蘇珂嘉，姚玨菂，唐春曉

（煤炭科學(xué)研究總院 北京 100013）

基于現(xiàn)場總線的煤礦井下電網(wǎng)漏電保護(hù)裝置設(shè)計

蘇珂嘉，姚玨菂，唐春曉

（煤炭科學(xué)研究總院 北京 100013）

煤礦井下電網(wǎng)尤其是低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)裝置經(jīng)常發(fā)生拒動誤動，傳統(tǒng)保護(hù)裝置應(yīng)用并不理想。分析了井下電力系統(tǒng)漏電模型及系統(tǒng)各支路零序電流的邏輯關(guān)系,采用最新微控制器Xmega系列單片機為控制核心，設(shè)計了基于Xmega控制并配有全彩液晶與人機交互界面的的井下智能低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)裝置，提出軟件及硬件設(shè)計方案，并充分考慮了系統(tǒng)外擴(kuò)通訊需要，著重討論了MODBUS協(xié)議下工業(yè)現(xiàn)場總線架構(gòu)的應(yīng)用。該漏電保護(hù)裝置能夠適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)和規(guī)模的供電系統(tǒng)，具有很高的漏電故障選線判斷能力和較強的通訊拓展性。

漏電保護(hù)；零序電流；零序功率；AT ATXmega；工業(yè)現(xiàn)場總線；MODBUS

目前礦井選擇性漏電保護(hù)裝置在井下應(yīng)用效果并不理想，拒動、誤動時有發(fā)生，尤其在低壓電網(wǎng)中選擇性漏電保護(hù)裝置的靈敏性很低，導(dǎo)致保護(hù)裝置的可靠性差[1]。本文提出一種基于Xmega的漏電保護(hù)選線裝置設(shè)計方法，該裝置判據(jù)特征明顯、參照電氣量單純、抗干擾能力強、通訊能力佳，有較高靈敏度，能夠有效地提高漏電故障選線的準(zhǔn)確率。內(nèi)部控制總線利用了高可靠性的工業(yè)現(xiàn)場總線架構(gòu)。這種漏電保護(hù)選線裝置將滿足選擇性、速動性、靈敏性及可靠性要求。

1 漏電保護(hù)裝置工作原理分析

我國井下供電多采用電網(wǎng)中性點非接地方式，低壓用電設(shè)備電壓等級不高于1 140 V，部分現(xiàn)代化程度高的礦井采用了3 300 V為采煤機等設(shè)備供電。零序功率方向性保護(hù)原理當(dāng)前在井下應(yīng)用較成熟,這種方法判斷和保護(hù)通過比較零序電流和零序電壓的幅值和相位,從而實現(xiàn)選擇性漏電保護(hù)。井下發(fā)生漏電故障時由于中性點位移而產(chǎn)生零序電流I0，設(shè)故障點位于支路L1，如圖1所示。

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圖1 供電系統(tǒng)漏電故障示意圖Fig. 1 Leakage fault of power system diagram

支路L1故障點流過的零序電流為系統(tǒng)各支路分布零序電流之和，即

系統(tǒng)各支路零序電流方向及大小關(guān)系如圖1所示，其中支路L1線路始端母線側(cè)零序電流大小為

非故障支路L3始端母線側(cè)零序電流大小為

（φn為第n條線路的阻抗角）

圖2 相位關(guān)系圖Fig. 2 Phase diagram

由圖2可知，則線路N有功功率計算為

顯然故障線路Pn＜0，非故障線路Pn＞0，這是由于非故障線路具有正有功功率和容性無功功率，而故障線路具有負(fù)有功功率和感性無功功率[3-4]。以此作為選線判據(jù)具有很明顯的區(qū)別度，且其電氣量單純，具有很高的選線成功率。

裝置以此判據(jù)作為漏電選線基本方法，循環(huán)檢測各支路分布參數(shù)計算漏電狀態(tài)，定時1s上傳電網(wǎng)非故障信息。一旦檢測到漏電發(fā)生，立即動作跳閘接觸器切斷故障支路，非故障支路則不受影響，記錄上傳故障信息，發(fā)出漏電報警，并繼續(xù)循環(huán)檢測電網(wǎng)情況。

2 漏電保護(hù)選線裝置設(shè)計

裝置整體基于防爆設(shè)計，采用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型的防爆結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格滿足GB3836-2010相關(guān)條款要求。主腔為隔爆型腔體，電控器件置于隔爆腔體內(nèi)部，另于隔爆腔前門處設(shè)置本質(zhì)安全型小腔，小腔內(nèi)放置本安鍵盤模塊，經(jīng)光耦隔離通過485通訊線路與隔爆腔內(nèi)器件通訊。外部電纜母線及通訊線纜經(jīng)喇叭嘴進(jìn)入隔爆接線腔，通過接線柱與主腔連接。

2.1 漏電保護(hù)選線裝置硬件設(shè)計

裝置采用Xmega系列中的Xmega64A3芯片作為核心控制器，采用64引腳貼片式封裝，有7路USART作為通訊接口使用。既考慮了選線裝置需求處理的高速性，又兼顧了成本，使外圍器件大幅減少，在降低整體成本的同時，使控制部分可靠、準(zhǔn)確、安全。

設(shè)計基于保護(hù)裝置響應(yīng)的迅速性、準(zhǔn)確性考慮，采用如下結(jié)構(gòu)，如圖3。外圍連接有顯示、鍵盤、存儲、分?jǐn)嗫刂?、通訊、信號調(diào)理、漏電閉鎖等模塊，統(tǒng)一通過電源模塊進(jìn)行供電。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of hardware

各模塊除直接使用GPIO及USART與cpu進(jìn)行控制通訊外，顯示、鍵盤、漏電閉鎖、存儲及分?jǐn)嗟饶K通過統(tǒng)一的現(xiàn)場總線掛接于485總線上，基于FCS（Field-bus Control System）的分布式控制理念，由cpu統(tǒng)一調(diào)度控制，提高了數(shù)據(jù)執(zhí)行效率，同時保證系統(tǒng)外擴(kuò)性，對于工業(yè)現(xiàn)場變化可隨時進(jìn)行模塊補充，總線結(jié)構(gòu)見圖4所示。

圖4 總線結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Structure diagram of bus

電源模塊由電網(wǎng)交流供電，使用一臺二次220 V變壓器，經(jīng)隔離變壓器、開關(guān)電源、三端穩(wěn)壓芯片、LDO等輸出DC24 V、±12 V、5 V、3.3 V等直流電源，不同電壓供電模塊相互分散獨立，可減少公共阻抗的相互耦合以及公共電源的相互耦合。由于鍵盤模塊采用本安設(shè)計，鍵盤模塊供電增加兩級保護(hù)電路進(jìn)行本安+5 V供電。設(shè)備基于隔爆兼本安設(shè)計，應(yīng)滿足GB3836-2010標(biāo)準(zhǔn)要求，故各路設(shè)置DC-DC進(jìn)行電源隔離，工頻耐壓設(shè)計不小于6 000 V，以大大提高供電的可靠性。

電壓互感器及零序電流互感器實時采集電網(wǎng)電壓及零序電流參數(shù)，經(jīng)過信號調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號交由CPU解讀計算，低壓電網(wǎng)寄生參數(shù)較小，應(yīng)選用高精度、高質(zhì)量互感器，以減小低量程區(qū)間內(nèi)的相位角差。

信號調(diào)理模塊基于高精度元器件搭建，井下低壓電網(wǎng)分布參數(shù)較小，避免因元件精度不高導(dǎo)致參數(shù)采集誤差大。信號由高精度互感器輸出，經(jīng)四階切比雪夫低通濾波及調(diào)理進(jìn)入CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，三次諧波衰減達(dá)到不小于40 dB，參數(shù)采集力求準(zhǔn)確、高速。

通訊模塊基于防爆設(shè)計，出線使用光耦隔離，隔離電壓不低于DC4 000 V。由于Xmega的出色通訊可擴(kuò)展性，故設(shè)計六路功能各異的通訊接口，分別通過RS485、CAN、以太網(wǎng)驅(qū)動芯片等電路與CPU的USART配接。通訊結(jié)構(gòu)見圖5所示。

圖5 通訊模塊結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Structure diagram of communication module

為保證人機交互的信息能夠直觀、準(zhǔn)確、人性化的進(jìn)行傳遞，選用了分辨率800*600的16.7M色彩色LCD作為顯示模塊的液晶顯示器，另設(shè)置多組LED燈用于指示設(shè)備通斷電及漏電指示，Xmega可通過GPIO直接驅(qū)動LED顯示。相比黑白單色顯示器，能夠令故障解讀更加直觀迅速，單位畫面內(nèi)顯示更多故障信息，盡量簡化了故障排查人員所需人機交互流程、大大增加可交互性。

存儲模塊外接了32Mflash，可存儲大量現(xiàn)場信息以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)存數(shù)、顯示，數(shù)據(jù)可上傳至上位機。采用DS12C887作為實時時鐘芯片進(jìn)行系統(tǒng)授時，裝置掉電后不受影響。

漏電閉鎖模塊附加低壓直流24 V信號，通過限流—采樣電阻對電網(wǎng)對地絕緣情況進(jìn)行采集，經(jīng)A/D檢測采樣電阻電壓，電壓高于設(shè)定閾值時判定電網(wǎng)漏電，并通過分?jǐn)嗄K進(jìn)行閉鎖，同時調(diào)用通訊模塊上傳閉鎖信息、顯示模塊進(jìn)行閉鎖顯示、存儲模塊進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲，以供技術(shù)人員查證分析。

2.2 漏電保護(hù)選線裝置軟件設(shè)計

Xmega64A3擁有64K的Flash作為存儲空間，軟件主流程圖如圖6所示，編譯環(huán)境采用AVR常用環(huán)境GCC，調(diào)試采用AVRstudio5。

Xmega具有快速響應(yīng)的事件系統(tǒng)，在GPIO讀寫、中斷響應(yīng)等環(huán)節(jié)大量使用事件系統(tǒng)作為邏輯處理器大大減少了CPU工作，有效提高工作效率，令保護(hù)裝置的響應(yīng)時間大為減少。

軟件由主程序、監(jiān)控程序、功能程序幾個部分構(gòu)成，流程圖見圖3所示。主程序完成系統(tǒng)主流程功能，監(jiān)控程序主要完成功能程序的調(diào)用、電網(wǎng)故障判斷選線等功能，功能模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)存放、采樣信號處理、標(biāo)志位設(shè)定、液晶內(nèi)容調(diào)用及鍵盤信息處理等，三者共同完成漏保裝置的所有功能實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)試方便、可讀性強。

RS485/MODBUS是現(xiàn)在流行的一種工業(yè)組網(wǎng)方式，其特點是實施簡單方便，并且大量部件支持RS485，所以本系統(tǒng)采用工業(yè)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和邏輯控制，通訊協(xié)議基于標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU。同時Xmega具有強大的通訊端口設(shè)計，為了與上位機、監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控裝置等設(shè)備進(jìn)行通信，硬件上設(shè)計多路通信模塊、軟件上統(tǒng)一通信規(guī)約，報文單幀結(jié)構(gòu)、CRC校驗，以中斷方式分別對不同路通信進(jìn)行調(diào)度處理。

圖6 程序流程圖Fig. 6 Program flow diagram

3 結(jié)束語

從硬件與軟件方面分別敘述設(shè)計了基于現(xiàn)場總線的低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)器，采用最新控制器作為硬件核心、以總線架構(gòu)作為設(shè)計結(jié)構(gòu)，多路通訊端口進(jìn)行外部通訊、采用成熟漏保選線方法，各部件模塊功能清晰、結(jié)構(gòu)明了、易于調(diào)試維護(hù)。

試驗證明該裝置能夠有效區(qū)分故障線路與非故障線路，反應(yīng)靈敏可靠，可擴(kuò)展性強。

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Design of leakage protection device for underground power grid in mine based on fi eld bus

SU Ke-jia, YAO Jue-di, TANG Chun-xiao
（China Coal Research Institute,BeiJing100013,China）

Leakage protection device of underground low-voltage power grid often refuse to act or malfunction,the traditional application is not ideal.Analysised leakage model of power system in mine and logic relationship of the zero-sequence current in each branch,used recent micro controller ATXmega MCU as the control core，designed low leakage protection device in mine with color LCD screen and human-computer interface based on ATXmega,proposed software and hardware design scheme,taked account of extended communication needs of the system,focused on application to industrial field bus architecture by MODBUS agreement.This leakage protection equipment can adapt to kinds of structure and size of power supply system,has high ability of leakage fault line selection and communication scalability.

leakage protection; zero sequence current; zero sequence power; ATXmega; industrial field bus; MODBUS

TN710

A

1674-6236(2014)07-0106-03

2013-07-29稿件編號201407208

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2011MS004)

作者簡介：蘇珂嘉(1985—)，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，碩士。研究方向：煤礦井下供電安全、電力系統(tǒng)、漏電保護(hù)等。