礦井高壓電網(wǎng)防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 偉

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)申南凹焦煤有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引 言

煤炭資源是我國(guó)最重要的能源，目前礦井開(kāi)采向著高效開(kāi)采的目標(biāo)邁進(jìn)，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等機(jī)械設(shè)備功率也在逐步增大，煤礦井下供電系統(tǒng)的安全事故問(wèn)題也逐漸增多[1]。礦井供電系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定是礦井高效開(kāi)采十分重要的保障。傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)由于繼電保護(hù)選擇性差，使得供電系統(tǒng)跳閘事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響著礦井生產(chǎn)的安全正常運(yùn)行。

筆者針對(duì)礦井供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘問(wèn)題，提出基于S3C2440AL芯片的供電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為有效解決供電系統(tǒng)越級(jí)跳閘頻發(fā)等問(wèn)題及礦井安全生產(chǎn)運(yùn)行提供參考。

1 供電系統(tǒng)存在問(wèn)題及需求

申南凹礦已經(jīng)設(shè)計(jì)建成一座35 kV變電站，站內(nèi)設(shè)計(jì)容量為10 000 kVA的變壓器2臺(tái)，系統(tǒng)采用分段單母線接線方式，I、II回路分別距工業(yè)場(chǎng)地14 km和11 km，正常通電狀態(tài)下變電設(shè)備1臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，避免出現(xiàn)1臺(tái)主變壓設(shè)備發(fā)生故障而影響礦井正常生產(chǎn)。原有的供電系統(tǒng)配電級(jí)數(shù)多，供電距離的較短，抗阻小使得供電系統(tǒng)各點(diǎn)的供電電流相差很小，對(duì)于電氣設(shè)備的保護(hù)及電氣設(shè)備靈敏性的保障難以實(shí)現(xiàn)，所以需要對(duì)供電越級(jí)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

申南凹礦原供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于供電設(shè)備距離較近，其過(guò)路電流較小，一旦線路出現(xiàn)短路問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，由于供電系統(tǒng)較為復(fù)雜，部分線路發(fā)生故障同時(shí)就會(huì)影響整體系統(tǒng)運(yùn)行。因此防越級(jí)跳閘保護(hù)對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要，文中在對(duì)比分析電氣閉鎖防越級(jí)跳閘技術(shù)、分站集中控制防越級(jí)跳閘技術(shù)、數(shù)字變電站防越級(jí)跳閘技術(shù)、數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)等技術(shù)后得出數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)防越級(jí)跳閘技術(shù)可以很好的避開(kāi)系統(tǒng)干擾、提升傳輸效率，因此文中選定數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)防越級(jí)跳閘技術(shù)[3]對(duì)原有供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 數(shù)字光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)技術(shù)原理

數(shù)字光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞，井下數(shù)據(jù)傳輸至地面主機(jī)后會(huì)立刻通過(guò)識(shí)別軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并給出邏輯判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的預(yù)警方案進(jìn)行命令的下達(dá)，使得系統(tǒng)的控制更加高效、快捷。

數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)是對(duì)井下的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳輸至地表的主機(jī)，通過(guò)上位機(jī)邏輯語(yǔ)言進(jìn)行判斷和識(shí)別，根據(jù)識(shí)別邏輯計(jì)算后得出的命令進(jìn)行保護(hù)指令的下發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)斷路器的控制。系統(tǒng)的故障簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的故障簡(jiǎn)圖

圖1可以看出，D1和D2分別為系統(tǒng)內(nèi)部和外部故障的節(jié)點(diǎn)，在圖1(a)正常運(yùn)行狀態(tài)和圖1(c)外部故障發(fā)生時(shí)，此時(shí)的配套的保護(hù)裝置不發(fā)生作用，二當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)圖1(b)內(nèi)部故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立刻發(fā)出保護(hù)指令，做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

3 保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

基于數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)對(duì)煤礦供電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘保護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先選定32位S3C2440AL-40的ARM9芯片為保護(hù)系統(tǒng)的核心硬件，系統(tǒng)的功能模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、電源模塊、通訊模塊等如圖2所示。

圖2 防越級(jí)跳閘保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)的核心為S3C2440AL-40芯片，芯片首先對(duì)數(shù)據(jù)采集裝置采集到的電壓值和電流值進(jìn)行邏輯分析，同時(shí)分析后給出相應(yīng)的指令，此時(shí)指令通過(guò)通訊模塊傳輸至開(kāi)入開(kāi)出模塊，從而實(shí)現(xiàn)防越級(jí)保護(hù)，同時(shí)S3C2440AL-40與礦井監(jiān)控模塊通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行連接，對(duì)礦井電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

對(duì)系統(tǒng)的控制核心S3C2440AL-40進(jìn)行布置，采用總線構(gòu)架，同時(shí)布置兩片32MB的K4S561632N芯片用于滿足系統(tǒng)得內(nèi)存需要，同時(shí)外擴(kuò)FLASH電路，避免檢查數(shù)據(jù)的丟失及運(yùn)行功率參數(shù)較低的情況。系統(tǒng)運(yùn)行采用直流整流方案，基本電壓為12V、5V、3.3V，選定AMS1117實(shí)現(xiàn)電壓的變化目標(biāo)[4]。

對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了得到準(zhǔn)確的電氣運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，由于礦井采用模擬量指標(biāo)來(lái)源于保護(hù)線路配套的TA，所以構(gòu)成的模擬量信號(hào)重點(diǎn)為這兩側(cè)電流，通過(guò)采集電氣數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的矢量差，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行。A/D轉(zhuǎn)化是將采集的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而形成CPU可識(shí)別的信號(hào)，由于本文選擇S3C2440AL-40芯片，所以A/D轉(zhuǎn)化較為簡(jiǎn)單，多使用ADC控制寄存器，如表1所列。

表1 系統(tǒng)功能技術(shù)參數(shù)

對(duì)通訊模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，通訊模塊有以太網(wǎng)和光纖通訊兩部分，其中光纖通訊是穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，cpu S3C2440AL-40需要按照幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行組幀，然后對(duì)信息進(jìn)行編碼，將編碼完成信息經(jīng)過(guò)處理后傳輸至光纖通訊模塊，光纖模塊選定AFBR-5803ATZ。以太網(wǎng)布置中芯片通過(guò)變壓器與端口進(jìn)行部分連接，在變壓器中采用電平耦合進(jìn)行強(qiáng)化信號(hào)，用于增大傳輸?shù)木嚯x。開(kāi)入開(kāi)出模塊設(shè)計(jì)中，共布置9路開(kāi)入量，其中包含斷路器分位、斷路器合位等，模塊芯片對(duì)繼電器的工作進(jìn)行分步管理，當(dāng)繼電器出現(xiàn)故障時(shí)能夠?qū)ν膺M(jìn)行報(bào)警信號(hào)的輸出。人機(jī)交互界面是整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外顯示的核心，進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)對(duì)LPC1758處理器、指示燈、顯示屏等進(jìn)行選型，通過(guò)顯示器對(duì)電網(wǎng)的工作模式、故障、操作、運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行顯示，同時(shí)保護(hù)裝置的參數(shù)也能夠通過(guò)顯示器進(jìn)行顯示，同時(shí)能夠抵抗礦井生產(chǎn)較為復(fù)雜的環(huán)境，本文選定大采公司生產(chǎn)的LCD顯示器。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)保護(hù)程序設(shè)計(jì)運(yùn)行步驟如圖3所示。圖中，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后首先進(jìn)行初始化，完成初始化后進(jìn)行自我檢測(cè)，檢測(cè)未通過(guò)直接報(bào)警，檢測(cè)通過(guò)后確定是否對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修改，需要修改則進(jìn)行修改，無(wú)需修改時(shí)開(kāi)啟中斷保護(hù)裝置，通過(guò)LCD顯示器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)采集到故障信息后，系統(tǒng)立即進(jìn)行故障處理，故障處理后繼續(xù)重復(fù)類似過(guò)程，完成系統(tǒng)的保護(hù)[5]。

圖3 故障處理流程示意圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集程序開(kāi)始運(yùn)行后首先進(jìn)行A/D值的轉(zhuǎn)換，檢測(cè)數(shù)據(jù)讀取是否完成，未完成繼續(xù)讀取，完成后向?qū)?cè)進(jìn)行信號(hào)傳輸，檢測(cè)采樣是否同步，未同步重新修正，通過(guò)則發(fā)送至ARM9，完成數(shù)據(jù)采集。

3.3 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證實(shí)際效果，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)采用KYN28A-12金屬封閉式開(kāi)關(guān)柜，系統(tǒng)分別布置5個(gè)開(kāi)關(guān)，分別為K1～K5，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)改造前后的運(yùn)行效果對(duì)比見(jiàn)表2所列。

表2 防越級(jí)跳閘保護(hù)系統(tǒng)改造前后效果對(duì)比表

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以看出采用數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)后，供電系統(tǒng)未發(fā)生越級(jí)跳閘現(xiàn)象，同時(shí)各方面指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)預(yù)期，整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)能夠井然有序的進(jìn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

在原有供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)易發(fā)生越級(jí)跳閘的問(wèn)題，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，基于數(shù)字式光纖電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)對(duì)煤礦供電系統(tǒng)防越級(jí)跳閘保護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、電源模塊、通訊模塊等工作運(yùn)行進(jìn)行闡述，并給出了故障處理及數(shù)據(jù)采集程序的工作原理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的供電系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中無(wú)越級(jí)跳閘事故產(chǎn)生，有效的保證了供電系統(tǒng)的安全。