金莉鑫

山西焦煤 西山煤電(集團)有限責(zé)任公司東曲煤礦, 山西 太原 030200)

煤礦安全供電是礦井安全生產(chǎn)、礦工安全工作的基本保障。煤礦供電系統(tǒng)必須滿足國標(biāo)規(guī)定的可靠與靈敏特征。因此,對供電系統(tǒng)中繼電保護裝置的可靠性、選擇性、靈敏性以及速動性提出了更高的要求。目前,煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置普遍存在速斷過流保護值設(shè)定不合理、漏電保護選擇性差、保護功能不完善、通訊能力弱等問題,導(dǎo)致供電系統(tǒng)發(fā)生短路、漏電、過流以及越級跳閘等故障,嚴(yán)重影響了礦井安全、可靠供電[1-2]. 因此,研究并優(yōu)化煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置意義重大且十分必要。本文提出一種基于ARM9處理器的煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置優(yōu)化方案,達到完善保護功能、防止越級跳閘、增強通訊能力的目的。在此基礎(chǔ)上,完成系統(tǒng)測試,驗證優(yōu)化方案的正確性和適用性。

1 煤礦繼電保護裝置分析

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置用于實現(xiàn)過流三段保護、變壓器保護、零序保護等,根據(jù)《煤礦電工手冊》等對繼電保護裝置短路電流進行校驗和整定。煤礦供電系統(tǒng)實際運行時,最大運行方式下的短路電流與最小運行方式下的短路電流變化較為平緩,短路電流曲線見圖1[3]. 因此,煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置存在的問題主要有:1) 由于礦井供電系統(tǒng)配電級數(shù)多、供電回路距離短、阻抗小,短路電流相差小,整定困難。2) 無法同時滿足繼電保護裝置的選擇性和靈敏性。3) 存在越級跳閘風(fēng)險,極易導(dǎo)致礦井較大范圍停電。

圖1 煤礦供電系統(tǒng)短路電流曲線圖

2 繼電保護裝置優(yōu)化設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 總體設(shè)計

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置硬件總體設(shè)計見圖2,以S3C2440AL-40 ARM9處理器為核心,主要完成繼電保護裝置的保護及控制、數(shù)據(jù)采集以及通訊。

1) 保護及控制功能?？刂评^電保護裝置中的分合閘實現(xiàn)線路控制,采用軟壓板對繼電保護裝置進行有效保護。

2) 數(shù)據(jù)采集功能。S3C2440AL-40控制器采集隔離開關(guān)、斷路器等數(shù)字量信息對繼電保護裝置的運行狀態(tài)進行實時、有效的監(jiān)控;采集TA二次側(cè)電流、電壓模擬量信息分析供電系統(tǒng)的故障。

3) 通訊功能。通過TCP/IP通訊將繼電保護裝置的保護、監(jiān)控信息上傳至煤礦電力監(jiān)控系統(tǒng);通過光纖通訊實現(xiàn)兩側(cè)差動保護設(shè)備間的信息交互,實現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換;通過RS485通訊將繼電保護裝置所有數(shù)據(jù)傳送至人機交互模塊,實現(xiàn)本地實時監(jiān)測。

圖2 繼電保護裝置硬件總體設(shè)計圖

2.1.2 最小系統(tǒng)設(shè)計

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置硬件最小系統(tǒng)以S3C2440 AL-40芯片為核心,采用總線架構(gòu)擴展晶振電路、復(fù)位電路、SDRAM電路、FLASH電路以及電源電路。設(shè)計12 MHz無源晶振+外接32.768 kHz晶振方案,提供精確的時間基準(zhǔn)[4-5]. 采用IMP811 S芯片設(shè)計上電、手動兩種復(fù)位方案,解決程序運行時的卡死、循環(huán)異常。外擴兩片32 MB的K4S561632 N芯片組成SDRAM電路,實現(xiàn)程序的穩(wěn)定、可靠、高效運行。采用K9F1G08芯片完成外擴FLASH電路,實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存并達到理想的讀寫效率。設(shè)計12 V、5 V、3.3 V電壓等級的電源電路,為硬件系統(tǒng)元器件提供持續(xù)穩(wěn)定的電流,其中12 V電源用于驅(qū)動繼電器負(fù)載,5 V、3.3 V用于驅(qū)動芯片,利用AMS1117芯片實現(xiàn)電壓變換。

2.1.3 擴展電路設(shè)計

1) 模擬信號調(diào)理電路。

模擬信號調(diào)理電路的作用是實現(xiàn)TA二次側(cè)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合A/D轉(zhuǎn)換器輸入的弱電信號,電路設(shè)計見圖3,通過LM324運放實現(xiàn)。基于ADC控制器、ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器將經(jīng)過調(diào)理之后的0～3.3 V電壓信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)化,將轉(zhuǎn)化結(jié)果保存于相應(yīng)的寄存器裝置中。

圖3 模擬信號調(diào)理電路圖

2) 數(shù)字量輸入/輸出電路。

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置共設(shè)置9路數(shù)字量輸入信號,如斷路器閉合信號、斷路器分位信號等,數(shù)字量輸入電路見圖4,完成9路信號的獲取;共設(shè)置5路數(shù)字量輸出信號,如保護跳閘、保護分閘信號等,數(shù)字量輸出電路見圖5,完成5路信號的輸出。

圖4 數(shù)字量信號輸入電路圖

圖5 數(shù)字量信號輸出電路圖

3) 通訊電路。

通訊電路包括光纖通訊、TCP/IP通訊以及RS485通訊,其中光纖通訊電路設(shè)計原理見圖6. 光纖通訊主要實現(xiàn)繼電保護裝置兩側(cè)差動保護設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。S3C2440 AL-40芯片將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照規(guī)則進行組幀并發(fā)送給PHY芯片[6]. PHY芯片接收到數(shù)據(jù)幀后按照規(guī)則進行解碼并將解碼后的數(shù)據(jù)信息傳送給光模塊。光模塊經(jīng)光纖將數(shù)據(jù)傳輸至對側(cè)單元并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,輸入至核心處理芯片進行處理。在光纖通訊時,PHY芯片選用因特爾的LXT971A芯片,滿足IEC61850-9-2協(xié)議要求,符合繼電保護裝置光纖傳輸要求。光模塊選用Agilent的AFBR-5803ATZ芯片,實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)化。TCP/IP通訊用于實現(xiàn)繼電保護裝置與礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸;RS485通訊用于實現(xiàn)繼電保護裝置與本地人機界面間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 光纖通訊電路圖

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 開發(fā)環(huán)境

煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置軟件開發(fā)環(huán)境基于μc/OS-Ⅱ?qū)崿F(xiàn),完成編輯、編譯功能。μc/OS-Ⅱ開發(fā)環(huán)境實時性強,可實現(xiàn)不同任務(wù)單元的單獨運行,可結(jié)合優(yōu)先級搶占實時內(nèi)核,可采用軟中斷調(diào)用不同的功能單元,程序單元間相互獨立并具備就緒、運行、停止3種狀態(tài)。

2.2.2 程序設(shè)計

根據(jù)煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置功能,將軟件程序設(shè)計劃分為主程序、數(shù)據(jù)采集程序、通訊程序、故障處理程序以及人機交互程序5部分。

1) 主程序。

主程序用于繼電保護裝置的自檢、保護算法的實現(xiàn)并建立、調(diào)用不同的功能模塊,流程見圖7. 通過光纖通訊獲取數(shù)據(jù)信息并完成轉(zhuǎn)換、分析、判別后利用設(shè)計的保護算法與差動部分?jǐn)?shù)據(jù)進行對比分析,確定是否存在故障。

2) 數(shù)據(jù)采集程序。

數(shù)據(jù)采集程序用于對電壓、電流信號進行模擬量采樣,保存至指定寄存器。S3C2440AL-40芯片每隔200 μs進行一次A/D轉(zhuǎn)換,讀取所有通道數(shù)據(jù)后組幀發(fā)送至對側(cè)。經(jīng)過采樣同步、事件同步修正后進行下一次數(shù)據(jù)采集以及A/D轉(zhuǎn)換過程。

3) 通訊程序。

a) 光纖通訊:即與對側(cè)繼電保護裝置進行數(shù)據(jù)傳輸,遵循IEC61850通訊協(xié)議,按照OSI模型進行數(shù)據(jù)傳輸,經(jīng)組幀、編碼后封裝成IEC61850-9-2通訊報文幀結(jié)構(gòu)經(jīng)PHY后對外傳輸。發(fā)送流程中先將數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū),經(jīng)ASN.1編碼、鏈路層封裝后發(fā)送數(shù)據(jù);接收流程中對數(shù)據(jù)進行解析并完成CRC校驗,將校驗正確的數(shù)據(jù)存入寄存器。

圖7 主程序圖

b) TCP/IP通訊:即與礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸,該程序循環(huán)查詢TCP/IP數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)是否有新的數(shù)據(jù)包,如果有,則利用注冊的回調(diào)函數(shù)將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)口發(fā)送至礦井電力監(jiān)控系統(tǒng)。

c) RS485通訊:即與本地人機界面進行數(shù)據(jù)傳輸,軟件設(shè)計時需確定通訊端口、波特率、奇偶校驗位、停止位等參數(shù)。

4) 故障處理程序。

故障處理程序用于判定繼電保護裝置設(shè)備在制約條件下是否可以啟動。繼電保護裝置設(shè)備實際運行時,若發(fā)生故障,則需依次對所在通道、本側(cè)差動保護是否投入、對側(cè)差動保護是否投入、對側(cè)差動保護是否啟動、對側(cè)是否跳閘、對側(cè)母線是否動作等進行判斷,經(jīng)延時處理后進入故障處理流程?？膳卸ǖ睦^電保護裝置的故障類型有CT斷線、三相閉鎖、兩相短路、保護裝置不動作或動作不可靠、保護裝置誤動作等。

5) 人機交互程序。

人機交互程序用于實時展示繼電保護裝置運行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、故障信息等,通過RS485通訊完成數(shù)據(jù)交互,在LCD液晶顯示屏實時顯示和更新。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試平臺

搭建煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置系統(tǒng)測試平臺,測試裝置在切除故障時的實時、選擇性指標(biāo),驗證裝置的正確性和適用性。煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖8,在K1處布置一臺繼電保護裝置,該裝置與K2、K3、K4以及K5高爆開關(guān)相連,用于模擬礦井供電系統(tǒng)主干線路,采用光纖網(wǎng)絡(luò)進行通訊。在K1、K2之間、K3、K4之間以及K5與低壓負(fù)荷之間分別布置D1、D2、D3三個短路裝置。系統(tǒng)測試時用到的工具還包括人機界面LCD液晶顯示屏1個、礦井電力監(jiān)控分站1臺以及調(diào)壓器、萬用表、跳線、網(wǎng)線等。

圖8 煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 測試記錄及分析

根據(jù)高爆開關(guān)K1、K2、K3、K4以及K5的TA變比,設(shè)定主保護一次、二次定值和延時,后備保護一次、二次定值和延時,分別完成基于傳統(tǒng)繼電保護裝置與優(yōu)化后繼電保護裝置的D2短路且保護有效、D2短路且K5保護失靈、D3短路且保護有效、D3短路且K5保護失靈、D1短路5項試驗,對短路電流、應(yīng)動作開關(guān)、應(yīng)動作時間、實際動作開關(guān)、實際動作時間進行記錄。發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)繼電保護裝置在開關(guān)有效或失靈狀態(tài)下都會出現(xiàn)越級跳閘且保護動作有延時;優(yōu)化后的繼電保護裝置未出現(xiàn)越級跳閘、未產(chǎn)生區(qū)外故障誤動作且實時性好,可以滿足設(shè)計預(yù)定目標(biāo)。煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置優(yōu)化前后5項試驗結(jié)果對比見表1—6.

表1 D2短路且保護有效試驗表

表2 D2短路且K5保護失靈試驗表

表3 D3短路且保護有效試驗表

表4 D3短路且K5保護失靈試驗表

表5 D1短路試驗表

表6 繼電器保護裝置測試結(jié)果對比分析表

4 結(jié) 語

以煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置為研究對象,為完善保護功能、防止越級跳閘、增強通訊能力,提出基于ARM9處理器的繼電保護裝置優(yōu)化方案并完成系統(tǒng)測試:

1) 優(yōu)化后的煤礦供電系統(tǒng)繼電保護裝置實現(xiàn)了光纖通訊、TCP/IP通訊、RS485通訊多種通訊模式,防止了越級跳閘現(xiàn)象并完善了保護功能。

2) 經(jīng)系統(tǒng)測試,優(yōu)化后的繼電保護裝置滿足設(shè)計要求,提升了煤礦供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,有助于提升煤礦生產(chǎn)效率。