煤矿供电系统继电保护系统设计与应用研究

许国来

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

1 概 况

为了保证煤矿供电设备和作业人员的安全可靠工作，通常会在供电系统中设置多级短路保护开关，它们的布置是存在优先级的关系，但是由于煤矿井下条件恶劣（如配电级数多、供电线路短、环境恶劣等），供电系统故障查找困难。煤矿井下供电系统取电距离通常较远，井下工作线路紧凑，当出现短路情况时，各级电流相差较小，继电保护层级性较差，经常出现越级跳闸现象，导致煤矿井下大面积停电，影响煤炭的正常掘进。因此针对王坡煤业供电系统存在继电保护选择性差、越级跳闸频发的问题，开展煤矿供电系统继电保护系统设计与应用研究工作具有重要意义。

王坡煤业35 kV 变电站内装设2 台容量为10 000 kVA 的变压器，一运一备。35 kV 系统采用单母线分段接线方式，I 回路电源取自14 km 外的110 kV 变电站；II 回路电源取自11 km 外的110 kV 变电站。正常情况下两路供电线路和变压器均有一组工作，另一组备用，工作组出现故障时，备用组才会启动。35 kV 一次装置使用的高压真空断路器，通过SFZ10- M- 10000/35kV/10kV 变压器两次降压，为矿区供电。35 kV 变电站供电系统主接线如图1 所示。井下的变电站运行时，供电设备间距较小，线路两侧的电流值非常相近，当某处出现短路时，各处电流基本相同，保护系统经常出现越级跳闸情况。

图1 35 kV变电站供电系统主接线图Fig. 1 Main wiring diagram of power supply system in 35 kV substation

2 方案设计

针对王坡煤业供电系统继电保护选择性差、频繁出现越级跳闸的现状，进行了继电器保护系统的方案设计，如图2 所示。基本模块包括控制模块、数据采集模块、通信模块、开入开出模块、电源模块、人机交互模块等。系统工作时通过采集继电器两侧的电流信号和隔离开关及断路器等开关量信息，进行继电器运行状态的监测。

图2 继电器保护系统方案Fig. 2 Relay protection system scheme

3 硬件设计

3.1 最小系统

保护系统的最小系统部分基于ARM9 芯片开发完成，选择型号为S3C2440AL- 40 的CPU 控制器，使用先进的总线构架（AMBA），能耗低，具有较高的性价比。晶振电路设计时，选择了12 MHz 的无源晶振，配套使用外接32.768 kHz 晶振使用，满足了RTC 电路的基础需求。为了避免系统运行时出现卡死问题，设计了复位功能，选择了IMP811S 芯片，配置了手动和自动两种模式。外扩2 片32 MB 的K4S561632N 芯片，二者串联使用，满足运存需要；外扩FLASH 电路，避免系统掉电数据丢失。系统电源设置了12、5、3.3 V，通过交直流整流处理获得，满足系统正常运行的需要。

3.2 数据采集模块

3.2.1 模拟信号调理

模拟量调节环节将电流信号转换成电压信号，实现信号的放大处理。采用电压跟随器提升输入阻抗，同时通过两级反相模式提升低通滤波效果，解决了系统中存在的高次谐波问题。

3.2.2 A/ D 转换

模 / 数转化模块简称 A/D 转换，S3C2440AL- 40 控制器内部自带A/D 转换功能，电压信号采集范围是0～3.3 VADC，配置4 个ADC控制寄存装置，信号转换稳定可靠。运行频率5 000 Hz，一次信号转换的时间9.6 us，满足实时完成信号转换的要求。

3.3 通信模块

通信模块包括光纤通信和以太网通信两部分。光纤通讯主要负责系统两侧差动保护设备之间的数据传输，工作可靠性要求最高。通讯开始时，S3C2440AL- 40 对传输数据进行组帧并且编码处理，之后将信息码传输至光模块，实现转换工作。光信号传输至对侧单元位置之后再次转换成电信号。系统选择PHY 芯片，满足光纤传输过程要求。以太网通信具有较宽的传输范围， 能够为LXT971A 提供独立的通信通道，提高其抗干扰的能力，确保系统通信的稳定可靠。

3.4 开入开出模块

系统开关量涉及开关装置、保护设备等状态信号，设定9 路开关量，如断路器通断等。该模块工作时，可以有效管理继电器、操作断路器，也可以对外输出故障报警信号，共设计了5 路信号，包括保护跳闸、保护分闸等。开入开出模块的通信主要依赖于总线，采用了SN75LBC184 芯片实现管控效果及数据共享，具有很好的抗干扰性能。

4 软件设计

4.1 结构组成

系统软件设计基于ARM9 芯片，在uC/OS- I 设计环境中采用C 语言开展软件设计工作，软件程序结构如图3 所示，主要包括保护主程序、信息采集程序等5 部分。保护主程序对系统起着主要的保护功能；信息采集程序主要收集电气装置的电压电流信号，保证数据采集的实时性；通信程序负责系统内部端口、上位机之间的数据通信；故障应对程序用于分析保护系统是否出现故障，控制对应的开关动作实现故障的切除；人机程序负责实时显示井下继电保护系统的运行参数，出现故障提示报警，给出故障的位置信息及处理措施。

图3 软件程序结构Fig. 3 Software program structure

4.2 保护主程序设计

主程序工作流程如图4 所示。

图4 保护系统主程序Fig. 4 Protection system main program

保护主程序主要在最小系统中进行工作，负责保护系统的自我检测、保护算法的实现、不同功能模块之间的调用、数据分析处理等。系统装置上电之后，主程序开始运行，首先完成供电系统内部各硬件设备的初始化响应，S3C2440AL- 40 会重置系统内部的核心程序；之后调用数据采集模块，获得相应的数据信息并运行保护算法，获得最小系统需要的测定数据；最小系统通过分析对比确定是否存在问题。

4.3 人机交互界面

系统人机交互界面选择大彩公司所设计的LCD，能够直接通过RS485 串口通讯，具有很强的环境适应性，工作稳定可靠。通过人机交互界面可以实时显示系统故障数据和采集电流等信息，供监控人员观察系统实时工作状态。监控人员也可以根据界面显示的数据，操控系统内部的控制器件，实现供电系统的远程控制。人机交互程序如图5所示。

图5 人机交互流程Fig. 5 Human- computer interaction process

5 结 语

王坡煤业煤矿供电系统继电保护系统运行稳定可靠，解决了供电系统短路时继电保护选择性差、越级跳闸频发的问题。统计结果表明，继电保护系统应用后，供电系统未出现越级跳闸故障，降低了供电系统运维人员的劳动强度和煤炭采掘成本，提高了10%左右的采煤设备利用率，提高了煤炭企业的产煤量，预计为煤炭企业新增经济效益60 万/a，取得了很好的应用效果。