關(guān)于礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)的研究

羅賢虎

（霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦，山西臨汾 041600）

0 引言

中國既是能源生產(chǎn)大國，同時也是能源消耗大國。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)研究表明，在全球能源系統(tǒng)中，煤炭能源占據(jù)所有能源的一半以上。而在中國的能源體系中，煤炭資源所占的比例更高，達(dá)到了64%左右[1]。雖然中國近年來在大力調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，但是在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，當(dāng)前的能源格局不會出現(xiàn)較大變化。煤炭能源仍然會在中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]。礦井供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保證煤炭生產(chǎn)持續(xù)推進(jìn)的重要基礎(chǔ)[3]，如果礦井供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題，會導(dǎo)致整個生產(chǎn)線停機(jī)無法正常工作，嚴(yán)重時可能對機(jī)電設(shè)備造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，甚至可能引發(fā)人員傷亡的重大安全事故[4-5]。因此非常有必要對礦井供電系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，提升運(yùn)行的可靠性[6]。本文對礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對于確保礦井供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要的實(shí)踐意義。

1 防越級跳閘系統(tǒng)總體架構(gòu)及其工作原理

1.1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

本文研究的礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)是基于GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)組建。如圖1 所示為礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)總體框架圖，系統(tǒng)通過分層方式進(jìn)行布置，總共劃分成為3個層級。從圖中可以看出，間隔層主要包括地面微機(jī)和井下高開綜合保護(hù)裝置，網(wǎng)絡(luò)層主要包括地面和井下隔爆GOOSE交換機(jī)，為確保數(shù)字信息傳輸速度，各交換機(jī)之間通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。位于地面的通訊管理機(jī)以及礦井隔爆電力監(jiān)控分站將對應(yīng)變電所的數(shù)據(jù)信息通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部。網(wǎng)絡(luò)層主要由GOOSE 交換機(jī)以及光纖網(wǎng)絡(luò)組成。管理層主要由調(diào)度中心、通訊管理機(jī)以及井下隔爆電力監(jiān)控分站構(gòu)成。

圖1 煤礦井下供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)總體框架圖

1.2 防越級跳閘基本原理

通過GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建供電系統(tǒng)各級保護(hù)之間的聯(lián)系。在整個供電系統(tǒng)范圍內(nèi)，如果發(fā)現(xiàn)有其中一級保護(hù)檢測到對應(yīng)電路中出現(xiàn)了電路故障問題，就可通過GOOSE通訊網(wǎng)絡(luò)向外發(fā)出閉鎖信號，對上一級保護(hù)進(jìn)行閉鎖，這樣就可以將電路故障問題對整個供電系統(tǒng)造成的影響控制在非常小的范圍內(nèi)。如果斷路器出現(xiàn)無法正常工作的情況，上級保護(hù)也能快速動作。如果出現(xiàn)母線故障，也能在最短的時間內(nèi)進(jìn)行跳閘保護(hù)。

2 防越級跳閘系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)在正常工作時涉及很多數(shù)據(jù)采集以及算法分析，同時還需要確保GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)滿足實(shí)時性要求。為了達(dá)到上述要求，本系統(tǒng)使用了2 個處理器同時進(jìn)行工作，2 個處理器相互協(xié)調(diào)配合工作，使得系統(tǒng)存儲量大的同時還能通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主處理器型號為ADSP-21065L，功能是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集并處理，利用設(shè)置的保護(hù)算法對接地故障進(jìn)行分析和判斷，協(xié)處理器型號為MCF54415，功能是進(jìn)行通訊、對時，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，對故障錄波進(jìn)行存儲并報(bào)告等。如圖2所示為防越級跳閘系統(tǒng)硬件總體框架圖。硬件系統(tǒng)通過模塊化思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面對一些核心模塊進(jìn)行細(xì)致介紹。

2.2 電源模塊

電源利用PT（AC100V）供電，三相電壓電路進(jìn)入系統(tǒng)后可劃分為兩部分。其一，通過信號調(diào)理后為防越級跳閘系統(tǒng)進(jìn)行供電，輸出電壓值范圍較大，為3.3～24 V。其二，通過電磁隔離后對其實(shí)施采樣，得到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后傳輸至主處理器中進(jìn)行分析處理。為提升電源模塊可靠性，系統(tǒng)還設(shè)置了儲能電容。即便電源無法正常供電，通過儲能電容還能持續(xù)供電，確保系統(tǒng)的正常工作。

圖2 防越級跳閘系統(tǒng)硬件總體框架圖

2.3 交流采樣模塊

A／D轉(zhuǎn)換器是交流采樣模塊的關(guān)鍵，系統(tǒng)通過MAX125芯片完成相關(guān)工作。該型號轉(zhuǎn)換器由美國公司生產(chǎn)，通過一片A／D芯片就能夠滿足系統(tǒng)使用需要。該模塊需要通過±5 V雙極性電源進(jìn)行供電，當(dāng)電壓信號在-5～+5 V范圍時都可以進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間最快可以達(dá)到3μs，誤差可以控制在0.008%以內(nèi)。

2.4 開關(guān)量輸入／輸出模塊

風(fēng)電、瓦電閉鎖信號開關(guān)位置都可作為系統(tǒng)開關(guān)量輸入信號。系統(tǒng)使用了光電隔離技術(shù)，可有效避免開關(guān)量信號進(jìn)入CPU，能確保開關(guān)量信號的安全性。其中，使用的光電隔離硬件設(shè)施為TLP521型號，可以對干擾信號進(jìn)行有效隔離。

系統(tǒng)涉及到的開關(guān)量輸出信號主要包括閉鎖合閘、合閘、分閘等。當(dāng)工作人員通過遠(yuǎn)程方式控制跳閘或合閘，或者系統(tǒng)檢測到存在電路故障問題時，系統(tǒng)會發(fā)出開關(guān)量輸出信號實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的分合閘動作或者跳閘隔離動作。處理器中輸出的開關(guān)量輸出信號同樣需要通過光電隔離技術(shù)和繼電器處理，經(jīng)過上述兩道工序處理可有效避免切斷故障時產(chǎn)生的大電壓對整個防越級跳閘系統(tǒng)造成的有害沖擊。

2.5 以太網(wǎng)通信模塊

選用LXT971A型號芯片作為以太網(wǎng)通信核心芯片，該芯片能夠有效兼容IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持的接口形式也比較多，可以通過100 Mb／s的光纖進(jìn)行連接，完全能夠滿足系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性的要求。LXT971A芯片和網(wǎng)絡(luò)變壓器進(jìn)行直接連接，在進(jìn)行數(shù)據(jù)信號傳輸過程中，芯片首先對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行耦合濾波處理，然后將其轉(zhuǎn)換成與網(wǎng)絡(luò)相匹配的電平信號。利用以太網(wǎng)接收信號時，通過轉(zhuǎn)換電路將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)變成為系統(tǒng)能夠識別的電平信號。

3 防越級跳閘系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 處理器軟件架構(gòu)

對于主處理器而言，其框架主要由兩大部分構(gòu)成，分別為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序的功能是對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并完成相關(guān)功能。中斷程序按照設(shè)定的周期，間斷性地向主程序發(fā)出中斷請求，對于擁有較高實(shí)質(zhì)性要求的故障判斷與保護(hù)功能，可以通過這個程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

通過VxWorks平臺搭建協(xié)處理器軟件程序，VxWorks 平臺在工業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，可靠性較高，具有很好的硬件兼容性、內(nèi)存管理以及定時器的功能。可以按照任務(wù)的優(yōu)先級別進(jìn)行調(diào)度，對于級別較高的任務(wù)，可以優(yōu)先搶占CPU資源執(zhí)行，確保了運(yùn)行的效率。

3.2 保護(hù)與防越級跳閘功能實(shí)現(xiàn)流程

為達(dá)到最好的礦井供電系統(tǒng)保護(hù)效果，系統(tǒng)對電流保護(hù)以及防越級跳閘判斷提出了非常高的要求，要求具備非常高的實(shí)時性，所以通過中斷服務(wù)程序執(zhí)行此項(xiàng)任務(wù)。對于其他一些對實(shí)時性要求不是非常高的任務(wù)，可以交由主程序完成。如圖3所示為系統(tǒng)防越級跳閘基本原理圖。

圖3 防越級跳閘功能實(shí)現(xiàn)流程圖

通過逐級閉鎖的方式完成防越級跳閘工作，具體過程可以描述如下。

（1）供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障問題時，通過保護(hù)裝置對電路故障進(jìn)行檢測，對閉鎖元件進(jìn)行開啟，并且通過GOOSE通信網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)故障信息傳輸至上級保護(hù)裝置。

（2）在系統(tǒng)設(shè)置的時間范圍內(nèi)，如果沒有接收到下級保護(hù)裝置發(fā)出的故障閉鎖信息，就進(jìn)行跳閘出口。等到系統(tǒng)設(shè)定的解鎖時間期滿，或者接收到下級保護(hù)裝置發(fā)出的解鎖信號，如果接收到了解鎖信號就進(jìn)行解鎖。相反的，如果沒有接收到解鎖信號，保護(hù)裝置就會對故障進(jìn)行切除。

（3）出現(xiàn)保護(hù)動作后，對于斷路器的拒動，需要通過保護(hù)裝置進(jìn)行判斷。如果已經(jīng)切除故障而故障電流不復(fù)存在，則向上級保護(hù)裝置發(fā)出解鎖信號；如果斷路器拒動問題無法排除，同樣需要將信號傳輸至上級保護(hù)裝置。

（4）為避免保護(hù)出現(xiàn)長時間閉鎖的問題，系統(tǒng)中設(shè)定了一個時間閾值。如果在設(shè)置的時間閾值范圍內(nèi)，故障問題得不到有效排除，系統(tǒng)就會通過保護(hù)裝置強(qiáng)制將故障進(jìn)行切除。

將本文設(shè)計(jì)的防越級跳閘系統(tǒng)應(yīng)用到礦井供電系統(tǒng)中，取得了良好的應(yīng)用效果。在1年時間的實(shí)踐運(yùn)行過程中，礦井供電系統(tǒng)沒有出現(xiàn)越級跳閘故障問題，有效保障了礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié)束語

礦井供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對保障井下安全有著重要的意義，而礦井供電系統(tǒng)的越級跳閘問題是影響其可靠穩(wěn)定運(yùn)行的重要不利因素。本文充分利用GOOSE通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了礦井供電系統(tǒng)防越級跳閘系統(tǒng)。經(jīng)過1年實(shí)踐的運(yùn)行，取得了良好的應(yīng)用效果，可以有效避免供電系統(tǒng)出現(xiàn)越級跳閘問題，在很大程度上維系了供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。