金莉鑫

山西焦煤 西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲煤礦, 山西 太原 030200)

煤礦安全供電是礦井安全生產(chǎn)、礦工安全工作的基本保障。煤礦供電系統(tǒng)必須滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定的可靠與靈敏特征。因此,對(duì)供電系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置的可靠性、選擇性、靈敏性以及速動(dòng)性提出了更高的要求。目前,煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置普遍存在速斷過流保護(hù)值設(shè)定不合理、漏電保護(hù)選擇性差、保護(hù)功能不完善、通訊能力弱等問題,導(dǎo)致供電系統(tǒng)發(fā)生短路、漏電、過流以及越級(jí)跳閘等故障,嚴(yán)重影響了礦井安全、可靠供電[1-2]. 因此,研究并優(yōu)化煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置意義重大且十分必要。本文提出一種基于ARM9處理器的煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置優(yōu)化方案,達(dá)到完善保護(hù)功能、防止越級(jí)跳閘、增強(qiáng)通訊能力的目的。在此基礎(chǔ)上,完成系統(tǒng)測(cè)試,驗(yàn)證優(yōu)化方案的正確性和適用性。

1 煤礦繼電保護(hù)裝置分析

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置用于實(shí)現(xiàn)過流三段保護(hù)、變壓器保護(hù)、零序保護(hù)等,根據(jù)《煤礦電工手冊(cè)》等對(duì)繼電保護(hù)裝置短路電流進(jìn)行校驗(yàn)和整定。煤礦供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí),最大運(yùn)行方式下的短路電流與最小運(yùn)行方式下的短路電流變化較為平緩,短路電流曲線見圖1[3]. 因此,煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置存在的問題主要有:1) 由于礦井供電系統(tǒng)配電級(jí)數(shù)多、供電回路距離短、阻抗小,短路電流相差小,整定困難。2) 無法同時(shí)滿足繼電保護(hù)裝置的選擇性和靈敏性。3) 存在越級(jí)跳閘風(fēng)險(xiǎn),極易導(dǎo)致礦井較大范圍停電。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)短路電流曲線圖

2 繼電保護(hù)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 總體設(shè)計(jì)

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置硬件總體設(shè)計(jì)見圖2,以S3C2440AL-40 ARM9處理器為核心,主要完成繼電保護(hù)裝置的保護(hù)及控制、數(shù)據(jù)采集以及通訊。

1) 保護(hù)及控制功能。控制繼電保護(hù)裝置中的分合閘實(shí)現(xiàn)線路控制,采用軟壓板對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行有效保護(hù)。

2) 數(shù)據(jù)采集功能。S3C2440AL-40控制器采集隔離開關(guān)、斷路器等數(shù)字量信息對(duì)繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效的監(jiān)控;采集TA二次側(cè)電流、電壓模擬量信息分析供電系統(tǒng)的故障。

3) 通訊功能。通過TCP/IP通訊將繼電保護(hù)裝置的保護(hù)、監(jiān)控信息上傳至煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng);通過光纖通訊實(shí)現(xiàn)兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)設(shè)備間的信息交互,實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換;通過RS485通訊將繼電保護(hù)裝置所有數(shù)據(jù)傳送至人機(jī)交互模塊,實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖2 繼電保護(hù)裝置硬件總體設(shè)計(jì)圖

2.1.2 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置硬件最小系統(tǒng)以S3C2440 AL-40芯片為核心,采用總線架構(gòu)擴(kuò)展晶振電路、復(fù)位電路、SDRAM電路、FLASH電路以及電源電路。設(shè)計(jì)12 MHz無源晶振+外接32.768 kHz晶振方案,提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)[4-5]. 采用IMP811 S芯片設(shè)計(jì)上電、手動(dòng)兩種復(fù)位方案,解決程序運(yùn)行時(shí)的卡死、循環(huán)異常。外擴(kuò)兩片32 MB的K4S561632 N芯片組成SDRAM電路,實(shí)現(xiàn)程序的穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行。采用K9F1G08芯片完成外擴(kuò)FLASH電路,實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存并達(dá)到理想的讀寫效率。設(shè)計(jì)12 V、5 V、3.3 V電壓等級(jí)的電源電路,為硬件系統(tǒng)元器件提供持續(xù)穩(wěn)定的電流,其中12 V電源用于驅(qū)動(dòng)繼電器負(fù)載,5 V、3.3 V用于驅(qū)動(dòng)芯片,利用AMS1117芯片實(shí)現(xiàn)電壓變換。

2.1.3 擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

1) 模擬信號(hào)調(diào)理電路。

模擬信號(hào)調(diào)理電路的作用是實(shí)現(xiàn)TA二次側(cè)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合A/D轉(zhuǎn)換器輸入的弱電信號(hào),電路設(shè)計(jì)見圖3,通過LM324運(yùn)放實(shí)現(xiàn)?；贏DC控制器、ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器將經(jīng)過調(diào)理之后的0～3.3 V電壓信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)化,將轉(zhuǎn)化結(jié)果保存于相應(yīng)的寄存器裝置中。

圖3 模擬信號(hào)調(diào)理電路圖

2) 數(shù)字量輸入/輸出電路。

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置共設(shè)置9路數(shù)字量輸入信號(hào),如斷路器閉合信號(hào)、斷路器分位信號(hào)等,數(shù)字量輸入電路見圖4,完成9路信號(hào)的獲取;共設(shè)置5路數(shù)字量輸出信號(hào),如保護(hù)跳閘、保護(hù)分閘信號(hào)等,數(shù)字量輸出電路見圖5,完成5路信號(hào)的輸出。

圖4 數(shù)字量信號(hào)輸入電路圖

圖5 數(shù)字量信號(hào)輸出電路圖

3) 通訊電路。

通訊電路包括光纖通訊、TCP/IP通訊以及RS485通訊,其中光纖通訊電路設(shè)計(jì)原理見圖6. 光纖通訊主要實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置兩側(cè)差動(dòng)保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。S3C2440 AL-40芯片將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照規(guī)則進(jìn)行組幀并發(fā)送給PHY芯片[6]. PHY芯片接收到數(shù)據(jù)幀后按照規(guī)則進(jìn)行解碼并將解碼后的數(shù)據(jù)信息傳送給光模塊。光模塊經(jīng)光纖將數(shù)據(jù)傳輸至對(duì)側(cè)單元并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),輸入至核心處理芯片進(jìn)行處理。在光纖通訊時(shí),PHY芯片選用因特爾的LXT971A芯片,滿足IEC61850-9-2協(xié)議要求,符合繼電保護(hù)裝置光纖傳輸要求。光模塊選用Agilent的AFBR-5803ATZ芯片,實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)化。TCP/IP通訊用于實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置與礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸;RS485通訊用于實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置與本地人機(jī)界面間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 光纖通訊電路圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 開發(fā)環(huán)境

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置軟件開發(fā)環(huán)境基于μc/OS-Ⅱ?qū)崿F(xiàn),完成編輯、編譯功能。μc/OS-Ⅱ開發(fā)環(huán)境實(shí)時(shí)性強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)單元的單獨(dú)運(yùn)行,可結(jié)合優(yōu)先級(jí)搶占實(shí)時(shí)內(nèi)核,可采用軟中斷調(diào)用不同的功能單元,程序單元間相互獨(dú)立并具備就緒、運(yùn)行、停止3種狀態(tài)。

2.2.2 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置功能,將軟件程序設(shè)計(jì)劃分為主程序、數(shù)據(jù)采集程序、通訊程序、故障處理程序以及人機(jī)交互程序5部分。

1) 主程序。

主程序用于繼電保護(hù)裝置的自檢、保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn)并建立、調(diào)用不同的功能模塊,流程見圖7. 通過光纖通訊獲取數(shù)據(jù)信息并完成轉(zhuǎn)換、分析、判別后利用設(shè)計(jì)的保護(hù)算法與差動(dòng)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,確定是否存在故障。

2) 數(shù)據(jù)采集程序。

數(shù)據(jù)采集程序用于對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行模擬量采樣,保存至指定寄存器。S3C2440AL-40芯片每隔200 μs進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換,讀取所有通道數(shù)據(jù)后組幀發(fā)送至對(duì)側(cè)。經(jīng)過采樣同步、事件同步修正后進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)采集以及A/D轉(zhuǎn)換過程。

3) 通訊程序。

a) 光纖通訊:即與對(duì)側(cè)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,遵循IEC61850通訊協(xié)議,按照OSI模型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,經(jīng)組幀、編碼后封裝成IEC61850-9-2通訊報(bào)文幀結(jié)構(gòu)經(jīng)PHY后對(duì)外傳輸。發(fā)送流程中先將數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū),經(jīng)ASN.1編碼、鏈路層封裝后發(fā)送數(shù)據(jù);接收流程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并完成CRC校驗(yàn),將校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)存入寄存器。

圖7 主程序圖

b) TCP/IP通訊:即與礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,該程序循環(huán)查詢TCP/IP數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)是否有新的數(shù)據(jù)包,如果有,則利用注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)口發(fā)送至礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)。

c) RS485通訊:即與本地人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,軟件設(shè)計(jì)時(shí)需確定通訊端口、波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位等參數(shù)。

4) 故障處理程序。

故障處理程序用于判定繼電保護(hù)裝置設(shè)備在制約條件下是否可以啟動(dòng)。繼電保護(hù)裝置設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí),若發(fā)生故障,則需依次對(duì)所在通道、本側(cè)差動(dòng)保護(hù)是否投入、對(duì)側(cè)差動(dòng)保護(hù)是否投入、對(duì)側(cè)差動(dòng)保護(hù)是否啟動(dòng)、對(duì)側(cè)是否跳閘、對(duì)側(cè)母線是否動(dòng)作等進(jìn)行判斷,經(jīng)延時(shí)處理后進(jìn)入故障處理流程?？膳卸ǖ睦^電保護(hù)裝置的故障類型有CT斷線、三相閉鎖、兩相短路、保護(hù)裝置不動(dòng)作或動(dòng)作不可靠、保護(hù)裝置誤動(dòng)作等。

5) 人機(jī)交互程序。

人機(jī)交互程序用于實(shí)時(shí)展示繼電保護(hù)裝置運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、故障信息等,通過RS485通訊完成數(shù)據(jù)交互,在LCD液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示和更新。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試平臺(tái)

搭建煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái),測(cè)試裝置在切除故障時(shí)的實(shí)時(shí)、選擇性指標(biāo),驗(yàn)證裝置的正確性和適用性。煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖8,在K1處布置一臺(tái)繼電保護(hù)裝置,該裝置與K2、K3、K4以及K5高爆開關(guān)相連,用于模擬礦井供電系統(tǒng)主干線路,采用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。在K1、K2之間、K3、K4之間以及K5與低壓負(fù)荷之間分別布置D1、D2、D3三個(gè)短路裝置。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)用到的工具還包括人機(jī)界面LCD液晶顯示屏1個(gè)、礦井電力監(jiān)控分站1臺(tái)以及調(diào)壓器、萬用表、跳線、網(wǎng)線等。

圖8 煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 測(cè)試記錄及分析

根據(jù)高爆開關(guān)K1、K2、K3、K4以及K5的TA變比,設(shè)定主保護(hù)一次、二次定值和延時(shí),后備保護(hù)一次、二次定值和延時(shí),分別完成基于傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置與優(yōu)化后繼電保護(hù)裝置的D2短路且保護(hù)有效、D2短路且K5保護(hù)失靈、D3短路且保護(hù)有效、D3短路且K5保護(hù)失靈、D1短路5項(xiàng)試驗(yàn),對(duì)短路電流、應(yīng)動(dòng)作開關(guān)、應(yīng)動(dòng)作時(shí)間、實(shí)際動(dòng)作開關(guān)、實(shí)際動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行記錄。發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置在開關(guān)有效或失靈狀態(tài)下都會(huì)出現(xiàn)越級(jí)跳閘且保護(hù)動(dòng)作有延時(shí);優(yōu)化后的繼電保護(hù)裝置未出現(xiàn)越級(jí)跳閘、未產(chǎn)生區(qū)外故障誤動(dòng)作且實(shí)時(shí)性好,可以滿足設(shè)計(jì)預(yù)定目標(biāo)。煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置優(yōu)化前后5項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1—6.

表1 D2短路且保護(hù)有效試驗(yàn)表

表2 D2短路且K5保護(hù)失靈試驗(yàn)表

表3 D3短路且保護(hù)有效試驗(yàn)表

表4 D3短路且K5保護(hù)失靈試驗(yàn)表

表5 D1短路試驗(yàn)表

表6 繼電器保護(hù)裝置測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表

4 結(jié) 語(yǔ)

以煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置為研究對(duì)象,為完善保護(hù)功能、防止越級(jí)跳閘、增強(qiáng)通訊能力,提出基于ARM9處理器的繼電保護(hù)裝置優(yōu)化方案并完成系統(tǒng)測(cè)試:

1) 優(yōu)化后的煤礦供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)了光纖通訊、TCP/IP通訊、RS485通訊多種通訊模式,防止了越級(jí)跳閘現(xiàn)象并完善了保護(hù)功能。

2) 經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試,優(yōu)化后的繼電保護(hù)裝置滿足設(shè)計(jì)要求,提升了煤礦供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,有助于提升煤礦生產(chǎn)效率。