岳 華

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦， 山西 方山 033000）

引言

我國礦山高壓電網(wǎng)繼電器保護(hù)技術(shù)，從設(shè)備的使用出發(fā)，經(jīng)歷了機(jī)電、半導(dǎo)體型和微機(jī)型發(fā)展的三個階段。隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能高壓開關(guān)集成保護(hù)器在煤礦的應(yīng)用越來越廣泛。這種智能保護(hù)器具有過電壓、過電流、漏電保護(hù)等綜合功能，可作為運(yùn)行狀態(tài)和顯示參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能控制的保護(hù)。利用微機(jī)控制技術(shù)，對礦井電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)生了定性變化，大大改進(jìn)了保護(hù)作用，更加完善了保護(hù)功能。對于一般的高壓繼電器保護(hù)裝置，其基本要求為可靠性、選擇性、快速性和靈敏度。但是井下條件更惡劣，安全條件更嚴(yán)格，現(xiàn)有國內(nèi)高壓繼電器保護(hù)設(shè)備的研發(fā)中，缺少對礦用防爆電機(jī)的高壓繼電器保護(hù)的研究?，F(xiàn)有的礦用電機(jī)以可編程控制器PLC 為核心控制電路，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，但這些方案從初始設(shè)計就不能滿足本質(zhì)安全的要求，作為一種采礦裝置，存在一些隱患。為進(jìn)一步擴(kuò)展礦用防爆電機(jī)的高壓繼電器保護(hù)應(yīng)用，使煤礦開發(fā)更加安全高效，本文研究了TI 公司的數(shù)字處理芯片DSP 作為核心控制電路，開發(fā)其繼電保護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能。其特點(diǎn)是利用DSP強(qiáng)大的操作能力，實(shí)現(xiàn)小波變換等更復(fù)雜的數(shù)字濾波算法，實(shí)現(xiàn)快速和可靠的繼電保護(hù)功能。

1 本質(zhì)安全電路設(shè)計的基本原理

本質(zhì)安全電路是指設(shè)備在正常條件和故障條件下，其中任何放電或熱效應(yīng)都不能引起爆炸性混合物爆炸的電路系統(tǒng)。其中，正常狀態(tài)是指正常工作條件下的電氣設(shè)備，包括短路、斷路試驗(yàn)裝置測試等，故障狀態(tài)是指保護(hù)元件損壞、短路、斷路、接地、電源故障等情況下的測試電路。該電路系統(tǒng)的防爆原理是通過降低電路火花能量和元件溫度，使其不能點(diǎn)燃礦井混合爆炸，達(dá)到防爆目標(biāo)。主要方法是降低電源電壓，降低電路電流，利用適當(dāng)?shù)碾姎庠蛥?shù)等。由于本質(zhì)安全的電氣系統(tǒng)和設(shè)備不能點(diǎn)燃爆炸性混合物，且具有體積小、質(zhì)量輕、攜帶方便、安全度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于煤礦電氣系統(tǒng)的控制、通信、信號、測量和監(jiān)控方面。

對于單片機(jī)電路板，其負(fù)載特性應(yīng)等同于電阻器和電容電路的混合物。微機(jī)繼電器保護(hù)裝置以3.3 V微控制器為核心，采用TTL 電平芯片電路板，CPU 電源為3.3 V，外圍芯片電源為5 V，簡化的電源原理圖如圖1 所示?？紤]到極端擊穿，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 3836.4—2000，A3、Ⅱ類電容的擊穿電壓為1.5 倍，本電路中電容器C1、C2 的濾波電容器值不超過30 μF，外圍電路和CPU 功耗不超過16.5 VA，即可將本電路評估為安全。

圖1 簡化的電源原理圖

2 硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

礦山防爆微機(jī)集成保護(hù)裝置由單片機(jī)控制裝置、電流互感器、電壓信號采集處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、報警電路、電源電路組成，如下頁圖2 所示。其中，核心控制電路由MSP430F149 單片機(jī)組成，可以通過特殊的功能寄存器選擇使用不同的功能電路，該功能寄存器依賴于軟件的外圍來選擇不同的功能模塊。不使用的模塊可以停止工作，從而大大降低功耗。當(dāng)使用低頻時鐘時，系統(tǒng)功耗可達(dá)到微安水平，非常適合作為煤礦安全產(chǎn)品的控制核心。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 信號分析和處理

該設(shè)計涉及頻域分析算法，數(shù)值計算量大，因此如何實(shí)現(xiàn)頻域分析是系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。這里選擇MSP430F149 芯片作為處理器，MSP430 處理器操作能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)FFT 分析計算算法。采用FFT 算法進(jìn)行MSP430 編程，實(shí)現(xiàn)時域信號向頻域信號的轉(zhuǎn)換，然后對頻域信號進(jìn)行分析，再將信號輸入內(nèi)部的芯片ADC12MSP430。在采樣波形振幅量化后，數(shù)字信號處理DSP 確定是否進(jìn)行輸出等跳閘動作。數(shù)據(jù)和相關(guān)信息顯示在字符液晶上，同時與定時器脈沖寬度調(diào)制（PWM）驅(qū)動B 揚(yáng)聲器語音實(shí)現(xiàn)語音報警。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括主程序、外部中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波器和語音報警等子程序。軟件使用匯編語言編寫，使用模塊化設(shè)計，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。主程序流程圖，如圖3 所示。首先，系統(tǒng)初始化，然后設(shè)置MSP430F149 的中斷控制，使CPU 中斷打開，中斷間隔采樣后打開系統(tǒng)，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)由FFT 處理時，采樣數(shù)據(jù)需達(dá)到1024；其次，這些數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲單元分析后，系統(tǒng)將得到信號存儲；再將FFT 分析和互相關(guān)函數(shù)的特征應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理，判斷是否要跳閘；輸出動作如果需要跳閘輸出動作，開始執(zhí)行代理動作，同時語音報警[1]。

圖3 主程序流程圖

4 系統(tǒng)防干擾方法

4.1 系統(tǒng)干擾源

礦井防爆電機(jī)處于煤礦的條件下工作，空氣非常潮濕、粉塵充足、電磁干擾嚴(yán)重，測控系統(tǒng)不僅被電網(wǎng)的工作“噪聲”干擾，它本身也是一個非常強(qiáng)的干擾源，例如負(fù)荷線電流變化頻繁，真空斷路器本身的運(yùn)行產(chǎn)生高頻噪聲，更嚴(yán)重的是高頻信號將通過導(dǎo)線和內(nèi)部空間進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，使系統(tǒng)工作不正常，甚至損壞系統(tǒng)。因此，測控系統(tǒng)單元的抗干擾性能提出了較高的要求，特別是抗干擾系統(tǒng)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，始終將抗干擾性能作為首先考慮的設(shè)計問題之一。

4.2 防干擾措施設(shè)計

該設(shè)計基于快速傅里葉變換（FFT）頻譜和相位分離算法，獲得了信號振幅頻率特性和相位頻率特性。理想的檢測信號傅里葉級數(shù)展開公式為[2]：

它是一個頻率為f、振幅為A 的正弦信號，當(dāng)w≠2πf/n，An=0 時，A0=0。通過振幅譜圖（圖4）可知，只有w=2πf/n，A≠0，其余的點(diǎn)An（w）為0。假設(shè)在時域上有一個可檢測的信號f，則f=f（t），（t0

圖4 振幅譜圖

經(jīng)過FFT 分析，系統(tǒng)得到A 的最大振幅，相應(yīng)頻率f 的最大振幅。實(shí)時電流i 對應(yīng)于不同的振幅A和頻率f，可建立A、f 關(guān)于i 的函數(shù)表達(dá)式，函數(shù)關(guān)于i=0 對稱。同樣，對于實(shí)時電壓v，可建立A、f 關(guān)于v 的函數(shù)表達(dá)式，函數(shù)關(guān)于v=0 對稱。在給出頻域中，通過判斷信號的對稱性，可判斷是否存在干擾信號。當(dāng)存在電磁干擾或斷路器運(yùn)行條件時，檢測信號的頻率和振幅會發(fā)生變化，以識別干擾信號，降低噪聲干擾，提高檢測精度和靈敏度[3]。

5 結(jié)論

本文采用TI 公司的數(shù)字處理芯片DSP 作為核心控制電路，選擇低功耗MCUMSP430F149 作為核心組件，利用DSP 強(qiáng)大的操作能力，通過小波變換等更復(fù)雜的數(shù)字濾波算法，實(shí)現(xiàn)快速和可靠的繼電保護(hù)功能，并基于快速傅里葉變換（FFT）頻譜和相位分離算法，通過判斷信號的對稱性，可判斷是否存在干擾信號。通過降低噪聲干擾，提高檢測精度和靈敏度。該本質(zhì)安全的電機(jī)中繼保護(hù)技術(shù)，可以克服中繼保護(hù)裝置現(xiàn)有的安全隱患，消除干擾，提高地下供電系統(tǒng)的安全性。