韻 凱

（西山煤電集團公司 機電處，山西 太原030053）

截止2014年底，山西全省裝機容量6306萬千瓦。其中，風電、光伏等新能源發(fā)電機組裝機容量498萬千瓦，占全省裝機容量的7.9%。省內電網形成了以500kV“兩縱四橫”為骨干網架，220kV分大同、忻朔、中部、南部四大供電區(qū)域，110kV和35kV及以下電壓等級輻射供電的網絡格局。外送通道方面，形成了以1000kV特高壓為核心，6個通道、13回線路的外送格局，輸電能力約2000萬千瓦。自2014年以來，為完善配電網運行，使其符合現行的煤礦用電需求，對110kV及以下配電網投入建設投資超過30億元。配電網運行質量直接關乎到煤礦用電，該煤礦配電網一改原有的“通電”目標，針對網架基礎薄弱的問題進行了改造，繼電保護裝置對配電網的安全穩(wěn)定運行意義猶為突出。為了確保配電網能夠穩(wěn)定運行，在煤礦電力系統規(guī)?；l(fā)展的同時，采用微機繼電保護裝置對電網的安全實施保護，為煤礦配電網安全運行提供保障。

1 煤礦應按照供電系統設計要求配置繼電保護

近些年來，由于煤礦的配電網運行屬于粗放型，導致網架基礎薄弱。其中的重要問題是配電網設計在多年的煤礦企業(yè)發(fā)展中都沒有改變，存在嚴重的過載問題，特別是低壓問題嚴重。從煤礦配電網的架構來看，主要是由架空線路、電纜、配電變壓器、無功補償電容以及附屬設備組成。由于配電布點不足，導致電能質量無法滿足煤礦用電需求，說明煤礦配電網配置繼電保護器已經不符合煤礦供電系統的設計要求。

在進行繼電保護裝置選擇的時候，要根據變壓器的容量選擇，通常容量低于400kVA安的配電變壓器，選擇高壓熔斷器保護裝置；容量介于400kVA至630kVA的配電變壓器，安裝過電流保護裝置。但如果過流保護時限超出了規(guī)定范圍，就要安裝電流速斷保護裝置。又如在煤礦車間內所使用的浸沒式配電變壓器，還需要安裝瓦斯保護〔2〕。

由于煤礦配電網的分段母線不是并列運行的，就需要安裝電流速斷保護裝置。但受到電流速斷保護裝置設計的限制，要根據配電網需要重新設計，即只有在斷路器合閘的瞬間動作，當合閘后，保護就會自動解除。為了確保電流穩(wěn)定，還要在分段母線上安裝過電流保護。配電網的負荷較低，分段母線上就不需要安裝保護裝置。

2 繼電保護裝置對煤礦配電網故障發(fā)揮的作用

據西山煤電的統計資料顯示，2014年至2015年煤礦配電網發(fā)生故障的原因，超過一半以上都是由于短路所引起的，諸如絕緣損壞、配電網檢修后，沒有將接地線及時拆除就送電等等，甚至一次配電網短路故障導致整個電力系統運行事故，部分電氣設備損壞，造成了嚴重的后果。由于當時采取了應急措施，僅僅使正常供電受到了影響而沒有導致供電系統瓦解。

為了防止煤礦配電網持續(xù)發(fā)生故障而影響整個煤礦企業(yè)的運行，就需要安裝合適的繼電保護裝置，不僅可以降低故障發(fā)生率，還能夠確保供電系統正常運行。對于繼電保護裝置的要求，需要在故障發(fā)生時快速動作，且具有較高的靈敏度。在煤礦配電網中，繼電保護裝置所發(fā)揮的作用就是縮小故障影響范圍，還要確保動作準確，所以，煤礦配電網所安裝的繼電保護裝置要具有選擇性和可靠性〔3〕。

3 煤礦微機繼電保護裝置的硬件設計

基于上述原因，根據煤礦配電網運行實際，設計了微機繼電保護裝置。繼電保護裝置的組成包括數據采集電路、CAN通信接口電路、外部數據擴展電路以及開關量電路等等。

3.1 數據采集電路的設計

繼電保護裝置根據線路設計，要設計一次測系統電壓和電流互感器的界限。電路運行狀態(tài)通過采集量就可以反映出來，與算法相結合，使繼電保護裝置的保護功能得以實現。數據采集電路見圖1。

圖1 數據采集電路

3.2 CAN通信接口電路的設計

CAN通信接口電路的接口芯片負責收發(fā)信息，采用高速CAN收發(fā)器，可以使CAN通信接口電路具有很強的抗電磁干擾性，而且數據信息傳遞的速率也會很高，可以達到每秒1Mbit。為了確保CAN通信接口電路的接口能夠連接普通的總線接口，電路接口芯片設計有異步串行口，以保證CAN通信接口電路實現局域網通訊。CAN通信接口電路見圖2。

圖2 CAN通信接口電路

3.3 外部數據擴展電路的設計

外部數據擴展電路的主要作用是增強電路功能。外部存儲器擴展RAM電路，芯片選用256KB×16位，當系統由內置18KB RAM擴展256KB SARAM，數據訪問時間為10納秒。SARAM的地址范圍設定為0x80000－0B107FFF。

3.4 開關量電路的設計

開關量輸入電路所包括的內容中，有外部端子開入量和總線開入量。為了提高配電網抗磁場干擾能力和運行的可靠性，當開入量即將進入到弱點系統，就要使用光電隔離芯片隔離，以避免受到外部干擾而引起誤動。開關量輸入電路見圖3。

圖3 開關量輸入電路

開關量輸出電路的設計為并行接口，包括跳閘出口、本地信號和中央信號等等。節(jié)點繼電器則通過輸出口進行控制。此外，還要采用光電器進行信號隔離，以避免受到電磁干擾〔4〕。開關量輸出電路見圖4。

圖4 開關量輸出電路

4 系統主程序設計

4.1 主程序

當繼電保護復位后，將程序初始化。當系統處于運行狀態(tài)時，對系統的各個器件自檢。當檢查過程出現故障，就會啟動報警系統。當主程序進入到數據處理環(huán)節(jié)，就要對新生成的數據進行判斷。當數據長度達到一個周波，就需要采用FFT算法將煤礦配電網各項參數計算出來，諸如配電網的幅值、相角以及有效值等等，與繼電保護整定值比較，據此對配電網的運行狀況做出判斷。當判斷有故障存在，且在規(guī)定時域內故障仍然沒有消除時，就會發(fā)出報警〔5〕。

對配電網運行狀況進行判斷，如果配電網運行正常，可以繼續(xù)采樣，否則，系統就會跳閘，同時判斷是否為誤動作。在進行誤動作判斷的過程中，系統會繼續(xù)采樣。如果判斷故障為真實，誤動作保護就會發(fā)出控制信號，對采樣數據進行分析，發(fā)出故障報告。

4.2 中斷子程序

當系統的主程序初始化之后，開始啟動數據采集系統。定時器負責采集周期內持續(xù)發(fā)出的采用脈沖，同時還向數字信號處理器發(fā)出中斷的請求。數字信號處理器則開始執(zhí)行中斷服務程序。

4.3 故障處理程序

故障處理程序用于檢查配電網運行過程中程序入口是否有錯誤的數據出現。如果計算數據出現錯誤，就會發(fā)出警報。之后，進入到手動合閘檢查的環(huán)節(jié)。進行手動合閘的時候，先對存在相位差的電容和電流進行合閘，然后根據元件啟動情況判斷故障，故障原因報告發(fā)出后。在判斷故障的過程中，如果故障量消失，則保護返回〔6〕。

5 結語

綜上所述，煤礦供電系統是煤礦運行的主要動力來源。鑒于西山煤電配電網在近兩年來的運行中故障頻發(fā)，本文從配電網故障的角度進行分析，提出繼電保護的選擇性問題，并制定出微機繼電保護設計方案，使繼電保護裝置能夠確保煤礦配電網運行穩(wěn)定。

〔1〕高加傳.煤礦供電系統繼電保護裝置改進措施〔J〕.中國新技術新產品，2011（02）：203－204.

〔2〕尹海彪，桂 峰.基于CAN總線的微機繼電保護系統〔J〕.通信電源技術，2012.29（03）：50－51.

〔3〕楊奇遜，黃少鋒.微機型繼電保護基礎〔M〕.北京：中國電力出版社，2012：98－104.

〔4〕范 征，王大偉，李海洪.煤礦配電網微機繼電保護裝置設計與分析〔J〕.煤礦機電，2014（02）：13－19.

〔5〕王彥文，高 彥.煤礦供電技術〔M〕.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2013：106－109.

〔6〕李美英.6kV煤礦配電系統保護防越級跳閘的探討〔J〕.山東煤炭科技，2012（02）：162－164.