基于CAN总线的煤矿供电系统线路保护装置设计

张修太， 张天鹏， 朱元辰， 束芳芳

(1.安阳工学院 电子信息与电气工程学院 河南 安阳 455000；2.许继电气股份有限公司 河南 许昌 461000)

基于CAN总线的煤矿供电系统线路保护装置设计

张修太1， 张天鹏1， 朱元辰2， 束芳芳2

(1.安阳工学院 电子信息与电气工程学院 河南 安阳 455000；2.许继电气股份有限公司 河南 许昌 461000)

设计了一种对煤矿供电系统输电线路进行保护的装置.该装置以32位ARM处理器MB9BF518S为控制核心，以CAN总线为通信网络，实现了对煤矿供电系统输电线路电压、电流、有功功率、无功功率等参数的测量和监控，并可以对输电线路发生的短路、过电流、低电压等故障进行有效的保护.叙述了保护装置的总体功能和基本结构，给出了信号变换电路、CAN总线接口电路和开关量输入电路的设计方案，分析了电流速断保护和反时限过流保护的保护逻辑，并给出了保护装置的部分测试数据.该保护装置结构简单、操作方便、可靠性高，能够满足煤矿供电系统对输电线路保护的要求.

煤矿； 供电系统； 线路保护； 保护装置； CAN总线

0 引言

目前，我国煤矿常采用6 kV 或10 kV供电系统，随着煤矿井下生产工作面的不断向前延伸，高压供电电缆及设备不断深入供电系统末端，每个采矿区有多个分区变电站担负工作面供电，具有分布区域广、设备多、距离远等特点，造成井下供电系统分级过多，使得煤矿供电系统大多采用纵向、多层级、短距离垂直的供电模式[1-3].在该供电模式下，煤矿井下供电系统线路保护普遍面临着速断保护定值无法整定、失压保护零时延、保护器功能不全等问题，导致煤矿井下供电系统经常出现短路、过流、欠压、漏电等故障，特别是当供电线路发生短路故障时，不能构成有效的纵向选择性短路保护系统，引起越级跳闸事故，造成煤矿井下大面积停电，极大影响了煤矿井下供电系统的安全[4-5].

微机型综合保护装置把继电保护与自适应控制技术、网络通信技术、计算机控制技术等结合起来，实现了测量、保护、控制和数据通信的一体化，是继电保护装置的发展趋势.本文结合当前煤矿井下供电系统线路保护的特点，提出了一种基于CAN总线的线路保护装置设计方案.该方案利用CAN总线通信技术实现各级保护装置的信息共享，通过上位机对保护信息进行综合判断和统一控制，实现上下级保护装置的选择性跳闸，提高继电保护的可靠性，从而解决越级跳闸问题，并可以实现煤矿井下供电系统的遥测、遥信、遥控和遥调功能，为煤矿井下采区变电站实现无人值守创造必要条件.

1 保护装置的总体功能

1.1 线路保护的基本方案

保护装置实现供电系统线路保护的基础是构建一个基于CAN总线的通信网络，保护装置利用CAN总线实现点对点或一点对多点的数据通信，实现保护装置与监控主机之间的快速信息交换.监控主机根据各保护装置上传的数据信息迅速判断线路故障的位置，实现上下级保护装置的相互配合，进行有选择性的保护动作，防止越级跳闸事故的发生，提高供电系统的可靠性，其线路保护基本方案示意图[6-7]如图1所示.

图1 线路保护基本方案示意图Fig.1 The general scheme of line protection

CAN总线数据通信具有实时双向的特点，通信网络中的任一节点均可以向网络中的其他节点发送数据.各保护装置在数据通信时被配置成不同的CAN总线仲裁级别，同一级别保护装置的仲裁级别相同.当有多个保护装置同时向总线发送传输数据请求时，优先级别较低的节点会主动退出发送，优先级别最高的节点可不受其他节点影响继续传输数据.在图1中，各保护装置的CAN总线仲裁级别为：QF6> QF5>QF4>QF3>QF2>QF1，在供电系统中的保护跳闸级别为：QF6< QF5< QF4< QF3< QF2< QF1，保护跳闸级别低的保护装置在检测到故障电流时最先跳闸.假设当供电线路中的K1处发生短路故障时，QF4、QF3、QF2、QF1的保护装置均可以检测到短路电流，并同时向CAN总线网络发出故障信息，根据CAN 总线网络仲裁的标准，QF4的保护装置会首先占据总线并发出故障信息，监控主机根据收到的数据报文地址来判断故障源的位置，并对QF4的保护装置发出跳闸指令，同时使QF3、QF2、QF1的保护装置进入保护延时(可以整定，设整定值为100 ms)，延时结束后如果故障没有解除，监控主机向QF3的保护装置发出跳闸指令，并让QF2、QF1的保护装置再进入保护延时.这样如果QF4的保护装置正常工作，则由其本身跳闸切除故障线路；如果QF4的保护装置拒动，则由QF3的保护装置延时100 ms后跳闸切除故障线路；如果QF4和QF3的保护装置均拒动，则由QF2的保护装置延时200 ms后跳闸切除故障线路.因此，可以通过合理安排各级保护装置之间的保护动作时限，完成各级保护装置之间的保护闭锁，从而实现有选择性的跳闸动作，防止越级跳闸事故的发生.

1.2 保护装置的主要功能

1.2.1 “四遥”功能 保护装置能够实时自动检测供电线路上电流、电压等电气量的状态，完成电压、电流、有功功率、无功功率等参数的测量与计算，并将结果上传给监控主机，实现“遥测”功能；保护装置能够远程检测断路器、接触器、刀闸开关等的位置信号，实现“遥信”功能；保护装置能够远程控制煤矿井下开关断路器或接触器的分闸与合闸操作，实现“遥控”功能；保护装置能够远程在线进行保护参数查询与整定、通信设置整定、保护信号复位等，实现“遥调”功能.

1.2.2 保护功能 保护装置配置有三段式电流保护(电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护)、反时限过流保护、漏电流保护、三段式低电压保护、三段式过电压保护、零序过压保护、负序过流保护和非电量保护等保护功能.每种保护功能都设置有保护软压板，通过对保护软压板的控制，可以灵活地投入或退出保护功能.

1.2.3 故障告警功能 保护装置具有故障告警功能，当保护装置检测到故障信息后，能够以蜂鸣器、语音提示、LCD显示等形式向值班人员发出故障告警信息，提示工作人员线路发生故障.如果保护装置自身发生故障，保护装置也会发出故障信息，并闭锁保护功能，当故障解除后方可重新上电工作.

1.2.4 故障定位功能 保护装置能够将检测到的故障信息上传至监控主机，监控主机通过分析处理故障信息后,定位故障线路保护装置的位置，并通知维修人员，以便准确查找故障线路，及时处理故障.

2 硬件电路设计

2.1 硬件电路总体结构

保护装置的硬件电路设计采用插件式结构，主要包括CPU插件、交流信号输入插件、通信插件、开关量插件、人机对话插件和电源插件等，其基本结构框图[8-9]如图2所示.

图2 硬件电路设计结构框图Fig.2 Configuration of the hardware circuit design

CPU插件为保护装置的核心，由ARM微处理器(Cortex-M3家族的32位处理器MB9BF518S)、存储电路、晶振电路、复位电路等构成，主要起数据采集与计算、保护逻辑判断、线路故障处理、数据通信控制、数据存储等作用.交流信号输入插件主要由电压互感器、电流互感器和信号变换电路构成，用以采集供电线路上的三相电压和三相电流信号，并对采集后的信号进行电压变换和滤波处理.通信插件包括RS485通信接口电路和CAN总线接口电路，用于保护装置与其他设备或监控主机进行数据通信.开关量插件包括开关量输入电路和开关量输出电路，开关量输入电路用于采集断路器、接触器等的位置信号，开关量输出电路用于驱动保护装置的出口继电器.人机对话插件由液晶显示、按键和灯光指示电路等构成，主要功能是显示保护装置的输出信息、设置保护装置的工作状态.电源插件的作用是为整个保护装置提供合适的工作电压.

2.2 交流信号输入电路设计

在交流信号输入电路中，三相电压输入信号使用变比为120 V/7.07 V(有效值)的电压互感器采样，三相保护电流输入信号使用变比为100 A/7.07 V的电流互感器采样，三相测量电流输入信号使用变比为5 A/3.53 V的电流互感器采样，零序电流使用变比为20 A/7.07 V的电流互感器.三相电压和三相电流经过互感器采样后，变换成幅值为10 V的正弦信号，由于微控制器MB9BF518S内部的A/D转换器只能对0～5 V的单极性电压信号进行转换，因此，需要将-10 ～10 V的正弦信号变换成0～5 V的单极性信号[10].

信号变换电路[11]的设计如图3所示，电压互感器或电流互感器的输出信号IN首先经过由6.2 kΩ和1 kΩ电阻构成的分压电路，将-10～10 V的正弦信号变换为-1.37 ～1.37 V的正弦信号，然后依次经过由精密运算放大器TLC4502构成的电压跟随器、反相求和运算电路、反相比例运算电路，转变成0.13～2.87 V的单极性信号，并由750 Ω电阻和100 nF电容构成的低通滤波电路进行滤波，最后送入MB9BF518S内部A/D转换器的输入端进行模数转换.

图3 信号变换电路Fig.3 Signal transform circuit

2.3 CAN总线接口电路设计

保护装置的通信插件包括RS485通信接口电路和CAN总线接口电路，由于MB9BF518S内部已经集成了CAN总线控制器，设计电路时只需外加CAN总线收发器和简单的外围电路就可以组成CAN总线通信电路.CAN总线接口电路如图4所示，图中的CTM8251T是一款带隔离的通用CAN收发器，内部集成了用于CAN通信所需要的CAN隔离及CAN收、发器件，能够将CAN控制器的逻辑电平转换成CAN总线的差分电平，并具有DC 2 500 V的隔离功能，具有较高的抗电磁干扰性能.CTXD、CRXD表示CAN控制器的发送端与接收端；CAN_L、CAN_H表示CAN总线的信号连接端.

2.4 开关量输入电路设计

开关量输入电路设计采用AC 220直接开入方式，其电路[12-13]连接如图5所示.DIIN表示开关量输入端，DICOM表示公共端，DIOUT表示开关量输入电路的输出端.当DIIN端有开关量输入信号时，输入信号经过限流、整流、滤波后送至光电耦合器TLP521的输入端，TLP521导通，输出端DIOUT变为低电平，经软件消抖处理后确定有外部开关量输入.

图4 CAN总线接口电路Fig.4 CAN bus interface circuit

图5 开关量输入电路Fig.5 Switch signal input circuit

3 保护功能的保护逻辑分析

3.1 三段式电流保护

保护装置设有电流速断保护、限时电流速断保护、过电流保护三段式电流保护功能.保护功能由保护软压板控制，当保护软压板投入时保护功能启动，当保护软压板退出时保护功能禁止，保护功能启动时具有防越级跳闸闭锁延时功能.电流速断保护具有低电压闭锁和TV断线闭锁功能，其保护逻辑设计[14]如图6所示，其中Ia、Ib、Ic表示三相保护电流的测量值，Iset表示电流速断保护动作的整定值，Uab、Ubc、Uca表示三相电压的测量值，Uset表示低电压闭锁的电压整定值，Tset表示延时时间整定值.在设计时，Iset的整定范围为0.05 ～200 A，步长为0.01 A；Uset的整定范围为1 ～200 V，步长为0.01 V；Tset的整定范围为0～200 s，步长为0.01 s；防越级跳闸闭锁延时的整定范围为0～200 s，步长为0.01 s.

3.2 反时限过流保护

反时限过流保护包括一般反时限、非常反时限和极端反时限3种形式，用户可以根据实际情况需要选择一种保护形式投入使用[15].反时限过流保护的特性曲线可以表示为

(1)

(2)

(3)

式中：t表示反时限过流保护的动作时间;I表示故障电流采样值;Ip表示保护基准电流整定值;Tp表示保护时间常数整定值.反时限过流保护的保护逻辑设计如图7所示，其中Ip的整定范围为0.05 ～200 A，步长为0.01 A；Tp的整定范围为0～200 s，步长为0.01 s.

图6 电流速断保护逻辑图Fig.6 Logic diagram of current quick-breaking protection

图7 反时限过流保护逻辑图Fig.7 Logic diagram of inverse-time over-current protection

4 保护功能测试

为了验证保护装置在多级纵向垂直系统供电中保护功能的正确性，按照煤矿井下三级变电站供电情况搭建如图8所示的试验电路.图8中的QF1～ QF6为高压防爆开关，其中QF1的电流互感器变比设置为400/5，电流速断保护动作延时时间整定值设置为320 ms；QF2、QF3的电流互感器变比设置为300/5，电流速断保护动作延时时间整定值设置为160 ms；QF4、QF5的电流互感器变比设置为200/5，电流速断保护动作延时时间整定值设置为80 ms；QF6的电流互感器变比设置为100/5，电流速断保护动作延时时间整定值设置为0 ms；QF1～ QF6保护装置的电流速断保护整定值均设置为100 A.

图8 试验电路原理图Fig.8 The diagram of test circuit

假设实验电路中的故障点分别发生在A、B、C处，将电流快速上升至100 A以上，模拟线路发生短路故障，高压防爆开关均正常工作的测试结果如表1所示.假设故障点发生在D处，分别模拟高压防爆开关QF3拒动和QF3、QF2均拒动的测试结果如表2所示.从测试结果可以看出，所设计的保护装置能够满足煤矿井下供电系统对电流速断保护的要求，且具有防越级跳闸功能.

表1 开关正常工作的测试结果

表2 开关拒动的测试结果

5 结论

所设计的煤矿供电系统线路保护装置采用32位ARM处理器MB9BF518S作为控制核心，以CAN总线构成数据通信网络，具有硬件电路结构紧凑、软件功能丰富等特点，能够对煤矿供电系统所产生的线路故障进行全面保护，并且线路短路保护具有防越级跳闸功能，实现了煤矿供电线路保护的智能化和网络化，提高了煤矿供电系统运行的可靠性，具有较高的应用价值.

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(责任编辑：孔 薇)

Design of Transmission Line Protection Device in Coal Mine Power Supply System Based on CAN Bus

ZHANG Xiutai1, ZHANG Tianpeng1, ZHU Yuanchen2, SHU Fangfang2

(1.SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,AnyangInstituteofTechnology,Anyang455000,China; 2.XJElectricCO.,LTD，Xuchang461000,China)

The protection device was designed for the transmission line protection in coal mine power supply system. The 32-bit ARM processor MB9BF518S was used as a core component in this device, and the CAN bus was used as the communication network. It could monitor the voltage, current, active power and reactive power, and the device could provide effective protection for the fault of the transmission line such as short circuit, over current, and low voltage. The logic diagrams of current quick-breaking protection, inverse-time over-current protection were analyzed, and test data of the protection device was provided. The overall function and the fundamental structure were discussed and the design schematic diagrams of signal transform circuit, CAN bus interface circuit, and the switch signal input circuit were given. This protection device could meet the requirements of the transmission line protection in coal mine power supply system, and it had higher application value, with the features of simple structure, easy operation, and high reliability.

coal mine; power supply system; line protection; protection device; CAN bus

2015-11-30

张修太(1971—)，男，河南范县人，副教授，硕士，主要从事自动化研究，E-mail:925001334@qq.com；通讯作者：张天鹏(1980—)，男，河南南阳人，讲师，硕士，主要从事电力系统继电保护与控制研究，E-mail:zhangtp80@163.com.

张修太，张天鹏，朱元辰，等．基于CAN总线的煤矿供电系统线路保护装置设计[J]．郑州大学学报(理学版)，2016，48(2)：110-115.

TD611

A

1671-6841(2016)02-0110-06

10.13705/j.issn.1671-6841.2015291