某煤礦防越級跳閘系統設計應用*

孫曉星

(山西焦煤西山煤電集團有限責任公司 杜兒坪煤礦,山西 太原 030022)

0 引 言

煤礦井下供電系統是礦井生產的根本能源,是保證礦井安全生產的關鍵。煤礦井下供電系統具有開關移動多、內部空間狹小、運行環境惡劣的特點[1-3],應用防越級跳閘系統是保證煤礦井下供電系統的安全性、可靠性的重要措施。

現有煤礦井下防越級跳閘系統存在實時性差、準確率低、穩定性差等問題,因此防越級跳槽系統故障會給煤礦井下供電系統安全生產帶來較多不利和困難[4-6]?？刂破骷夹g、光纖數字式差動保護技術以及故障邏輯判斷技術的應用,可以為煤礦井下防越級跳閘系統帶來便利[7-8],可實現防越級跳閘系統數據實時、準確、穩定傳輸及可靠性動作。

筆者基于控制器技術、光纖數字式差動保護技術以及故障邏輯判斷技術提出了某煤礦井下防越級跳閘系統設計方案,重點對防越級跳閘硬件、軟件方案進行闡述,并通過試驗驗證了上述功能的適用性和正確性,達到了防越級跳閘系統實時、準確、可靠運行的目的。對提升該煤礦井下供電系統的安全性、可靠性及提高生產效率具有重要意義。

1 越級跳閘原因分析

通過對某煤礦供電系統越級跳閘為題的分析總結發現,越級跳閘的主要問題表現為:下級饋電線短路與漏電故障而導致上級高壓開關動作。該情況出現后輕則越過一級導致一個采區停電;重則越過多級直至地面變電所,導致整個井下供電系統癱瘓[9]。該煤礦井下供電系統為輻射狀電網,同一電壓等級會輻射至多個變電所。由于采區變電所距電源較遠,中間經過級數較多,因此保護時限短、整定值小、上下級保護配合困難是造成越級跳閘的原因之一;煤礦井下部分短供電線路造成保護整定值無法區分是造成越級跳閘的原因之二。越級頂閘可能導致頂閘至地面變電站總高開柜,造成主通風機、井下主排水泵、高瓦斯礦井的區域通風機、瓦斯泵、壓風機以及上述設備的輔助設備等突然停電,可能造成人身傷亡或重要設備損壞,進而給生產造成重大損失。

2 方案設計

基于光纖數字式差動保護技術的防越級跳閘方案、利用光纖通信將煤礦井下供電系統線路首尾兩端的保護裝置縱向連接,分析比較線路各端的電氣參數,判斷是否為線路內部故障,以指導線路跳閘動作。該技術的特點是動作速度快,但造價較高。

基于布爾邏輯判斷技術的防越級跳閘方案、以高低電平信號為基礎,設置邏輯判斷裝置并與供電系統的綜合保護裝置進行硬連接。該技術的特點是成本低、可靠性高,但接線復雜。

文中將光纖數字式差動保護技術、布爾邏輯判斷技術相結合,以ARM控制器為核心,設計防越級跳閘系統。該系統兼具動作速度快、可靠性高、成本低的特點,方案設計框圖如圖1所示。

圖1 某煤礦防越級跳閘系統方案設計框圖

3 硬件設計

3.1 關鍵硬件選型

某煤礦防越級跳閘系統的關鍵硬件包括ARM控制器、EPEC控制器、縱差綜合保護器以及光纖交換機。

(1) 控制器。①ARM控制器。選用STM32F417微處理器,內核為ARM Cortex-M4,集成了FPU和單周期DSP指令,計算能力強;支持數據并行處理及多通道DMA,數據傳輸能力強;支持CAN總線通訊、TCP/IP通訊;支持1 MB FLASH容量,192 KB SRAM容量,存儲空間大[10-12];②EPEC控制器。選用EPEC 3724控制器,內核為帶鎖步和內存保護的32位多核處理器;支持高速CAN(CAN2.0A、CAN2.0B)、CANOPEN通訊;支持256 K程序存儲,128 K數據代碼存儲;支持過壓、高溫、輸出短路保護以及掉電保存;防護等級為IP67,抗沖擊、抗振動能力強。

(2) 縱差綜合保護器。選用ZBT-11C型礦用級聯縱差保護器,該保護器具有基礎差動保護、智能后備雙重保護功能?；A差動保護即防越級跳閘系統的主保護,在防越級控制命令投入后,保護器判斷是本級開關出線側發生短路故障,進而發出過流信號并保護跳閘,同時發出跳閘信號。智能后備作為基礎差動保護的后備保護,在下級開關出現拒動時在150 ms內實現故障跳閘,基本原理為連續檢測故障電流。

(3) 光纖交換機。選用KJJ156礦用本安型交換機,支持4路百兆和3路千兆以太網接口,所有接口都可配置成組環接口;支持2路CAN接口,其中CAN0口為定制口,具備報文屏蔽和優先級配置;支持2路RS485接口,所有接口全是隔離輸出,為本安型信號;支持一鍵恢復出廠設置,可通過web遠程配置和升級;支持DC 12V/24V/48V電源供電,最大功耗9 W。

3.2 關鍵電路設計

某煤礦防越級跳閘系統關鍵硬件電路包括數字量輸入電路設計以及數字量輸出電路設計,如圖2、3所示。

圖2 數字量輸入電路設計

圖3 數字量輸出電路設計

4 軟件設計

某煤礦防越級跳閘系統軟件分為ARM控制器軟件和EPEC控制器軟件兩部分。ARM控制器軟件基于Keil ARM軟件平臺,采用C語言進行編寫、編譯并通過JTAG接口下載至ARM控制器內,完成調試和聯調,軟件主流程如圖4所示。EPEC控制器軟件基于CodeSys軟件平臺,采用ST語言進行編寫、編譯并通過EPEC專用下載線下載至EPEC控制器內,完成調試和聯調,軟件主流程如圖5所示。EPEC控制器內部實現的布爾邏輯控制技術的核心為:①輸入為0,輸出為0時,系統不動作,系統處于無故障狀態或開關不處于故障區間;②輸入為1,輸出為0時,系統延時動作,開關處于故障區間,但不是離故障點最近的開關;③輸入為1,輸出為1時,系統立即動作,開關處于故障區間且是離故障點最近的開關。

圖4 ARM控制器軟件主流程 圖5 EPEC控制器軟件主流程

5 試驗分析

某煤礦防越級跳閘系統試驗平臺拓撲結構如圖6所示。在試驗室環境下,模擬該煤礦北區變電所和北七變電所供電系統,其中a～h為模擬故障點,130～150、701～721為高壓開關。此次主要針對短路故障進行防越級跳閘基礎保護和智能保護試驗,利用電流發生器產生試驗所需的電流。試驗時,觀察并記錄每個故障點的實際動作開關以及實際平均動作時間。為保證試驗的有效性和正確性,每個故障點的試驗進行3次,實際平均動作時間是3次試驗后的算數平均值?；A保護試驗數據、智能后備保護試驗數據如表1、2所列。

表1 某煤礦防越級跳閘系統基礎保護試驗統計數據

圖6 某煤礦防越級跳閘系統試驗平臺拓撲結構

由表1可知,模擬故障點a～h中包括了干線以及支路故障,在250 ms內防越級跳閘系統能夠切斷離故障點最近的高壓開關,達到防越級跳閘的目的。

由表2可知,在基礎保護失靈后,智能后備保護在150 ms內能夠切斷離故障點最近的高壓開關,達到防越級跳閘的目的。

表2 某煤礦防越級跳閘系統智能后備保護試驗統計數據

6 結 論

以某煤礦井下防越級跳閘系統為研究對象,基于控制器技術、光纖差動保護技術以及布爾邏輯判斷技術對井下防越級跳閘系統進行研究與實現,重點研究了硬件、軟件設計思路和實現方法并完成試驗驗證。

(1) 設計的防越級跳閘系統實現了短時最近高壓開關動作,完善了保護系統,達到了防越級跳閘的目的。

(2) 經試驗驗證,設計的防越級跳閘系統滿足某煤礦北區變電所、北七變電所應用要求,達到了煤礦井下供電系統安全、可靠、高效運行的目的。