煤矿供电系统继电保护装置优化

2023-07-26金莉鑫

山西焦煤科技 2023年5期

金莉鑫

山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司东曲煤矿, 山西太原 030200)

煤矿安全供电是矿井安全生产、矿工安全工作的基本保障。煤矿供电系统必须满足国标规定的可靠与灵敏特征。因此,对供电系统中继电保护装置的可靠性、选择性、灵敏性以及速动性提出了更高的要求。目前,煤矿供电系统继电保护装置普遍存在速断过流保护值设定不合理、漏电保护选择性差、保护功能不完善、通讯能力弱等问题,导致供电系统发生短路、漏电、过流以及越级跳闸等故障,严重影响了矿井安全、可靠供电[1-2]. 因此,研究并优化煤矿供电系统继电保护装置意义重大且十分必要。本文提出一种基于ARM9处理器的煤矿供电系统继电保护装置优化方案,达到完善保护功能、防止越级跳闸、增强通讯能力的目的。在此基础上,完成系统测试,验证优化方案的正确性和适用性。

1 煤矿继电保护装置分析

煤矿供电系统继电保护装置用于实现过流三段保护、变压器保护、零序保护等,根据《煤矿电工手册》等对继电保护装置短路电流进行校验和整定。煤矿供电系统实际运行时,最大运行方式下的短路电流与最小运行方式下的短路电流变化较为平缓,短路电流曲线见图1[3]. 因此,煤矿供电系统继电保护装置存在的问题主要有:1) 由于矿井供电系统配电级数多、供电回路距离短、阻抗小,短路电流相差小,整定困难。2) 无法同时满足继电保护装置的选择性和灵敏性。3) 存在越级跳闸风险,极易导致矿井较大范围停电。

图1 煤矿供电系统短路电流曲线图

2 继电保护装置优化设计

2.1 硬件设计

2.1.1 总体设计

煤矿供电系统继电保护装置硬件总体设计见图2,以S3C2440AL-40 ARM9处理器为核心,主要完成继电保护装置的保护及控制、数据采集以及通讯。

1) 保护及控制功能。控制继电保护装置中的分合闸实现线路控制,采用软压板对继电保护装置进行有效保护。

2) 数据采集功能。S3C2440AL-40控制器采集隔离开关、断路器等数字量信息对继电保护装置的运行状态进行实时、有效的监控;采集TA二次侧电流、电压模拟量信息分析供电系统的故障。

3) 通讯功能。通过TCP/IP通讯将继电保护装置的保护、监控信息上传至煤矿电力监控系统;通过光纤通讯实现两侧差动保护设备间的信息交互,实现光电信号的转换;通过RS485通讯将继电保护装置所有数据传送至人机交互模块,实现本地实时监测。

图2 继电保护装置硬件总体设计图

2.1.2 最小系统设计

煤矿供电系统继电保护装置硬件最小系统以S3C2440 AL-40芯片为核心,采用总线架构扩展晶振电路、复位电路、SDRAM电路、FLASH电路以及电源电路。设计12 MHz无源晶振+外接32.768 kHz晶振方案,提供精确的时间基准[4-5]. 采用IMP811 S芯片设计上电、手动两种复位方案,解决程序运行时的卡死、循环异常。外扩两片32 MB的K4S561632 N芯片组成SDRAM电路,实现程序的稳定、可靠、高效运行。采用K9F1G08芯片完成外扩FLASH电路,实现掉电数据保存并达到理想的读写效率。设计12 V、5 V、3.3 V电压等级的电源电路,为硬件系统元器件提供持续稳定的电流,其中12 V电源用于驱动继电器负载,5 V、3.3 V用于驱动芯片,利用AMS1117芯片实现电压变换。

2.1.3 扩展电路设计

1) 模拟信号调理电路。

模拟信号调理电路的作用是实现TA二次侧电压转变为适合A/D转换器输入的弱电信号,电路设计见图3,通过LM324运放实现。基于ADC控制器、ADC转换数据寄存器将经过调理之后的0～3.3 V电压信号进行模/数转化,将转化结果保存于相应的寄存器装置中。

图3 模拟信号调理电路图

2) 数字量输入/输出电路。

煤矿供电系统继电保护装置共设置9路数字量输入信号,如断路器闭合信号、断路器分位信号等,数字量输入电路见图4,完成9路信号的获取;共设置5路数字量输出信号,如保护跳闸、保护分闸信号等,数字量输出电路见图5,完成5路信号的输出。

图4 数字量信号输入电路图

图5 数字量信号输出电路图

3) 通讯电路。

通讯电路包括光纤通讯、TCP/IP通讯以及RS485通讯,其中光纤通讯电路设计原理见图6. 光纤通讯主要实现继电保护装置两侧差动保护设备的数据通讯。S3C2440 AL-40芯片将需要传输的数据按照规则进行组帧并发送给PHY芯片[6]. PHY芯片接收到数据帧后按照规则进行解码并将解码后的数据信息传送给光模块。光模块经光纤将数据传输至对侧单元并将光信号转换为电信号,输入至核心处理芯片进行处理。在光纤通讯时,PHY芯片选用因特尔的LXT971A芯片,满足IEC61850-9-2协议要求,符合继电保护装置光纤传输要求。光模块选用Agilent的AFBR-5803ATZ芯片,实现电光转化。TCP/IP通讯用于实现继电保护装置与矿井电力监控系统间的数据传输;RS485通讯用于实现继电保护装置与本地人机界面间的数据传输。

图6 光纤通讯电路图

2.2 软件设计

2.2.1 开发环境

煤矿供电系统继电保护装置软件开发环境基于μc/OS-Ⅱ实现,完成编辑、编译功能。μc/OS-Ⅱ开发环境实时性强,可实现不同任务单元的单独运行,可结合优先级抢占实时内核,可采用软中断调用不同的功能单元,程序单元间相互独立并具备就绪、运行、停止3种状态。

2.2.2 程序设计

根据煤矿供电系统继电保护装置功能,将软件程序设计划分为主程序、数据采集程序、通讯程序、故障处理程序以及人机交互程序5部分。

1) 主程序。

主程序用于继电保护装置的自检、保护算法的实现并建立、调用不同的功能模块,流程见图7. 通过光纤通讯获取数据信息并完成转换、分析、判别后利用设计的保护算法与差动部分数据进行对比分析,确定是否存在故障。

2) 数据采集程序。

数据采集程序用于对电压、电流信号进行模拟量采样,保存至指定寄存器。S3C2440AL-40芯片每隔200 μs进行一次A/D转换,读取所有通道数据后组帧发送至对侧。经过采样同步、事件同步修正后进行下一次数据采集以及A/D转换过程。

3) 通讯程序。

a) 光纤通讯:即与对侧继电保护装置进行数据传输,遵循IEC61850通讯协议,按照OSI模型进行数据传输,经组帧、编码后封装成IEC61850-9-2通讯报文帧结构经PHY后对外传输。发送流程中先将数据存入发送缓冲区,经ASN.1编码、链路层封装后发送数据;接收流程中对数据进行解析并完成CRC校验,将校验正确的数据存入寄存器。

图7 主程序图

b) TCP/IP通讯:即与矿井电力监控系统进行数据传输,该程序循环查询TCP/IP数据接收缓冲区是否有新的数据包,如果有,则利用注册的回调函数将数据经网口发送至矿井电力监控系统。

c) RS485通讯:即与本地人机界面进行数据传输,软件设计时需确定通讯端口、波特率、奇偶校验位、停止位等参数。

4) 故障处理程序。

故障处理程序用于判定继电保护装置设备在制约条件下是否可以启动。继电保护装置设备实际运行时,若发生故障,则需依次对所在通道、本侧差动保护是否投入、对侧差动保护是否投入、对侧差动保护是否启动、对侧是否跳闸、对侧母线是否动作等进行判断,经延时处理后进入故障处理流程。可判定的继电保护装置的故障类型有CT断线、三相闭锁、两相短路、保护装置不动作或动作不可靠、保护装置误动作等。

5) 人机交互程序。

人机交互程序用于实时展示继电保护装置运行状态、参数设置、故障信息等,通过RS485通讯完成数据交互,在LCD液晶显示屏实时显示和更新。

3 系统测试

3.1 测试平台

搭建煤矿供电系统继电保护装置系统测试平台,测试装置在切除故障时的实时、选择性指标,验证装置的正确性和适用性。煤矿供电系统继电保护装置测试系统结构见图8,在K1处布置一台继电保护装置,该装置与K2、K3、K4以及K5高爆开关相连,用于模拟矿井供电系统主干线路,采用光纤网络进行通讯。在K1、K2之间、K3、K4之间以及K5与低压负荷之间分别布置D1、D2、D3三个短路装置。系统测试时用到的工具还包括人机界面LCD液晶显示屏1个、矿井电力监控分站1台以及调压器、万用表、跳线、网线等。

图8 煤矿供电系统继电保护装置测试系统结构图

3.2 测试记录及分析

根据高爆开关K1、K2、K3、K4以及K5的TA变比,设定主保护一次、二次定值和延时,后备保护一次、二次定值和延时,分别完成基于传统继电保护装置与优化后继电保护装置的D2短路且保护有效、D2短路且K5保护失灵、D3短路且保护有效、D3短路且K5保护失灵、D1短路5项试验,对短路电流、应动作开关、应动作时间、实际动作开关、实际动作时间进行记录。发现传统继电保护装置在开关有效或失灵状态下都会出现越级跳闸且保护动作有延时;优化后的继电保护装置未出现越级跳闸、未产生区外故障误动作且实时性好,可以满足设计预定目标。煤矿供电系统继电保护装置优化前后5项试验结果对比见表1—6.