基于二階廣義積分器的饋電檢測傳感器設計

賁鴻偉，張明杰，趙小兵，陳向飛，蔣 澤

（1.天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015；2.中煤科工集團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電閉鎖。當主機或者系統(tǒng)線纜發(fā)生故障時，必須保證實現(xiàn)甲烷電閉鎖和風電閉鎖的全部功能，系統(tǒng)必須具有斷電、饋電狀態(tài)監(jiān)測和報警功能?！睹旱V安全規(guī)程》第503 條規(guī)定：瓦電閉鎖和風電閉鎖的被控開關負荷側必須設置饋電狀態(tài)傳感器。AQ 6201—2019 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術要求中，規(guī)定了2 種設備，1 種饋電傳感器（連續(xù)監(jiān)測礦井中饋電開關或電磁起動器負荷側有無電壓的裝置），另1 種斷電控制器（控制電磁起動器和饋電開關等的裝置）。因此，具有高壓開關饋電狀態(tài)監(jiān)測和遠程斷電閉鎖功能的產品是煤礦安全生產的必需產品。但圍繞著如何提高遠程控制開關饋電檢測的準確率和穩(wěn)定性，一直時當前研究的難點。

近年來的研究中，高永清等[1]設計了一種以電容檢測原理來監(jiān)測電纜芯線從而間接檢測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)熱加劇導致器件老化失效，其長期運行可靠性差；孫小進等[2]設計了一種利用饋電電纜周圍交替電場的不平衡原理檢測電纜芯線對地的電場狀態(tài)以此檢測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)境磁場干擾可靠性較差；陳佩佩[3]設計了一種集斷電和饋電狀態(tài)2 個功能于一體的遠程控制開關，將感應得到的電壓通過運放電路輸出高低電平給單片機，以此來檢測饋電的有無，但是在實際現(xiàn)場應用中受到變頻干擾及其他干擾因素的影響較大，導致饋電檢測的誤差率較高。

鑒于此，基于原有產品的電場感應原理，提出了一種基于二階廣義積分器的遠程控制開關傳感器的設計方法，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誤判斷的問題，提高了現(xiàn)場饋電檢測的準確率。

1 遠程控制開關總體結構

遠程控制開關可反應被控設備的有電無電狀態(tài)，用于遠距離控制設備的開關，也可以與其他類似技術要求的產品配套使用，該配套產品具有斷電控制功能和饋電檢測功能，反應被控設備的狀態(tài)。遠程控制開關原理框圖如圖1。

圖1 遠程控制開關原理框圖Fig.1 Schematic diagram of remote control switch

遠程控制開關包括本安部分和非安部分。通過RS485 通訊命令或開關量輸入信號，經過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器和饋電開關負荷側電源。判斷負荷側斷電是否成功有2 種方式：一種是通過被控開關的無源觸點經過光電隔離和電平轉換后，輸入到微控制器，由程序判斷無源觸點閉合狀態(tài)，間接反映斷電控制是否成功；另一種是通過感應耦合線圈部件感應負荷側交流電壓，感應信號經過信號硬件濾波和放大電路，進入微控制器ADC 采樣，再進行軟件數(shù)字濾波，最后程序計算負荷側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構

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

二階廣義積分器可以視作為一個濾波器，對輸入信號進行濾波處理。該濾波器本質上是為了產生1 組正交頻率信號起到濾波作用，對輸入信號濾波處理并輸出2 個呈正交關系的信號，通過鎖相得到精確的電網(wǎng)相位信息，從而提取三相電網(wǎng)電壓信號中的基波正序分量，在濾波器輸出的2 組信號中1個信號與輸入信號具有相同的相位和幅值，另外1個輸出信號滯后90°[4-5]。為此，主要通過使用二階廣義積分器產生相同的信號，從而實現(xiàn)對輸入信號的濾波作用，通過確定閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬和控制時間計算出輸入信號值和輸出信號值對應的系數(shù)，從而得到輸入信號和輸出信號之間的關系。

3 遠程控制開關饋電檢測算法方案

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)檢測方法，通過軟硬件相結合的方式計算出相角是否在規(guī)定的范圍內判定饋電狀態(tài)，空間耦合的虛電或者干擾信號不存在120°的相間角[6]，因此該方法的可靠性較高。饋電檢測原理框圖如圖2，包括感應耦合線圈部件、信號硬件濾波和放大電路、信號軟件數(shù)字濾波和相角計算程序。

圖2 饋電檢測原理框圖Fig.2 Feed detection principle block diagram

3.1 感應耦合線圈

感應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 個電容，其中繞制線圈采用高壓電纜芯線繞制而成，最后通過繞制線圈引線輸出耦合感應出的微弱信號。高壓電纜芯線與線圈引線之間采用空間耦合感應方式，絕緣強度高，再把包含上述部件用環(huán)氧樹脂澆封。

感應耦合線圈有2 路，分別耦合感應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，便于測量得出最大相角差，2 路感應耦合線圈不緊挨在一起隔開一定距離。

3.2 信號硬件濾波和放大電路

信號硬件濾波和放大電路由二階帶通濾波電路、隔直信號放大電路和限幅保護電路組成，將耦合線圈部件感應出的交變50 Hz 微弱電壓信號，經二階帶通濾波電路濾除感應線圈中及引線空間耦合來的雜波只保留50 Hz 左右的波形?？紤]到交流信號中可能會含有一定的直流信號，而直流信號會引起交流波形的上移或者下移，這會導致原有的交流信號沒有零點，從而導致沒有過零點檢測[7]。因此需要再通過隔直放大電路把交變信號調理到ARM 微控制器合理采樣的幅值，并采用限幅保護電路保護微控制器外設模擬信號輸入引腳過壓。感應信號硬件濾波和放大電路原理圖如圖3。

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

3.3 信號軟件相角算法

交變50 Hz 微弱信號經過硬件濾波放大后信號的質量已大為改觀，但是仍然存在信號的失真，需再通過數(shù)字濾波后得到單純的正弦交流信號。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。該方程式表示當前時刻濾波輸出值y（k）等于當前時刻待濾波輸入值u（k）和前3 個時刻的待濾波輸入值u（k-t）以及前4 次時刻濾波輸出值y（k-t）的線性組合[8]。

式中：b0、b1、b2、b3為當前時刻濾波輸入值和前3個時刻待濾波輸入值所對應的系數(shù)；a1、a2、a3、a4為前4 個時刻濾波輸出值對應的系數(shù)。

微控制器外設采集的2 路交變50 Hz 信號通過上述數(shù)字濾波后，得到2 組正弦交流信號，軟件采用檢測交流信號過零點時刻，再計算2 組交流信號過零點的時間差，最后換算出相角。三相電中兩兩火線間的相角差為120°，在經過信號耦合和處理后發(fā)生了相移，測量出相角差一般會穩(wěn)定在某一固定的值，當負荷側無電時或者感應到虛交流電壓時，測量相角差小于2°，因此根據(jù)相角差可以準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，來自硬件電路處理過的模擬量信號由ADC 信號按照采樣周期采樣后由DMA 自動緩存，DMA 緩存字節(jié)長度為某一固定值。當DMA 緩存滿時微控制器發(fā)生中斷事件，再把DMA 緩存數(shù)據(jù)搬移到數(shù)據(jù)隊列，采用DMA 和數(shù)據(jù)隊列雙緩存是為了減少CPU 處理中斷次數(shù)以保證數(shù)字濾波和相角計算與實時采樣的速率相匹配。隨后由系統(tǒng)差分方程（式1）計算2 路信號當前濾波輸出值y1（k）和y2（k），同時判斷y1（k）和y2（k）是否過零點并記錄過零點時刻對應的時間序號k 值，如果2 路信號都沒過零點，則回到上一步繼續(xù)計算下一個時刻濾波輸出值。計算2路時間序號k 的差值并根據(jù)信號采樣率換算成相角，如果相角差在設定的相角范圍內則判定有饋電，反之則無饋電。

4 應用實例

1）山東某煤礦井下帶式輸送機供電所處的遠程控制開關經常會出現(xiàn)饋電不一致的問題，主要表現(xiàn)為帶式輸送機的開停狀態(tài)與遠程控制開關的饋電反饋狀態(tài)相反，問題存在的時間較長且周圍環(huán)境復雜存在較多變頻器干擾。新檢測原理的遠程控制開關在現(xiàn)場復雜變頻器環(huán)境應用1 個月后，工作狀態(tài)良好，能夠很靈敏地伴隨著斷電狀態(tài)的變化反應后端設備的真實狀態(tài)，且饋電異常的次數(shù)有了很大幅度的降低，表明了新饋電檢測算法的可靠性較高。

2）河南某煤礦掘進工作面由于遠程控制開關會伴隨著掘進面的推進而移動，這會導致現(xiàn)場使用的遠程控制開關的饋電狀態(tài)會在這段時間內存在饋電不一致的問題，而且需要人工到現(xiàn)場去進行維護，很不方便。新檢測原理的遠程控制開關在現(xiàn)場安裝2 個月后，在掘進工作面進行了多次的斷電試驗，現(xiàn)場的掘機饋電狀態(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，表明新檢測原理的遠程控制開關具有了較高的穩(wěn)定性和可靠性，滿足數(shù)字化和智能化的現(xiàn)場需求。

5 結 語

設計了一種基于二階廣義積分器的遠程控制開關的饋電檢測裝置，介紹了遠程控制開關的總體設計方案和關鍵技術，采用簡單可靠的感應耦合線圈部件，解決接觸式接碰被檢測饋電電纜芯線耐壓安全問題，同時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)誤判斷問題。該遠程控制開關傳感器運行穩(wěn)定可靠、反應靈敏，能夠滿足數(shù)字化智能化的現(xiàn)場需求。