基于CAN總線的煤礦供電系統(tǒng)線路保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

桑宏琪

(西山煤電有限公司 官地煤礦，山西 太原 030022)

0 引言

目前現(xiàn)有的煤礦供電系統(tǒng)多采用10 kV或6 kV電壓等級(jí)，隨著煤礦工作面的不斷推進(jìn)，高壓供電設(shè)備以及線纜逐漸布置到更深的位置，煤礦不得不在同一個(gè)采區(qū)內(nèi)布置多個(gè)分區(qū)變電站負(fù)責(zé)綜采工作面的供電，造成煤礦井下供電系統(tǒng)分級(jí)過(guò)多，必須采用短距離垂直、多層級(jí)、縱向的供電方式[1-3]。井下設(shè)備多、區(qū)域廣、距離遠(yuǎn)、多層級(jí)的供電方式使得整定速斷保護(hù)定值較為困難，保護(hù)器部分功能欠缺，導(dǎo)致供電系統(tǒng)漏電、過(guò)流、欠壓、短路等故障變多，越級(jí)跳閘頻率升高，容易造成井下大面積停電[4-5]。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型綜合保護(hù)裝置，并在此基礎(chǔ)上，引入了CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)CAN總線通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各級(jí)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)共享，同時(shí)完成信息在上位機(jī)的匯總。上位機(jī)在對(duì)信息綜合判斷的基礎(chǔ)上，選擇性地控制特定保護(hù)裝置跳閘，從而避免了越級(jí)跳閘。

1 線路保護(hù)裝置總體方案設(shè)計(jì)

CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)是線路保護(hù)裝置的基礎(chǔ)，線路保護(hù)裝置通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，可與監(jiān)控主機(jī)快速交互信息，監(jiān)控主機(jī)在得到信息后快速判斷出故障位置，并控制相應(yīng)保護(hù)裝置動(dòng)作。

CAN總線通信穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且通信網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)都可以向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，為了避免信息沖突而導(dǎo)致通信延時(shí)，將各保護(hù)裝置設(shè)定為不同的CAN總線仲裁優(yōu)先級(jí)，當(dāng)多個(gè)保護(hù)裝置同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)別較高的可以正常發(fā)送信息，優(yōu)先級(jí)較低的保護(hù)裝置則轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。

線路保護(hù)總體方案如圖1所示。保護(hù)裝置中仲裁優(yōu)先級(jí)由高到低分別是QF6、QF5、QF4、QF3、QF2、QF1，保護(hù)跳閘的優(yōu)先級(jí)也符合該規(guī)律。如圖1中K1處出現(xiàn)短路，則保護(hù)裝置QF1、QF2、QF3、QF4均能檢測(cè)到短路電流，其中QF4由于優(yōu)先級(jí)較高，故會(huì)占據(jù)總線發(fā)布故障信號(hào)，監(jiān)控主機(jī)在接收到包含故障信息的數(shù)據(jù)幀后，分析并判斷故障位置，然后控制QF4執(zhí)行斷路動(dòng)作，并且控制QF1、QF2、QF3進(jìn)入保護(hù)延時(shí)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)100 ms延時(shí)后，如果監(jiān)控主機(jī)依然能夠接收到故障信號(hào)，則控制QF3執(zhí)行斷路動(dòng)作，QF1和QF2保持保護(hù)延時(shí)狀態(tài)。如果QF4能夠可靠動(dòng)作，則由其跳閘切斷故障線路；如果QF4出于某種原因無(wú)法動(dòng)作，則由QF3延時(shí)100 ms執(zhí)行跳閘動(dòng)作；如果QF3和QF4都無(wú)法動(dòng)作，則由QF2延時(shí)200 ms后跳閘動(dòng)作，以此類推。這種跳閘控制方式可以避免越級(jí)跳閘，同時(shí)保證保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

圖1 線路保護(hù)基本方案圖

2 保護(hù)裝置主要功能

2.1 保護(hù)功能

保護(hù)裝置配備有多種線路保護(hù)功能，包括：非電量保護(hù)、零序過(guò)壓保護(hù)、漏電流保護(hù)、負(fù)序過(guò)流保護(hù)、三段式電流保護(hù)(過(guò)電流保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)、電流速斷保護(hù))、三段式過(guò)電壓保護(hù)、三段式低電壓保護(hù)等。

2.2 “四遙”功能

“四遙”功能包括遙信、遙測(cè)、遙調(diào)以及遙控。遙信功能是指保護(hù)裝置能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)刀閘、接觸器以及斷路器的位置。遙測(cè)功能是指保護(hù)裝置能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)供電線路上的電壓、電流以及有功功率、無(wú)功功率等信息。遙調(diào)功能是指保護(hù)裝置能夠在線復(fù)位保護(hù)信號(hào)、設(shè)置保護(hù)動(dòng)作參數(shù)等。遙控功能是指保護(hù)裝置能夠遠(yuǎn)程控制接觸器或者斷路器的開(kāi)閘、合閘。

2.3 故障定位功能

各級(jí)保護(hù)裝置按照對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)將故障信息上傳到監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)分析故障信息并判斷故障位置，從而幫助工作人員即時(shí)排查故障。

2.4 故障報(bào)警功能

當(dāng)保護(hù)裝置自身發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置會(huì)進(jìn)行閉鎖并發(fā)出報(bào)警，只有當(dāng)故障排除后才會(huì)重新開(kāi)始工作。當(dāng)保護(hù)裝置檢測(cè)到故障信息時(shí)，會(huì)通過(guò)蜂鳴器、擴(kuò)音器以及LCD屏幕向工作人員發(fā)出提示，及時(shí)通知工作人員排查。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，不同的功能塊設(shè)計(jì)成不同的插件結(jié)構(gòu)，包括交流信號(hào)輸入插件、開(kāi)關(guān)量插件、電源插件、CPU插件、通信插件以及人機(jī)對(duì)話插件。 其中ARM微處理器采用32位處理器MB9BF518S。下文重點(diǎn)介紹CAN總線接口電路設(shè)計(jì)、交流信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)以及開(kāi)關(guān)量電路設(shè)計(jì)。

圖2 硬件電路總體結(jié)構(gòu)圖

3.1 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

考慮到MB9BF518S內(nèi)部集成有CAN總線控制器，因此CAN總線接口電路是以CAN總線收發(fā)器為核心，如圖3所示，CAN總線收發(fā)器采用CTM8251T，其內(nèi)部除了集成有CAN收、發(fā)器件，并且具有隔離功能，CTXD、CRXD為CAN控制器的發(fā)送端和接收端。

圖3 CAN總線接口電路圖

3.2 交流信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)

供電線路的交流信號(hào)主要通過(guò)互感器測(cè)量，測(cè)量三相電流輸入信號(hào)的電流互感器變比為5 A/3.53 V，測(cè)量三相保護(hù)電流輸入信號(hào)的電流互感器變比為100 A/7.07 V，測(cè)量三相電壓輸入信號(hào)的電壓互感器的變比為120 V/7.07 V，測(cè)量零序電流的電流互感器變比為20 A/7.07 V。經(jīng)過(guò)互感器采樣后，轉(zhuǎn)換成幅值為10 V的正弦信號(hào)，由于微控制器MB9BF518S能夠識(shí)別的電壓信號(hào)范圍為0～5 V，所以需要將-10～10 V的正弦信號(hào)變換為微控制器能夠識(shí)別的電壓信號(hào)。交流信號(hào)變換電路如圖4所示。

圖4 交流信號(hào)變換電路圖

電壓正弦信號(hào)首先進(jìn)入由6.2 kΩ和1 kΩ電阻構(gòu)成的分壓電路，轉(zhuǎn)換成-1.37 V～1.37 V的電壓正弦信號(hào)，隨后依次進(jìn)入電壓跟隨器、反相求和運(yùn)算電路以及反向比例放大電路，這3種電路的核心均為T(mén)LC4502型運(yùn)算放大器，轉(zhuǎn)換成0.13 V～2.87 V的單極性電壓信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)濾波電路進(jìn)入MB9BF518S的AD轉(zhuǎn)換器。

3.3 開(kāi)關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)量信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。電路輸入信號(hào)為220 V交流電，接入DIIN端，DICOM為公共端，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)橋式整流電路和濾波電路后到達(dá)光電偶合器的輸入端，由于橋式整流電路的作用，輸入的交流電信號(hào)無(wú)論處于正半周還是負(fù)半周都能使光電偶合器導(dǎo)通，從而使輸出端DIOUT變?yōu)榈碗娖捷斎氲轿⒖刂破鞯腎/O口。

圖5 開(kāi)關(guān)量信號(hào)調(diào)理電路圖

4 保護(hù)裝置邏輯研究

4.1 三段式電流保護(hù)

保護(hù)裝置的三段式電流保護(hù)功能包括過(guò)電流保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)以及電流速斷保護(hù)，圖6為保護(hù)邏輯圖。其中Iset為電流速斷保護(hù)動(dòng)作的整定值，整定范圍為0.05～200 A，步長(zhǎng)為0.01 A；Ia、Ib、Ic表示測(cè)量到的三相電流值；Uset表示低電壓閉鎖的電壓整定值，范圍為1～200 V，步長(zhǎng)為0.01 V；Uab、Ubc、Uca表示測(cè)量到的三相電壓值；Tset是延時(shí)時(shí)間的設(shè)定值，范圍為0～200 s，步長(zhǎng)為0.01 s。

圖6 三段式電流保護(hù)邏輯圖

4.2 反時(shí)限過(guò)流保護(hù)

反時(shí)限過(guò)流保護(hù)包括極端反時(shí)限保護(hù)、非常反時(shí)限保護(hù)以及一般反時(shí)限保護(hù)3種狀態(tài)。不同形式的反時(shí)限過(guò)流保護(hù)特征函數(shù)為：

(1)

(2)

(3)

式中：Tp為保護(hù)時(shí)間常數(shù)整定值；Ip為保護(hù)基準(zhǔn)電流整定值；I為故障電流采樣值；t為反時(shí)限過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

反時(shí)限過(guò)流保護(hù)邏輯如圖7所示。

圖7 反時(shí)限過(guò)流保護(hù)邏輯圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于32位微處理器MB9BF518S的供電線路保護(hù)裝置，并在此基礎(chǔ)上引入CAN總線支持各保護(hù)裝置數(shù)據(jù)共享。該系統(tǒng)運(yùn)行合理可靠，功能豐富，能夠全面保護(hù)煤礦井下供電線路，避免越級(jí)跳閘，降低停電的概率，促進(jìn)煤礦井下供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。