基于CAN總線的煤礦供電系統(tǒng)線路保護裝置設計

張修太， 張?zhí)禊i， 朱元辰， 束芳芳

(1.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院 河南 安陽 455000；2.許繼電氣股份有限公司 河南 許昌 461000)

基于CAN總線的煤礦供電系統(tǒng)線路保護裝置設計

張修太1， 張?zhí)禊i1， 朱元辰2， 束芳芳2

(1.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院 河南 安陽 455000；2.許繼電氣股份有限公司 河南 許昌 461000)

設計了一種對煤礦供電系統(tǒng)輸電線路進行保護的裝置.該裝置以32位ARM處理器MB9BF518S為控制核心，以CAN總線為通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對煤礦供電系統(tǒng)輸電線路電壓、電流、有功功率、無功功率等參數(shù)的測量和監(jiān)控，并可以對輸電線路發(fā)生的短路、過電流、低電壓等故障進行有效的保護.敘述了保護裝置的總體功能和基本結構，給出了信號變換電路、CAN總線接口電路和開關量輸入電路的設計方案，分析了電流速斷保護和反時限過流保護的保護邏輯，并給出了保護裝置的部分測試數(shù)據(jù).該保護裝置結構簡單、操作方便、可靠性高，能夠滿足煤礦供電系統(tǒng)對輸電線路保護的要求.

煤礦； 供電系統(tǒng)； 線路保護； 保護裝置； CAN總線

0 引言

目前，我國煤礦常采用6 kV 或10 kV供電系統(tǒng)，隨著煤礦井下生產(chǎn)工作面的不斷向前延伸，高壓供電電纜及設備不斷深入供電系統(tǒng)末端，每個采礦區(qū)有多個分區(qū)變電站擔負工作面供電，具有分布區(qū)域廣、設備多、距離遠等特點，造成井下供電系統(tǒng)分級過多，使得煤礦供電系統(tǒng)大多采用縱向、多層級、短距離垂直的供電模式[1-3].在該供電模式下，煤礦井下供電系統(tǒng)線路保護普遍面臨著速斷保護定值無法整定、失壓保護零時延、保護器功能不全等問題，導致煤礦井下供電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)短路、過流、欠壓、漏電等故障，特別是當供電線路發(fā)生短路故障時，不能構成有效的縱向選擇性短路保護系統(tǒng)，引起越級跳閘事故，造成煤礦井下大面積停電，極大影響了煤礦井下供電系統(tǒng)的安全[4-5].

微機型綜合保護裝置把繼電保護與自適應控制技術、網(wǎng)絡通信技術、計算機控制技術等結合起來，實現(xiàn)了測量、保護、控制和數(shù)據(jù)通信的一體化，是繼電保護裝置的發(fā)展趨勢.本文結合當前煤礦井下供電系統(tǒng)線路保護的特點，提出了一種基于CAN總線的線路保護裝置設計方案.該方案利用CAN總線通信技術實現(xiàn)各級保護裝置的信息共享，通過上位機對保護信息進行綜合判斷和統(tǒng)一控制，實現(xiàn)上下級保護裝置的選擇性跳閘，提高繼電保護的可靠性，從而解決越級跳閘問題，并可以實現(xiàn)煤礦井下供電系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控和遙調(diào)功能，為煤礦井下采區(qū)變電站實現(xiàn)無人值守創(chuàng)造必要條件.

1 保護裝置的總體功能

1.1 線路保護的基本方案

保護裝置實現(xiàn)供電系統(tǒng)線路保護的基礎是構建一個基于CAN總線的通信網(wǎng)絡，保護裝置利用CAN總線實現(xiàn)點對點或一點對多點的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)保護裝置與監(jiān)控主機之間的快速信息交換.監(jiān)控主機根據(jù)各保護裝置上傳的數(shù)據(jù)信息迅速判斷線路故障的位置，實現(xiàn)上下級保護裝置的相互配合，進行有選擇性的保護動作，防止越級跳閘事故的發(fā)生，提高供電系統(tǒng)的可靠性，其線路保護基本方案示意圖[6-7]如圖1所示.

圖1 線路保護基本方案示意圖Fig.1 The general scheme of line protection

CAN總線數(shù)據(jù)通信具有實時雙向的特點，通信網(wǎng)絡中的任一節(jié)點均可以向網(wǎng)絡中的其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù).各保護裝置在數(shù)據(jù)通信時被配置成不同的CAN總線仲裁級別，同一級別保護裝置的仲裁級別相同.當有多個保護裝置同時向總線發(fā)送傳輸數(shù)據(jù)請求時，優(yōu)先級別較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，優(yōu)先級別最高的節(jié)點可不受其他節(jié)點影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù).在圖1中，各保護裝置的CAN總線仲裁級別為：QF6> QF5>QF4>QF3>QF2>QF1，在供電系統(tǒng)中的保護跳閘級別為：QF6< QF5< QF4< QF3< QF2< QF1，保護跳閘級別低的保護裝置在檢測到故障電流時最先跳閘.假設當供電線路中的K1處發(fā)生短路故障時，QF4、QF3、QF2、QF1的保護裝置均可以檢測到短路電流，并同時向CAN總線網(wǎng)絡發(fā)出故障信息，根據(jù)CAN 總線網(wǎng)絡仲裁的標準，QF4的保護裝置會首先占據(jù)總線并發(fā)出故障信息，監(jiān)控主機根據(jù)收到的數(shù)據(jù)報文地址來判斷故障源的位置，并對QF4的保護裝置發(fā)出跳閘指令，同時使QF3、QF2、QF1的保護裝置進入保護延時(可以整定，設整定值為100 ms)，延時結束后如果故障沒有解除，監(jiān)控主機向QF3的保護裝置發(fā)出跳閘指令，并讓QF2、QF1的保護裝置再進入保護延時.這樣如果QF4的保護裝置正常工作，則由其本身跳閘切除故障線路；如果QF4的保護裝置拒動，則由QF3的保護裝置延時100 ms后跳閘切除故障線路；如果QF4和QF3的保護裝置均拒動，則由QF2的保護裝置延時200 ms后跳閘切除故障線路.因此，可以通過合理安排各級保護裝置之間的保護動作時限，完成各級保護裝置之間的保護閉鎖，從而實現(xiàn)有選擇性的跳閘動作，防止越級跳閘事故的發(fā)生.

1.2 保護裝置的主要功能

1.2.1 “四遙”功能 保護裝置能夠?qū)崟r自動檢測供電線路上電流、電壓等電氣量的狀態(tài)，完成電壓、電流、有功功率、無功功率等參數(shù)的測量與計算，并將結果上傳給監(jiān)控主機，實現(xiàn)“遙測”功能；保護裝置能夠遠程檢測斷路器、接觸器、刀閘開關等的位置信號，實現(xiàn)“遙信”功能；保護裝置能夠遠程控制煤礦井下開關斷路器或接觸器的分閘與合閘操作，實現(xiàn)“遙控”功能；保護裝置能夠遠程在線進行保護參數(shù)查詢與整定、通信設置整定、保護信號復位等，實現(xiàn)“遙調(diào)”功能.

1.2.2 保護功能 保護裝置配置有三段式電流保護(電流速斷保護、限時電流速斷保護和過電流保護)、反時限過流保護、漏電流保護、三段式低電壓保護、三段式過電壓保護、零序過壓保護、負序過流保護和非電量保護等保護功能.每種保護功能都設置有保護軟壓板，通過對保護軟壓板的控制，可以靈活地投入或退出保護功能.

1.2.3 故障告警功能 保護裝置具有故障告警功能，當保護裝置檢測到故障信息后，能夠以蜂鳴器、語音提示、LCD顯示等形式向值班人員發(fā)出故障告警信息，提示工作人員線路發(fā)生故障.如果保護裝置自身發(fā)生故障，保護裝置也會發(fā)出故障信息，并閉鎖保護功能，當故障解除后方可重新上電工作.

1.2.4 故障定位功能 保護裝置能夠?qū)z測到的故障信息上傳至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機通過分析處理故障信息后,定位故障線路保護裝置的位置，并通知維修人員，以便準確查找故障線路，及時處理故障.

2 硬件電路設計

2.1 硬件電路總體結構

保護裝置的硬件電路設計采用插件式結構，主要包括CPU插件、交流信號輸入插件、通信插件、開關量插件、人機對話插件和電源插件等，其基本結構框圖[8-9]如圖2所示.

圖2 硬件電路設計結構框圖Fig.2 Configuration of the hardware circuit design

CPU插件為保護裝置的核心，由ARM微處理器(Cortex-M3家族的32位處理器MB9BF518S)、存儲電路、晶振電路、復位電路等構成，主要起數(shù)據(jù)采集與計算、保護邏輯判斷、線路故障處理、數(shù)據(jù)通信控制、數(shù)據(jù)存儲等作用.交流信號輸入插件主要由電壓互感器、電流互感器和信號變換電路構成，用以采集供電線路上的三相電壓和三相電流信號，并對采集后的信號進行電壓變換和濾波處理.通信插件包括RS485通信接口電路和CAN總線接口電路，用于保護裝置與其他設備或監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)通信.開關量插件包括開關量輸入電路和開關量輸出電路，開關量輸入電路用于采集斷路器、接觸器等的位置信號，開關量輸出電路用于驅(qū)動保護裝置的出口繼電器.人機對話插件由液晶顯示、按鍵和燈光指示電路等構成，主要功能是顯示保護裝置的輸出信息、設置保護裝置的工作狀態(tài).電源插件的作用是為整個保護裝置提供合適的工作電壓.

2.2 交流信號輸入電路設計

在交流信號輸入電路中，三相電壓輸入信號使用變比為120 V/7.07 V(有效值)的電壓互感器采樣，三相保護電流輸入信號使用變比為100 A/7.07 V的電流互感器采樣，三相測量電流輸入信號使用變比為5 A/3.53 V的電流互感器采樣，零序電流使用變比為20 A/7.07 V的電流互感器.三相電壓和三相電流經(jīng)過互感器采樣后，變換成幅值為10 V的正弦信號，由于微控制器MB9BF518S內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器只能對0～5 V的單極性電壓信號進行轉(zhuǎn)換，因此，需要將-10 ～10 V的正弦信號變換成0～5 V的單極性信號[10].

信號變換電路[11]的設計如圖3所示，電壓互感器或電流互感器的輸出信號IN首先經(jīng)過由6.2 kΩ和1 kΩ電阻構成的分壓電路，將-10～10 V的正弦信號變換為-1.37 ～1.37 V的正弦信號，然后依次經(jīng)過由精密運算放大器TLC4502構成的電壓跟隨器、反相求和運算電路、反相比例運算電路，轉(zhuǎn)變成0.13～2.87 V的單極性信號，并由750 Ω電阻和100 nF電容構成的低通濾波電路進行濾波，最后送入MB9BF518S內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端進行模數(shù)轉(zhuǎn)換.

圖3 信號變換電路Fig.3 Signal transform circuit

2.3 CAN總線接口電路設計

保護裝置的通信插件包括RS485通信接口電路和CAN總線接口電路，由于MB9BF518S內(nèi)部已經(jīng)集成了CAN總線控制器，設計電路時只需外加CAN總線收發(fā)器和簡單的外圍電路就可以組成CAN總線通信電路.CAN總線接口電路如圖4所示，圖中的CTM8251T是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器，內(nèi)部集成了用于CAN通信所需要的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，能夠?qū)AN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換成CAN總線的差分電平，并具有DC 2 500 V的隔離功能，具有較高的抗電磁干擾性能.CTXD、CRXD表示CAN控制器的發(fā)送端與接收端；CAN_L、CAN_H表示CAN總線的信號連接端.

2.4 開關量輸入電路設計

開關量輸入電路設計采用AC 220直接開入方式，其電路[12-13]連接如圖5所示.DIIN表示開關量輸入端，DICOM表示公共端，DIOUT表示開關量輸入電路的輸出端.當DIIN端有開關量輸入信號時，輸入信號經(jīng)過限流、整流、濾波后送至光電耦合器TLP521的輸入端，TLP521導通，輸出端DIOUT變?yōu)榈碗娖剑?jīng)軟件消抖處理后確定有外部開關量輸入.

圖4 CAN總線接口電路Fig.4 CAN bus interface circuit

圖5 開關量輸入電路Fig.5 Switch signal input circuit

3 保護功能的保護邏輯分析

3.1 三段式電流保護

保護裝置設有電流速斷保護、限時電流速斷保護、過電流保護三段式電流保護功能.保護功能由保護軟壓板控制，當保護軟壓板投入時保護功能啟動，當保護軟壓板退出時保護功能禁止，保護功能啟動時具有防越級跳閘閉鎖延時功能.電流速斷保護具有低電壓閉鎖和TV斷線閉鎖功能，其保護邏輯設計[14]如圖6所示，其中Ia、Ib、Ic表示三相保護電流的測量值，Iset表示電流速斷保護動作的整定值，Uab、Ubc、Uca表示三相電壓的測量值，Uset表示低電壓閉鎖的電壓整定值，Tset表示延時時間整定值.在設計時，Iset的整定范圍為0.05 ～200 A，步長為0.01 A；Uset的整定范圍為1 ～200 V，步長為0.01 V；Tset的整定范圍為0～200 s，步長為0.01 s；防越級跳閘閉鎖延時的整定范圍為0～200 s，步長為0.01 s.

3.2 反時限過流保護

反時限過流保護包括一般反時限、非常反時限和極端反時限3種形式，用戶可以根據(jù)實際情況需要選擇一種保護形式投入使用[15].反時限過流保護的特性曲線可以表示為

(1)

(2)

(3)

式中：t表示反時限過流保護的動作時間;I表示故障電流采樣值;Ip表示保護基準電流整定值;Tp表示保護時間常數(shù)整定值.反時限過流保護的保護邏輯設計如圖7所示，其中Ip的整定范圍為0.05 ～200 A，步長為0.01 A；Tp的整定范圍為0～200 s，步長為0.01 s.

圖6 電流速斷保護邏輯圖Fig.6 Logic diagram of current quick-breaking protection

圖7 反時限過流保護邏輯圖Fig.7 Logic diagram of inverse-time over-current protection

4 保護功能測試

為了驗證保護裝置在多級縱向垂直系統(tǒng)供電中保護功能的正確性，按照煤礦井下三級變電站供電情況搭建如圖8所示的試驗電路.圖8中的QF1～ QF6為高壓防爆開關，其中QF1的電流互感器變比設置為400/5，電流速斷保護動作延時時間整定值設置為320 ms；QF2、QF3的電流互感器變比設置為300/5，電流速斷保護動作延時時間整定值設置為160 ms；QF4、QF5的電流互感器變比設置為200/5，電流速斷保護動作延時時間整定值設置為80 ms；QF6的電流互感器變比設置為100/5，電流速斷保護動作延時時間整定值設置為0 ms；QF1～ QF6保護裝置的電流速斷保護整定值均設置為100 A.

圖8 試驗電路原理圖Fig.8 The diagram of test circuit

假設實驗電路中的故障點分別發(fā)生在A、B、C處，將電流快速上升至100 A以上，模擬線路發(fā)生短路故障，高壓防爆開關均正常工作的測試結果如表1所示.假設故障點發(fā)生在D處，分別模擬高壓防爆開關QF3拒動和QF3、QF2均拒動的測試結果如表2所示.從測試結果可以看出，所設計的保護裝置能夠滿足煤礦井下供電系統(tǒng)對電流速斷保護的要求，且具有防越級跳閘功能.

表1 開關正常工作的測試結果

表2 開關拒動的測試結果

5 結論

所設計的煤礦供電系統(tǒng)線路保護裝置采用32位ARM處理器MB9BF518S作為控制核心，以CAN總線構成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，具有硬件電路結構緊湊、軟件功能豐富等特點，能夠?qū)γ旱V供電系統(tǒng)所產(chǎn)生的線路故障進行全面保護，并且線路短路保護具有防越級跳閘功能，實現(xiàn)了煤礦供電線路保護的智能化和網(wǎng)絡化，提高了煤礦供電系統(tǒng)運行的可靠性，具有較高的應用價值.

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(責任編輯：孔 薇)

Design of Transmission Line Protection Device in Coal Mine Power Supply System Based on CAN Bus

ZHANG Xiutai1, ZHANG Tianpeng1, ZHU Yuanchen2, SHU Fangfang2

(1.SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,AnyangInstituteofTechnology,Anyang455000,China; 2.XJElectricCO.,LTD，Xuchang461000,China)

The protection device was designed for the transmission line protection in coal mine power supply system. The 32-bit ARM processor MB9BF518S was used as a core component in this device, and the CAN bus was used as the communication network. It could monitor the voltage, current, active power and reactive power, and the device could provide effective protection for the fault of the transmission line such as short circuit, over current, and low voltage. The logic diagrams of current quick-breaking protection, inverse-time over-current protection were analyzed, and test data of the protection device was provided. The overall function and the fundamental structure were discussed and the design schematic diagrams of signal transform circuit, CAN bus interface circuit, and the switch signal input circuit were given. This protection device could meet the requirements of the transmission line protection in coal mine power supply system, and it had higher application value, with the features of simple structure, easy operation, and high reliability.

coal mine; power supply system; line protection; protection device; CAN bus

2015-11-30

張修太(1971—)，男，河南范縣人，副教授，碩士，主要從事自動化研究，E-mail:925001334@qq.com；通訊作者：張?zhí)禊i(1980—)，男，河南南陽人，講師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護與控制研究，E-mail:zhangtp80@163.com.

張修太，張?zhí)禊i，朱元辰，等．基于CAN總線的煤礦供電系統(tǒng)線路保護裝置設計[J]．鄭州大學學報(理學版)，2016，48(2)：110-115.

TD611

A

1671-6841(2016)02-0110-06

10.13705/j.issn.1671-6841.2015291