礦井防越級跳閘綜合保護裝置硬件設計

田龍飛

(霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司)

1 礦井綜合保護裝置硬件總體結構

本研究設計的礦井綜合保護裝置由電網模型單元、電壓形成電路、STCl5F2K60S2單片機、STCllF32XE單片機、ATT7022CU、CAN總線通信、RS485通信、開關量輸出、開關量輸入、鍵盤和顯示等部分組成。具有防越級跳閘功能的礦井綜合保護裝置能夠實時自動監(jiān)測線路上的電流、電壓等參數，并具有數據處理、存儲、顯示等功能。當供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠進行自動報警，定位故障線路位置，合理安排上下級保護裝置選擇性跳閘[1]。防越級跳閘綜合保護裝置配置有RS485總線，可以將煤礦井下輸電線路上的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能計量等參數在上位機上進行顯示，同時保護裝置的整定值設定也可由上位機進行控制[2-3]。

2 控制單元選型

2.1 微控制器選型

礦井綜合保護裝置選擇STCl5F2K60S2單片機作為保護微控制器，實現電流采集、開關量輸出、CAN總線通信功能。STCl5F系列單片機的結構如圖1所示。STCl5F2K60S2單片機的程序存儲器(Flash)為60 kB、數據存儲器(AUX-RAM+RAM)為2 kB，完全能夠滿足裝置對程序存儲、數據運算容量的要求。本研究礦井綜合保護裝置選擇STC11F32XE單片機作為測量微控制器，實現ATT7022CU計量芯片通信、開關量輸入、RS485通信功能。STC11F32XE單片機內核結構與早期英特爾、愛特梅爾等公司生產的單片機并無差異，但是在性能和價格方面優(yōu)勢較明顯[4-7]。

2.2 數據采集系統(tǒng)

礦井綜合保護裝置數據采集系統(tǒng)內部結構包括電壓形成(CT、PT)模塊、模擬濾波(ALF)模塊、采樣保持(S/H)模塊、多路轉換開關(MPX)模塊、模數轉換(A/D)模塊等(圖2)，數據采集系統(tǒng)的主要功能是將二次電流和二次電壓模擬量信號正確轉換成所需的數字量信號。

2.3 通信單元

礦井綜合保護裝置配置有CAN總線和RS485總線，CAN總線用于煤礦井下供電系統(tǒng)防越級跳閘通信中，RS485總線用于上位機讀取煤礦供電網的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能計量等參數的通信中，RS485總線還可以執(zhí)行上位機的控制命令，如閉合或關斷煤礦井下某一處開關站的斷路器、隔離開關等。

(1)CAN總線。礦井綜合保護裝置中的CAN總線控制器選擇美國微芯科技公司生產的MCP2515型控制器。該款器件是一種非嵌入式、串行通信的支持CAN-V2.1A和CAN-V2.0B技術規(guī)范的控制器，其內置的驗收屏蔽寄存器和驗收濾波寄存器能夠濾除非本單片機識別的報文，此外，該型控制器具有標準串行外設接口(SPI)，可以減輕STC15F2K60S2單片機運行負擔，從而提高MCP2515控制器與STC15F2K60S2單片機的通信速率。礦井綜合保護裝置中的CAN總線收發(fā)器選擇飛利浦半導體公司生產的TJA1050型收發(fā)器。該型器件是一種支持差分信號傳輸的先進CAN收發(fā)器。

圖1 STCl5F系列單片機結構

圖2 礦井綜合保護裝置數據采集系統(tǒng)內部結構

(2)RS-485總線。RS-485通信接口采用SN888C型芯片進行收/發(fā)狀態(tài)控制。SN888C芯片含有極性校正器和高能量瞬變干擾保護裝置，此外，還具有熱插拔功能。本研究采用了高速光隔方式將STC15F2K60S2單片機系統(tǒng)與SN888C通信控制器進行隔離，可有效避免因外部輸電線路所帶來的噪聲對內部系統(tǒng)產生的干擾[4]。

2.4 計量芯片

本研究設計的礦井綜合保護裝置所具有的高精度測量功能是由ATT7022CU芯片實現。該款芯片內部包括時鐘控制電路、模擬信號采樣、數字信號處理、脈沖生成器、SPI通訊接口、電源管理等模塊，不僅能夠測量礦井供電系統(tǒng)各相和合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量、無功能量，還能夠測量礦井供電系統(tǒng)各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等[5-7]。

2.5 開關量輸入和輸出

礦井綜合保護裝置中開關量輸入電路的作用是將隔離開關、斷路器的開關狀態(tài)輸入STC11F32XE單片機中，以便STC11F32XE單片機進一步進行邏輯處理。該裝置中的開關量輸出電路的作用是用于驅動跳閘出口繼電器。

3 結 語

詳細分析了礦井防越級跳閘綜合保護裝置的硬件總體架構及功能設計，針對礦井環(huán)境惡劣、電磁干擾嚴重的問題，提出了硬件防干擾措施：①電源是最容易受到干擾的模塊，除了選用穩(wěn)定性能好的開關電源之外，還應在電源輸入部分加入能夠抑制高頻諧波的高頻扼流線圈；②在電源輸入部分加入氧化鋅壓敏電阻、放電管，可以有效限制過電壓，防止雷擊閃電引起的浪涌電壓對電源模塊造成損壞；③在CAN總線通信、RS-485通信中，加入6N137、TLP181高速光電隔離裝置，可以有效避免將通信線路中的干擾信號引入到微控制器中，確保微控制器穩(wěn)定運行；④在模擬量采集電路中，加入微型電流互感器、微型電壓互感器，不僅可以起到電流、電壓變換的作用，還能夠將礦井供電系統(tǒng)的強電氣量與微控制器處理電路中的弱電氣量隔離開來，確保微控制器模數轉換不受影響，提高轉換精度；⑤在礦井綜合保護裝置開關量輸出電路抗干擾設計中，采用2個輸出端口控制開關量輸出，并且當2個端口輸出狀態(tài)相反時，跳閘出口的繼電器方可動作，可以有效防止外部干擾引起跳閘出口的繼電器誤動或拒動。