朱 銳

(西山煤電 西銘礦，山西 太原 030052)

0 引言

20世紀(jì)以來我國經(jīng)濟步入快車道，煤炭消耗量也隨之增加，因此，保護與管理煤炭生產(chǎn)過程中所需的供電設(shè)備的重要性日益凸顯。為保證電源設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，對繼電和自動裝置保護的設(shè)計尤為重要，綜合保護系統(tǒng)的智能化可使煤礦井下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與連續(xù)性得到充分保障,并可根據(jù)實際要求,在發(fā)生故障時報警,實現(xiàn)故障設(shè)備快速有效的切除,阻止事故的進一步擴大，避免火災(zāi)，確保煤礦現(xiàn)場的設(shè)備與人身安全。

1 國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)20年代開始，英國、前蘇聯(lián)與德國相繼研發(fā)了煤礦安全設(shè)備并應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，隔爆型電氣設(shè)備在煤礦現(xiàn)場逐步得到了廣泛的應(yīng)用。國外公司陸續(xù)推出了多種微機保護系統(tǒng)，華萊推出了可通過8085CPU實現(xiàn)保護的雙速開關(guān)微機式保護系統(tǒng)。德國西門子公司生產(chǎn)的具備完善的保護功能與良好的人機界面的Siprotec 4系列保護繼電器，能用于地面供電系統(tǒng)與礦井供電系統(tǒng)。

國內(nèi)的礦井電網(wǎng)繼電保護裝置主要有3種類型：①具有機械轉(zhuǎn)動部件的繼電保護裝置；②具有晶體管電路的繼電保護裝置；③結(jié)合微機控制技術(shù)的繼電保護裝置。目前國內(nèi)主要采用單CPU結(jié)構(gòu)的高壓開關(guān)綜合保護系統(tǒng)，在采樣要求較高的應(yīng)用場合,整個系統(tǒng)顯得較為乏力。而煤礦落后的生產(chǎn)技術(shù)水平、非智能化的缺點、保護電器不能達到預(yù)期保護等問題導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生概率大大增加。現(xiàn)有高壓隔爆開關(guān)的漏電保護技術(shù)存在諸多不足，造成了較多斷電事故，增大了故障點查找的難度，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)。傳統(tǒng)開關(guān)多數(shù)不具備網(wǎng)絡(luò)通信功能，操作人員只能現(xiàn)場對高壓開關(guān)直接檢查，存在極大的安全隱患。

2 DSP與單片機的主從控制礦用隔爆型高壓開關(guān)智能綜合保護系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)功能

通過分析一個保護裝置可能發(fā)生的各種故障及其特點，最終才能提出實用有效的保護系統(tǒng)方案。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》：井下高壓變電站應(yīng)具備短路、超負(fù)荷、欠電壓保護功能，綜合保護系統(tǒng)應(yīng)具有漏電保護功能，保證切除漏電故障，若存在屏蔽電纜，還要設(shè)置監(jiān)視保護。

2.2 保護功能與實現(xiàn)

(1) 過載保護。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生過載時，表現(xiàn)為電網(wǎng)電流大于額定電流，因此可通過檢測電網(wǎng)電流來判斷過載程度。根據(jù)反時限動作原理,工作電流與額定電流的比值越大，對過載動作速率的要求越高。

(2) 短路保護。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時表現(xiàn)為大電流，因此單純的檢測電流大小很難與電氣設(shè)備啟動時的大電流區(qū)分，將引起誤動作。由于短路時功率因數(shù)大，啟動時功率因數(shù)小，本設(shè)計將相敏保護原理應(yīng)用于短路保護，即通過短路電流的大小與功率因數(shù)綜合判斷此時是否發(fā)生短路。

(3) 漏電保護。將零序電壓基波作為漏電保護啟動信號，當(dāng)零序電壓超過整定值時，通過零序電壓和零序電流5次諧波相位差可判斷其是否發(fā)生故障。

(4) 監(jiān)視線保護。監(jiān)視線保護是一種基于外加直流電源的電纜絕緣在線監(jiān)測技術(shù)。圖1為電纜監(jiān)視線的檢測原理圖。圖1中，Rd、Ra、Rr為電纜的等效電阻，Rd位于監(jiān)視線與接地線間，Rr為接地電阻，Ra通常為1 kΩ的電阻；R1與R0分別為限流與采樣電阻；其兩端的電壓U0為采樣電壓，與Rr有關(guān)；Uj為直流電源電壓。監(jiān)視線與地線因電纜故障被短路情況下，Rr減小，U0隨之變化終端器件也被短路；兩線斷路情況下，U0被送入檢測模塊，從而推算出絕緣電阻值。

圖1 監(jiān)視線檢測原理

3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

3.1 硬件整體設(shè)計方案

本保護系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，將DSP芯片TMS320LF2407作為主CPU，其主要功能有采樣模擬信號、計算處理數(shù)據(jù)以及保護電路的識別與啟動、開關(guān)信號的給定與輸出。同時單片機作為協(xié)同CPU，主要功能有人機交互和通訊等。整個系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：

圖2 隔爆高壓智能保護系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

(1) 微機系統(tǒng)：由DSP和單片機實現(xiàn)主從控制,可實現(xiàn)邏輯判斷、計算、定時、數(shù)據(jù)采樣、存儲和人機交互等功能。

(2) 交流采樣單元：采樣計算電力系統(tǒng)三相電壓，以及a、c兩相的電流與零序電流電壓分量。

(3) 選擇性漏電處理單元：可得到電流電壓零序分量的五次諧波,經(jīng)過相位比較后對中性點絕緣電網(wǎng)系統(tǒng)或經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)中的接地故障實現(xiàn)漏電保護。

(4) 絕緣監(jiān)視保護單元：將信號經(jīng)電壓頻率變換后，根據(jù)直流檢測原則，實現(xiàn)對電纜屏蔽線及接地線的故障保護。

(5) 開關(guān)量單元：由開關(guān)量采樣相應(yīng)設(shè)備對應(yīng)采樣點,從而判斷開關(guān)實時狀態(tài)。開關(guān)信號輸出部分包括故障報警信號和控制斷路器的開關(guān)信號。

(6) 人機交互單元：主要包括按鍵輸入、液晶顯示和通訊接口三部分，其主要功能是:輸入?yún)⒖贾?選擇操作方式、電網(wǎng)參數(shù)、工作狀況,顯示故障類型,進行數(shù)據(jù)通訊。

(7) 電源部分：采用+5 V、-12 V、+12 V與兩個+24 V的小型直流電源。

3.2 軟件設(shè)計方案

根據(jù)DSP和單片機雙核硬件系統(tǒng)的配置分別確定DSP和單片機的功能，DSP軟件系統(tǒng)的主要功能有算法、通訊和故障識別等。單片機系統(tǒng)的主要功能是液晶顯示、參數(shù)保存和故障記錄保存等。DSP部分包括系統(tǒng)的初始化，初始化子程序主要實現(xiàn)參數(shù)的初始化、中斷初始化、事件管理器的初始化與芯片外圍電路的初始化等。單片機部分主要包括完成調(diào)試菜單程序、人機接口功能、通訊程序與告警模塊程序等。

隔爆高壓開關(guān)智能保護系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示，主程序包括:智能系統(tǒng)的初始化；整定值的輸入；模擬信號的采樣與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換；應(yīng)用傅里葉算法計算電壓U、電流I及兩者相位關(guān)系、計算有功與無功功率P、Q等參數(shù)；故障的識別與切除；與計算機軟件通訊等功能。

圖3 隔爆高壓開關(guān)智能保護系統(tǒng)主程序流程圖

圖4為DSP故障識別與切除的具體程序流程，當(dāng)保護裝置上電后，程序?qū)ο到y(tǒng)進行掃描判斷是否存在故障，若存在故障，識別故障類型，延時時間滿足條件后，發(fā)出跳閘命令，并生成故障報告?zhèn)魉偷浇换ソ缑?。?dāng)故障切除后，系統(tǒng)發(fā)出復(fù)位信號，將定時器重置為0，返回主程序。

圖4 DSP故障識別及切除流程圖

4 結(jié)束語

近年來，開關(guān)綜合保護系統(tǒng)的研究受到大量關(guān)注，隔爆型高壓開關(guān)獲得廣泛應(yīng)用后，對其研究方向應(yīng)以深度與實用性為目標(biāo)。本文分析了目前開關(guān)智能綜合保護的應(yīng)用情況后，設(shè)計了基于DSP和單片機的雙CPU主從控制開關(guān)智能綜合保護系統(tǒng)，在原理和硬件設(shè)計等方面進行了綜合考慮與設(shè)計，使礦用高壓開關(guān)裝置保護系統(tǒng)的技術(shù)水平與可靠性進一步提高。