煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置優(yōu)化

2023-07-26 09:30:30金莉鑫

山西焦煤科技 2023年5期

金莉鑫

山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司東曲煤礦, 山西太原 030200)

煤礦安全供電是礦井安全生產、礦工安全工作的基本保障。煤礦供電系統(tǒng)必須滿足國標規(guī)定的可靠與靈敏特征。因此,對供電系統(tǒng)中繼電保護裝置的可靠性、選擇性、靈敏性以及速動性提出了更高的要求。目前,煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置普遍存在速斷過流保護值設定不合理、漏電保護選擇性差、保護功能不完善、通訊能力弱等問題,導致供電系統(tǒng)發(fā)生短路、漏電、過流以及越級跳閘等故障,嚴重影響了礦井安全、可靠供電[1-2]. 因此,研究并優(yōu)化煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置意義重大且十分必要。本文提出一種基于ARM9處理器的煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置優(yōu)化方案,達到完善保護功能、防止越級跳閘、增強通訊能力的目的。在此基礎上,完成系統(tǒng)測試,驗證優(yōu)化方案的正確性和適用性。

1 煤礦繼電保護裝置分析

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置用于實現(xiàn)過流三段保護、變壓器保護、零序保護等,根據《煤礦電工手冊》等對繼電保護裝置短路電流進行校驗和整定。煤礦供電系統(tǒng)實際運行時,最大運行方式下的短路電流與最小運行方式下的短路電流變化較為平緩,短路電流曲線見圖1[3]. 因此,煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置存在的問題主要有:1) 由于礦井供電系統(tǒng)配電級數多、供電回路距離短、阻抗小,短路電流相差小,整定困難。2) 無法同時滿足繼電保護裝置的選擇性和靈敏性。3) 存在越級跳閘風險,極易導致礦井較大范圍停電。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)短路電流曲線圖

2 繼電保護裝置優(yōu)化設計

2.1 硬件設計

2.1.1 總體設計

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置硬件總體設計見圖2,以S3C2440AL-40 ARM9處理器為核心,主要完成繼電保護裝置的保護及控制、數據采集以及通訊。

1) 保護及控制功能。控制繼電保護裝置中的分合閘實現(xiàn)線路控制,采用軟壓板對繼電保護裝置進行有效保護。

2) 數據采集功能。S3C2440AL-40控制器采集隔離開關、斷路器等數字量信息對繼電保護裝置的運行狀態(tài)進行實時、有效的監(jiān)控;采集TA二次側電流、電壓模擬量信息分析供電系統(tǒng)的故障。

3) 通訊功能。通過TCP/IP通訊將繼電保護裝置的保護、監(jiān)控信息上傳至煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng);通過光纖通訊實現(xiàn)兩側差動保護設備間的信息交互,實現(xiàn)光電信號的轉換;通過RS485通訊將繼電保護裝置所有數據傳送至人機交互模塊,實現(xiàn)本地實時監(jiān)測。

圖2 繼電保護裝置硬件總體設計圖

2.1.2 最小系統(tǒng)設計

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置硬件最小系統(tǒng)以S3C2440 AL-40芯片為核心,采用總線架構擴展晶振電路、復位電路、SDRAM電路、FLASH電路以及電源電路。設計12 MHz無源晶振+外接32.768 kHz晶振方案,提供精確的時間基準[4-5]. 采用IMP811 S芯片設計上電、手動兩種復位方案,解決程序運行時的卡死、循環(huán)異常。外擴兩片32 MB的K4S561632 N芯片組成SDRAM電路,實現(xiàn)程序的穩(wěn)定、可靠、高效運行。采用K9F1G08芯片完成外擴FLASH電路,實現(xiàn)掉電數據保存并達到理想的讀寫效率。設計12 V、5 V、3.3 V電壓等級的電源電路,為硬件系統(tǒng)元器件提供持續(xù)穩(wěn)定的電流,其中12 V電源用于驅動繼電器負載,5 V、3.3 V用于驅動芯片,利用AMS1117芯片實現(xiàn)電壓變換。

2.1.3 擴展電路設計

1) 模擬信號調理電路。

模擬信號調理電路的作用是實現(xiàn)TA二次側電壓轉變?yōu)檫m合A/D轉換器輸入的弱電信號,電路設計見圖3,通過LM324運放實現(xiàn)。基于ADC控制器、ADC轉換數據寄存器將經過調理之后的0～3.3 V電壓信號進行模/數轉化,將轉化結果保存于相應的寄存器裝置中。

圖3 模擬信號調理電路圖

2) 數字量輸入/輸出電路。

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置共設置9路數字量輸入信號,如斷路器閉合信號、斷路器分位信號等,數字量輸入電路見圖4,完成9路信號的獲取;共設置5路數字量輸出信號,如保護跳閘、保護分閘信號等,數字量輸出電路見圖5,完成5路信號的輸出。

圖4 數字量信號輸入電路圖

圖5 數字量信號輸出電路圖

3) 通訊電路。

通訊電路包括光纖通訊、TCP/IP通訊以及RS485通訊,其中光纖通訊電路設計原理見圖6. 光纖通訊主要實現(xiàn)繼電保護裝置兩側差動保護設備的數據通訊。S3C2440 AL-40芯片將需要傳輸的數據按照規(guī)則進行組幀并發(fā)送給PHY芯片[6]. PHY芯片接收到數據幀后按照規(guī)則進行解碼并將解碼后的數據信息傳送給光模塊。光模塊經光纖將數據傳輸至對側單元并將光信號轉換為電信號,輸入至核心處理芯片進行處理。在光纖通訊時,PHY芯片選用因特爾的LXT971A芯片,滿足IEC61850-9-2協(xié)議要求,符合繼電保護裝置光纖傳輸要求。光模塊選用Agilent的AFBR-5803ATZ芯片,實現(xiàn)電光轉化。TCP/IP通訊用于實現(xiàn)繼電保護裝置與礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)間的數據傳輸;RS485通訊用于實現(xiàn)繼電保護裝置與本地人機界面間的數據傳輸。

圖6 光纖通訊電路圖

2.2 軟件設計

2.2.1 開發(fā)環(huán)境

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置軟件開發(fā)環(huán)境基于μc/OS-Ⅱ實現(xiàn),完成編輯、編譯功能。μc/OS-Ⅱ開發(fā)環(huán)境實時性強,可實現(xiàn)不同任務單元的單獨運行,可結合優(yōu)先級搶占實時內核,可采用軟中斷調用不同的功能單元,程序單元間相互獨立并具備就緒、運行、停止3種狀態(tài)。

2.2.2 程序設計

根據煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置功能,將軟件程序設計劃分為主程序、數據采集程序、通訊程序、故障處理程序以及人機交互程序5部分。

1) 主程序。

主程序用于繼電保護裝置的自檢、保護算法的實現(xiàn)并建立、調用不同的功能模塊,流程見圖7. 通過光纖通訊獲取數據信息并完成轉換、分析、判別后利用設計的保護算法與差動部分數據進行對比分析,確定是否存在故障。

2) 數據采集程序。

數據采集程序用于對電壓、電流信號進行模擬量采樣,保存至指定寄存器。S3C2440AL-40芯片每隔200 μs進行一次A/D轉換,讀取所有通道數據后組幀發(fā)送至對側。經過采樣同步、事件同步修正后進行下一次數據采集以及A/D轉換過程。

3) 通訊程序。

a) 光纖通訊:即與對側繼電保護裝置進行數據傳輸,遵循IEC61850通訊協(xié)議,按照OSI模型進行數據傳輸,經組幀、編碼后封裝成IEC61850-9-2通訊報文幀結構經PHY后對外傳輸。發(fā)送流程中先將數據存入發(fā)送緩沖區(qū),經ASN.1編碼、鏈路層封裝后發(fā)送數據;接收流程中對數據進行解析并完成CRC校驗,將校驗正確的數據存入寄存器。

圖7 主程序圖

b) TCP/IP通訊:即與礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)進行數據傳輸,該程序循環(huán)查詢TCP/IP數據接收緩沖區(qū)是否有新的數據包,如果有,則利用注冊的回調函數將數據經網口發(fā)送至礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)。

c) RS485通訊:即與本地人機界面進行數據傳輸,軟件設計時需確定通訊端口、波特率、奇偶校驗位、停止位等參數。

4) 故障處理程序。

故障處理程序用于判定繼電保護裝置設備在制約條件下是否可以啟動。繼電保護裝置設備實際運行時,若發(fā)生故障,則需依次對所在通道、本側差動保護是否投入、對側差動保護是否投入、對側差動保護是否啟動、對側是否跳閘、對側母線是否動作等進行判斷,經延時處理后進入故障處理流程。可判定的繼電保護裝置的故障類型有CT斷線、三相閉鎖、兩相短路、保護裝置不動作或動作不可靠、保護裝置誤動作等。

5) 人機交互程序。

人機交互程序用于實時展示繼電保護裝置運行狀態(tài)、參數設置、故障信息等,通過RS485通訊完成數據交互,在LCD液晶顯示屏實時顯示和更新。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試平臺

搭建煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置系統(tǒng)測試平臺,測試裝置在切除故障時的實時、選擇性指標,驗證裝置的正確性和適用性。煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置測試系統(tǒng)結構見圖8,在K1處布置一臺繼電保護裝置,該裝置與K2、K3、K4以及K5高爆開關相連,用于模擬礦井供電系統(tǒng)主干線路,采用光纖網絡進行通訊。在K1、K2之間、K3、K4之間以及K5與低壓負荷之間分別布置D1、D2、D3三個短路裝置。系統(tǒng)測試時用到的工具還包括人機界面LCD液晶顯示屏1個、礦井電力監(jiān)控分站1臺以及調壓器、萬用表、跳線、網線等。

圖8 煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置測試系統(tǒng)結構圖

3.2 測試記錄及分析

根據高爆開關K1、K2、K3、K4以及K5的TA變比,設定主保護一次、二次定值和延時,后備保護一次、二次定值和延時,分別完成基于傳統(tǒng)繼電保護裝置與優(yōu)化后繼電保護裝置的D2短路且保護有效、D2短路且K5保護失靈、D3短路且保護有效、D3短路且K5保護失靈、D1短路5項試驗,對短路電流、應動作開關、應動作時間、實際動作開關、實際動作時間進行記錄。發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)繼電保護裝置在開關有效或失靈狀態(tài)下都會出現(xiàn)越級跳閘且保護動作有延時;優(yōu)化后的繼電保護裝置未出現(xiàn)越級跳閘、未產生區(qū)外故障誤動作且實時性好,可以滿足設計預定目標。煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置優(yōu)化前后5項試驗結果對比見表1—6.