煤矿供电系统防越级跳闸保护装置的设计

刘云庭

(山西铺龙湾煤业有限公司，山西 大同 037100)

0 引言

煤矿供电系统在煤矿开采过程中扮演着非常重要的角色，是煤矿运营的动力来源[1]。目前煤矿井下因受巷道延伸方向所限，通常在同一方向上会布设多级供电所，同时，每一级变电所线路分级增多，致使线路越来越短，而供电电缆线路阻抗很小，当供电系统线路发生短路故障时，各级线路之间短路电流在数值上无明显差别，这就导致各级原有继电保护装置难以按照短路电流数值大小来判断短路故障点是否发生于本保护区，使保护整定难度变大，从而使线路发生开关误动作、越级跳闸现象。煤矿供电系统发生越级跳闸时，会直接扩大井下的停电范围，影响煤矿生产的安全以及煤矿开采的效率，甚至发生煤矿重大事故[2-3]。

为此，本文基于微机控制技术、总线通信技术、上位机监控技术设计了一种基于CAN总线通信的新型防越级跳闸保护装置，可将故障线路快速、有选择性地切除，有效地解决了煤矿井下供电系统出现的越级跳闸现象，提高了矿井供电系统的可靠性。

1 防越级跳闸保护装置保护原理分析

防越级跳闸保护装置在供电系统中的工作原理如图1所示，整个保护系统由上位机监控平台、CAN总线通信单元、多个防越级跳闸保护装置以及供电系统设备组成。本文采用一种新型的CAN总线通信结合时限速断保护策略来进行方案设计，具体为在地面变电站、井下中央变电站、采区变电站和移动变电站之间对应的线路断路器上皆装设本文设计的防越级跳闸保护装置，多个防越级跳闸装置之间通过CAN总线通信方式实现多级互联，当供电网络某一级线路发生短路故障时，都可不分主次地在任意时刻向其他节点发送故障消息，这样各保护装置可以根据故障信息做出故障判断，决定是否进行故障操作，并采取相应的保护策略；同时各保护装置可通过CAN总线与上位机监控平台实现实时双向通信，便于工作人员对供电系统进行远程监控。

图1 煤矿供电系统防越级跳闸保护装置工作原理图

2 保护装置硬件方案设计与选型

2.1 防越级跳闸保护装置硬件组成

本文所设计的防越级跳闸保护装置硬件框图如图2所示。整个保护装置包括微控制器、线路电参数采集单元、开关量输入输出单元、CAN总线通信单元、键盘输入单元、液晶显示单元、声光报警单元和电源管理单元等。微控制器是保护装置的核心部分，负责对故障信息、现场数据进行分析处理，完成工作人员及上位机监控平台发出的控制指令，同时还要与其他保护装置进行信息交互，协调各保护装置工作状态；线路电参数采集单元主要对故障线路的电流、电压进行采集，并传输给微控制器，其中电流信号用于对故障进行分析判断，电压信号配合电流信号进行功率计算；开关量输出单元用于接收微控制器发出的命令，并对线路断路器进行启停控制；开关量输入单元用于对线路断路器的工作状态信号进行检测，并实时传输给微控制器；声光报警单元负责对线路故障进行报警，以便工作人员对故障点进行精准定位；键盘输入单元用于电流整定参数的设定；液晶显示单元用于对线路电流、电压参数进行实时显示；电源管理单元负责为保护装置中的各个模块进行供电；CAN总线通信单元主要为保护装置之间、保护装置与上位机监控平台之间信息通信提供数据通道。

图2 防越级跳闸保护装置硬件框图

2.2 微控制器选型

本系统中的微控制器需要完成线路电信号的实时采集、判断分析，同时还要具有对保护算法的快速处理能力。根据保护装置的功能需求，微控制器选用TI公司生产的TMS320F2812的DSP，该芯片性价比高、性能优良、功能丰富，是DSP主流产品之一。另外，该芯片内部集成了增强型eCAN模块，对CAN2.0B协议完全兼容，这样可以不用另外增加CAN控制器，非常适合本保护装置[4]。同时，该芯片具有超强的系统处理能力和超高的运算精度，非常有利于保护策略和算法的执行。

2.3 线路电参数采集单元设计

线路电参数采集单元主要采集线路的电压、电流等模拟量信号，线路中的电压、电流等信号经过电压互感器和电流互感器转换，再经过信号调理电路、A/D转换电路变成DSP可处理的数字信号。电参数采集单元硬件框图如图3所示。

图3 电参数采集单元硬件框图

电压信号调理电路如图4所示。图4中，两级反相比例放大器用于实现倍数放大；为了防止高次谐波的干扰，在前后两个反相比例放大器之间增加了低通滤波电路；为了防止瞬态过电压对保护装置产生冲击，在输出端增加一个双向瞬态电压抑制器TVS。对于电流信号，可以采用同样的信号调理电路，只是需要增加一个电流/电压转换电路，将电流互感器二次侧的电流信号转变成电压信号，再进行信号调理[5]。

图4 电压信号调理电路

对于A/D转换电路，本文设计的保护装置采用MAXIM公司生产的MAX125转换芯片，该芯片转换速度快、转换精度高，对于保护装置的性能有很大的提升。

2.4 CAN总线通信电路设计

CAN总线通信电路对本保护装置通信机制的实现具有很大的支撑作用。由于TMS320F2812内部集成有eCAN控制器，因此只需要在外部连接CAN总线驱动器，便可实现通信电路的互联。本保护装置选取德州仪器公司生产的SN65HVD230的CAN收发器，该收发器抗干扰能力强、可靠性高、通讯速率快。图5为保护装置接入CAN总线的连接图。图5中，在DSP与CAN总线收发器之间增加了一个隔离器AD-UM1201，这样可以提高通信系统的抗干扰性能[6]。

图5 保护装置接入CAN总线连接图

2.5 开关量输入单元设计

开关量输入单元主要用于对现场线路断路器的开关工作状态进行监测，开关量信号来源于断路器QF的辅助常开、常闭接点[7]。开关量输入单元的电路设计如图6所示，断路器的状态信号将以二进制数字变化的形式传送给微控制器，并在液晶显示屏以及上位机监控平台实时显示其工作状态。

图6 开关量输入电路

3 软件设计

本文选用了TMS320F2812的DSP微控制器，故采用C语言进行程序编写[8]。编写时按照各个模块所要实现的功能采用模块化的设计理念，包括主程序和各功能子程序，由主程序实现统一调用。设计的程序模块包括主程序、初始化程序、CAN总线通信程序、电参数信号采集程序、开关量输入采集程序、开关量输出控制程序、声光报警程序和液晶显示程序，并设计了中断程序进行必要的中断处理。图7为本保护装置的主程序流程框图，主要通过检测线路电流来进行故障判别，并通过新型的通信机制进行传输。

图7 主程序流程框图

4 结论

本文具体分析了煤矿供电系统越级跳闸现象发生的具体原因，针对目前供电线路保护装置参数整定难度大、动作灵敏度低的问题，基于DSP控制技术和CAN总线通信技术设计了一种新型的防越级跳闸保护装置，该保护装置引入了一种新的通信机制，使得各级保护装置在发生短路故障时实现互联，使故障信息共享，减少了越级跳闸现象的发生。