矿井防越级跳闸综合保护装置硬件设计

田龙飞

(霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司)

1 矿井综合保护装置硬件总体结构

本研究设计的矿井综合保护装置由电网模型单元、电压形成电路、STCl5F2K60S2单片机、STCllF32XE单片机、ATT7022CU、CAN总线通信、RS485通信、开关量输出、开关量输入、键盘和显示等部分组成。具有防越级跳闸功能的矿井综合保护装置能够实时自动监测线路上的电流、电压等参数，并具有数据处理、存储、显示等功能。当供电系统发生故障时，能够进行自动报警，定位故障线路位置，合理安排上下级保护装置选择性跳闸[1]。防越级跳闸综合保护装置配置有RS485总线，可以将煤矿井下输电线路上的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能计量等参数在上位机上进行显示，同时保护装置的整定值设定也可由上位机进行控制[2-3]。

2 控制单元选型

2.1 微控制器选型

矿井综合保护装置选择STCl5F2K60S2单片机作为保护微控制器，实现电流采集、开关量输出、CAN总线通信功能。STCl5F系列单片机的结构如图1所示。STCl5F2K60S2单片机的程序存储器(Flash)为60 kB、数据存储器(AUX-RAM+RAM)为2 kB，完全能够满足装置对程序存储、数据运算容量的要求。本研究矿井综合保护装置选择STC11F32XE单片机作为测量微控制器，实现ATT7022CU计量芯片通信、开关量输入、RS485通信功能。STC11F32XE单片机内核结构与早期英特尔、爱特梅尔等公司生产的单片机并无差异，但是在性能和价格方面优势较明显[4-7]。

2.2 数据采集系统

矿井综合保护装置数据采集系统内部结构包括电压形成(CT、PT)模块、模拟滤波(ALF)模块、采样保持(S/H)模块、多路转换开关(MPX)模块、模数转换(A/D)模块等(图2)，数据采集系统的主要功能是将二次电流和二次电压模拟量信号正确转换成所需的数字量信号。

2.3 通信单元

矿井综合保护装置配置有CAN总线和RS485总线，CAN总线用于煤矿井下供电系统防越级跳闸通信中，RS485总线用于上位机读取煤矿供电网的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能计量等参数的通信中，RS485总线还可以执行上位机的控制命令，如闭合或关断煤矿井下某一处开关站的断路器、隔离开关等。

(1)CAN总线。矿井综合保护装置中的CAN总线控制器选择美国微芯科技公司生产的MCP2515型控制器。该款器件是一种非嵌入式、串行通信的支持CAN-V2.1A和CAN-V2.0B技术规范的控制器，其内置的验收屏蔽寄存器和验收滤波寄存器能够滤除非本单片机识别的报文，此外，该型控制器具有标准串行外设接口(SPI)，可以减轻STC15F2K60S2单片机运行负担，从而提高MCP2515控制器与STC15F2K60S2单片机的通信速率。矿井综合保护装置中的CAN总线收发器选择飞利浦半导体公司生产的TJA1050型收发器。该型器件是一种支持差分信号传输的先进CAN收发器。

图1 STCl5F系列单片机结构

图2 矿井综合保护装置数据采集系统内部结构

(2)RS-485总线。RS-485通信接口采用SN888C型芯片进行收/发状态控制。SN888C芯片含有极性校正器和高能量瞬变干扰保护装置，此外，还具有热插拔功能。本研究采用了高速光隔方式将STC15F2K60S2单片机系统与SN888C通信控制器进行隔离，可有效避免因外部输电线路所带来的噪声对内部系统产生的干扰[4]。

2.4 计量芯片

本研究设计的矿井综合保护装置所具有的高精度测量功能是由ATT7022CU芯片实现。该款芯片内部包括时钟控制电路、模拟信号采样、数字信号处理、脉冲生成器、SPI通讯接口、电源管理等模块，不仅能够测量矿井供电系统各相和合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能量，还能够测量矿井供电系统各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等[5-7]。

2.5 开关量输入和输出

矿井综合保护装置中开关量输入电路的作用是将隔离开关、断路器的开关状态输入STC11F32XE单片机中，以便STC11F32XE单片机进一步进行逻辑处理。该装置中的开关量输出电路的作用是用于驱动跳闸出口继电器。

3 结 语

详细分析了矿井防越级跳闸综合保护装置的硬件总体架构及功能设计，针对矿井环境恶劣、电磁干扰严重的问题，提出了硬件防干扰措施：①电源是最容易受到干扰的模块，除了选用稳定性能好的开关电源之外，还应在电源输入部分加入能够抑制高频谐波的高频扼流线圈；②在电源输入部分加入氧化锌压敏电阻、放电管，可以有效限制过电压，防止雷击闪电引起的浪涌电压对电源模块造成损坏；③在CAN总线通信、RS-485通信中，加入6N137、TLP181高速光电隔离装置，可以有效避免将通信线路中的干扰信号引入到微控制器中，确保微控制器稳定运行；④在模拟量采集电路中，加入微型电流互感器、微型电压互感器，不仅可以起到电流、电压变换的作用，还能够将矿井供电系统的强电气量与微控制器处理电路中的弱电气量隔离开来，确保微控制器模数转换不受影响，提高转换精度；⑤在矿井综合保护装置开关量输出电路抗干扰设计中，采用2个输出端口控制开关量输出，并且当2个端口输出状态相反时，跳闸出口的继电器方可动作，可以有效防止外部干扰引起跳闸出口的继电器误动或拒动。