基于PLC 的煤礦饋電開關保護系統(tǒng)的設計研究

何露露

（潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，井下用電需求量也逐漸增多，由此導致了井下的電網越來越復雜。而由于井下環(huán)境相對復雜，導致井下電網在運行中經常出現(xiàn)線路短路、斷路、過壓、欠壓等故障現(xiàn)象，嚴重影響著井下的作業(yè)安全，這對井下電網的安全性、可靠性提出了更高要求[1]。煤礦低壓饋電開關作為井下電網中的重要設備，保證其設備中的保護系統(tǒng)具有更高的控制性能，也成為井下電網運行安全的關鍵[2]。目前，國內雖有學者對饋電開關保護系統(tǒng)進行了設計研究，系統(tǒng)在運行時仍時常出現(xiàn)短路、漏電、過壓等故障現(xiàn)象，不斷對井下饋電開關保護系統(tǒng)進行優(yōu)化升級具有重要的現(xiàn)實意義。因此，在滿足依據《煤礦安全規(guī)程》要求基礎上，提出了保護系統(tǒng)設計的基本要求，開展了饋電開關保護系統(tǒng)的方案設計要求，并將其與KBZ-400 型饋電開關進行了現(xiàn)場應用測試，驗證了該系統(tǒng)的可行性及可靠性，這對提高饋電開關的保護功能及井下作業(yè)安全具有重要作用。

1 低壓饋電開關保護系統(tǒng)的基本要求

礦用饋電開關僅作為電路中的總開關，可有效避免因井下煤塵、瓦斯?jié)舛冗^大而引起的安全事故，而饋電開關中的保護系統(tǒng)則能對井下電網運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。為及時、準確地對井下電網運行狀態(tài)進行監(jiān)控，依據《煤礦安全規(guī)程》要求，在低壓饋電開關保護系統(tǒng)設計過程中提出了如下幾點要求：

1）功能全面。低壓饋電保護系統(tǒng)應能對井下電網的電流、電壓等信號進行實時采集及監(jiān)測，并對電網中出現(xiàn)的過壓、欠壓、過流、短路、漏電、瓦斯?jié)舛冗^高等故障現(xiàn)象做出相應的故障報警提示，各項檢測功能及故障保護功能全面[3]。

2）執(zhí)行速度快。所設計的保護系統(tǒng)需采用當前更加先進的控制系統(tǒng)進行設計，并保證其具有較快的信號傳輸速度，針對發(fā)生的故障問題，系統(tǒng)能及時、快速地將故障信息進行傳輸和顯示，以便人員能快速做出故障保護操作，以此最大程度地降低井下電路的損壞程度。

3）故障判斷準確。針對井下電網中出現(xiàn)的各類故障問題，保護系統(tǒng)應及時、準確對故障信息進行采集及判斷，并及時分區(qū)域性切斷故障電網，減小對整個電網的停電切斷，降低企業(yè)的故障損失[4]。

2 保護系統(tǒng)的設計

2.1 保護系統(tǒng)總體方案的設計

低壓饋電開關保護系統(tǒng)主要負責對井下低壓供電中線路的過壓、欠壓、短路、過載、漏電等故障問題進行保護。由此，結合現(xiàn)有煤礦中低壓饋電開關保護系統(tǒng)的結構組成，對其保護系統(tǒng)進行了升級設計研究。所設計的保護系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)主要由中央控制單元、信號采集單元、人機顯示部分、CAN 通訊總線等組成[5]。其中，中央控制器主要通過PLC 進行控制，由CPU 控制單元進行接收信號的分析、判斷及處理，PLC 控制器則選用了中達的DVP-SS 系列的PLC 控制器。信號采集單元主要負責對電路中各類信號進行采集、調理，包括電壓采樣單元、漏電采樣單元、負序采樣單元、有功功率采樣單元、電流采樣單元、開關輸入單元等，并將采集到的各類信號通過CAN 傳輸總線傳輸至PLC 控制器中。人機顯示界面主要負責將電路中電壓、電流的運行狀態(tài)通過顯示界面進行實時顯示，人員可實時有效地對電路進行實時監(jiān)控，并作出相應的故障應急判斷。低壓饋電開關保護系統(tǒng)的總體結構框架圖如下頁圖1 所示。

2.2 PLC 控制器的選型設計

根據保護系統(tǒng)的總體結構方案，選用了中達的DVP-SS 系列的PLC 控制器，該控制器的體積相對較小，包含了多種擴展模塊和兩個獨立的通訊模塊，可與其他相關通訊設備進行有效兼容，目前已廣泛應用至煤礦、民用等領域[6]。由于該PLC 控制器可靠性高、價格低、體積小，滿足了饋電開關內部體積不足的安裝使用需求。該PLC 中包含1 個主控單元和1 個模擬量擴展模塊。其中，主控單元集成了8 個輸入和6 個輸入接口，D/A、A/D 等模塊齊全，可同時與10 個以上的外部模塊進行接口通訊，同時，內部的RS-232 通信接口，可較為方便快捷地實現(xiàn)與其他控制系統(tǒng)的通訊連接。而模擬量擴展模塊則包括了外部4 點模擬信號輸入和4 個模擬信號輸出，其輸入電壓范圍為0～12 V DC，輸入電流范圍為0～25 mA。通過該PLC 控制器，可將接收的各類信號進行信號分析、判斷、處理等操作，是整個保護系統(tǒng)的核心部分。

圖1 保護系統(tǒng)總體結構框架圖

2.3 不對稱短路保護電路的設計

井下低壓電路運行過程中，時常會出現(xiàn)不對稱的電路短路、斷路等故障現(xiàn)象，最終影響著電路中電流的大小。由此，在饋電開關保護系統(tǒng)中設計了一套不對稱短路保護電路，該電路主要由各類電阻、電容及運算放大器等構成，形成一個三相相加法的電路。當電網發(fā)生不對稱故障時，通過該短路保護電路，可實現(xiàn)對帶有負序電流的故障進行不對稱短路保護作用，整個不對稱短路保護電路的電路圖如圖2 所示。

3 保護系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的設計

3.1 監(jiān)控主程序的設計

在該保護系統(tǒng)中，監(jiān)控主程序是整個軟件系統(tǒng)中的核心，通過此程序，可對PLC 收集的瓦斯、電路、短路等信號進行合理調用，實現(xiàn)對這些信號的檢測、運算及顯示，以達到保護井下供電電路的目的。監(jiān)控主程序性能的優(yōu)劣，直接影響著饋電開關保護系統(tǒng)運行的可靠性及穩(wěn)定性，監(jiān)控主程序的控制流程圖如圖3 所示。在該控制過程中，首先通過饋電開關進行保護系統(tǒng)的初始化檢測，當檢測到電路絕緣有問題時，保護系統(tǒng)則執(zhí)行漏電閉鎖保護；同時，當檢測到井下的瓦斯?jié)舛冗^高及風電存在問題時，保護系統(tǒng)也將執(zhí)行相應的瓦斯閉鎖及風電閉鎖等操作；最終通過該監(jiān)控主程序，可有效將電網中的電流、電壓、功率等參數進行實時監(jiān)控及信息顯示，當檢測到相關故障信息后，能及時將相關故障信息在顯示界面中進行顯示，經過操作人員層層故障排除后，可較好實現(xiàn)對井下電路的更好保護。

圖2 負序信號不對稱保護電路圖

圖3 監(jiān)控主程序流程圖

3.2 保護系統(tǒng)顯示界面的設計

結合市場常用軟件，針對饋電開關保護系統(tǒng)的顯示要求，選用了TPEdit-V1.08 軟件，對保護系統(tǒng)的顯示界面進行了設計。該顯示界面是實現(xiàn)操作人員掌握饋電開關運行狀態(tài)的重要通道，能將井下電路運行參數及故障情況進行實時顯示，并以數字形式進行顯示。同時，當井下電路出現(xiàn)故障問題時，人員也能通過此監(jiān)控界面迅速做出故障判斷、排查等操作，并發(fā)出相應的聲光報警提示，有效避免了無計劃的停電操作。數值顯示屬性設置界面則是該顯示系統(tǒng)的組成部分，可通過該顯示界面，對PLC 控制器中數值型態(tài)、數值長度、整數個數等屬性進行設置，以此有效實現(xiàn)對保護系統(tǒng)中相關參數的顯示，數值顯示屬性設置界面如下頁圖4 所示。

4 保護系統(tǒng)的應用效果

在完成低壓饋電開關保護系統(tǒng)設計基礎上，為進一步驗證此系統(tǒng)的各項性能，將其進行了實際應用驗證，主要是將保護系統(tǒng)與KBZ-400 型饋電開關進行了兼容應用，在為期半年的實際應用中，該保護系統(tǒng)各項性能運行正常，運行穩(wěn)定、可靠，能及時對井下電網中的電壓信號、電流、瓦斯?jié)舛鹊葏颠M行準確檢測，并針對電網中出現(xiàn)的過壓、欠壓、瓦斯?jié)舛冗^高、短路等故障問題及時發(fā)出聲光報警提示，最終通過數值形式將故障信息在顯示界面中進行顯示。該保護系統(tǒng)與原有饋電開關保護系統(tǒng)相比，信號檢測速度更快、信號精度更高，有效提升了對井下電網的保護性能，使井下電網發(fā)生故障概率降低了將近30%，按一年計算，可為企業(yè)節(jié)約將近40 萬元的維修費用支出，得到一致好評，由此，驗證了該保護系統(tǒng)的可行性。

圖4 數值顯示屬性設置界面

5 結論

將更加先進的控制技術廣泛應用到低壓饋電開關保護系統(tǒng)中已成為當前保證井下電路運行安全的重要發(fā)展方向。由此，在提出保護系統(tǒng)設計要求基礎上，開展了饋電開關保護系統(tǒng)的總體方案設計及軟件設計，并有針對性地將保護系統(tǒng)進行了實際應用驗證。實踐結果表明，該保護系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性及運行安全性，整體保護效果顯著，能更好地對井下電網運行安全進行保護，并能使井下電網的故障發(fā)生率降低將近30%，這對提高井下電網運行安全、降低企業(yè)經濟支出具有重要作用。