基于现场总线的煤矿井下电网漏电保护装置设计

苏珂嘉，姚珏菂，唐春晓

（煤炭科学研究总院 北京 100013）

基于现场总线的煤矿井下电网漏电保护装置设计

苏珂嘉，姚珏菂，唐春晓

（煤炭科学研究总院 北京 100013）

煤矿井下电网尤其是低压电网漏电保护装置经常发生拒动误动，传统保护装置应用并不理想。分析了井下电力系统漏电模型及系统各支路零序电流的逻辑关系,采用最新微控制器Xmega系列单片机为控制核心，设计了基于Xmega控制并配有全彩液晶与人机交互界面的的井下智能低压电网漏电保护装置，提出软件及硬件设计方案，并充分考虑了系统外扩通讯需要，着重讨论了MODBUS协议下工业现场总线架构的应用。该漏电保护装置能够适应各种结构和规模的供电系统，具有很高的漏电故障选线判断能力和较强的通讯拓展性。

漏电保护；零序电流；零序功率；AT ATXmega；工业现场总线；MODBUS

目前矿井选择性漏电保护装置在井下应用效果并不理想，拒动、误动时有发生，尤其在低压电网中选择性漏电保护装置的灵敏性很低，导致保护装置的可靠性差[1]。本文提出一种基于Xmega的漏电保护选线装置设计方法，该装置判据特征明显、参照电气量单纯、抗干扰能力强、通讯能力佳，有较高灵敏度，能够有效地提高漏电故障选线的准确率。内部控制总线利用了高可靠性的工业现场总线架构。这种漏电保护选线装置将满足选择性、速动性、灵敏性及可靠性要求。

1 漏电保护装置工作原理分析

我国井下供电多采用电网中性点非接地方式，低压用电设备电压等级不高于1 140 V，部分现代化程度高的矿井采用了3 300 V为采煤机等设备供电。零序功率方向性保护原理当前在井下应用较成熟,这种方法判断和保护通过比较零序电流和零序电压的幅值和相位,从而实现选择性漏电保护。井下发生漏电故障时由于中性点位移而产生零序电流I0，设故障点位于支路L1，如图1所示。

.

图1 供电系统漏电故障示意图Fig. 1 Leakage fault of power system diagram

支路L1故障点流过的零序电流为系统各支路分布零序电流之和，即

系统各支路零序电流方向及大小关系如图1所示，其中支路L1线路始端母线侧零序电流大小为

非故障支路L3始端母线侧零序电流大小为

（φn为第n条线路的阻抗角）

图2 相位关系图Fig. 2 Phase diagram

由图2可知，则线路N有功功率计算为

显然故障线路Pn＜0，非故障线路Pn＞0，这是由于非故障线路具有正有功功率和容性无功功率，而故障线路具有负有功功率和感性无功功率[3-4]。以此作为选线判据具有很明显的区别度，且其电气量单纯，具有很高的选线成功率。

装置以此判据作为漏电选线基本方法，循环检测各支路分布参数计算漏电状态，定时1s上传电网非故障信息。一旦检测到漏电发生，立即动作跳闸接触器切断故障支路，非故障支路则不受影响，记录上传故障信息，发出漏电报警，并继续循环检测电网情况。

2 漏电保护选线装置设计

装置整体基于防爆设计，采用矿用隔爆兼本质安全型的防爆结构，严格满足GB3836-2010相关条款要求。主腔为隔爆型腔体，电控器件置于隔爆腔体内部，另于隔爆腔前门处设置本质安全型小腔，小腔内放置本安键盘模块，经光耦隔离通过485通讯线路与隔爆腔内器件通讯。外部电缆母线及通讯线缆经喇叭嘴进入隔爆接线腔，通过接线柱与主腔连接。

2.1 漏电保护选线装置硬件设计

装置采用Xmega系列中的Xmega64A3芯片作为核心控制器，采用64引脚贴片式封装，有7路USART作为通讯接口使用。既考虑了选线装置需求处理的高速性，又兼顾了成本，使外围器件大幅减少，在降低整体成本的同时，使控制部分可靠、准确、安全。

设计基于保护装置响应的迅速性、准确性考虑，采用如下结构，如图3。外围连接有显示、键盘、存储、分断控制、通讯、信号调理、漏电闭锁等模块，统一通过电源模块进行供电。

图3 硬件结构图Fig. 3 Structure diagram of hardware

各模块除直接使用GPIO及USART与cpu进行控制通讯外，显示、键盘、漏电闭锁、存储及分断等模块通过统一的现场总线挂接于485总线上，基于FCS（Field-bus Control System）的分布式控制理念，由cpu统一调度控制，提高了数据执行效率，同时保证系统外扩性，对于工业现场变化可随时进行模块补充，总线结构见图4所示。

图4 总线结构图Fig. 4 Structure diagram of bus

电源模块由电网交流供电，使用一台二次220 V变压器，经隔离变压器、开关电源、三端稳压芯片、LDO等输出DC24 V、±12 V、5 V、3.3 V等直流电源，不同电压供电模块相互分散独立，可减少公共阻抗的相互耦合以及公共电源的相互耦合。由于键盘模块采用本安设计，键盘模块供电增加两级保护电路进行本安+5 V供电。设备基于隔爆兼本安设计，应满足GB3836-2010标准要求，故各路设置DC-DC进行电源隔离，工频耐压设计不小于6 000 V，以大大提高供电的可靠性。

电压互感器及零序电流互感器实时采集电网电压及零序电流参数，经过信号调理模块转换成数字信号交由CPU解读计算，低压电网寄生参数较小，应选用高精度、高质量互感器，以减小低量程区间内的相位角差。

信号调理模块基于高精度元器件搭建，井下低压电网分布参数较小，避免因元件精度不高导致参数采集误差大。信号由高精度互感器输出，经四阶切比雪夫低通滤波及调理进入CPU进行A/D转换，三次谐波衰减达到不小于40 dB，参数采集力求准确、高速。

通讯模块基于防爆设计，出线使用光耦隔离，隔离电压不低于DC4 000 V。由于Xmega的出色通讯可扩展性，故设计六路功能各异的通讯接口，分别通过RS485、CAN、以太网驱动芯片等电路与CPU的USART配接。通讯结构见图5所示。

图5 通讯模块结构图Fig. 5 Structure diagram of communication module

为保证人机交互的信息能够直观、准确、人性化的进行传递，选用了分辨率800*600的16.7M色彩色LCD作为显示模块的液晶显示器，另设置多组LED灯用于指示设备通断电及漏电指示，Xmega可通过GPIO直接驱动LED显示。相比黑白单色显示器，能够令故障解读更加直观迅速，单位画面内显示更多故障信息，尽量简化了故障排查人员所需人机交互流程、大大增加可交互性。

存储模块外接了32Mflash，可存储大量现场信息以实现历史数据存数、显示，数据可上传至上位机。采用DS12C887作为实时时钟芯片进行系统授时，装置掉电后不受影响。

漏电闭锁模块附加低压直流24 V信号，通过限流—采样电阻对电网对地绝缘情况进行采集，经A/D检测采样电阻电压，电压高于设定阈值时判定电网漏电，并通过分断模块进行闭锁，同时调用通讯模块上传闭锁信息、显示模块进行闭锁显示、存储模块进行历史数据存储，以供技术人员查证分析。

2.2 漏电保护选线装置软件设计

Xmega64A3拥有64K的Flash作为存储空间，软件主流程图如图6所示，编译环境采用AVR常用环境GCC，调试采用AVRstudio5。

Xmega具有快速响应的事件系统，在GPIO读写、中断响应等环节大量使用事件系统作为逻辑处理器大大减少了CPU工作，有效提高工作效率，令保护装置的响应时间大为减少。

软件由主程序、监控程序、功能程序几个部分构成，流程图见图3所示。主程序完成系统主流程功能，监控程序主要完成功能程序的调用、电网故障判断选线等功能，功能模块实现数据存放、采样信号处理、标志位设定、液晶内容调用及键盘信息处理等，三者共同完成漏保装置的所有功能实现，结构清晰、调试方便、可读性强。

RS485/MODBUS是现在流行的一种工业组网方式，其特点是实施简单方便，并且大量部件支持RS485，所以本系统采用工业现场总线标准进行数据交互和逻辑控制，通讯协议基于标准MODBUS-RTU。同时Xmega具有强大的通讯端口设计，为了与上位机、监控系统、电力监控装置等设备进行通信，硬件上设计多路通信模块、软件上统一通信规约，报文单帧结构、CRC校验，以中断方式分别对不同路通信进行调度处理。

图6 程序流程图Fig. 6 Program flow diagram

3 结束语

从硬件与软件方面分别叙述设计了基于现场总线的低压电网漏电保护器，采用最新控制器作为硬件核心、以总线架构作为设计结构，多路通讯端口进行外部通讯、采用成熟漏保选线方法，各部件模块功能清晰、结构明了、易于调试维护。

试验证明该装置能够有效区分故障线路与非故障线路，反应灵敏可靠，可扩展性强。

[1]张国军,苏珂嘉.基于零序电流特征量的选择性漏电保护选线方法[J].工矿自动化,2012, 38(3):51-54.

ZHANG Guo-jun,SU Ke-jia.Line selection method of selective leakage protection based on characteristic quantity of zero sequence current[J].Industry and Mine Automation,2012,38(3):51-54.

[2]刘子胥,李国顺,张长勇,等.基于DSP的矿井电网选择性漏电保护的研究[J].煤矿安全,2008(38)26-29.

LIU Zi-xu,LI Guo-shun,ZHANG Chang-yong,et al.Selective leakage protection for undergroud distribution networks based on DSP[J].Safety in Coal Mines, 2008(3):26-29.

[3]Novak T, Bridger B,Jr.The effects of very-high-resistance grounding on the selectivity of ground-fault relaying in high-voltage longwall power systems[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2001,37(2).

[4]方章英，陈中华，张立.矿井移动变电站低压侧漏电保护[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版,2011,30(2):284-287.

FANG Zhang-ying,CHEN Zhong-hua,ZHANG Li.Faulty line selection with non-power frequency transient components of distribution network[J].Journal of Liaoning Technical University:Natural Science Edition,2011,30(2):284-287.

[5]张涛,薛鹏骞,蒋静坪.基于CAN总线的煤矿安全监测监控系统的设计[J].煤炭科学技术,2007,35(6):46-48.

ZHANG Tao,XUE Peng-qian,JIANG Jing-ping.Design on coal mine safety monitoring and measuring system base on CAN bus[J].Coal Science and Technology,2007,35(6):46-48.

[6]韩宁,燕飞,杜广微.基于ARM的嵌入式煤矿安全生产监控终端[J].辽宁工程技术大学学报,2006,25(S1):168-171.

HAN Ning,YAN Fei,DU Guang-wei.ARM-based embedded safety monitoring terminal in coal mine[J].Journal of Liaoning Technical University, 2006,25(S1):168-171.

[7]牟龙华.矿井保护接地网电流与电压分布的仿真研究[J].电工技术学报,2000,15(1):68-71.

MU Long-hua.Current and voltage distribution simulation for a protective earthing network in mine[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2000,15(1):68-71.

Design of leakage protection device for underground power grid in mine based on fi eld bus

SU Ke-jia, YAO Jue-di, TANG Chun-xiao
（China Coal Research Institute,BeiJing100013,China）

Leakage protection device of underground low-voltage power grid often refuse to act or malfunction,the traditional application is not ideal.Analysised leakage model of power system in mine and logic relationship of the zero-sequence current in each branch,used recent micro controller ATXmega MCU as the control core，designed low leakage protection device in mine with color LCD screen and human-computer interface based on ATXmega,proposed software and hardware design scheme,taked account of extended communication needs of the system,focused on application to industrial field bus architecture by MODBUS agreement.This leakage protection equipment can adapt to kinds of structure and size of power supply system,has high ability of leakage fault line selection and communication scalability.

leakage protection; zero sequence current; zero sequence power; ATXmega; industrial field bus; MODBUS

TN710

A

1674-6236(2014)07-0106-03

2013-07-29稿件编号201407208

中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目(2011MS004)

作者简介：苏珂嘉(1985—)，男，内蒙古呼伦贝尔人，硕士。研究方向：煤矿井下供电安全、电力系统、漏电保护等。