型低壓饋電保護裝置。新型低壓饋電開關具有保護功能齊備、動作迅速、抗干擾能力強等特點，既可以用于總饋電開關保護，又可以應用于分饋電開關保護，實際使用場合靈活，對提升煤礦井下用電安全具有重要的意義。