基于CAN总线的煤矿供电系统线路保护装置设计

桑宏琪

(西山煤电有限公司 官地煤矿，山西 太原 030022)

0 引言

目前现有的煤矿供电系统多采用10 kV或6 kV电压等级，随着煤矿工作面的不断推进，高压供电设备以及线缆逐渐布置到更深的位置，煤矿不得不在同一个采区内布置多个分区变电站负责综采工作面的供电，造成煤矿井下供电系统分级过多，必须采用短距离垂直、多层级、纵向的供电方式[1-3]。井下设备多、区域广、距离远、多层级的供电方式使得整定速断保护定值较为困难，保护器部分功能欠缺，导致供电系统漏电、过流、欠压、短路等故障变多，越级跳闸频率升高，容易造成井下大面积停电[4-5]。

针对上述问题，设计了一种新型综合保护装置，并在此基础上，引入了CAN总线通信网络，通过CAN总线通信，实现系统各级保护装置的数据共享，同时完成信息在上位机的汇总。上位机在对信息综合判断的基础上，选择性地控制特定保护装置跳闸，从而避免了越级跳闸。

1 线路保护装置总体方案设计

CAN总线通信网络是线路保护装置的基础，线路保护装置通过CAN总线实现了一对多点以及点对点的通信，可与监控主机快速交互信息，监控主机在得到信息后快速判断出故障位置，并控制相应保护装置动作。

CAN总线通信稳定性好、实时性强，并且通信网络中的任一节点都可以向网络发送数据，为了避免信息冲突而导致通信延时，将各保护装置设定为不同的CAN总线仲裁优先级，当多个保护装置同时向总线发送信息时，优先级别较高的可以正常发送信息，优先级较低的保护装置则转入接收状态。

线路保护总体方案如图1所示。保护装置中仲裁优先级由高到低分别是QF6、QF5、QF4、QF3、QF2、QF1，保护跳闸的优先级也符合该规律。如图1中K1处出现短路，则保护装置QF1、QF2、QF3、QF4均能检测到短路电流，其中QF4由于优先级较高，故会占据总线发布故障信号，监控主机在接收到包含故障信息的数据帧后，分析并判断故障位置，然后控制QF4执行断路动作，并且控制QF1、QF2、QF3进入保护延时状态。经过100 ms延时后，如果监控主机依然能够接收到故障信号，则控制QF3执行断路动作，QF1和QF2保持保护延时状态。如果QF4能够可靠动作，则由其跳闸切断故障线路；如果QF4出于某种原因无法动作，则由QF3延时100 ms执行跳闸动作；如果QF3和QF4都无法动作，则由QF2延时200 ms后跳闸动作，以此类推。这种跳闸控制方式可以避免越级跳闸，同时保证保护动作的可靠性。

图1 线路保护基本方案图

2 保护装置主要功能

2.1 保护功能

保护装置配备有多种线路保护功能，包括：非电量保护、零序过压保护、漏电流保护、负序过流保护、三段式电流保护(过电流保护、限时电流速断保护、电流速断保护)、三段式过电压保护、三段式低电压保护等。

2.2 “四遥”功能

“四遥”功能包括遥信、遥测、遥调以及遥控。遥信功能是指保护装置能够远程监测刀闸、接触器以及断路器的位置。遥测功能是指保护装置能够实时检测供电线路上的电压、电流以及有功功率、无功功率等信息。遥调功能是指保护装置能够在线复位保护信号、设置保护动作参数等。遥控功能是指保护装置能够远程控制接触器或者断路器的开闸、合闸。

2.3 故障定位功能

各级保护装置按照对应的优先级将故障信息上传到监控主机，监控主机分析故障信息并判断故障位置，从而帮助工作人员即时排查故障。

2.4 故障报警功能

当保护装置自身发生故障时，保护装置会进行闭锁并发出报警，只有当故障排除后才会重新开始工作。当保护装置检测到故障信息时，会通过蜂鸣器、扩音器以及LCD屏幕向工作人员发出提示，及时通知工作人员排查。

3 硬件电路设计

硬件电路总体结构图如图2所示。该系统硬件采用模块化设计，不同的功能块设计成不同的插件结构，包括交流信号输入插件、开关量插件、电源插件、CPU插件、通信插件以及人机对话插件。 其中ARM微处理器采用32位处理器MB9BF518S。下文重点介绍CAN总线接口电路设计、交流信号输入电路设计以及开关量电路设计。

图2 硬件电路总体结构图

3.1 CAN总线接口电路设计

考虑到MB9BF518S内部集成有CAN总线控制器，因此CAN总线接口电路是以CAN总线收发器为核心，如图3所示，CAN总线收发器采用CTM8251T，其内部除了集成有CAN收、发器件，并且具有隔离功能，CTXD、CRXD为CAN控制器的发送端和接收端。

图3 CAN总线接口电路图

3.2 交流信号输入电路设计

供电线路的交流信号主要通过互感器测量，测量三相电流输入信号的电流互感器变比为5 A/3.53 V，测量三相保护电流输入信号的电流互感器变比为100 A/7.07 V，测量三相电压输入信号的电压互感器的变比为120 V/7.07 V，测量零序电流的电流互感器变比为20 A/7.07 V。经过互感器采样后，转换成幅值为10 V的正弦信号，由于微控制器MB9BF518S能够识别的电压信号范围为0～5 V，所以需要将-10～10 V的正弦信号变换为微控制器能够识别的电压信号。交流信号变换电路如图4所示。

图4 交流信号变换电路图

电压正弦信号首先进入由6.2 kΩ和1 kΩ电阻构成的分压电路，转换成-1.37 V～1.37 V的电压正弦信号，随后依次进入电压跟随器、反相求和运算电路以及反向比例放大电路，这3种电路的核心均为TLC4502型运算放大器，转换成0.13 V～2.87 V的单极性电压信号，最后经过滤波电路进入MB9BF518S的AD转换器。

3.3 开关量输入电路设计

开关量信号调理电路如图5所示。电路输入信号为220 V交流电，接入DIIN端，DICOM为公共端，输入信号经过桥式整流电路和滤波电路后到达光电偶合器的输入端，由于桥式整流电路的作用，输入的交流电信号无论处于正半周还是负半周都能使光电偶合器导通，从而使输出端DIOUT变为低电平输入到微控制器的I/O口。

图5 开关量信号调理电路图

4 保护装置逻辑研究

4.1 三段式电流保护

保护装置的三段式电流保护功能包括过电流保护、限时电流速断保护以及电流速断保护，图6为保护逻辑图。其中Iset为电流速断保护动作的整定值，整定范围为0.05～200 A，步长为0.01 A；Ia、Ib、Ic表示测量到的三相电流值；Uset表示低电压闭锁的电压整定值，范围为1～200 V，步长为0.01 V；Uab、Ubc、Uca表示测量到的三相电压值；Tset是延时时间的设定值，范围为0～200 s，步长为0.01 s。

图6 三段式电流保护逻辑图

4.2 反时限过流保护

反时限过流保护包括极端反时限保护、非常反时限保护以及一般反时限保护3种状态。不同形式的反时限过流保护特征函数为：

(1)

(2)

(3)

式中：Tp为保护时间常数整定值；Ip为保护基准电流整定值；I为故障电流采样值；t为反时限过流保护动作时间。

反时限过流保护逻辑如图7所示。

图7 反时限过流保护逻辑图

5 结论

本文设计了基于32位微处理器MB9BF518S的供电线路保护装置，并在此基础上引入CAN总线支持各保护装置数据共享。该系统运行合理可靠，功能丰富，能够全面保护煤矿井下供电线路，避免越级跳闸，降低停电的概率，促进煤矿井下供电系统的网络化和智能化。