基于CAN總線的煤礦供電系統線路保護裝置設計

桑宏琪

(西山煤電有限公司 官地煤礦，山西 太原 030022)

0 引言

目前現有的煤礦供電系統多采用10 kV或6 kV電壓等級，隨著煤礦工作面的不斷推進，高壓供電設備以及線纜逐漸布置到更深的位置，煤礦不得不在同一個采區內布置多個分區變電站負責綜采工作面的供電，造成煤礦井下供電系統分級過多，必須采用短距離垂直、多層級、縱向的供電方式[1-3]。井下設備多、區域廣、距離遠、多層級的供電方式使得整定速斷保護定值較為困難，保護器部分功能欠缺，導致供電系統漏電、過流、欠壓、短路等故障變多，越級跳閘頻率升高，容易造成井下大面積停電[4-5]。

針對上述問題，設計了一種新型綜合保護裝置，并在此基礎上，引入了CAN總線通信網絡，通過CAN總線通信，實現系統各級保護裝置的數據共享，同時完成信息在上位機的匯總。上位機在對信息綜合判斷的基礎上，選擇性地控制特定保護裝置跳閘，從而避免了越級跳閘。

1 線路保護裝置總體方案設計

CAN總線通信網絡是線路保護裝置的基礎，線路保護裝置通過CAN總線實現了一對多點以及點對點的通信，可與監控主機快速交互信息，監控主機在得到信息后快速判斷出故障位置，并控制相應保護裝置動作。

CAN總線通信穩定性好、實時性強，并且通信網絡中的任一節點都可以向網絡發送數據，為了避免信息沖突而導致通信延時，將各保護裝置設定為不同的CAN總線仲裁優先級，當多個保護裝置同時向總線發送信息時，優先級別較高的可以正常發送信息，優先級較低的保護裝置則轉入接收狀態。

線路保護總體方案如圖1所示。保護裝置中仲裁優先級由高到低分別是QF6、QF5、QF4、QF3、QF2、QF1，保護跳閘的優先級也符合該規律。如圖1中K1處出現短路，則保護裝置QF1、QF2、QF3、QF4均能檢測到短路電流，其中QF4由于優先級較高，故會占據總線發布故障信號，監控主機在接收到包含故障信息的數據幀后，分析并判斷故障位置，然后控制QF4執行斷路動作，并且控制QF1、QF2、QF3進入保護延時狀態。經過100 ms延時后，如果監控主機依然能夠接收到故障信號，則控制QF3執行斷路動作，QF1和QF2保持保護延時狀態。如果QF4能夠可靠動作，則由其跳閘切斷故障線路；如果QF4出于某種原因無法動作，則由QF3延時100 ms執行跳閘動作；如果QF3和QF4都無法動作，則由QF2延時200 ms后跳閘動作，以此類推。這種跳閘控制方式可以避免越級跳閘，同時保證保護動作的可靠性。

圖1 線路保護基本方案圖

2 保護裝置主要功能

2.1 保護功能

保護裝置配備有多種線路保護功能，包括：非電量保護、零序過壓保護、漏電流保護、負序過流保護、三段式電流保護(過電流保護、限時電流速斷保護、電流速斷保護)、三段式過電壓保護、三段式低電壓保護等。

2.2 “四遙”功能

“四遙”功能包括遙信、遙測、遙調以及遙控。遙信功能是指保護裝置能夠遠程監測刀閘、接觸器以及斷路器的位置。遙測功能是指保護裝置能夠實時檢測供電線路上的電壓、電流以及有功功率、無功功率等信息。遙調功能是指保護裝置能夠在線復位保護信號、設置保護動作參數等。遙控功能是指保護裝置能夠遠程控制接觸器或者斷路器的開閘、合閘。

2.3 故障定位功能

各級保護裝置按照對應的優先級將故障信息上傳到監控主機，監控主機分析故障信息并判斷故障位置，從而幫助工作人員即時排查故障。

2.4 故障報警功能

當保護裝置自身發生故障時，保護裝置會進行閉鎖并發出報警，只有當故障排除后才會重新開始工作。當保護裝置檢測到故障信息時，會通過蜂鳴器、擴音器以及LCD屏幕向工作人員發出提示，及時通知工作人員排查。

3 硬件電路設計

硬件電路總體結構圖如圖2所示。該系統硬件采用模塊化設計，不同的功能塊設計成不同的插件結構，包括交流信號輸入插件、開關量插件、電源插件、CPU插件、通信插件以及人機對話插件。 其中ARM微處理器采用32位處理器MB9BF518S。下文重點介紹CAN總線接口電路設計、交流信號輸入電路設計以及開關量電路設計。

圖2 硬件電路總體結構圖

3.1 CAN總線接口電路設計

考慮到MB9BF518S內部集成有CAN總線控制器，因此CAN總線接口電路是以CAN總線收發器為核心，如圖3所示，CAN總線收發器采用CTM8251T，其內部除了集成有CAN收、發器件，并且具有隔離功能，CTXD、CRXD為CAN控制器的發送端和接收端。

圖3 CAN總線接口電路圖

3.2 交流信號輸入電路設計

供電線路的交流信號主要通過互感器測量，測量三相電流輸入信號的電流互感器變比為5 A/3.53 V，測量三相保護電流輸入信號的電流互感器變比為100 A/7.07 V，測量三相電壓輸入信號的電壓互感器的變比為120 V/7.07 V，測量零序電流的電流互感器變比為20 A/7.07 V。經過互感器采樣后，轉換成幅值為10 V的正弦信號，由于微控制器MB9BF518S能夠識別的電壓信號范圍為0～5 V，所以需要將-10～10 V的正弦信號變換為微控制器能夠識別的電壓信號。交流信號變換電路如圖4所示。

圖4 交流信號變換電路圖

電壓正弦信號首先進入由6.2 kΩ和1 kΩ電阻構成的分壓電路，轉換成-1.37 V～1.37 V的電壓正弦信號，隨后依次進入電壓跟隨器、反相求和運算電路以及反向比例放大電路，這3種電路的核心均為TLC4502型運算放大器，轉換成0.13 V～2.87 V的單極性電壓信號，最后經過濾波電路進入MB9BF518S的AD轉換器。

3.3 開關量輸入電路設計

開關量信號調理電路如圖5所示。電路輸入信號為220 V交流電，接入DIIN端，DICOM為公共端，輸入信號經過橋式整流電路和濾波電路后到達光電偶合器的輸入端，由于橋式整流電路的作用，輸入的交流電信號無論處于正半周還是負半周都能使光電偶合器導通，從而使輸出端DIOUT變為低電平輸入到微控制器的I/O口。

圖5 開關量信號調理電路圖

4 保護裝置邏輯研究

4.1 三段式電流保護

保護裝置的三段式電流保護功能包括過電流保護、限時電流速斷保護以及電流速斷保護，圖6為保護邏輯圖。其中Iset為電流速斷保護動作的整定值，整定范圍為0.05～200 A，步長為0.01 A；Ia、Ib、Ic表示測量到的三相電流值；Uset表示低電壓閉鎖的電壓整定值，范圍為1～200 V，步長為0.01 V；Uab、Ubc、Uca表示測量到的三相電壓值；Tset是延時時間的設定值，范圍為0～200 s，步長為0.01 s。

圖6 三段式電流保護邏輯圖

4.2 反時限過流保護

反時限過流保護包括極端反時限保護、非常反時限保護以及一般反時限保護3種狀態。不同形式的反時限過流保護特征函數為：

(1)

(2)

(3)

式中：Tp為保護時間常數整定值；Ip為保護基準電流整定值；I為故障電流采樣值；t為反時限過流保護動作時間。

反時限過流保護邏輯如圖7所示。

圖7 反時限過流保護邏輯圖

5 結論

本文設計了基于32位微處理器MB9BF518S的供電線路保護裝置，并在此基礎上引入CAN總線支持各保護裝置數據共享。該系統運行合理可靠，功能豐富，能夠全面保護煤礦井下供電線路，避免越級跳閘，降低停電的概率，促進煤礦井下供電系統的網絡化和智能化。