基于礦鴻系統的饋電開關保護裝置的開發與設計

劉 偉

（國能神東煤炭烏蘭木倫煤礦，內蒙古鄂爾多斯 017200）

1 礦鴻系統

隨著國家智能化制造戰略的不斷推進，煤礦領域智能化水平也不斷提升。但煤礦領域在智能化的道路上存在系統不兼容、網絡協議不一致等問題，并且由于煤礦設備生產廠家不同難以實現系統間的協同和高效作業，信息技術與設備操作技術融合問題突出，煤礦系統安全性和調整能力亟待提升。為解決煤礦領域智能化水平低的問題，建立適合煤礦領域的架構和標準，華為提出了礦鴻操作系統。礦鴻操作系統將不同的煤礦設備聯系起來，建立煤礦統一接口和統一的數據結構，解決了不同廠家設備的協同與互通的問題，推進能源經濟領域的智能化水平，實現煤炭行業高質量發展，可實現以下目標。

（1）高效互聯。利用礦鴻操作系統可實現傳感器、煤礦設備、手機、穿戴設備等的數據共享、數據傳輸和信息感知，提升了煤礦領域智能化水平和人員安全。

（2）統一標準。利用礦鴻操作系統建立了數據共享平臺和傳輸協議，并制訂行業接口、協議標準，通過對接設備廠商，實現了不同廠商直接設備低成本互聯和信息交互。在以安全為前提的情況下實現數據共享、數據傳輸和數據的分析與處理。

（3）智能協作。利用礦鴻操作系統建立通信通道為煤礦領域提供數據通道，利用傳感器、手機等設備感知外部信息和信息共享。并通過Neo4j 圖數據庫和通信協議實現礦下設備新型可視化交互方式，在提升信息交互效率的同時也提升了作業現場的安全性。

（4）隱私安全。利用礦鴻操作系統的安全特性，保障數據在全生命周期流程中的安全性，提升煤礦工控體系的安全性能。礦鴻系統主要系統架構如圖1所示。

圖1 礦鴻系統主要架構

2 饋電開關保護裝置系統的設計方案

2.1 低壓供電系統結構

我國煤礦系統采用變電站+放射式的模式為礦井供電。礦井供電系統的構造包含5個部分：變壓器、分支饋電開關、總饋電開關、磁力啟動裝置、高壓配電設備。

低壓饋電開關保護裝置使用環境如圖2所示，井下各分機的集中運作中心是上位機，其是控制、保護和管理整體的保護系統。低壓饋電開關保護裝置的ARM 芯片可快速響應故障信號完成通信數據的互換，適合高要求的實時性及處理任務。ARM STM32F103為32 位芯片包含光電隔離電路、開關量輸入電路、RS-485通信電路、電網參數采集和處理器，其中的雙邊聯合跳閘保護、反向電流保護、速斷保護、過流保護、漏電保護、過欠壓保護是本裝置的主要組成部分。由于饋電系統的線路較多、復雜性較高，當發生故障時收集系統內的電流數據和電壓數據，低壓饋電開關保護裝置先將電流數據和電壓數據轉換為A/D 信號，然后將信號處理后發出跳閘信號，進而發出動作信號使斷路器分閘并在人機交互界面平臺的LED 燈發出報警信號，運行人員就使用按鍵把參數重新設置，使線路得到保護進而其可靠性得到提升。

圖2 低壓饋電開關保護裝置使用環境

電流速斷保護是饋電開關保護裝置重要的保護措施，電流速斷保護的電流動作值小于或等于饋線開關的大電流跳閘動作值。電流速斷保護裝置既能保護截面近端和中距離的金屬短路故障，又能保護被測電流。若測量到的電流大于設定值，則開始計時。若時間超過設置的值，將出現一個告警指令。保護跳閘特性曲線如圖3所示。

圖3 保護跳閘特性曲線

雙邊聯合跳閘保護主要是通過同線路的供電斷路器聯鎖進行，以保證故障線路的安全可靠。在饋線保護過程中，信號連接采用硬接線。硬接線可根據保護裝置的工作模式發出脈沖信號。信號通過安裝在各工位接口柜內的連接跳線的發送端模塊及相應的跳線模塊完成信號的發送和接收工作。系統正常運行時，相鄰的兩個牽引變電所可同時向牽引網內同一供電區雙向供電。這樣，一旦發生回路或故障，離故障點較近的饋線開關的大電流跳閘保護或DDL 保護首先起作用，并向站場的聯合跳閘裝置發送跳閘信號。同時，該聯合跳線電纜可用于向另一個節點的聯合跳閘裝置發送饋線開關跳閘信號。

若整流單元和開關柜間的電源線發生故障，為防止外界干擾將故障電流回流到故障部位，需設置反向電流保護，反向電流保護的主要特點是需測量電流的大小和方向，并在完成采集工作后將信號發送到保護裝置。保護裝置可通過設定的反向電流值和時間來判斷是否存在反向電流保護，從而跳閘開關。框架保護是一種饋線保護較特殊，一般包括幀電流保護和幀電壓保護。框電流保護主要通過防止接地與直流開關絕緣框間的漏電流來達到保護的目的。在保護過程中，需用分路器和變送器來測量電流值。另外，還需將采集到的電流值發送給保護裝置。若采集到的電流值大于保護裝置設置的保護值，則可確定幀電流保護已發生。機架電壓保護的主要作用是防止設備外殼電位差大于安全允許電位差，為人身安全提供可靠的保護。機架電壓保護主要是測量直流開關柜的負回母線與外殼間的電位差，并發送測量到的保護裝置的電位差。若測量的電位差大于保護裝置設定的保護設定值，則可確定幀電壓保護。框架保護運行會引起設備的大規模停電。這種保護具有較高的偶然性和較高的靈敏度。

DDL 保護是饋電開關的保護裝置的主要保護。該保護措施克服了獨立保護因干擾而誤操作的問題，也可彌補保護動作的不足。DDL 保護主要包括DDL+ΔI保護和DDL+ΔT保護。這兩種保護措施的激活需一個預定的電流上升速率。啟動饋線保護后，兩種類型的保護將進入各自的延遲階段，并相互獨立。當任何保護首先達到保護動作條件時，即可啟動保護。在DDL+ΔI保護過程中，保護裝置測量并分析電流上升的變化。當變化大于該參數設置的最大值時，事件T大于最大值，將出現跳閘信號。若當前變化率小于保護出口激活前當前上升速率的返回值，則整體保護復位。當DDL+ΔT保護運行時，ΔT的測量值大于最高參數值，跳閘信號被激活。當DDL+ΔT保護動作開始時，若在保護出口動作前檢測到電流變化率，且電流變化率小于ΔI，則整個保護將返回。

2.2 硬件框架

饋電開關保護裝置主要通過控制斷路器來實現相應保護。饋電開關保護裝置硬件主要由電源模塊、輔助模塊、永磁操作機構驅動和儲能電容充電模塊、開關量輸入輸出模塊等構成。饋電開關保護裝置硬件框架如圖4所示。

20世紀末，隨著互聯網的高速發展、計算機新技術（Web技術、Java技術、數據庫技術等）的出現，圖書館集成管理系統的架構發生了變化，開始使用客戶端/服務器計算模型［7］，并模塊化地集成各類圖書館業務功能，允許用戶通過OPAC、基于Web的在線門戶網站等使用圖書館的服務［8］。 Aleph 500、Horizon、Voyager、Millennium、U-nicorn等知名圖書館集成管理系統的雛形在這一時期形成，并于隨后的十年間逐漸成熟。

圖4 饋電開關保護裝置硬件框架

（1）電源模塊。該模塊為饋電開關保護裝置提供運行能量，通過銅柱對其固定，采用分離式設計減少電源模塊對主板電路的影響。

（2）輔助功能模塊。該模塊為饋電開關保護裝置提供輔助功能，如溫度調整模塊、可視化模塊、存儲模塊等。

（3）儲能電容充電和永磁操作機構驅動模塊。該模塊主要功能是在系統遭受故障時對系統進行保護。

（4）I/O 模塊。該模塊為饋電開關保護裝置提供數據的輸入和輸出，主要由電流、電壓、有功、無功等構成，并利用采集的數據對系統運行狀態進行判定。

（5）通信模塊。該模塊為饋電開關保護裝置提供通信通道，實現系統通信功能。

（6）人機接口模塊。該模塊為饋電開關保護裝置提供人機交互界面和操作按鈕。

2.3 軟件設計

在進行饋電開關保護裝置的軟件單元設計時，主要考慮適用性、簡單性、一致性、可擴展性等原則，軟件主要包括數據處理模型、保護裝置主程序、人機交互界面、故障判定程序等。

2.3.1 主程序

保護裝置主程序是軟件的主要框架，其主要是為實現參數原始變量的賦值及元件的初始化，其實施流程如圖5所示。

圖5 程序執行流程

2.3.2 故障保護功能程序設計

圖6和圖7分別為漏電故障的保護程序和系統電壓的參數故障保護程序。

圖6 漏電處理流程

圖7 參數故障處理流程

當線路發生故障和跳閘后，可使用自動重合閘功能來快速恢復線路的電力。需根據以下故障類型合理選擇線路重合閘保護。

（1）若是暫態故障，會自動重疊，保證系統能恢復正常供電。

（2）若是永久性故障，將直接鎖定并關閉，直到人工修復為止。為防止故障線路被重新合閘，需在合閘前進行線路測試，有效檢查線路是否故障。若線路測試通過，可重合閘，否則需鎖定開關。

2.3.3 通信模塊設計

微控制器子系統須持續監控每個傳感器的狀態，其須在檢測到故障時發送報警信號，通信模塊須在故障后發送已檢測到的消息，且發出警報。另一方面，系統管理界面負責管理設備信息。作為國際上的標準總線，控制器局域網絡是國際上最常用的通信總線之一，支持多節點通信，并將數據幀分為5類。控制器局域網絡具有較多的優勢，可實現信息的可靠共享，與其他通信總線相比線束數量較少。

3 系統抗干擾措施

在礦井生產時震動、網絡波動及設備故障等干擾都會對系統產生影響，為確保其具備較強的抗干擾性能，系統的抗干擾措施如下。

（1）分層布線隔離措施。將電源模塊、敏感電路、控制器等易受干擾的部分進行分層隔離布置，減少敏感電磁對控制器的影響。

（2）冗余原則。在印刷電路的布線設計時要合理的布局走線，并確保各個元件所承受的力有一定的冗余數值。

（3）設計升級。減少芯片并聯的情況，利用芯片并聯的方式提升運行穩定性并減少脈沖電壓對芯片的影響。

（4）提升二極管的使用率。利用二極管的可靠性可避免因電壓升高造成的轉換器損傷。在發生故障時故障電流路徑應用于其電路中，反向二極管將直接饋入故障直到輸入交流斷路器跳閘。

4 結束語

綜上所述，為保證礦井低壓供電系統安全穩定運行，在礦鴻系統的基礎上使用ARM 芯片進行饋電開關保護裝置的開發與設計。在研究過程中，根據礦井低壓供電系統的具體運行方式，先后開發了關于饋電開關保護裝置的軟硬件設計，采取科學合理的饋線保護措施，保證礦井低壓供電系統的安全可靠，從而提高礦井低壓供電系統的運行安全性和智能化水平。