賁鴻偉，張明杰，趙小兵，陳向飛，蔣 澤

（1.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015；2.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015）

《煤礦安全規(guī)程》第490 條要求：安全監(jiān)控系統(tǒng)必須具備甲烷電閉鎖和風(fēng)電閉鎖。當(dāng)主機(jī)或者系統(tǒng)線纜發(fā)生故障時(shí)，必須保證實(shí)現(xiàn)甲烷電閉鎖和風(fēng)電閉鎖的全部功能，系統(tǒng)必須具有斷電、饋電狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能?！睹旱V安全規(guī)程》第503 條規(guī)定：瓦電閉鎖和風(fēng)電閉鎖的被控開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)必須設(shè)置饋電狀態(tài)傳感器。AQ 6201—2019 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求中，規(guī)定了2 種設(shè)備，1 種饋電傳感器（連續(xù)監(jiān)測(cè)礦井中饋電開(kāi)關(guān)或電磁起動(dòng)器負(fù)荷側(cè)有無(wú)電壓的裝置），另1 種斷電控制器（控制電磁起動(dòng)器和饋電開(kāi)關(guān)等的裝置）。因此，具有高壓開(kāi)關(guān)饋電狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程斷電閉鎖功能的產(chǎn)品是煤礦安全生產(chǎn)的必需產(chǎn)品。但圍繞著如何提高遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)饋電檢測(cè)的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性，一直時(shí)當(dāng)前研究的難點(diǎn)。

近年來(lái)的研究中，高永清等[1]設(shè)計(jì)了一種以電容檢測(cè)原理來(lái)監(jiān)測(cè)電纜芯線從而間接檢測(cè)礦井電纜的饋電狀態(tài)，但是該方案中由于高壓電容元器件老化，降壓回路電流增大，器件發(fā)熱加劇導(dǎo)致器件老化失效，其長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性差；孫小進(jìn)等[2]設(shè)計(jì)了一種利用饋電電纜周圍交替電場(chǎng)的不平衡原理檢測(cè)電纜芯線對(duì)地的電場(chǎng)狀態(tài)以此檢測(cè)礦井電纜的饋電狀態(tài)，但是該方案探頭裸露在外部環(huán)境中，易受周圍環(huán)境磁場(chǎng)干擾可靠性較差；陳佩佩[3]設(shè)計(jì)了一種集斷電和饋電狀態(tài)2 個(gè)功能于一體的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)，將感應(yīng)得到的電壓通過(guò)運(yùn)放電路輸出高低電平給單片機(jī)，以此來(lái)檢測(cè)饋電的有無(wú)，但是在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中受到變頻干擾及其他干擾因素的影響較大，導(dǎo)致饋電檢測(cè)的誤差率較高。

鑒于此，基于原有產(chǎn)品的電場(chǎng)感應(yīng)原理，提出了一種基于二階廣義積分器的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)傳感器的設(shè)計(jì)方法，采用數(shù)字化軟件處理分析判斷有效地解決了外界干擾造成的饋電檢測(cè)誤判斷的問(wèn)題，提高了現(xiàn)場(chǎng)饋電檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

1 遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)可反應(yīng)被控設(shè)備的有電無(wú)電狀態(tài)，用于遠(yuǎn)距離控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)，也可以與其他類似技術(shù)要求的產(chǎn)品配套使用，該配套產(chǎn)品具有斷電控制功能和饋電檢測(cè)功能，反應(yīng)被控設(shè)備的狀態(tài)。遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)原理框圖如圖1。

圖1 遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of remote control switch

遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)包括本安部分和非安部分。通過(guò)RS485 通訊命令或開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)微控制器程序處理后控制繼電器輸出，從而控制切斷電磁起動(dòng)器和饋電開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)電源。判斷負(fù)荷側(cè)斷電是否成功有2 種方式：一種是通過(guò)被控開(kāi)關(guān)的無(wú)源觸點(diǎn)經(jīng)過(guò)光電隔離和電平轉(zhuǎn)換后，輸入到微控制器，由程序判斷無(wú)源觸點(diǎn)閉合狀態(tài)，間接反映斷電控制是否成功；另一種是通過(guò)感應(yīng)耦合線圈部件感應(yīng)負(fù)荷側(cè)交流電壓，感應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)硬件濾波和放大電路，進(jìn)入微控制器ADC 采樣，再進(jìn)行軟件數(shù)字濾波，最后程序計(jì)算負(fù)荷側(cè)電源兩相電壓相角差，直接判斷出斷電控制是否成功。

2 二階廣義積分器的結(jié)構(gòu)

二階廣義積分器（SOGI, second order generalized integrator）是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新型濾波器結(jié)構(gòu)，該積分器常應(yīng)用于解決電網(wǎng)電壓在非理想條件下出現(xiàn)的諧波畸變、直流分量、頻率突變等問(wèn)題。

二階廣義積分器可以視作為一個(gè)濾波器，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理。該濾波器本質(zhì)上是為了產(chǎn)生1 組正交頻率信號(hào)起到濾波作用，對(duì)輸入信號(hào)濾波處理并輸出2 個(gè)呈正交關(guān)系的信號(hào)，通過(guò)鎖相得到精確的電網(wǎng)相位信息，從而提取三相電網(wǎng)電壓信號(hào)中的基波正序分量，在濾波器輸出的2 組信號(hào)中1個(gè)信號(hào)與輸入信號(hào)具有相同的相位和幅值，另外1個(gè)輸出信號(hào)滯后90°[4-5]。為此，主要通過(guò)使用二階廣義積分器產(chǎn)生相同的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的濾波作用，通過(guò)確定閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬和控制時(shí)間計(jì)算出輸入信號(hào)值和輸出信號(hào)值對(duì)應(yīng)的系數(shù)，從而得到輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的關(guān)系。

3 遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)饋電檢測(cè)算法方案

采用基于三相電中兩兩火線間的相角差為120°的特征原理的饋電狀態(tài)檢測(cè)方法，通過(guò)軟硬件相結(jié)合的方式計(jì)算出相角是否在規(guī)定的范圍內(nèi)判定饋電狀態(tài)，空間耦合的虛電或者干擾信號(hào)不存在120°的相間角[6]，因此該方法的可靠性較高。饋電檢測(cè)原理框圖如圖2，包括感應(yīng)耦合線圈部件、信號(hào)硬件濾波和放大電路、信號(hào)軟件數(shù)字濾波和相角計(jì)算程序。

圖2 饋電檢測(cè)原理框圖Fig.2 Feed detection principle block diagram

3.1 感應(yīng)耦合線圈

感應(yīng)耦合線圈由電纜芯線、繞制線圈、繞制線圈輸出引線組成，組成后等效為1 個(gè)電容，其中繞制線圈采用高壓電纜芯線繞制而成，最后通過(guò)繞制線圈引線輸出耦合感應(yīng)出的微弱信號(hào)。高壓電纜芯線與線圈引線之間采用空間耦合感應(yīng)方式，絕緣強(qiáng)度高，再把包含上述部件用環(huán)氧樹(shù)脂澆封。

感應(yīng)耦合線圈有2 路，分別耦合感應(yīng)三相交流電壓中的任意兩相電壓，為了減小線圈間交叉耦合，便于測(cè)量得出最大相角差，2 路感應(yīng)耦合線圈不緊挨在一起隔開(kāi)一定距離。

3.2 信號(hào)硬件濾波和放大電路

信號(hào)硬件濾波和放大電路由二階帶通濾波電路、隔直信號(hào)放大電路和限幅保護(hù)電路組成，將耦合線圈部件感應(yīng)出的交變50 Hz 微弱電壓信號(hào)，經(jīng)二階帶通濾波電路濾除感應(yīng)線圈中及引線空間耦合來(lái)的雜波只保留50 Hz 左右的波形?？紤]到交流信號(hào)中可能會(huì)含有一定的直流信號(hào)，而直流信號(hào)會(huì)引起交流波形的上移或者下移，這會(huì)導(dǎo)致原有的交流信號(hào)沒(méi)有零點(diǎn)，從而導(dǎo)致沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)[7]。因此需要再通過(guò)隔直放大電路把交變信號(hào)調(diào)理到ARM 微控制器合理采樣的幅值，并采用限幅保護(hù)電路保護(hù)微控制器外設(shè)模擬信號(hào)輸入引腳過(guò)壓。感應(yīng)信號(hào)硬件濾波和放大電路原理圖如圖3。

圖3 硬件信號(hào)濾波處理原理圖Fig.3 Principle diagram of hardware signal filtering processing

3.3 信號(hào)軟件相角算法

交變50 Hz 微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)硬件濾波放大后信號(hào)的質(zhì)量已大為改觀，但是仍然存在信號(hào)的失真，需再通過(guò)數(shù)字濾波后得到單純的正弦交流信號(hào)。數(shù)字濾波采用二階廣義積分器（SOGI）模型，變換為遞歸型數(shù)字濾波器差分方程。該方程式表示當(dāng)前時(shí)刻濾波輸出值y（k）等于當(dāng)前時(shí)刻待濾波輸入值u（k）和前3 個(gè)時(shí)刻的待濾波輸入值u（k-t）以及前4 次時(shí)刻濾波輸出值y（k-t）的線性組合[8]。

式中：b0、b1、b2、b3為當(dāng)前時(shí)刻濾波輸入值和前3個(gè)時(shí)刻待濾波輸入值所對(duì)應(yīng)的系數(shù)；a1、a2、a3、a4為前4 個(gè)時(shí)刻濾波輸出值對(duì)應(yīng)的系數(shù)。

微控制器外設(shè)采集的2 路交變50 Hz 信號(hào)通過(guò)上述數(shù)字濾波后，得到2 組正弦交流信號(hào)，軟件采用檢測(cè)交流信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，再計(jì)算2 組交流信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，最后換算出相角。三相電中兩兩火線間的相角差為120°，在經(jīng)過(guò)信號(hào)耦合和處理后發(fā)生了相移，測(cè)量出相角差一般會(huì)穩(wěn)定在某一固定的值，當(dāng)負(fù)荷側(cè)無(wú)電時(shí)或者感應(yīng)到虛交流電壓時(shí)，測(cè)量相角差小于2°，因此根據(jù)相角差可以準(zhǔn)確可靠的判定饋電狀態(tài)[9-10]，軟件處理程序流程如圖4。

圖4 軟件處理程序流程圖Fig.4 Flow chart of software processing program

由圖4，來(lái)自硬件電路處理過(guò)的模擬量信號(hào)由ADC 信號(hào)按照采樣周期采樣后由DMA 自動(dòng)緩存，DMA 緩存字節(jié)長(zhǎng)度為某一固定值。當(dāng)DMA 緩存滿時(shí)微控制器發(fā)生中斷事件，再把DMA 緩存數(shù)據(jù)搬移到數(shù)據(jù)隊(duì)列，采用DMA 和數(shù)據(jù)隊(duì)列雙緩存是為了減少CPU 處理中斷次數(shù)以保證數(shù)字濾波和相角計(jì)算與實(shí)時(shí)采樣的速率相匹配。隨后由系統(tǒng)差分方程（式1）計(jì)算2 路信號(hào)當(dāng)前濾波輸出值y1（k）和y2（k），同時(shí)判斷y1（k）和y2（k）是否過(guò)零點(diǎn)并記錄過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的時(shí)間序號(hào)k 值，如果2 路信號(hào)都沒(méi)過(guò)零點(diǎn)，則回到上一步繼續(xù)計(jì)算下一個(gè)時(shí)刻濾波輸出值。計(jì)算2路時(shí)間序號(hào)k 的差值并根據(jù)信號(hào)采樣率換算成相角，如果相角差在設(shè)定的相角范圍內(nèi)則判定有饋電，反之則無(wú)饋電。

4 應(yīng)用實(shí)例

1）山東某煤礦井下帶式輸送機(jī)供電所處的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)饋電不一致的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為帶式輸送機(jī)的開(kāi)停狀態(tài)與遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)的饋電反饋狀態(tài)相反，問(wèn)題存在的時(shí)間較長(zhǎng)且周圍環(huán)境復(fù)雜存在較多變頻器干擾。新檢測(cè)原理的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜變頻器環(huán)境應(yīng)用1 個(gè)月后，工作狀態(tài)良好，能夠很靈敏地伴隨著斷電狀態(tài)的變化反應(yīng)后端設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)，且饋電異常的次數(shù)有了很大幅度的降低，表明了新饋電檢測(cè)算法的可靠性較高。

2）河南某煤礦掘進(jìn)工作面由于遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)會(huì)伴隨著掘進(jìn)面的推進(jìn)而移動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)使用的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)的饋電狀態(tài)會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)存在饋電不一致的問(wèn)題，而且需要人工到現(xiàn)場(chǎng)去進(jìn)行維護(hù)，很不方便。新檢測(cè)原理的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)在現(xiàn)場(chǎng)安裝2 個(gè)月后，在掘進(jìn)工作面進(jìn)行了多次的斷電試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)的掘機(jī)饋電狀態(tài)能夠伴隨控制狀態(tài)的變化而快速變化且穩(wěn)定性很好，表明新檢測(cè)原理的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)具有了較高的穩(wěn)定性和可靠性，滿足數(shù)字化和智能化的現(xiàn)場(chǎng)需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于二階廣義積分器的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)的饋電檢測(cè)裝置，介紹了遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)的總體設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)，采用簡(jiǎn)單可靠的感應(yīng)耦合線圈部件，解決接觸式接碰被檢測(cè)饋電電纜芯線耐壓安全問(wèn)題，同時(shí)采用基于三相電中兩兩火線間的相角差為120°的特征原理及電磁干擾不會(huì)影響相角差的特性，有效解決了外界干擾造成的饋電狀態(tài)誤判斷問(wèn)題。該遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)傳感器運(yùn)行穩(wěn)定可靠、反應(yīng)靈敏，能夠滿足數(shù)字化智能化的現(xiàn)場(chǎng)需求。