煤礦供電系統防越級跳閘保護裝置的設計

劉云庭

(山西鋪龍灣煤業有限公司，山西 大同 037100)

0 引言

煤礦供電系統在煤礦開采過程中扮演著非常重要的角色，是煤礦運營的動力來源[1]。目前煤礦井下因受巷道延伸方向所限，通常在同一方向上會布設多級供電所，同時，每一級變電所線路分級增多，致使線路越來越短，而供電電纜線路阻抗很小，當供電系統線路發生短路故障時，各級線路之間短路電流在數值上無明顯差別，這就導致各級原有繼電保護裝置難以按照短路電流數值大小來判斷短路故障點是否發生于本保護區，使保護整定難度變大，從而使線路發生開關誤動作、越級跳閘現象。煤礦供電系統發生越級跳閘時，會直接擴大井下的停電范圍，影響煤礦生產的安全以及煤礦開采的效率，甚至發生煤礦重大事故[2-3]。

為此，本文基于微機控制技術、總線通信技術、上位機監控技術設計了一種基于CAN總線通信的新型防越級跳閘保護裝置，可將故障線路快速、有選擇性地切除，有效地解決了煤礦井下供電系統出現的越級跳閘現象，提高了礦井供電系統的可靠性。

1 防越級跳閘保護裝置保護原理分析

防越級跳閘保護裝置在供電系統中的工作原理如圖1所示，整個保護系統由上位機監控平臺、CAN總線通信單元、多個防越級跳閘保護裝置以及供電系統設備組成。本文采用一種新型的CAN總線通信結合時限速斷保護策略來進行方案設計，具體為在地面變電站、井下中央變電站、采區變電站和移動變電站之間對應的線路斷路器上皆裝設本文設計的防越級跳閘保護裝置，多個防越級跳閘裝置之間通過CAN總線通信方式實現多級互聯，當供電網絡某一級線路發生短路故障時，都可不分主次地在任意時刻向其他節點發送故障消息，這樣各保護裝置可以根據故障信息做出故障判斷，決定是否進行故障操作，并采取相應的保護策略；同時各保護裝置可通過CAN總線與上位機監控平臺實現實時雙向通信，便于工作人員對供電系統進行遠程監控。

圖1 煤礦供電系統防越級跳閘保護裝置工作原理圖

2 保護裝置硬件方案設計與選型

2.1 防越級跳閘保護裝置硬件組成

本文所設計的防越級跳閘保護裝置硬件框圖如圖2所示。整個保護裝置包括微控制器、線路電參數采集單元、開關量輸入輸出單元、CAN總線通信單元、鍵盤輸入單元、液晶顯示單元、聲光報警單元和電源管理單元等。微控制器是保護裝置的核心部分，負責對故障信息、現場數據進行分析處理，完成工作人員及上位機監控平臺發出的控制指令，同時還要與其他保護裝置進行信息交互，協調各保護裝置工作狀態；線路電參數采集單元主要對故障線路的電流、電壓進行采集，并傳輸給微控制器，其中電流信號用于對故障進行分析判斷，電壓信號配合電流信號進行功率計算；開關量輸出單元用于接收微控制器發出的命令，并對線路斷路器進行啟停控制；開關量輸入單元用于對線路斷路器的工作狀態信號進行檢測，并實時傳輸給微控制器；聲光報警單元負責對線路故障進行報警，以便工作人員對故障點進行精準定位；鍵盤輸入單元用于電流整定參數的設定；液晶顯示單元用于對線路電流、電壓參數進行實時顯示；電源管理單元負責為保護裝置中的各個模塊進行供電；CAN總線通信單元主要為保護裝置之間、保護裝置與上位機監控平臺之間信息通信提供數據通道。

圖2 防越級跳閘保護裝置硬件框圖

2.2 微控制器選型

本系統中的微控制器需要完成線路電信號的實時采集、判斷分析，同時還要具有對保護算法的快速處理能力。根據保護裝置的功能需求，微控制器選用TI公司生產的TMS320F2812的DSP，該芯片性價比高、性能優良、功能豐富，是DSP主流產品之一。另外，該芯片內部集成了增強型eCAN模塊，對CAN2.0B協議完全兼容，這樣可以不用另外增加CAN控制器，非常適合本保護裝置[4]。同時，該芯片具有超強的系統處理能力和超高的運算精度，非常有利于保護策略和算法的執行。

2.3 線路電參數采集單元設計

線路電參數采集單元主要采集線路的電壓、電流等模擬量信號，線路中的電壓、電流等信號經過電壓互感器和電流互感器轉換，再經過信號調理電路、A/D轉換電路變成DSP可處理的數字信號。電參數采集單元硬件框圖如圖3所示。

圖3 電參數采集單元硬件框圖

電壓信號調理電路如圖4所示。圖4中，兩級反相比例放大器用于實現倍數放大；為了防止高次諧波的干擾，在前后兩個反相比例放大器之間增加了低通濾波電路；為了防止瞬態過電壓對保護裝置產生沖擊，在輸出端增加一個雙向瞬態電壓抑制器TVS。對于電流信號，可以采用同樣的信號調理電路，只是需要增加一個電流/電壓轉換電路，將電流互感器二次側的電流信號轉變成電壓信號，再進行信號調理[5]。

圖4 電壓信號調理電路

對于A/D轉換電路，本文設計的保護裝置采用MAXIM公司生產的MAX125轉換芯片，該芯片轉換速度快、轉換精度高，對于保護裝置的性能有很大的提升。

2.4 CAN總線通信電路設計

CAN總線通信電路對本保護裝置通信機制的實現具有很大的支撐作用。由于TMS320F2812內部集成有eCAN控制器，因此只需要在外部連接CAN總線驅動器，便可實現通信電路的互聯。本保護裝置選取德州儀器公司生產的SN65HVD230的CAN收發器，該收發器抗干擾能力強、可靠性高、通訊速率快。圖5為保護裝置接入CAN總線的連接圖。圖5中，在DSP與CAN總線收發器之間增加了一個隔離器AD-UM1201，這樣可以提高通信系統的抗干擾性能[6]。

圖5 保護裝置接入CAN總線連接圖

2.5 開關量輸入單元設計

開關量輸入單元主要用于對現場線路斷路器的開關工作狀態進行監測，開關量信號來源于斷路器QF的輔助常開、常閉接點[7]。開關量輸入單元的電路設計如圖6所示，斷路器的狀態信號將以二進制數字變化的形式傳送給微控制器，并在液晶顯示屏以及上位機監控平臺實時顯示其工作狀態。

圖6 開關量輸入電路

3 軟件設計

本文選用了TMS320F2812的DSP微控制器，故采用C語言進行程序編寫[8]。編寫時按照各個模塊所要實現的功能采用模塊化的設計理念，包括主程序和各功能子程序，由主程序實現統一調用。設計的程序模塊包括主程序、初始化程序、CAN總線通信程序、電參數信號采集程序、開關量輸入采集程序、開關量輸出控制程序、聲光報警程序和液晶顯示程序，并設計了中斷程序進行必要的中斷處理。圖7為本保護裝置的主程序流程框圖，主要通過檢測線路電流來進行故障判別，并通過新型的通信機制進行傳輸。

圖7 主程序流程框圖

4 結論

本文具體分析了煤礦供電系統越級跳閘現象發生的具體原因，針對目前供電線路保護裝置參數整定難度大、動作靈敏度低的問題，基于DSP控制技術和CAN總線通信技術設計了一種新型的防越級跳閘保護裝置，該保護裝置引入了一種新的通信機制，使得各級保護裝置在發生短路故障時實現互聯，使故障信息共享，減少了越級跳閘現象的發生。