煤礦供電系統線路保護裝置研究與設計

李文飛

(西山煤電 馬蘭礦運輸一隊，山西 古交 030205)

0 引言

煤礦井下供電系統的安全可靠性在煤礦生產過程中具有非常重要的作用。目前，我國通常采用6 kV或10 kV的供電系統為煤礦進行供電[1]。但是隨著井下綜采工作面的不斷深入和擴展，致使現有供電系統大多采用短距離線路、多層級、縱向的供電模式。由于供電線路的短距離加上煤礦惡劣的生產環境，使得供電線路經常出現短路、過流、欠壓、漏電等故障。而且當發生短路故障時，難以區分上下級的短路電流，不能構成有效縱向選擇性短路繼電保護，極易發生越級跳閘事故，從而造成井下發生大范圍停電現象，降低了供電系統的可靠性，影響了煤礦的正常安全生產[2-3]。

針對以上煤礦供電系統線路中存在的問題，本文提出一種新型的供電系統線路保護方案及裝置，基于繼電保護原理，借助計算機控制技術、微控制器技術、總線通信技術，實現了繼電保護裝置測量、保護、控制和通信的四位一體。

1 線路保護裝置主要實現功能

根據煤礦井下的生產需要以及工作人員的需求，要求線路保護裝置具備以下功能[4]：

(1) 遠程監控功能。微型化線路保護裝置可實時監測供電線路上的電壓、電流等電氣狀態量，并通過電能計量芯片完成有功功率、無功功率等參數的計算，上傳給上位機監控系統；可遠程操控供電線路上開關斷路器的分閘與合閘動作。

(2) 保護功能。保護裝置配置有三段式電流保護功能，該功能由保護軟壓板控制，具有防越級跳閘閉鎖延時功能。

(3) 故障報警功能。當線路發生故障時，保護裝置檢測到故障后，以聲光報警形式向工作人員發出警示。

(4) 故障定位功能。當線路某處發生故障時，保護裝置可實時將故障信息上傳給上位機，上位機通過對保護裝置進行定位進而確定故障發生的位置。

(5) 參數存儲功能。上位機監控系統能夠隨時存儲供電線路的運行參數。

2 煤礦供電系統線路保護總體方案設計

煤礦供電系統線路保護的總體方案如圖1所示。該設計方案包括上位機監控系統、CAN總線通信模塊、多個線路保護裝置以及供電系統自帶的斷路器、變壓器等。整個保護方案采用分布式結構，CAN總線通信模塊采用雙向通信的方式，在供電系統中構建了一個雙向通信網絡，為數據通信提供了通道；上位機監控系統通過CAN總線通信模塊可對多個保護裝置進行遠程控制，同時各線路保護裝置可將其監測到的線路數據信息上傳給上位機，實現上位機與線路保護裝置的快速信息交互；線路保護裝置作為供電系統線路監控的終端設備，可實時采集供電線路上的模擬量、數字量等信號，當發生線路故障時，還可發出故障報警信號；上位機監控系統可對線路保護裝置上傳的信息進行智能分析，進而判斷線路故障的位置，同時對保護裝置進行選擇性動作。

3 線路保護裝置硬件方案設計

3.1 保護裝置硬件框圖設計

線路保護裝置硬件設計框圖如圖2所示。本保護裝置由微控制器、液晶顯示單元、交流信號采集單元、開關量采集單元、CAN總線收發器單元、聲光報警裝置、電源管理單元、繼電器操作裝置等部分組成。聲光報警裝置主要用于供電系統線路的故障報警提示；液晶顯示單元用于顯示保護裝置的線路監測數據以及工作狀態；交流信號采集單元主要包括電流互感器、電壓互感器和信號轉換電路三大部分，電流互感器和電壓互感器負責對供電線路上的三相電壓及電流信號進行采集，信號轉換電路負責對采集的電信號進行變換和濾波處理；CAN總線收發器單元用于保護裝置與上位機監控系統的數據通信；電源管理單元負責為整個線路保護裝置進行供電；繼電器操作裝置負責動作斷路器；開關量采集單元負責對斷路器的開關位置信號進行采集。

圖1 煤礦供電系統線路保護總體方案

圖2 線路保護裝置硬件設計框圖

3.2 微控制器選型

為實現線路保護裝置的微型化和嵌入式化，微控制器是不可或缺的一環，本裝置選用STM32單片機的F103系列主控芯片作為保護裝置的核心部分，該系列芯片功耗低、擴展性強、引腳豐富、抗干擾能力強[5]，非常適合用于煤礦生產領域。微控制器在保護裝置中的功能主要包括數據采集、數據通信、數據存儲、數據計算、保護邏輯判斷、線路故障處理等，該芯片完全可以滿足這樣的工作需求。

3.3 CAN總線通信電路設計

由于煤礦井下各類開采設備不斷投入切斷，致使供電線路上的電壓波動很大，具有很強的電磁干擾，為此，對線路保護裝置的通信方式提出了很高的要求，需要其具備較強抗干擾能力。CAN總線通信方式是工業自動化領域常用的傳輸方式，該通信方式可靠性高、性價比高、通訊協議簡單，具有很強的抗干擾能力[6]。

本裝置選用的STM32F103系列單片機內部自帶CAN總線控制器，為此，選用型號為TJA1050的外接CAN數據收發器來進行CAN總線通信電路的設計，CAN總線通信電路如圖3所示。

圖3 CAN總線通信電路

3.4 交流信號采集單元設計

為實現供電線路的微型化監控，需將供電線路上的高電壓、大電流信號轉換為小電壓信號。為此，本裝置采用互感器隔離法，將線路上的高電壓、大電流信號通過一次TV、TA和交流信號采集電路上的二次小TV、TA轉換后，再傳送給微控制器和相應的電能專用計量芯片。圖4為本裝置的交流信號采集電路。其中，選用的微型電流互感器型號為TA22B11，微型電壓互感器型號為TV31B。電能專用計量芯片選用型號為ATT7022B，該芯片計算精度高、非線性測量誤差小，可計量有功功率、無功功率、視在功率以及各相電流、電壓的有效值[7]。

圖4 交流信號采集電路

4 控制器軟件程序設計

本線路保護方案中每個斷路器將配置一個線路保護裝置。為此，基于STM32F103系列單片機，采用C語言對微控制器進行了下位機程序的編寫。程序編寫基于自頂向下、模塊化的結構化程序設計，分為主程序和多個子程序。子程序包括聲光報警子程序、CAN總線通信子程序、開關量檢測子程序、液晶顯示子程序、交流信號采集子程序、故障判斷子程序、故障處理子程序等；同時，上位機與各保護裝置之間采用了三段式電流保護，通過對各個保護裝置進行動作時限設置，實現了各保護裝置之間的聯動保護，保證了斷路器跳閘的選擇性[8]。圖5為單個線路保護裝置的主程序流程圖。

圖5 單個線路保護裝置的主程序流程圖

5 結論

本文在分析現有煤礦供電系統線路保護存在諸多不足的基礎上，結合井下供電系統線路保護的特點，提出了一種新型的線路保護方案及保護裝置。該方案利用CAN總線雙向通信的特點，實現了上位機與線路保護裝置的實時快速交互，對供電線路形成了有效監控，具有遠程監控、遠程保護、故障報警等功能，配以三段式電流保護，當線路發生故障時可實現選擇性跳閘，解決了越級跳閘問題。