段永岐

（西山煤電西銘礦，山西太原 030052）

0 引言

目前世界上一般采用無源檢測法來檢測電網(wǎng)中的電容和電流，但是由于檢測中需要不斷地調(diào)節(jié)傳感器線圈位置，所以導(dǎo)致了其裝置壽命短，響應(yīng)時(shí)間長等特點(diǎn)；同時(shí)中心點(diǎn)電壓的大小對檢測的準(zhǔn)確度影響比較大，但是由于礦井下用電設(shè)備比較多，中性點(diǎn)很難做到平衡，所以導(dǎo)致該方法的檢測精度大大折扣。而且由于其在檢測過程中改變了系統(tǒng)的運(yùn)行方式，導(dǎo)致系統(tǒng)存在安全隱患。學(xué)者們針對無源檢測法的缺陷，又提出了利用注入信號法來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中電流和電容的檢測。這種方法是通過將電流和電壓的相同相位進(jìn)行比較來判斷諧振點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中也暴露出了該方法無法回避的缺陷。首先，當(dāng)信號中存在高頻干擾時(shí)很難準(zhǔn)確測量相位；其次，當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)電壓電流同相位時(shí)比較不好處理；最后是控制軟件負(fù)雜度高導(dǎo)致了采樣速度無法達(dá)到要求。針對此問題本文提出了一種基于DSP+ARM雙CPU結(jié)構(gòu)的檢測方法，利用DSP快速的數(shù)據(jù)處理能力和ARM強(qiáng)大的邏輯處理功能，既提高了檢測的快速性，又提高了判斷的準(zhǔn)確性，為礦井安全生產(chǎn)提供了保障[1-2]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示為本設(shè)計(jì)中電容電流自動(dòng)檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)。最上層是三相電，也就是供電電網(wǎng)。電能通過Z型接地變壓器變壓后供整個(gè)系統(tǒng)使用，同時(shí)通過變壓器將電網(wǎng)的中性點(diǎn)引出，便于后續(xù)控制與測量。電能質(zhì)量控制具體是通過電壓源型偏磁式消弧線圈來實(shí)現(xiàn)的，而控制主要是通過其內(nèi)部的勵(lì)磁系統(tǒng)輸出的勵(lì)磁電流來實(shí)現(xiàn)的，而勵(lì)磁系統(tǒng)的電流又是通過系統(tǒng)最下層的控制系統(tǒng)輸出電壓來完成調(diào)節(jié)的。

控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。中性點(diǎn)電壓就是消弧線圈兩端電壓，通過PT電壓隔離以及信號調(diào)理電路的處理后輸入到DSP中，經(jīng)過DSP處理后產(chǎn)生PWM波形來控制驅(qū)動(dòng)電路的動(dòng)作，這樣就能控制掃頻信號源發(fā)出一定頻率的掃頻信號，用于監(jiān)測電路中電流流入的過程，同時(shí)將監(jiān)測到的數(shù)值與消弧線圈兩端的電壓值進(jìn)行不斷的比較，當(dāng)比較結(jié)果出現(xiàn)最大值時(shí)就是相同的輸出頻率。然后根據(jù)特定的算法計(jì)算出諧振度以及此時(shí)電源中電流和電容的大小。然后將結(jié)果轉(zhuǎn)化為需要補(bǔ)償勵(lì)磁電流的數(shù)值保存在DSP中。通過將結(jié)果通過特定的通訊方式傳輸給ARM，ARM單片機(jī)將其顯示到LCD顯示屏上，同時(shí)ARM還負(fù)責(zé)鍵盤信息的讀取以及邏輯功能的處理等。

圖2 控制系統(tǒng)工作原理圖

當(dāng)電源系統(tǒng)中有單相接地故障發(fā)生時(shí)，DSP在檢測到故障后會(huì)進(jìn)入到中斷模式中，在中斷子程序中會(huì)利用故障觸發(fā)的前一時(shí)刻保存的勵(lì)磁電流值對電壓源消弧線圈進(jìn)行調(diào)節(jié)，在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。同時(shí)將故障信息傳輸給ARM，通過其發(fā)出報(bào)警的相關(guān)信號和故障的界面顯示。最后將故障相關(guān)信息存儲到相應(yīng)的內(nèi)存空間中，方便故障查詢時(shí)調(diào)用。

當(dāng)故障消失后經(jīng)過全面的檢測和判斷后，通過切斷勵(lì)磁電流來達(dá)到切斷控制的目的，停止對電路進(jìn)行補(bǔ)償，重新進(jìn)入到監(jiān)測狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU選型

（1）主CPU模塊

本系統(tǒng)使用的主CPU模塊是由美國TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DSP處理器，型號為TMS320LF2407A，這是一款具有較高性能的16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理能力的芯片。供電電壓為3.3 V，指令周期最高速度能夠達(dá)到40 MHz。其內(nèi)部集成的A∕D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換時(shí)間最短為500 ns。此外其內(nèi)部還集成了多種通訊接口，如表1為主CPU的主要硬件資源[3-4]。

表1 DSP內(nèi)部主要硬件資源

（2）從CPU模塊

從控制器需要具備屏幕顯示、鍵盤輸入以及聲光報(bào)警等功能，因此需要的CPU管腳比較多，同時(shí)還需具備一定的通訊接口。本系統(tǒng)選用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32系列微控制器。型號為STM32F103ZET6。該芯片為一款32位處理芯片，具有強(qiáng)大的處理能力，主頻為72MHz，由3.3V的直流電提供工作電壓。如表2所示為STM32微控制器主要硬件資源。

表2 STM32內(nèi)部主要硬件資源

2.2 電壓采集模塊設(shè)計(jì)

如圖3所示為本系統(tǒng)的電壓采集電路。在本系統(tǒng)中為了使DSP模塊能夠識別電路中的電壓信號，必須對其進(jìn)行采集后再經(jīng)過信號調(diào)理電路的調(diào)理后才能被DSP模塊直接處理。電路中將電壓互感器連接到被測電壓的輸出端。然后將測量到的交流電壓信號經(jīng)過100∶1的電路分壓后輸入到整流電路中。其中整流電路是由兩級放大器組成的，通過這兩級放大器的作用將交流信號調(diào)理為半波的直流信號，然后經(jīng)過進(jìn)一步發(fā)濾波后提供給DSP模塊進(jìn)行采樣。這樣的設(shè)計(jì)可以有效解決因?yàn)椴ㄐ尾环€(wěn)定造成的采樣錯(cuò)誤。

2.3 掃頻信號源模塊

如圖4所示為掃頻信號源硬件模塊電路圖。掃頻信號是將直流電通過IGBT等開關(guān)器件逆變?yōu)榻涣麟?。其中能夠提供直流電信號的模塊包括直流電源以及其它的直流電提供裝置。其中直流電主要是通過電路中左側(cè)輸入的AC220 V交流電經(jīng)過橋式整流后產(chǎn)生大約300 V上下的直流電源。然后將整流出的直流電源通過IGBT模塊組成的逆變電路產(chǎn)生特定的方波信號，方波信號的占空比可以通過控制IGBT的開關(guān)頻率來控制?？刂品秶鸀?0～40 Hz。通過DSP內(nèi)部集成的定時(shí)器模塊能夠方便地達(dá)到控制頻率的目的[5-6]。

圖3 電壓采集模塊電路

圖4 掃頻信號源硬件結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

如圖5所示為本系統(tǒng)的主程序流程圖。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行自檢，其中自檢包括傳感器是否在線、各模塊工作是否正常等。自檢完畢后進(jìn)入判斷出程序，判斷從機(jī)是否有數(shù)據(jù)傳輸過來，如果有則繼續(xù)對中性點(diǎn)電壓進(jìn)行檢測。然后判斷位移電壓是否超出限制，如果超出則說明發(fā)生了單項(xiàng)接地故障，此時(shí)需要調(diào)用上一時(shí)刻正常的數(shù)據(jù)并啟動(dòng)消弧裝置，對其進(jìn)行補(bǔ)償。然后全面檢測故障是否消失，如果消失則退出補(bǔ)償模式并繼續(xù)檢測，如沒有則繼續(xù)補(bǔ)償。如果檢測電壓沒有超過限制則立即啟動(dòng)對地面的電流電容檢測，然后將檢測結(jié)果保存，將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)。

圖5 主程序流程圖

圖6 電容電流檢測程序流程圖

3.2 電容電流檢測程序

如圖6所示為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電容電流檢測程序。由于本系統(tǒng)使用的檢測方法為改進(jìn)后的電容電流檢測方法，在自動(dòng)模式下首先通過消弧線圈向電網(wǎng)中注入變頻信號。然后測量消弧線圈兩端的電壓，通過增加頻率來測量電壓，如果測量的電壓大于預(yù)設(shè)電壓時(shí)，則此時(shí)的頻率便為諧振頻率，然后通過這個(gè)頻率利用相關(guān)公式計(jì)算出電容和電流的數(shù)值，最后將結(jié)果保存[7-8]。

4 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的礦井電網(wǎng)電容電流檢測控制系統(tǒng)經(jīng)過工業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)后證明性能穩(wěn)定，功能實(shí)現(xiàn)良好，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需求。為礦井電網(wǎng)中同類型設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。