煤礦供電系統繼電保護系統設計與應用研究

許國來

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

1 概 況

為了保證煤礦供電設備和作業人員的安全可靠工作，通常會在供電系統中設置多級短路保護開關，它們的布置是存在優先級的關系，但是由于煤礦井下條件惡劣（如配電級數多、供電線路短、環境惡劣等），供電系統故障查找困難。煤礦井下供電系統取電距離通常較遠，井下工作線路緊湊，當出現短路情況時，各級電流相差較小，繼電保護層級性較差，經常出現越級跳閘現象，導致煤礦井下大面積停電，影響煤炭的正常掘進。因此針對王坡煤業供電系統存在繼電保護選擇性差、越級跳閘頻發的問題，開展煤礦供電系統繼電保護系統設計與應用研究工作具有重要意義。

王坡煤業35 kV 變電站內裝設2 臺容量為10 000 kVA 的變壓器，一運一備。35 kV 系統采用單母線分段接線方式，I 回路電源取自14 km 外的110 kV 變電站；II 回路電源取自11 km 外的110 kV 變電站。正常情況下兩路供電線路和變壓器均有一組工作，另一組備用，工作組出現故障時，備用組才會啟動。35 kV 一次裝置使用的高壓真空斷路器，通過SFZ10- M- 10000/35kV/10kV 變壓器兩次降壓，為礦區供電。35 kV 變電站供電系統主接線如圖1 所示。井下的變電站運行時，供電設備間距較小，線路兩側的電流值非常相近，當某處出現短路時，各處電流基本相同，保護系統經常出現越級跳閘情況。

圖1 35 kV變電站供電系統主接線圖Fig. 1 Main wiring diagram of power supply system in 35 kV substation

2 方案設計

針對王坡煤業供電系統繼電保護選擇性差、頻繁出現越級跳閘的現狀，進行了繼電器保護系統的方案設計，如圖2 所示?；灸K包括控制模塊、數據采集模塊、通信模塊、開入開出模塊、電源模塊、人機交互模塊等。系統工作時通過采集繼電器兩側的電流信號和隔離開關及斷路器等開關量信息，進行繼電器運行狀態的監測。

圖2 繼電器保護系統方案Fig. 2 Relay protection system scheme

3 硬件設計

3.1 最小系統

保護系統的最小系統部分基于ARM9 芯片開發完成，選擇型號為S3C2440AL- 40 的CPU 控制器，使用先進的總線構架（AMBA），能耗低，具有較高的性價比。晶振電路設計時，選擇了12 MHz 的無源晶振，配套使用外接32.768 kHz 晶振使用，滿足了RTC 電路的基礎需求。為了避免系統運行時出現卡死問題，設計了復位功能，選擇了IMP811S 芯片，配置了手動和自動兩種模式。外擴2 片32 MB 的K4S561632N 芯片，二者串聯使用，滿足運存需要；外擴FLASH 電路，避免系統掉電數據丟失。系統電源設置了12、5、3.3 V，通過交直流整流處理獲得，滿足系統正常運行的需要。

3.2 數據采集模塊

3.2.1 模擬信號調理

模擬量調節環節將電流信號轉換成電壓信號，實現信號的放大處理。采用電壓跟隨器提升輸入阻抗，同時通過兩級反相模式提升低通濾波效果，解決了系統中存在的高次諧波問題。

3.2.2 A/ D 轉換

模 / 數轉化模塊簡稱 A/D 轉換，S3C2440AL- 40 控制器內部自帶A/D 轉換功能，電壓信號采集范圍是0～3.3 VADC，配置4 個ADC控制寄存裝置，信號轉換穩定可靠。運行頻率5 000 Hz，一次信號轉換的時間9.6 us，滿足實時完成信號轉換的要求。

3.3 通信模塊

通信模塊包括光纖通信和以太網通信兩部分。光纖通訊主要負責系統兩側差動保護設備之間的數據傳輸，工作可靠性要求最高。通訊開始時，S3C2440AL- 40 對傳輸數據進行組幀并且編碼處理，之后將信息碼傳輸至光模塊，實現轉換工作。光信號傳輸至對側單元位置之后再次轉換成電信號。系統選擇PHY 芯片，滿足光纖傳輸過程要求。以太網通信具有較寬的傳輸范圍， 能夠為LXT971A 提供獨立的通信通道，提高其抗干擾的能力，確保系統通信的穩定可靠。

3.4 開入開出模塊

系統開關量涉及開關裝置、保護設備等狀態信號，設定9 路開關量，如斷路器通斷等。該模塊工作時，可以有效管理繼電器、操作斷路器，也可以對外輸出故障報警信號，共設計了5 路信號，包括保護跳閘、保護分閘等。開入開出模塊的通信主要依賴于總線，采用了SN75LBC184 芯片實現管控效果及數據共享，具有很好的抗干擾性能。

4 軟件設計

4.1 結構組成

系統軟件設計基于ARM9 芯片，在uC/OS- I 設計環境中采用C 語言開展軟件設計工作，軟件程序結構如圖3 所示，主要包括保護主程序、信息采集程序等5 部分。保護主程序對系統起著主要的保護功能；信息采集程序主要收集電氣裝置的電壓電流信號，保證數據采集的實時性；通信程序負責系統內部端口、上位機之間的數據通信；故障應對程序用于分析保護系統是否出現故障，控制對應的開關動作實現故障的切除；人機程序負責實時顯示井下繼電保護系統的運行參數，出現故障提示報警，給出故障的位置信息及處理措施。

圖3 軟件程序結構Fig. 3 Software program structure

4.2 保護主程序設計

主程序工作流程如圖4 所示。

圖4 保護系統主程序Fig. 4 Protection system main program

保護主程序主要在最小系統中進行工作，負責保護系統的自我檢測、保護算法的實現、不同功能模塊之間的調用、數據分析處理等。系統裝置上電之后，主程序開始運行，首先完成供電系統內部各硬件設備的初始化響應，S3C2440AL- 40 會重置系統內部的核心程序；之后調用數據采集模塊，獲得相應的數據信息并運行保護算法，獲得最小系統需要的測定數據；最小系統通過分析對比確定是否存在問題。

4.3 人機交互界面

系統人機交互界面選擇大彩公司所設計的LCD，能夠直接通過RS485 串口通訊，具有很強的環境適應性，工作穩定可靠。通過人機交互界面可以實時顯示系統故障數據和采集電流等信息，供監控人員觀察系統實時工作狀態。監控人員也可以根據界面顯示的數據，操控系統內部的控制器件，實現供電系統的遠程控制。人機交互程序如圖5所示。

圖5 人機交互流程Fig. 5 Human- computer interaction process

5 結 語

王坡煤業煤礦供電系統繼電保護系統運行穩定可靠，解決了供電系統短路時繼電保護選擇性差、越級跳閘頻發的問題。統計結果表明，繼電保護系統應用后，供電系統未出現越級跳閘故障，降低了供電系統運維人員的勞動強度和煤炭采掘成本，提高了10%左右的采煤設備利用率，提高了煤炭企業的產煤量，預計為煤炭企業新增經濟效益60 萬/a，取得了很好的應用效果。