基于DSP的煤矿井下电能质量在线监测

谢长波　张领中　胡超

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

【摘要】电能质量监测在现代电力系统中越来越重要,本文介绍一种基于DSP的井下电能质量在线监测系统的设计方案。利用TMS320F2812 DSP和高精度数据采集芯片AD73360完成对现场电信号的同步采集和分析，实现了对电能质量稳态指标的在线检测，具有很好的人机交互界面，在线为用户远程提供数据并可以记录较长时间的历史数据。该系统满足实时在线监测电能质量的各种指标。

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关键词 电能质量；DSP；在线监测

基金项目：安徽省大学生创新创业计划项目（AH201310361105、AH201310361106）；安徽高校省级自然科学研究重点项目“矿用移动变电站实时监控系统研究”（KJ2012A097）。

0引言

随着大量电力电子设备的使用造成大量的非线性负荷和不对称负荷接入电网，致使电能质量不断恶化，比如变频电动机、矿井提升机、大量的异步电动机都是谐波的主要来源和电压波动闪变的主要原因，由于以前对电能质量重视程度不够，好多矿井下的低压或高压补偿都不是滤波器，会造成谐波一定程度的放大，并且由于矿井自身的电力系统特点，电缆长度一般很长，出线很多，容易产生谐振。煤矿作为一门特殊的行业，面临的电能质量问题日益严重，对电能质量的要求特别严格。本文针对煤矿行业的特殊性，提出一种基于DSP的井下电能质量在线监测，本系统可以很好的实时远程在线监控，及时的对采集数据进行分析处理，可以为用户提供有效的决策。

1系统总体结构及功能

本系统采用数字信号处理器DSP和高精度数字采样芯片ＡＤ并配合LCD显示各通道波形和计算分析结果，采用大容量存储设备记录存储采样波形和分析结果，以单片DSP芯片为核心，建立起多种通信方式，其中利用带有硬件协议栈的网络控制芯片W5100实现大量数据高速远程传输，使得软件开发时间大大缩短，可靠性也得到提高，完成基于DSP的硬件电路设计及相关软件设计。系统的硬件结构如图1所示，主要包括信号调理电路、AD转换电路、DSP处理电路。本监测设备具有小型化、便携式、多功能的特点，可用于井下电能质量的实时在线监控。

数据采集部分在系统中占有比较重要的地位，数据采集的精度直接影响到后面的处理结果，它的合理设计能能提供预期的采样速度，简化电路，提高电路抗干扰性能。这部分主要包括电压互感器、电流互感器和AD转换芯片等。DSP数据采集与处理电路主要完成控制ＡＤ对信号的多路同步采集并进行电能质量相关测量参数的运算，再将运算结果通过串口传给ＲＳ４８５，ＲＳ４８５在传给上位机，同时将采集的电压电流的原始数据保存到ＳＤ卡中，通过独立的以太网接口，实现远程数据通讯和实时在线监控。

2系统硬件设计

2.1电压和电流互感器

在实际测量中，必须对输入的电压和电流进行必要的处理，才能作为采样单元的输入，为了保证系统工作安全可靠，相电压采样采用电压互感器，电流采样采用电流互感器隔离变换，为了保证谐波测量的准确性，要求电压和电流互感器在50Hz~2500Hz的频率范围内具有一致的频率响应特性。为防止直流分量使互感器饱和，要使用抗直流分量的互感器。

电压互感器采用霍苑公司的HTP205A互感器，它的最大输入、输出电流均为10mA，有0.1%级的精度，即变比为2mA：2mA，工作温度在-35℃~+60℃。

电流互感器为霍远公司的HCT206-AF互感器，它的最大输入电流为20A，最大输出电流为10ｍＡ，有0.1%级的精度，即变比为５Ａ：２.５mA，工作温度在-35℃~+60℃。电流互感器的使用方法和电压互感器的使用方法相似。

2.2AD采样芯片的选择

在电量采集过程中，由于存在谐波等干扰因素，因此如何准确、快速的采集电力系统中的各个模拟量一直是电力系统研究中的热点。电力系统中经常需要测量多路电压及电流信号，当电网频率变化时，必须采用同步技术才能保证采样计算的精度。本文采用美国AD公司的AD73360型AD变换器及美国TI公司推出的2000系列DSP TMS320F2812很好地实现了高速同步采样，并且实现电力参数在时域的计算。AD73360使用六线工业标准同步串行接口与CPU接口，由于接口信号线的数目只有6条，所以这样不仅节约了印制板的面积，而且也有效的减小了电磁干扰，从而使得系统运行更加稳定。TMS320LF2407支持6线工业标准同步串行接口，所以AD73360与DSP经过及其简洁的连接后即可实现高速同步交流采样，另外，由于AD73360具有6个同时采样的的模拟量输入通道，所以特别适合于三相制电力运行参数测控类应用系统。

2.3DSP数据采集与处理电路

DSP主要作为计算各项电能质量参数的平台，采用TMS320F2812作为主芯片，它是美国TI公司推出的顶点32位DSP芯片，主频最高可达150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67ns，能和好地满足实时性需求。在DSP中主要完成电信号的采集、各个监测量的计算。

三相电压、三相电流分别经过电压、电流互感器变换，在经过电阻取样和电容滤波变换为适合采集的交流信号，然后以差分方式输入AD转换芯片AD73360内进行采样转换，最后AD通过DSP的McBSP接口将采样数据送给DSP做相关数字信号处理。AD73660与F2812的硬件接口电路如图所示。

3系统软件设计

DSP是整个系统的核心，系统的功能都是由这个核心部分来完成的。整个系统的软件主要由以下几个部分构成：系统初始化、数据采集、数据处理、液晶显示、参数远程传输等。所需要完成的任务是正确的控制AD采样并对采样结果进行傅里叶变换，计算电网参数，把参数正确地显示在LCD上，统计参数并保存整点数据，实现与上位机的正常通讯。

系统程序流程图如图3所示，本系统是基于DSP的井下电能质量在线监控，其主要监测的指标有：三相电压、三相电流不平衡度、各次谐波电压、电压波动及闪变等。同时系统有LCD及键盘的人机交互界面，SD卡的数据存储等功能。

4总结

本文设计立足于煤矿井下电能质量的特殊性，以DSP为整个系统的核心，研制出了一套功能完备的井下电能质量实时在线监测系统，系统设计方案稳定可靠，系统性能稳定。而且具有很好的人机交互界面，提供了以太网接口，可供用户实时读取监测数据，同时，用户可以很方便的通过以太网接口对监测时的阀值等信息进行设定，很好的满足了现代电能监测系统网络化、实时性的要求。

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参考文献

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［责任编辑：汤静］