申 鵬
(山西天地王坡煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048021)
饋電開關保護系統(tǒng)作為井下電網(wǎng)中的重要組成部分,負責電網(wǎng)中各電氣設備的故障診斷和保護。然而,由于井下環(huán)境的惡劣性及相關設備經(jīng)常處于超負荷狀態(tài),加上煤礦開采深度的不斷加深,導致井下電網(wǎng)在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)短路、漏電、欠壓等故障現(xiàn)象,嚴重影響著井下電網(wǎng)的運行安全。因此,有必要對現(xiàn)有電網(wǎng)保護系統(tǒng)進行優(yōu)化。
目前,國內(nèi)的井下電網(wǎng)主要采用變電站加放射式進行設備供電,其供電系統(tǒng)中主要由配電裝置、變壓器、饋電開關等組成,其中,饋電開關是保證電網(wǎng)安全運行的核心器件。井下電網(wǎng)在供電保護中,對電網(wǎng)主要進行漏電保護、短路保護、欠壓保護,其中,漏電保護主要采用零序電流最大法,零序功率方向法等方法,在控制方式上,也主要采用PLC進行控制;但在實際運行中,經(jīng)常存在故障響應速度較慢、檢測精度較低、系統(tǒng)運行性能不穩(wěn)定等問題。隨著科學技術的不斷發(fā)展,功能更加齊全的保護系統(tǒng)也逐漸得到開發(fā)應用。目前,諸多學者已將神經(jīng)網(wǎng)絡技術應用到了保護系統(tǒng)中,同時,在信號采集方面,壓縮傳感技術也得到了應用,由此大大提高了保護系統(tǒng)的自適應和故障響應速度,但目前這些高性能的算法尚未完全在保護系統(tǒng)中進行應用,對其進行大面積推廣仍需一定的時間。因此,不斷加大對井下電網(wǎng)中饋電開關保護系統(tǒng)的性能提升,實現(xiàn)保護系統(tǒng)的智能化、自動化、網(wǎng)絡化程度,已成為當下供電領域發(fā)展的重要方向。
根據(jù)《煤礦安全規(guī)程 》要求,為保證井下電網(wǎng)的正常、安全運行,所設計的饋電開關保護系統(tǒng)需具備一定的功能特點,方可在井下進行應用。其主要功能要求為:
1) 電網(wǎng)保護系統(tǒng)需能對井下電網(wǎng)中的漏電、短路、欠壓、過流、高溫等故障現(xiàn)象進行實時的、多功能的診斷檢測,并根據(jù)不同的故障類型,發(fā)出相應的控制命令,并迅速切斷電路。
2) 由于井下環(huán)境的惡劣性,經(jīng)常存在侵水、電纜磨損等現(xiàn)象。因此,要求保護系統(tǒng)需具有較高的可靠性和性能穩(wěn)定性,且能有效對井下的相關干擾信號進行屏蔽,保證保護系統(tǒng)在干擾信號影響下不被干擾或信號破壞。
3) 由于電纜發(fā)生故障現(xiàn)象時,其事故的蔓延速度相對較快。因此,保護系統(tǒng)需能對故障事故進行快速響應,且故障檢測精度也需較高,以此來及時對電網(wǎng)故障進行有效控制。
4) 由于井下電網(wǎng)線路相對較多,當某電纜發(fā)生故障現(xiàn)象時,保護系統(tǒng)可對故障發(fā)生的位置進行準確定位,并做出相應的故障解決措施。
結合現(xiàn)有饋電開關保護系統(tǒng)的現(xiàn)狀及功能特點,在現(xiàn)有饋電開關保護系統(tǒng)基礎上,對其進行了總體方案優(yōu)化。該方案包括硬件系統(tǒng)中的各類傳感器、電源模塊、數(shù)據(jù)信號采集模塊、故障診斷模塊、通訊模塊及軟件控制程序等,其總體結構框架如圖1所示。該保護系統(tǒng)的工作原理為:前端的電壓、電流互感器首先對井下電網(wǎng)中的相關電信號進行檢測,通過信號處理匯總,傳輸至控制內(nèi)核中進行A/D數(shù)據(jù)轉換和相關算法的運算,將計算結果與設置的理論值進行對比判斷后,最終執(zhí)行相關命令操作,主要包括兩路:當發(fā)生故障時,一路通過對繼電器發(fā)出切斷開關電源的命令,實現(xiàn)對井下電網(wǎng)電路的切斷保護控制;另一路為當發(fā)生故障時,保護系統(tǒng)及時發(fā)出對應故障類型的報警提示,并在液晶顯示屏上進行實時顯示,同時,將相關的故障信號進行保存記錄。由此,完成整個井下電網(wǎng)的電路保護。
圖1 饋電開關保護系統(tǒng)總體方案框架
保護系統(tǒng)的硬件部分主要包括各類電流、電壓傳感器、溫度傳感器、互感器、繼電器、處理器、A/D轉換器等,硬件系統(tǒng)的總體框架原理如圖2所示。其中,處理器采用了32位的ARM嵌入式處理器,同時,在其內(nèi)部增設了3個A/D數(shù)字信號轉換器,有效代替了外部單獨設置數(shù)據(jù)轉換器,簡化了系統(tǒng)設計。另外,由于系統(tǒng)中各電器元件所需電壓平臺各不相同,為滿足其使用需求,在電源模塊設計過程中,采用了多種規(guī)格的穩(wěn)壓芯片,配備性能較好的降噪部件,有效結合電感、電容等元氣件,對系統(tǒng)中的不同等級的電壓進行了設計,其中,顯示器的電壓為5 V、控制芯片的電壓為3.6 V、繼電器的直流電壓為24 V。該保護系統(tǒng)中各硬件之間的通訊則采用了RS-45通訊接口,可直接通過兩根電線,快速完成各元器件之間的通訊連接。由此,完成了饋電開關保護系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設計。
圖2 饋電開關硬件系統(tǒng)總體框架
軟件系統(tǒng)是饋電開關保護系統(tǒng)的控制部分,其結構組成主要包括內(nèi)核、驅動程序、中斷服務、BSP等;且整體具有較多的功能,主要功能包括采集數(shù)據(jù)的運算控制、程序輸入、硬件系統(tǒng)的控制、操作系統(tǒng)的執(zhí)行、邏輯判斷、通訊控制等,其軟件系統(tǒng)的總體結構框架如圖3所示。綜合考慮保護系統(tǒng)的硬件結構情況,在操作系統(tǒng)上,選用了μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng),根據(jù)該保護系統(tǒng)的實際功能需求,可在該操作系統(tǒng)中進行對應的功能篩選和匹配,并將保護系統(tǒng)根據(jù)功能的不同進行模塊劃分及相關程序的編寫。同時,該軟件系統(tǒng)中的BSP程序是實現(xiàn)應用程序和硬件系統(tǒng)的橋梁程序,主要負責對操作系統(tǒng)中各類訪問程序的引導,系統(tǒng)可通過該程序實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的直接訪問。因此,通過該軟件系統(tǒng),最終可實現(xiàn)對井下電網(wǎng)的故障檢測和命令控制,由此,完成了該軟件系統(tǒng)的總體框架設計。
圖3 保護系統(tǒng)軟件系統(tǒng)框架原理
為保證該系統(tǒng)能在井下供電系統(tǒng)中進行安全、有效的應用,需對其進行現(xiàn)場應用測試。但出于安全、經(jīng)濟效益等方面考慮,無法直接在井下測試。因此,選用了合適的變壓器、互感器、繼電器等設備,搭建了饋電開關保護系統(tǒng)測試的試驗平臺,通過該試驗平臺,對保護系統(tǒng)的漏電、短路、欠壓等故障問題進行測試。通過模擬測試可知,該系統(tǒng)能針對電網(wǎng)中漏電、短路、欠壓等故障現(xiàn)象發(fā)出相應的故障提示,并發(fā)出對應的切斷電源命令,快速切換開關,保證了整個電網(wǎng)在發(fā)生故障問題時能實現(xiàn)自動切斷保護的目的。整個測試過程中,該系統(tǒng)具有較快的響應速度,控制精度相對較高,與傳統(tǒng)保護系統(tǒng)相比,保護功能更加齊全,整體保護性能更好。
提升井下電網(wǎng)饋電開關保護系統(tǒng)的保護性能,已成為保證電網(wǎng)安全運行的關鍵問題。本文結合現(xiàn)有井下電網(wǎng)保護系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,對井下電網(wǎng)饋電開關保護系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計,并進行了模擬測試,結果表明,該保護系統(tǒng)各項功能運行正常,整體響應速度較快,控制精度較高,系統(tǒng)性能運行穩(wěn)定,能滿足當下井下電網(wǎng)的安全保護需求。為進一步開展保護系統(tǒng)的優(yōu)化提供了參考。