仇少雄

（潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

煤礦生產(chǎn)過(guò)程中地下供電系統(tǒng)的可靠性和安全性起著重要作用。當(dāng)前，中國(guó)的煤礦供電系統(tǒng)主要使用6 kV 或者10 kV 的供電系統(tǒng)。由于不斷擴(kuò)展和深入的地下綜合開(kāi)采工作面，導(dǎo)致大多數(shù)現(xiàn)有的供電系統(tǒng)均采取近距離線路、垂直和多層次供電方式。由于電源線的距離短以及惡劣的煤礦生產(chǎn)環(huán)境，電源線時(shí)常產(chǎn)生短路現(xiàn)象，以及出現(xiàn)漏電、過(guò)流、欠壓等電路故障。此外，在供電系統(tǒng)發(fā)生短路的情況時(shí)，難以區(qū)分上下級(jí)的短路電流，而且無(wú)法形成強(qiáng)有力的縱向選擇性短路繼電保護(hù)，容易造成過(guò)電流。單步跳閘事故造成大規(guī)模地下停電，從而減弱了供電系統(tǒng)的可靠性，并降低了煤礦的安全和正常生產(chǎn)。結(jié)合上述煤礦供電系統(tǒng)線路中存在的問(wèn)題，提出了一種新型的供電系統(tǒng)線路保護(hù)裝置和方案。通過(guò)總線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和微控制器技術(shù)的幫助，繼電保護(hù)完成了繼電保護(hù)裝置的控制、測(cè)量、通訊和保護(hù)。

1 有關(guān)線路保護(hù)裝置的主要功能

按照煤礦工作人員的需求和生產(chǎn)需要，線路保護(hù)裝置應(yīng)該擁有下列功能：

1）遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。通過(guò)電能計(jì)量芯片完成對(duì)無(wú)功功率和有功功率的計(jì)算，將計(jì)算內(nèi)容上傳至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并由微型線路保護(hù)裝置對(duì)電源線上的電流、電壓等電氣狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。微型線路保護(hù)裝置能夠遠(yuǎn)程控制閉合和斷開(kāi)動(dòng)作的電源線開(kāi)關(guān)斷路器。

2）保護(hù)功能。線路保護(hù)裝置擁有三級(jí)電流保護(hù)功能，這一功能是通過(guò)保護(hù)軟壓板進(jìn)行控制，并具有延遲功能，以防止阻塞和過(guò)度跳閘。

3）故障報(bào)警的功能。如果線路上出現(xiàn)故障，保護(hù)裝置將在檢測(cè)到故障后以聲音和視覺(jué)警報(bào)的形式警告工作人員。

4）故障定位的功能。如果線路某個(gè)地方出現(xiàn)故障，故障信息將被保護(hù)設(shè)備實(shí)時(shí)上載到主機(jī)，并且主機(jī)能夠利用點(diǎn)位保護(hù)設(shè)備對(duì)故障進(jìn)行定位。

5）參數(shù)存儲(chǔ)的功能。電源線的操作參數(shù)可以通過(guò)主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及時(shí)儲(chǔ)存。

2 煤礦供電系統(tǒng)線路保護(hù)裝置總體方案設(shè)計(jì)

如下頁(yè)圖1 所示為煤礦供電系統(tǒng)線路保護(hù)的總體方案。煤礦供電系統(tǒng)線路保護(hù)總方案采取分布式結(jié)構(gòu)，主要包含多條線路保護(hù)裝置、CAN 總線通信模塊，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還有供電系統(tǒng)提供的變壓器和斷路器。CAN 總線通訊模塊采取雙向通訊，電源系統(tǒng)里內(nèi)置有雙向通信網(wǎng)絡(luò)，便于提供用于數(shù)據(jù)信息的通道。主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠利用CAN 總線通信模塊進(jìn)行各種保護(hù)。該設(shè)備是遠(yuǎn)程控制的，與此同時(shí)各個(gè)線路保護(hù)設(shè)備能夠讓其監(jiān)控的線路數(shù)據(jù)信息上傳到主機(jī)，便于實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)設(shè)備與主機(jī)之間信息的快速交換。電力系統(tǒng)線路監(jiān)控的終端設(shè)備是線路保護(hù)設(shè)備，能夠及時(shí)收集匯總電力線上的其他信號(hào)、模擬和數(shù)據(jù)。出現(xiàn)線路故障的時(shí)候，還會(huì)推送故障信號(hào)預(yù)警；主機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)ΡＷo(hù)裝置作出選擇性動(dòng)作，確認(rèn)線路故障位置并智能化分析線路保護(hù)裝置上載的信息，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以智能分析線路保護(hù)裝置上傳的信息。

3 線路保護(hù)裝置的硬件方案分析與設(shè)計(jì)

3.1 保護(hù)裝置的硬件框圖分析與設(shè)計(jì)

圖1 煤礦供電系統(tǒng)線路保護(hù)總體方案

圖2 線路保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)框圖

如下頁(yè)圖2 為線路保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)框圖。線路保護(hù)裝置由繼電操作裝置、開(kāi)關(guān)量采集單元、電源管理單元、CAN 總線收發(fā)器單元、交流信號(hào)采集單元、液晶顯示單元、微控制器、聲光報(bào)警裝置等組成。繼電器操作裝置負(fù)責(zé)操作斷路器；開(kāi)關(guān)量收集單元負(fù)責(zé)收集斷路器的開(kāi)關(guān)位置信號(hào)；電源管理單元負(fù)責(zé)為整體線路保護(hù)裝置供電；CAN 總線收發(fā)器該設(shè)備單元用于保護(hù)設(shè)備和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信；交流信號(hào)采集單元主要包括電流互感器，電壓互感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路三部分。電流互感器和電壓互感器負(fù)責(zé)收集電源線。三相電壓電流信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換和濾波收集到的電能；液晶顯示單元用于顯示線路監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和保護(hù)裝置的工作狀態(tài)；聲光報(bào)警裝置主要用于供電系統(tǒng)線路的故障報(bào)警提示。

3.2 選擇微控制器

微控制器是實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)裝置的嵌入式和小型化不可或缺的部分。微控制器采用的STM32 單片機(jī)的F103 系列主控制芯片是保護(hù)設(shè)備的重要部分。此系列芯片擁有擴(kuò)展性和低功耗的特點(diǎn)，非常適合在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域中的芯片對(duì)抗干擾能力強(qiáng)、豐富的銷(xiāo)釘、堅(jiān)固的需求。由數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)采集、線路故障處理以及保護(hù)邏輯判斷等構(gòu)成保護(hù)裝置中微控制器功能，STM32 單片機(jī)的F103 系列主控制芯片能夠充分適應(yīng)以上工作需求。

3.3 CAN 總線通訊電路設(shè)計(jì)

因?yàn)槊旱V中各類(lèi)采礦設(shè)備的持續(xù)切斷，電源線上有很大的電壓波動(dòng)并且具有較強(qiáng)的電磁干擾。所以，提出了線路保護(hù)裝置對(duì)通信方法的更高要求，這需要強(qiáng)大的抗干擾能力。工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域通常使用的傳輸方式是CAN 總線通信方法。該通信方法可靠性高，性價(jià)比高，通信協(xié)議簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。

圖3 為CAN 總線通信電路。微控制器選擇的STM32F103 系列單片機(jī)帶有CAN 總線控制器，所以，需要挑選外部型號(hào)TJ1050CAN 數(shù)據(jù)收發(fā)器。

3.4 交流信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì)

圖3 CAN 總線同信電路

通過(guò)將電力線上的高電流信號(hào)和高電壓轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力線的小型化監(jiān)視。所以，此設(shè)備使用變壓器隔離方法，讓線路上的大電流信號(hào)和高壓經(jīng)過(guò)AC 信號(hào)、初級(jí)TV 和TA 采集電路上的次要信號(hào)。

將TA 和電視轉(zhuǎn)換后，將信號(hào)發(fā)送至相應(yīng)的電源使用計(jì)量芯片和微控制器。如下圖4，是交流信號(hào)采集設(shè)備的交流信號(hào)采集電路。當(dāng)中選擇的微型電壓互感器型號(hào)為T(mén)V31B，微型電流互感器型號(hào)為T(mén)A22B11。選擇了一種特殊的電能計(jì)量芯片ATTT702B。此芯片非線性測(cè)量誤差小，計(jì)算精度高，能夠測(cè)量無(wú)功功率、各相電壓和電流、有功功率以及視在功率的有效值。

圖4 交流信號(hào)采集電路

4 控制器軟件編程

如下頁(yè)圖5 為單線路保護(hù)設(shè)備的主程序流程圖。在上述線路保護(hù)方案中，每個(gè)斷路器都應(yīng)該配備線路保護(hù)裝置。所以，以STM32F103 系列單片機(jī)為基礎(chǔ)，該單片機(jī)的下位機(jī)程序是用C 語(yǔ)言編寫(xiě)的。編程基于結(jié)構(gòu)化、模塊化和自上而下的編程設(shè)計(jì)，分為主程序和多個(gè)子程序。子程序包括故障處理子程序、開(kāi)關(guān)檢測(cè)子程序、交流信號(hào)采集子程序、LCD 顯示子程序、CAN 總線通訊子程序、故障判斷子程序、聲光報(bào)警子程序等。與此同時(shí)，主機(jī)與主機(jī)之間采用電流保護(hù)，每個(gè)保護(hù)三級(jí)設(shè)備。以控制各個(gè)保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)保護(hù)裝置之間的聯(lián)動(dòng)保護(hù)，因此保障斷路器選擇性跳閘。

下頁(yè)表1 顯示：如果高爆炸開(kāi)關(guān)K5發(fā)生故障，則能夠在210 ms 內(nèi)快速激活保護(hù)設(shè)備的限時(shí)速斷保護(hù)功能。爆裂開(kāi)關(guān)K4的備用保護(hù)功能足以及時(shí)作出正確的應(yīng)對(duì)[1-3]。

圖5 單個(gè)線路保護(hù)裝置的主程序流程圖

5 結(jié)論

通過(guò)金邦煤業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明，此防超限保護(hù)裝置改造成本低，可靠運(yùn)行，能夠滿足煤礦現(xiàn)場(chǎng)使用的需求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)全站儀的數(shù)據(jù)功能。實(shí)現(xiàn)礦山信息化、智能化建設(shè)和礦山安全高效生產(chǎn)。該次改造實(shí)踐能夠拓展到煤礦返井的改造中，超越其他礦山供電系統(tǒng)的保護(hù)范圍。

表5 D3 兩相短路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（開(kāi)關(guān)K5 發(fā)生失靈）