孫曉星

(山西焦煤西山煤電集團有限責任公司 杜兒坪煤礦,山西 太原 030022)

0 引 言

煤礦井下供電系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)的根本能源,是保證礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。煤礦井下供電系統(tǒng)具有開關(guān)移動多、內(nèi)部空間狹小、運行環(huán)境惡劣的特點[1-3],應用防越級跳閘系統(tǒng)是保證煤礦井下供電系統(tǒng)的安全性、可靠性的重要措施。

現(xiàn)有煤礦井下防越級跳閘系統(tǒng)存在實時性差、準確率低、穩(wěn)定性差等問題,因此防越級跳槽系統(tǒng)故障會給煤礦井下供電系統(tǒng)安全生產(chǎn)帶來較多不利和困難[4-6]?？刂破骷夹g(shù)、光纖數(shù)字式差動保護技術(shù)以及故障邏輯判斷技術(shù)的應用,可以為煤礦井下防越級跳閘系統(tǒng)帶來便利[7-8],可實現(xiàn)防越級跳閘系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時、準確、穩(wěn)定傳輸及可靠性動作。

筆者基于控制器技術(shù)、光纖數(shù)字式差動保護技術(shù)以及故障邏輯判斷技術(shù)提出了某煤礦井下防越級跳閘系統(tǒng)設(shè)計方案,重點對防越級跳閘硬件、軟件方案進行闡述,并通過試驗驗證了上述功能的適用性和正確性,達到了防越級跳閘系統(tǒng)實時、準確、可靠運行的目的。對提升該煤礦井下供電系統(tǒng)的安全性、可靠性及提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 越級跳閘原因分析

通過對某煤礦供電系統(tǒng)越級跳閘為題的分析總結(jié)發(fā)現(xiàn),越級跳閘的主要問題表現(xiàn)為:下級饋電線短路與漏電故障而導致上級高壓開關(guān)動作。該情況出現(xiàn)后輕則越過一級導致一個采區(qū)停電;重則越過多級直至地面變電所,導致整個井下供電系統(tǒng)癱瘓[9]。該煤礦井下供電系統(tǒng)為輻射狀電網(wǎng),同一電壓等級會輻射至多個變電所。由于采區(qū)變電所距電源較遠,中間經(jīng)過級數(shù)較多,因此保護時限短、整定值小、上下級保護配合困難是造成越級跳閘的原因之一;煤礦井下部分短供電線路造成保護整定值無法區(qū)分是造成越級跳閘的原因之二。越級頂閘可能導致頂閘至地面變電站總高開柜,造成主通風機、井下主排水泵、高瓦斯礦井的區(qū)域通風機、瓦斯泵、壓風機以及上述設(shè)備的輔助設(shè)備等突然停電,可能造成人身傷亡或重要設(shè)備損壞,進而給生產(chǎn)造成重大損失。

2 方案設(shè)計

基于光纖數(shù)字式差動保護技術(shù)的防越級跳閘方案、利用光纖通信將煤礦井下供電系統(tǒng)線路首尾兩端的保護裝置縱向連接,分析比較線路各端的電氣參數(shù),判斷是否為線路內(nèi)部故障,以指導線路跳閘動作。該技術(shù)的特點是動作速度快,但造價較高。

基于布爾邏輯判斷技術(shù)的防越級跳閘方案、以高低電平信號為基礎(chǔ),設(shè)置邏輯判斷裝置并與供電系統(tǒng)的綜合保護裝置進行硬連接。該技術(shù)的特點是成本低、可靠性高,但接線復雜。

文中將光纖數(shù)字式差動保護技術(shù)、布爾邏輯判斷技術(shù)相結(jié)合,以ARM控制器為核心,設(shè)計防越級跳閘系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼具動作速度快、可靠性高、成本低的特點,方案設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 某煤礦防越級跳閘系統(tǒng)方案設(shè)計框圖

3 硬件設(shè)計

3.1 關(guān)鍵硬件選型

某煤礦防越級跳閘系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件包括ARM控制器、EPEC控制器、縱差綜合保護器以及光纖交換機。

(1) 控制器。①ARM控制器。選用STM32F417微處理器,內(nèi)核為ARM Cortex-M4,集成了FPU和單周期DSP指令,計算能力強;支持數(shù)據(jù)并行處理及多通道DMA,數(shù)據(jù)傳輸能力強;支持CAN總線通訊、TCP/IP通訊;支持1 MB FLASH容量,192 KB SRAM容量,存儲空間大[10-12];②EPEC控制器。選用EPEC 3724控制器,內(nèi)核為帶鎖步和內(nèi)存保護的32位多核處理器;支持高速CAN(CAN2.0A、CAN2.0B)、CANOPEN通訊;支持256 K程序存儲,128 K數(shù)據(jù)代碼存儲;支持過壓、高溫、輸出短路保護以及掉電保存;防護等級為IP67,抗沖擊、抗振動能力強。

(2) 縱差綜合保護器。選用ZBT-11C型礦用級聯(lián)縱差保護器,該保護器具有基礎(chǔ)差動保護、智能后備雙重保護功能?；A(chǔ)差動保護即防越級跳閘系統(tǒng)的主保護,在防越級控制命令投入后,保護器判斷是本級開關(guān)出線側(cè)發(fā)生短路故障,進而發(fā)出過流信號并保護跳閘,同時發(fā)出跳閘信號。智能后備作為基礎(chǔ)差動保護的后備保護,在下級開關(guān)出現(xiàn)拒動時在150 ms內(nèi)實現(xiàn)故障跳閘,基本原理為連續(xù)檢測故障電流。

(3) 光纖交換機。選用KJJ156礦用本安型交換機,支持4路百兆和3路千兆以太網(wǎng)接口,所有接口都可配置成組環(huán)接口;支持2路CAN接口,其中CAN0口為定制口,具備報文屏蔽和優(yōu)先級配置;支持2路RS485接口,所有接口全是隔離輸出,為本安型信號;支持一鍵恢復出廠設(shè)置,可通過web遠程配置和升級;支持DC 12V/24V/48V電源供電,最大功耗9 W。

3.2 關(guān)鍵電路設(shè)計

某煤礦防越級跳閘系統(tǒng)關(guān)鍵硬件電路包括數(shù)字量輸入電路設(shè)計以及數(shù)字量輸出電路設(shè)計,如圖2、3所示。

圖2 數(shù)字量輸入電路設(shè)計

圖3 數(shù)字量輸出電路設(shè)計

4 軟件設(shè)計

某煤礦防越級跳閘系統(tǒng)軟件分為ARM控制器軟件和EPEC控制器軟件兩部分。ARM控制器軟件基于Keil ARM軟件平臺,采用C語言進行編寫、編譯并通過JTAG接口下載至ARM控制器內(nèi),完成調(diào)試和聯(lián)調(diào),軟件主流程如圖4所示。EPEC控制器軟件基于CodeSys軟件平臺,采用ST語言進行編寫、編譯并通過EPEC專用下載線下載至EPEC控制器內(nèi),完成調(diào)試和聯(lián)調(diào),軟件主流程如圖5所示。EPEC控制器內(nèi)部實現(xiàn)的布爾邏輯控制技術(shù)的核心為:①輸入為0,輸出為0時,系統(tǒng)不動作,系統(tǒng)處于無故障狀態(tài)或開關(guān)不處于故障區(qū)間;②輸入為1,輸出為0時,系統(tǒng)延時動作,開關(guān)處于故障區(qū)間,但不是離故障點最近的開關(guān);③輸入為1,輸出為1時,系統(tǒng)立即動作,開關(guān)處于故障區(qū)間且是離故障點最近的開關(guān)。

圖4 ARM控制器軟件主流程 圖5 EPEC控制器軟件主流程

5 試驗分析

某煤礦防越級跳閘系統(tǒng)試驗平臺拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。在試驗室環(huán)境下,模擬該煤礦北區(qū)變電所和北七變電所供電系統(tǒng),其中a～h為模擬故障點,130～150、701～721為高壓開關(guān)。此次主要針對短路故障進行防越級跳閘基礎(chǔ)保護和智能保護試驗,利用電流發(fā)生器產(chǎn)生試驗所需的電流。試驗時,觀察并記錄每個故障點的實際動作開關(guān)以及實際平均動作時間。為保證試驗的有效性和正確性,每個故障點的試驗進行3次,實際平均動作時間是3次試驗后的算數(shù)平均值。基礎(chǔ)保護試驗數(shù)據(jù)、智能后備保護試驗數(shù)據(jù)如表1、2所列。

表1 某煤礦防越級跳閘系統(tǒng)基礎(chǔ)保護試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖6 某煤礦防越級跳閘系統(tǒng)試驗平臺拓撲結(jié)構(gòu)

由表1可知,模擬故障點a～h中包括了干線以及支路故障,在250 ms內(nèi)防越級跳閘系統(tǒng)能夠切斷離故障點最近的高壓開關(guān),達到防越級跳閘的目的。

由表2可知,在基礎(chǔ)保護失靈后,智能后備保護在150 ms內(nèi)能夠切斷離故障點最近的高壓開關(guān),達到防越級跳閘的目的。

表2 某煤礦防越級跳閘系統(tǒng)智能后備保護試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)

6 結(jié) 論

以某煤礦井下防越級跳閘系統(tǒng)為研究對象,基于控制器技術(shù)、光纖差動保護技術(shù)以及布爾邏輯判斷技術(shù)對井下防越級跳閘系統(tǒng)進行研究與實現(xiàn),重點研究了硬件、軟件設(shè)計思路和實現(xiàn)方法并完成試驗驗證。

(1) 設(shè)計的防越級跳閘系統(tǒng)實現(xiàn)了短時最近高壓開關(guān)動作,完善了保護系統(tǒng),達到了防越級跳閘的目的。

(2) 經(jīng)試驗驗證,設(shè)計的防越級跳閘系統(tǒng)滿足某煤礦北區(qū)變電所、北七變電所應用要求,達到了煤礦井下供電系統(tǒng)安全、可靠、高效運行的目的。