關于礦井供電系統防越級跳閘系統的研究

羅賢虎

（霍州煤電集團三交河煤礦，山西臨汾 041600）

0 引言

中國既是能源生產大國，同時也是能源消耗大國。根據相關統計研究表明，在全球能源系統中，煤炭能源占據所有能源的一半以上。而在中國的能源體系中，煤炭資源所占的比例更高，達到了64%左右[1]。雖然中國近年來在大力調整能源結構，但是在未來相當長的一段時間內，當前的能源格局不會出現較大變化。煤炭能源仍然會在中國社會經濟發展中發揮著舉足輕重的作用[2]。礦井供電系統的安全穩定運行是保證煤炭生產持續推進的重要基礎[3]，如果礦井供電系統出現故障問題，會導致整個生產線停機無法正常工作，嚴重時可能對機電設備造成不可逆轉的損壞，甚至可能引發人員傷亡的重大安全事故[4-5]。因此非常有必要對礦井供電系統進行深入分析，提升運行的可靠性[6]。本文對礦井供電系統防越級跳閘系統進行了研究，對于確保礦井供電系統的安全運行有重要的實踐意義。

1 防越級跳閘系統總體架構及其工作原理

1.1 系統總體框架結構

本文研究的礦井供電系統防越級跳閘系統是基于GOOSE通信網絡組建。如圖1 所示為礦井供電系統防越級跳閘系統總體框架圖，系統通過分層方式進行布置，總共劃分成為3個層級。從圖中可以看出，間隔層主要包括地面微機和井下高開綜合保護裝置，網絡層主要包括地面和井下隔爆GOOSE交換機，為確保數字信息傳輸速度，各交換機之間通過光纖通信網絡進行連接。位于地面的通訊管理機以及礦井隔爆電力監控分站將對應變電所的數據信息通過光纖網絡傳輸到監控系統內部。網絡層主要由GOOSE 交換機以及光纖網絡組成。管理層主要由調度中心、通訊管理機以及井下隔爆電力監控分站構成。

圖1 煤礦井下供電系統防越級跳閘系統總體框架圖

1.2 防越級跳閘基本原理

通過GOOSE通信網絡構建供電系統各級保護之間的聯系。在整個供電系統范圍內，如果發現有其中一級保護檢測到對應電路中出現了電路故障問題，就可通過GOOSE通訊網絡向外發出閉鎖信號，對上一級保護進行閉鎖，這樣就可以將電路故障問題對整個供電系統造成的影響控制在非常小的范圍內。如果斷路器出現無法正常工作的情況，上級保護也能快速動作。如果出現母線故障，也能在最短的時間內進行跳閘保護。

2 防越級跳閘系統硬件設計

2.1 硬件系統總體架構

系統在正常工作時涉及很多數據采集以及算法分析，同時還需要確保GOOSE通信網絡滿足實時性要求。為了達到上述要求，本系統使用了2 個處理器同時進行工作，2 個處理器相互協調配合工作，使得系統存儲量大的同時還能通過以太網進行數據通信。主處理器型號為ADSP-21065L，功能是對數據信息進行采集并處理，利用設置的保護算法對接地故障進行分析和判斷，協處理器型號為MCF54415，功能是進行通訊、對時，實現人機交互，對故障錄波進行存儲并報告等。如圖2所示為防越級跳閘系統硬件總體框架圖。硬件系統通過模塊化思路進行設計，下面對一些核心模塊進行細致介紹。

2.2 電源模塊

電源利用PT（AC100V）供電，三相電壓電路進入系統后可劃分為兩部分。其一，通過信號調理后為防越級跳閘系統進行供電，輸出電壓值范圍較大，為3.3～24 V。其二，通過電磁隔離后對其實施采樣，得到的數據信息經過A／D轉換后傳輸至主處理器中進行分析處理。為提升電源模塊可靠性，系統還設置了儲能電容。即便電源無法正常供電，通過儲能電容還能持續供電，確保系統的正常工作。

圖2 防越級跳閘系統硬件總體框架圖

2.3 交流采樣模塊

A／D轉換器是交流采樣模塊的關鍵，系統通過MAX125芯片完成相關工作。該型號轉換器由美國公司生產，通過一片A／D芯片就能夠滿足系統使用需要。該模塊需要通過±5 V雙極性電源進行供電，當電壓信號在-5～+5 V范圍時都可以進行采集并轉換，轉換時間最快可以達到3μs，誤差可以控制在0.008%以內。

2.4 開關量輸入／輸出模塊

風電、瓦電閉鎖信號開關位置都可作為系統開關量輸入信號。系統使用了光電隔離技術，可有效避免開關量信號進入CPU，能確保開關量信號的安全性。其中，使用的光電隔離硬件設施為TLP521型號，可以對干擾信號進行有效隔離。

系統涉及到的開關量輸出信號主要包括閉鎖合閘、合閘、分閘等。當工作人員通過遠程方式控制跳閘或合閘，或者系統檢測到存在電路故障問題時，系統會發出開關量輸出信號實現對應的分合閘動作或者跳閘隔離動作。處理器中輸出的開關量輸出信號同樣需要通過光電隔離技術和繼電器處理，經過上述兩道工序處理可有效避免切斷故障時產生的大電壓對整個防越級跳閘系統造成的有害沖擊。

2.5 以太網通信模塊

選用LXT971A型號芯片作為以太網通信核心芯片，該芯片能夠有效兼容IEEE802.3標準，支持的接口形式也比較多，可以通過100 Mb／s的光纖進行連接，完全能夠滿足系統對于數據傳輸實時性的要求。LXT971A芯片和網絡變壓器進行直接連接，在進行數據信號傳輸過程中，芯片首先對數據信號進行耦合濾波處理，然后將其轉換成與網絡相匹配的電平信號。利用以太網接收信號時，通過轉換電路將網絡信號轉變成為系統能夠識別的電平信號。

3 防越級跳閘系統軟件程序設計

3.1 處理器軟件架構

對于主處理器而言，其框架主要由兩大部分構成，分別為主程序和中斷服務程序。主程序的功能是對整個系統進行監控并完成相關功能。中斷程序按照設定的周期，間斷性地向主程序發出中斷請求，對于擁有較高實質性要求的故障判斷與保護功能，可以通過這個程序進行實現。

通過VxWorks平臺搭建協處理器軟件程序，VxWorks 平臺在工業領域有非常廣泛的應用，可靠性較高，具有很好的硬件兼容性、內存管理以及定時器的功能。可以按照任務的優先級別進行調度，對于級別較高的任務，可以優先搶占CPU資源執行，確保了運行的效率。

3.2 保護與防越級跳閘功能實現流程

為達到最好的礦井供電系統保護效果，系統對電流保護以及防越級跳閘判斷提出了非常高的要求，要求具備非常高的實時性，所以通過中斷服務程序執行此項任務。對于其他一些對實時性要求不是非常高的任務，可以交由主程序完成。如圖3所示為系統防越級跳閘基本原理圖。

圖3 防越級跳閘功能實現流程圖

通過逐級閉鎖的方式完成防越級跳閘工作，具體過程可以描述如下。

（1）供電系統出現短路故障問題時，通過保護裝置對電路故障進行檢測，對閉鎖元件進行開啟，并且通過GOOSE通信網絡將相關故障信息傳輸至上級保護裝置。

（2）在系統設置的時間范圍內，如果沒有接收到下級保護裝置發出的故障閉鎖信息，就進行跳閘出口。等到系統設定的解鎖時間期滿，或者接收到下級保護裝置發出的解鎖信號，如果接收到了解鎖信號就進行解鎖。相反的，如果沒有接收到解鎖信號，保護裝置就會對故障進行切除。

（3）出現保護動作后，對于斷路器的拒動，需要通過保護裝置進行判斷。如果已經切除故障而故障電流不復存在，則向上級保護裝置發出解鎖信號；如果斷路器拒動問題無法排除，同樣需要將信號傳輸至上級保護裝置。

（4）為避免保護出現長時間閉鎖的問題，系統中設定了一個時間閾值。如果在設置的時間閾值范圍內，故障問題得不到有效排除，系統就會通過保護裝置強制將故障進行切除。

將本文設計的防越級跳閘系統應用到礦井供電系統中，取得了良好的應用效果。在1年時間的實踐運行過程中，礦井供電系統沒有出現越級跳閘故障問題，有效保障了礦井供電系統運行的可靠性。

4 結束語

礦井供電系統的穩定運行對保障井下安全有著重要的意義，而礦井供電系統的越級跳閘問題是影響其可靠穩定運行的重要不利因素。本文充分利用GOOSE通訊網絡技術，構建了礦井供電系統防越級跳閘系統。經過1年實踐的運行，取得了良好的應用效果，可以有效避免供電系統出現越級跳閘問題，在很大程度上維系了供電系統運行的安全性和可靠性。