煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

許國來

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

為了保證煤礦供電設(shè)備和作業(yè)人員的安全可靠工作，通常會(huì)在供電系統(tǒng)中設(shè)置多級短路保護(hù)開關(guān)，它們的布置是存在優(yōu)先級的關(guān)系，但是由于煤礦井下條件惡劣（如配電級數(shù)多、供電線路短、環(huán)境惡劣等），供電系統(tǒng)故障查找困難。煤礦井下供電系統(tǒng)取電距離通常較遠(yuǎn)，井下工作線路緊湊，當(dāng)出現(xiàn)短路情況時(shí)，各級電流相差較小，繼電保護(hù)層級性較差，經(jīng)常出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象，導(dǎo)致煤礦井下大面積停電，影響煤炭的正常掘進(jìn)。因此針對王坡煤業(yè)供電系統(tǒng)存在繼電保護(hù)選擇性差、越級跳閘頻發(fā)的問題，開展煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究工作具有重要意義。

王坡煤業(yè)35 kV 變電站內(nèi)裝設(shè)2 臺容量為10 000 kVA 的變壓器，一運(yùn)一備。35 kV 系統(tǒng)采用單母線分段接線方式，I 回路電源取自14 km 外的110 kV 變電站；II 回路電源取自11 km 外的110 kV 變電站。正常情況下兩路供電線路和變壓器均有一組工作，另一組備用，工作組出現(xiàn)故障時(shí)，備用組才會(huì)啟動(dòng)。35 kV 一次裝置使用的高壓真空斷路器，通過SFZ10- M- 10000/35kV/10kV 變壓器兩次降壓，為礦區(qū)供電。35 kV 變電站供電系統(tǒng)主接線如圖1 所示。井下的變電站運(yùn)行時(shí)，供電設(shè)備間距較小，線路兩側(cè)的電流值非常相近，當(dāng)某處出現(xiàn)短路時(shí)，各處電流基本相同，保護(hù)系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)越級跳閘情況。

圖1 35 kV變電站供電系統(tǒng)主接線圖Fig. 1 Main wiring diagram of power supply system in 35 kV substation

2 方案設(shè)計(jì)

針對王坡煤業(yè)供電系統(tǒng)繼電保護(hù)選擇性差、頻繁出現(xiàn)越級跳閘的現(xiàn)狀，進(jìn)行了繼電器保護(hù)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，如圖2 所示。基本模塊包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、開入開出模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊等。系統(tǒng)工作時(shí)通過采集繼電器兩側(cè)的電流信號和隔離開關(guān)及斷路器等開關(guān)量信息，進(jìn)行繼電器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。

圖2 繼電器保護(hù)系統(tǒng)方案Fig. 2 Relay protection system scheme

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 最小系統(tǒng)

保護(hù)系統(tǒng)的最小系統(tǒng)部分基于ARM9 芯片開發(fā)完成，選擇型號為S3C2440AL- 40 的CPU 控制器，使用先進(jìn)的總線構(gòu)架（AMBA），能耗低，具有較高的性價(jià)比。晶振電路設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了12 MHz 的無源晶振，配套使用外接32.768 kHz 晶振使用，滿足了RTC 電路的基礎(chǔ)需求。為了避免系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)卡死問題，設(shè)計(jì)了復(fù)位功能，選擇了IMP811S 芯片，配置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。外擴(kuò)2 片32 MB 的K4S561632N 芯片，二者串聯(lián)使用，滿足運(yùn)存需要；外擴(kuò)FLASH 電路，避免系統(tǒng)掉電數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)電源設(shè)置了12、5、3.3 V，通過交直流整流處理獲得，滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

3.2.1 模擬信號調(diào)理

模擬量調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，實(shí)現(xiàn)信號的放大處理。采用電壓跟隨器提升輸入阻抗，同時(shí)通過兩級反相模式提升低通濾波效果，解決了系統(tǒng)中存在的高次諧波問題。

3.2.2 A/ D 轉(zhuǎn)換

模 / 數(shù)轉(zhuǎn)化模塊簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換，S3C2440AL- 40 控制器內(nèi)部自帶A/D 轉(zhuǎn)換功能，電壓信號采集范圍是0～3.3 VADC，配置4 個(gè)ADC控制寄存裝置，信號轉(zhuǎn)換穩(wěn)定可靠。運(yùn)行頻率5 000 Hz，一次信號轉(zhuǎn)換的時(shí)間9.6 us，滿足實(shí)時(shí)完成信號轉(zhuǎn)換的要求。

3.3 通信模塊

通信模塊包括光纖通信和以太網(wǎng)通信兩部分。光纖通訊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，工作可靠性要求最高。通訊開始時(shí)，S3C2440AL- 40 對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀并且編碼處理，之后將信息碼傳輸至光模塊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換工作。光信號傳輸至對側(cè)單元位置之后再次轉(zhuǎn)換成電信號。系統(tǒng)選擇PHY 芯片，滿足光纖傳輸過程要求。以太網(wǎng)通信具有較寬的傳輸范圍， 能夠?yàn)長XT971A 提供獨(dú)立的通信通道，提高其抗干擾的能力，確保系統(tǒng)通信的穩(wěn)定可靠。

3.4 開入開出模塊

系統(tǒng)開關(guān)量涉及開關(guān)裝置、保護(hù)設(shè)備等狀態(tài)信號，設(shè)定9 路開關(guān)量，如斷路器通斷等。該模塊工作時(shí)，可以有效管理繼電器、操作斷路器，也可以對外輸出故障報(bào)警信號，共設(shè)計(jì)了5 路信號，包括保護(hù)跳閘、保護(hù)分閘等。開入開出模塊的通信主要依賴于總線，采用了SN75LBC184 芯片實(shí)現(xiàn)管控效果及數(shù)據(jù)共享，具有很好的抗干擾性能。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于ARM9 芯片，在uC/OS- I 設(shè)計(jì)環(huán)境中采用C 語言開展軟件設(shè)計(jì)工作，軟件程序結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要包括保護(hù)主程序、信息采集程序等5 部分。保護(hù)主程序?qū)ο到y(tǒng)起著主要的保護(hù)功能；信息采集程序主要收集電氣裝置的電壓電流信號，保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性；通信程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部端口、上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；故障應(yīng)對程序用于分析保護(hù)系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，控制對應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)故障的切除；人機(jī)程序負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示井下繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，出現(xiàn)故障提示報(bào)警，給出故障的位置信息及處理措施。

圖3 軟件程序結(jié)構(gòu)Fig. 3 Software program structure

4.2 保護(hù)主程序設(shè)計(jì)

主程序工作流程如圖4 所示。

圖4 保護(hù)系統(tǒng)主程序Fig. 4 Protection system main program

保護(hù)主程序主要在最小系統(tǒng)中進(jìn)行工作，負(fù)責(zé)保護(hù)系統(tǒng)的自我檢測、保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)、不同功能模塊之間的調(diào)用、數(shù)據(jù)分析處理等。系統(tǒng)裝置上電之后，主程序開始運(yùn)行，首先完成供電系統(tǒng)內(nèi)部各硬件設(shè)備的初始化響應(yīng)，S3C2440AL- 40 會(huì)重置系統(tǒng)內(nèi)部的核心程序；之后調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息并運(yùn)行保護(hù)算法，獲得最小系統(tǒng)需要的測定數(shù)據(jù)；最小系統(tǒng)通過分析對比確定是否存在問題。

4.3 人機(jī)交互界面

系統(tǒng)人機(jī)交互界面選擇大彩公司所設(shè)計(jì)的LCD，能夠直接通過RS485 串口通訊，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，工作穩(wěn)定可靠。通過人機(jī)交互界面可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)和采集電流等信息，供監(jiān)控人員觀察系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。監(jiān)控人員也可以根據(jù)界面顯示的數(shù)據(jù)，操控系統(tǒng)內(nèi)部的控制器件，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。人機(jī)交互程序如圖5所示。

圖5 人機(jī)交互流程Fig. 5 Human- computer interaction process

5 結(jié) 語

王坡煤業(yè)煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，解決了供電系統(tǒng)短路時(shí)繼電保護(hù)選擇性差、越級跳閘頻發(fā)的問題。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用后，供電系統(tǒng)未出現(xiàn)越級跳閘故障，降低了供電系統(tǒng)運(yùn)維人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和煤炭采掘成本，提高了10%左右的采煤設(shè)備利用率，提高了煤炭企業(yè)的產(chǎn)煤量，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益60 萬/a，取得了很好的應(yīng)用效果。