煤矿供电系统线路保护装置研究与设计

李文飞

(西山煤电 马兰矿运输一队，山西 古交 030205)

0 引言

煤矿井下供电系统的安全可靠性在煤矿生产过程中具有非常重要的作用。目前，我国通常采用6 kV或10 kV的供电系统为煤矿进行供电[1]。但是随着井下综采工作面的不断深入和扩展，致使现有供电系统大多采用短距离线路、多层级、纵向的供电模式。由于供电线路的短距离加上煤矿恶劣的生产环境，使得供电线路经常出现短路、过流、欠压、漏电等故障。而且当发生短路故障时，难以区分上下级的短路电流，不能构成有效纵向选择性短路继电保护，极易发生越级跳闸事故，从而造成井下发生大范围停电现象，降低了供电系统的可靠性，影响了煤矿的正常安全生产[2-3]。

针对以上煤矿供电系统线路中存在的问题，本文提出一种新型的供电系统线路保护方案及装置，基于继电保护原理，借助计算机控制技术、微控制器技术、总线通信技术，实现了继电保护装置测量、保护、控制和通信的四位一体。

1 线路保护装置主要实现功能

根据煤矿井下的生产需要以及工作人员的需求，要求线路保护装置具备以下功能[4]：

(1) 远程监控功能。微型化线路保护装置可实时监测供电线路上的电压、电流等电气状态量，并通过电能计量芯片完成有功功率、无功功率等参数的计算，上传给上位机监控系统；可远程操控供电线路上开关断路器的分闸与合闸动作。

(2) 保护功能。保护装置配置有三段式电流保护功能，该功能由保护软压板控制，具有防越级跳闸闭锁延时功能。

(3) 故障报警功能。当线路发生故障时，保护装置检测到故障后，以声光报警形式向工作人员发出警示。

(4) 故障定位功能。当线路某处发生故障时，保护装置可实时将故障信息上传给上位机，上位机通过对保护装置进行定位进而确定故障发生的位置。

(5) 参数存储功能。上位机监控系统能够随时存储供电线路的运行参数。

2 煤矿供电系统线路保护总体方案设计

煤矿供电系统线路保护的总体方案如图1所示。该设计方案包括上位机监控系统、CAN总线通信模块、多个线路保护装置以及供电系统自带的断路器、变压器等。整个保护方案采用分布式结构，CAN总线通信模块采用双向通信的方式，在供电系统中构建了一个双向通信网络，为数据通信提供了通道；上位机监控系统通过CAN总线通信模块可对多个保护装置进行远程控制，同时各线路保护装置可将其监测到的线路数据信息上传给上位机，实现上位机与线路保护装置的快速信息交互；线路保护装置作为供电系统线路监控的终端设备，可实时采集供电线路上的模拟量、数字量等信号，当发生线路故障时，还可发出故障报警信号；上位机监控系统可对线路保护装置上传的信息进行智能分析，进而判断线路故障的位置，同时对保护装置进行选择性动作。

3 线路保护装置硬件方案设计

3.1 保护装置硬件框图设计

线路保护装置硬件设计框图如图2所示。本保护装置由微控制器、液晶显示单元、交流信号采集单元、开关量采集单元、CAN总线收发器单元、声光报警装置、电源管理单元、继电器操作装置等部分组成。声光报警装置主要用于供电系统线路的故障报警提示；液晶显示单元用于显示保护装置的线路监测数据以及工作状态；交流信号采集单元主要包括电流互感器、电压互感器和信号转换电路三大部分，电流互感器和电压互感器负责对供电线路上的三相电压及电流信号进行采集，信号转换电路负责对采集的电信号进行变换和滤波处理；CAN总线收发器单元用于保护装置与上位机监控系统的数据通信；电源管理单元负责为整个线路保护装置进行供电；继电器操作装置负责动作断路器；开关量采集单元负责对断路器的开关位置信号进行采集。

图1 煤矿供电系统线路保护总体方案

图2 线路保护装置硬件设计框图

3.2 微控制器选型

为实现线路保护装置的微型化和嵌入式化，微控制器是不可或缺的一环，本装置选用STM32单片机的F103系列主控芯片作为保护装置的核心部分，该系列芯片功耗低、扩展性强、引脚丰富、抗干扰能力强[5]，非常适合用于煤矿生产领域。微控制器在保护装置中的功能主要包括数据采集、数据通信、数据存储、数据计算、保护逻辑判断、线路故障处理等，该芯片完全可以满足这样的工作需求。

3.3 CAN总线通信电路设计

由于煤矿井下各类开采设备不断投入切断，致使供电线路上的电压波动很大，具有很强的电磁干扰，为此，对线路保护装置的通信方式提出了很高的要求，需要其具备较强抗干扰能力。CAN总线通信方式是工业自动化领域常用的传输方式，该通信方式可靠性高、性价比高、通讯协议简单，具有很强的抗干扰能力[6]。

本装置选用的STM32F103系列单片机内部自带CAN总线控制器，为此，选用型号为TJA1050的外接CAN数据收发器来进行CAN总线通信电路的设计，CAN总线通信电路如图3所示。

图3 CAN总线通信电路

3.4 交流信号采集单元设计

为实现供电线路的微型化监控，需将供电线路上的高电压、大电流信号转换为小电压信号。为此，本装置采用互感器隔离法，将线路上的高电压、大电流信号通过一次TV、TA和交流信号采集电路上的二次小TV、TA转换后，再传送给微控制器和相应的电能专用计量芯片。图4为本装置的交流信号采集电路。其中，选用的微型电流互感器型号为TA22B11，微型电压互感器型号为TV31B。电能专用计量芯片选用型号为ATT7022B，该芯片计算精度高、非线性测量误差小，可计量有功功率、无功功率、视在功率以及各相电流、电压的有效值[7]。

图4 交流信号采集电路

4 控制器软件程序设计

本线路保护方案中每个断路器将配置一个线路保护装置。为此，基于STM32F103系列单片机，采用C语言对微控制器进行了下位机程序的编写。程序编写基于自顶向下、模块化的结构化程序设计，分为主程序和多个子程序。子程序包括声光报警子程序、CAN总线通信子程序、开关量检测子程序、液晶显示子程序、交流信号采集子程序、故障判断子程序、故障处理子程序等；同时，上位机与各保护装置之间采用了三段式电流保护，通过对各个保护装置进行动作时限设置，实现了各保护装置之间的联动保护，保证了断路器跳闸的选择性[8]。图5为单个线路保护装置的主程序流程图。

图5 单个线路保护装置的主程序流程图

5 结论

本文在分析现有煤矿供电系统线路保护存在诸多不足的基础上，结合井下供电系统线路保护的特点，提出了一种新型的线路保护方案及保护装置。该方案利用CAN总线双向通信的特点，实现了上位机与线路保护装置的实时快速交互，对供电线路形成了有效监控，具有远程监控、远程保护、故障报警等功能，配以三段式电流保护，当线路发生故障时可实现选择性跳闸，解决了越级跳闸问题。