基于矿鸿系统的馈电开关保护装置的开发与设计

刘 伟

（国能神东煤炭乌兰木伦煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017200）

1 矿鸿系统

随着国家智能化制造战略的不断推进，煤矿领域智能化水平也不断提升。但煤矿领域在智能化的道路上存在系统不兼容、网络协议不一致等问题，并且由于煤矿设备生产厂家不同难以实现系统间的协同和高效作业，信息技术与设备操作技术融合问题突出，煤矿系统安全性和调整能力亟待提升。为解决煤矿领域智能化水平低的问题，建立适合煤矿领域的架构和标准，华为提出了矿鸿操作系统。矿鸿操作系统将不同的煤矿设备联系起来，建立煤矿统一接口和统一的数据结构，解决了不同厂家设备的协同与互通的问题，推进能源经济领域的智能化水平，实现煤炭行业高质量发展，可实现以下目标。

（1）高效互联。利用矿鸿操作系统可实现传感器、煤矿设备、手机、穿戴设备等的数据共享、数据传输和信息感知，提升了煤矿领域智能化水平和人员安全。

（2）统一标准。利用矿鸿操作系统建立了数据共享平台和传输协议，并制订行业接口、协议标准，通过对接设备厂商，实现了不同厂商直接设备低成本互联和信息交互。在以安全为前提的情况下实现数据共享、数据传输和数据的分析与处理。

（3）智能协作。利用矿鸿操作系统建立通信通道为煤矿领域提供数据通道，利用传感器、手机等设备感知外部信息和信息共享。并通过Neo4j 图数据库和通信协议实现矿下设备新型可视化交互方式，在提升信息交互效率的同时也提升了作业现场的安全性。

（4）隐私安全。利用矿鸿操作系统的安全特性，保障数据在全生命周期流程中的安全性，提升煤矿工控体系的安全性能。矿鸿系统主要系统架构如图1所示。

图1 矿鸿系统主要架构

2 馈电开关保护装置系统的设计方案

2.1 低压供电系统结构

我国煤矿系统采用变电站+放射式的模式为矿井供电。矿井供电系统的构造包含5个部分：变压器、分支馈电开关、总馈电开关、磁力启动装置、高压配电设备。

低压馈电开关保护装置使用环境如图2所示，井下各分机的集中运作中心是上位机，其是控制、保护和管理整体的保护系统。低压馈电开关保护装置的ARM 芯片可快速响应故障信号完成通信数据的互换，适合高要求的实时性及处理任务。ARM STM32F103为32 位芯片包含光电隔离电路、开关量输入电路、RS-485通信电路、电网参数采集和处理器，其中的双边联合跳闸保护、反向电流保护、速断保护、过流保护、漏电保护、过欠压保护是本装置的主要组成部分。由于馈电系统的线路较多、复杂性较高，当发生故障时收集系统内的电流数据和电压数据，低压馈电开关保护装置先将电流数据和电压数据转换为A/D 信号，然后将信号处理后发出跳闸信号，进而发出动作信号使断路器分闸并在人机交互界面平台的LED 灯发出报警信号，运行人员就使用按键把参数重新设置，使线路得到保护进而其可靠性得到提升。

图2 低压馈电开关保护装置使用环境

电流速断保护是馈电开关保护装置重要的保护措施，电流速断保护的电流动作值小于或等于馈线开关的大电流跳闸动作值。电流速断保护装置既能保护截面近端和中距离的金属短路故障，又能保护被测电流。若测量到的电流大于设定值，则开始计时。若时间超过设置的值，将出现一个告警指令。保护跳闸特性曲线如图3所示。

图3 保护跳闸特性曲线

双边联合跳闸保护主要是通过同线路的供电断路器联锁进行，以保证故障线路的安全可靠。在馈线保护过程中，信号连接采用硬接线。硬接线可根据保护装置的工作模式发出脉冲信号。信号通过安装在各工位接口柜内的连接跳线的发送端模块及相应的跳线模块完成信号的发送和接收工作。系统正常运行时，相邻的两个牵引变电所可同时向牵引网内同一供电区双向供电。这样，一旦发生回路或故障，离故障点较近的馈线开关的大电流跳闸保护或DDL 保护首先起作用，并向站场的联合跳闸装置发送跳闸信号。同时，该联合跳线电缆可用于向另一个节点的联合跳闸装置发送馈线开关跳闸信号。

若整流单元和开关柜间的电源线发生故障，为防止外界干扰将故障电流回流到故障部位，需设置反向电流保护，反向电流保护的主要特点是需测量电流的大小和方向，并在完成采集工作后将信号发送到保护装置。保护装置可通过设定的反向电流值和时间来判断是否存在反向电流保护，从而跳闸开关。框架保护是一种馈线保护较特殊，一般包括帧电流保护和帧电压保护。框电流保护主要通过防止接地与直流开关绝缘框间的漏电流来达到保护的目的。在保护过程中，需用分路器和变送器来测量电流值。另外，还需将采集到的电流值发送给保护装置。若采集到的电流值大于保护装置设置的保护值，则可确定帧电流保护已发生。机架电压保护的主要作用是防止设备外壳电位差大于安全允许电位差，为人身安全提供可靠的保护。机架电压保护主要是测量直流开关柜的负回母线与外壳间的电位差，并发送测量到的保护装置的电位差。若测量的电位差大于保护装置设定的保护设定值，则可确定帧电压保护。框架保护运行会引起设备的大规模停电。这种保护具有较高的偶然性和较高的灵敏度。

DDL 保护是馈电开关的保护装置的主要保护。该保护措施克服了独立保护因干扰而误操作的问题，也可弥补保护动作的不足。DDL 保护主要包括DDL+ΔI保护和DDL+ΔT保护。这两种保护措施的激活需一个预定的电流上升速率。启动馈线保护后，两种类型的保护将进入各自的延迟阶段，并相互独立。当任何保护首先达到保护动作条件时，即可启动保护。在DDL+ΔI保护过程中，保护装置测量并分析电流上升的变化。当变化大于该参数设置的最大值时，事件T大于最大值，将出现跳闸信号。若当前变化率小于保护出口激活前当前上升速率的返回值，则整体保护复位。当DDL+ΔT保护运行时，ΔT的测量值大于最高参数值，跳闸信号被激活。当DDL+ΔT保护动作开始时，若在保护出口动作前检测到电流变化率，且电流变化率小于ΔI，则整个保护将返回。

2.2 硬件框架

馈电开关保护装置主要通过控制断路器来实现相应保护。馈电开关保护装置硬件主要由电源模块、辅助模块、永磁操作机构驱动和储能电容充电模块、开关量输入输出模块等构成。馈电开关保护装置硬件框架如图4所示。

20世纪末，随着互联网的高速发展、计算机新技术（Web技术、Java技术、数据库技术等）的出现，图书馆集成管理系统的架构发生了变化，开始使用客户端/服务器计算模型［7］，并模块化地集成各类图书馆业务功能，允许用户通过OPAC、基于Web的在线门户网站等使用图书馆的服务［8］。 Aleph 500、Horizon、Voyager、Millennium、U-nicorn等知名图书馆集成管理系统的雏形在这一时期形成，并于随后的十年间逐渐成熟。

图4 馈电开关保护装置硬件框架

（1）电源模块。该模块为馈电开关保护装置提供运行能量，通过铜柱对其固定，采用分离式设计减少电源模块对主板电路的影响。

（2）辅助功能模块。该模块为馈电开关保护装置提供辅助功能，如温度调整模块、可视化模块、存储模块等。

（3）储能电容充电和永磁操作机构驱动模块。该模块主要功能是在系统遭受故障时对系统进行保护。

（4）I/O 模块。该模块为馈电开关保护装置提供数据的输入和输出，主要由电流、电压、有功、无功等构成，并利用采集的数据对系统运行状态进行判定。

（5）通信模块。该模块为馈电开关保护装置提供通信通道，实现系统通信功能。

（6）人机接口模块。该模块为馈电开关保护装置提供人机交互界面和操作按钮。

2.3 软件设计

在进行馈电开关保护装置的软件单元设计时，主要考虑适用性、简单性、一致性、可扩展性等原则，软件主要包括数据处理模型、保护装置主程序、人机交互界面、故障判定程序等。

2.3.1 主程序

保护装置主程序是软件的主要框架，其主要是为实现参数原始变量的赋值及元件的初始化，其实施流程如图5所示。

图5 程序执行流程

2.3.2 故障保护功能程序设计

图6和图7分别为漏电故障的保护程序和系统电压的参数故障保护程序。

图6 漏电处理流程

图7 参数故障处理流程

当线路发生故障和跳闸后，可使用自动重合闸功能来快速恢复线路的电力。需根据以下故障类型合理选择线路重合闸保护。

（1）若是暂态故障，会自动重叠，保证系统能恢复正常供电。

（2）若是永久性故障，将直接锁定并关闭，直到人工修复为止。为防止故障线路被重新合闸，需在合闸前进行线路测试，有效检查线路是否故障。若线路测试通过，可重合闸，否则需锁定开关。

2.3.3 通信模块设计

微控制器子系统须持续监控每个传感器的状态，其须在检测到故障时发送报警信号，通信模块须在故障后发送已检测到的消息，且发出警报。另一方面，系统管理界面负责管理设备信息。作为国际上的标准总线，控制器局域网络是国际上最常用的通信总线之一，支持多节点通信，并将数据帧分为5类。控制器局域网络具有较多的优势，可实现信息的可靠共享，与其他通信总线相比线束数量较少。

3 系统抗干扰措施

在矿井生产时震动、网络波动及设备故障等干扰都会对系统产生影响，为确保其具备较强的抗干扰性能，系统的抗干扰措施如下。

（1）分层布线隔离措施。将电源模块、敏感电路、控制器等易受干扰的部分进行分层隔离布置，减少敏感电磁对控制器的影响。

（2）冗余原则。在印刷电路的布线设计时要合理的布局走线，并确保各个元件所承受的力有一定的冗余数值。

（3）设计升级。减少芯片并联的情况，利用芯片并联的方式提升运行稳定性并减少脉冲电压对芯片的影响。

（4）提升二极管的使用率。利用二极管的可靠性可避免因电压升高造成的转换器损伤。在发生故障时故障电流路径应用于其电路中，反向二极管将直接馈入故障直到输入交流断路器跳闸。

4 结束语

综上所述，为保证矿井低压供电系统安全稳定运行，在矿鸿系统的基础上使用ARM 芯片进行馈电开关保护装置的开发与设计。在研究过程中，根据矿井低压供电系统的具体运行方式，先后开发了关于馈电开关保护装置的软硬件设计，采取科学合理的馈线保护措施，保证矿井低压供电系统的安全可靠，从而提高矿井低压供电系统的运行安全性和智能化水平。