煤礦配電網(wǎng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置設(shè)計

韻 凱

（西山煤電集團(tuán)公司 機(jī)電處，山西 太原030053）

截止2014年底，山西全省裝機(jī)容量6306萬千瓦。其中，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量498萬千瓦，占全省裝機(jī)容量的7.9%。省內(nèi)電網(wǎng)形成了以500kV“兩縱四橫”為骨干網(wǎng)架，220kV分大同、忻朔、中部、南部四大供電區(qū)域，110kV和35kV及以下電壓等級輻射供電的網(wǎng)絡(luò)格局。外送通道方面，形成了以1000kV特高壓為核心，6個通道、13回線路的外送格局，輸電能力約2000萬千瓦。自2014年以來，為完善配電網(wǎng)運(yùn)行，使其符合現(xiàn)行的煤礦用電需求，對110kV及以下配電網(wǎng)投入建設(shè)投資超過30億元。配電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)乎到煤礦用電，該煤礦配電網(wǎng)一改原有的“通電”目標(biāo)，針對網(wǎng)架基礎(chǔ)薄弱的問題進(jìn)行了改造，繼電保護(hù)裝置對配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義猶為突出。為了確保配電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在煤礦電力系統(tǒng)規(guī)模化發(fā)展的同時，采用微機(jī)繼電保護(hù)裝置對電網(wǎng)的安全實施保護(hù)，為煤礦配電網(wǎng)安全運(yùn)行提供保障。

1 煤礦應(yīng)按照供電系統(tǒng)設(shè)計要求配置繼電保護(hù)

近些年來，由于煤礦的配電網(wǎng)運(yùn)行屬于粗放型，導(dǎo)致網(wǎng)架基礎(chǔ)薄弱。其中的重要問題是配電網(wǎng)設(shè)計在多年的煤礦企業(yè)發(fā)展中都沒有改變，存在嚴(yán)重的過載問題，特別是低壓問題嚴(yán)重。從煤礦配電網(wǎng)的架構(gòu)來看，主要是由架空線路、電纜、配電變壓器、無功補(bǔ)償電容以及附屬設(shè)備組成。由于配電布點(diǎn)不足，導(dǎo)致電能質(zhì)量無法滿足煤礦用電需求，說明煤礦配電網(wǎng)配置繼電保護(hù)器已經(jīng)不符合煤礦供電系統(tǒng)的設(shè)計要求。

在進(jìn)行繼電保護(hù)裝置選擇的時候，要根據(jù)變壓器的容量選擇，通常容量低于400kVA安的配電變壓器，選擇高壓熔斷器保護(hù)裝置；容量介于400kVA至630kVA的配電變壓器，安裝過電流保護(hù)裝置。但如果過流保護(hù)時限超出了規(guī)定范圍，就要安裝電流速斷保護(hù)裝置。又如在煤礦車間內(nèi)所使用的浸沒式配電變壓器，還需要安裝瓦斯保護(hù)〔2〕。

由于煤礦配電網(wǎng)的分段母線不是并列運(yùn)行的，就需要安裝電流速斷保護(hù)裝置。但受到電流速斷保護(hù)裝置設(shè)計的限制，要根據(jù)配電網(wǎng)需要重新設(shè)計，即只有在斷路器合閘的瞬間動作，當(dāng)合閘后，保護(hù)就會自動解除。為了確保電流穩(wěn)定，還要在分段母線上安裝過電流保護(hù)。配電網(wǎng)的負(fù)荷較低，分段母線上就不需要安裝保護(hù)裝置。

2 繼電保護(hù)裝置對煤礦配電網(wǎng)故障發(fā)揮的作用

據(jù)西山煤電的統(tǒng)計資料顯示，2014年至2015年煤礦配電網(wǎng)發(fā)生故障的原因，超過一半以上都是由于短路所引起的，諸如絕緣損壞、配電網(wǎng)檢修后，沒有將接地線及時拆除就送電等等，甚至一次配電網(wǎng)短路故障導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)運(yùn)行事故，部分電氣設(shè)備損壞，造成了嚴(yán)重的后果。由于當(dāng)時采取了應(yīng)急措施，僅僅使正常供電受到了影響而沒有導(dǎo)致供電系統(tǒng)瓦解。

為了防止煤礦配電網(wǎng)持續(xù)發(fā)生故障而影響整個煤礦企業(yè)的運(yùn)行，就需要安裝合適的繼電保護(hù)裝置，不僅可以降低故障發(fā)生率，還能夠確保供電系統(tǒng)正常運(yùn)行。對于繼電保護(hù)裝置的要求，需要在故障發(fā)生時快速動作，且具有較高的靈敏度。在煤礦配電網(wǎng)中，繼電保護(hù)裝置所發(fā)揮的作用就是縮小故障影響范圍，還要確保動作準(zhǔn)確，所以，煤礦配電網(wǎng)所安裝的繼電保護(hù)裝置要具有選擇性和可靠性〔3〕。

3 煤礦微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件設(shè)計

基于上述原因，根據(jù)煤礦配電網(wǎng)運(yùn)行實際，設(shè)計了微機(jī)繼電保護(hù)裝置。繼電保護(hù)裝置的組成包括數(shù)據(jù)采集電路、CAN通信接口電路、外部數(shù)據(jù)擴(kuò)展電路以及開關(guān)量電路等等。

3.1 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計

繼電保護(hù)裝置根據(jù)線路設(shè)計，要設(shè)計一次測系統(tǒng)電壓和電流互感器的界限。電路運(yùn)行狀態(tài)通過采集量就可以反映出來，與算法相結(jié)合，使繼電保護(hù)裝置的保護(hù)功能得以實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集電路見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集電路

3.2 CAN通信接口電路的設(shè)計

CAN通信接口電路的接口芯片負(fù)責(zé)收發(fā)信息，采用高速CAN收發(fā)器，可以使CAN通信接口電路具有很強(qiáng)的抗電磁干擾性，而且數(shù)據(jù)信息傳遞的速率也會很高，可以達(dá)到每秒1Mbit。為了確保CAN通信接口電路的接口能夠連接普通的總線接口，電路接口芯片設(shè)計有異步串行口，以保證CAN通信接口電路實現(xiàn)局域網(wǎng)通訊。CAN通信接口電路見圖2。

圖2 CAN通信接口電路

3.3 外部數(shù)據(jù)擴(kuò)展電路的設(shè)計

外部數(shù)據(jù)擴(kuò)展電路的主要作用是增強(qiáng)電路功能。外部存儲器擴(kuò)展RAM電路，芯片選用256KB×16位，當(dāng)系統(tǒng)由內(nèi)置18KB RAM擴(kuò)展256KB SARAM，數(shù)據(jù)訪問時間為10納秒。SARAM的地址范圍設(shè)定為0x80000－0B107FFF。

3.4 開關(guān)量電路的設(shè)計

開關(guān)量輸入電路所包括的內(nèi)容中，有外部端子開入量和總線開入量。為了提高配電網(wǎng)抗磁場干擾能力和運(yùn)行的可靠性，當(dāng)開入量即將進(jìn)入到弱點(diǎn)系統(tǒng)，就要使用光電隔離芯片隔離，以避免受到外部干擾而引起誤動。開關(guān)量輸入電路見圖3。

圖3 開關(guān)量輸入電路

開關(guān)量輸出電路的設(shè)計為并行接口，包括跳閘出口、本地信號和中央信號等等。節(jié)點(diǎn)繼電器則通過輸出口進(jìn)行控制。此外，還要采用光電器進(jìn)行信號隔離，以避免受到電磁干擾〔4〕。開關(guān)量輸出電路見圖4。

圖4 開關(guān)量輸出電路

4 系統(tǒng)主程序設(shè)計

4.1 主程序

當(dāng)繼電保護(hù)復(fù)位后，將程序初始化。當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時，對系統(tǒng)的各個器件自檢。當(dāng)檢查過程出現(xiàn)故障，就會啟動報警系統(tǒng)。當(dāng)主程序進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，就要對新生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。當(dāng)數(shù)據(jù)長度達(dá)到一個周波，就需要采用FFT算法將煤礦配電網(wǎng)各項參數(shù)計算出來，諸如配電網(wǎng)的幅值、相角以及有效值等等，與繼電保護(hù)整定值比較，據(jù)此對配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況做出判斷。當(dāng)判斷有故障存在，且在規(guī)定時域內(nèi)故障仍然沒有消除時，就會發(fā)出報警〔5〕。

對配電網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行判斷，如果配電網(wǎng)運(yùn)行正常，可以繼續(xù)采樣，否則，系統(tǒng)就會跳閘，同時判斷是否為誤動作。在進(jìn)行誤動作判斷的過程中，系統(tǒng)會繼續(xù)采樣。如果判斷故障為真實，誤動作保護(hù)就會發(fā)出控制信號，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)出故障報告。

4.2 中斷子程序

當(dāng)系統(tǒng)的主程序初始化之后，開始啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。定時器負(fù)責(zé)采集周期內(nèi)持續(xù)發(fā)出的采用脈沖，同時還向數(shù)字信號處理器發(fā)出中斷的請求。數(shù)字信號處理器則開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

4.3 故障處理程序

故障處理程序用于檢查配電網(wǎng)運(yùn)行過程中程序入口是否有錯誤的數(shù)據(jù)出現(xiàn)。如果計算數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，就會發(fā)出警報。之后，進(jìn)入到手動合閘檢查的環(huán)節(jié)。進(jìn)行手動合閘的時候，先對存在相位差的電容和電流進(jìn)行合閘，然后根據(jù)元件啟動情況判斷故障，故障原因報告發(fā)出后。在判斷故障的過程中，如果故障量消失，則保護(hù)返回〔6〕。

5 結(jié)語

綜上所述，煤礦供電系統(tǒng)是煤礦運(yùn)行的主要動力來源。鑒于西山煤電配電網(wǎng)在近兩年來的運(yùn)行中故障頻發(fā)，本文從配電網(wǎng)故障的角度進(jìn)行分析，提出繼電保護(hù)的選擇性問題，并制定出微機(jī)繼電保護(hù)設(shè)計方案，使繼電保護(hù)裝置能夠確保煤礦配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

〔1〕高加傳.煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置改進(jìn)措施〔J〕.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（02）：203－204.

〔2〕尹海彪，桂 峰.基于CAN總線的微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)〔J〕.通信電源技術(shù)，2012.29（03）：50－51.

〔3〕楊奇遜，黃少鋒.微機(jī)型繼電保護(hù)基礎(chǔ)〔M〕.北京：中國電力出版社，2012：98－104.

〔4〕范 征，王大偉，李海洪.煤礦配電網(wǎng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置設(shè)計與分析〔J〕.煤礦機(jī)電，2014（02）：13－19.

〔5〕王彥文，高 彥.煤礦供電技術(shù)〔M〕.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2013：106－109.

〔6〕李美英.6kV煤礦配電系統(tǒng)保護(hù)防越級跳閘的探討〔J〕.山東煤炭科技，2012（02）：162－164.