煤礦饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

申 鵬

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021)

饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)作為井下電網(wǎng)中的重要組成部分，負(fù)責(zé)電網(wǎng)中各電氣設(shè)備的故障診斷和保護(hù)。然而，由于井下環(huán)境的惡劣性及相關(guān)設(shè)備經(jīng)常處于超負(fù)荷狀態(tài)，加上煤礦開采深度的不斷加深，導(dǎo)致井下電網(wǎng)在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)短路、漏電、欠壓等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著井下電網(wǎng)的運(yùn)行安全。因此，有必要對現(xiàn)有電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 國內(nèi)饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)的井下電網(wǎng)主要采用變電站加放射式進(jìn)行設(shè)備供電，其供電系統(tǒng)中主要由配電裝置、變壓器、饋電開關(guān)等組成，其中，饋電開關(guān)是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的核心器件。井下電網(wǎng)在供電保護(hù)中，對電網(wǎng)主要進(jìn)行漏電保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)，其中，漏電保護(hù)主要采用零序電流最大法，零序功率方向法等方法，在控制方式上，也主要采用PLC進(jìn)行控制；但在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常存在故障響應(yīng)速度較慢、檢測精度較低、系統(tǒng)運(yùn)行性能不穩(wěn)定等問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，功能更加齊全的保護(hù)系統(tǒng)也逐漸得到開發(fā)應(yīng)用。目前，諸多學(xué)者已將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到了保護(hù)系統(tǒng)中，同時，在信號采集方面，壓縮傳感技術(shù)也得到了應(yīng)用，由此大大提高了保護(hù)系統(tǒng)的自適應(yīng)和故障響應(yīng)速度，但目前這些高性能的算法尚未完全在保護(hù)系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，對其進(jìn)行大面積推廣仍需一定的時間。因此，不斷加大對井下電網(wǎng)中饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的性能提升，實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)的智能化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化程度，已成為當(dāng)下供電領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

2 饋電保護(hù)系統(tǒng)的主要功能要求

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程 》要求，為保證井下電網(wǎng)的正常、安全運(yùn)行，所設(shè)計(jì)的饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)需具備一定的功能特點(diǎn)，方可在井下進(jìn)行應(yīng)用。其主要功能要求為：

1) 電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)需能對井下電網(wǎng)中的漏電、短路、欠壓、過流、高溫等故障現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時的、多功能的診斷檢測，并根據(jù)不同的故障類型，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，并迅速切斷電路。

2) 由于井下環(huán)境的惡劣性，經(jīng)常存在侵水、電纜磨損等現(xiàn)象。因此，要求保護(hù)系統(tǒng)需具有較高的可靠性和性能穩(wěn)定性，且能有效對井下的相關(guān)干擾信號進(jìn)行屏蔽，保證保護(hù)系統(tǒng)在干擾信號影響下不被干擾或信號破壞。

3) 由于電纜發(fā)生故障現(xiàn)象時，其事故的蔓延速度相對較快。因此，保護(hù)系統(tǒng)需能對故障事故進(jìn)行快速響應(yīng)，且故障檢測精度也需較高，以此來及時對電網(wǎng)故障進(jìn)行有效控制。

4) 由于井下電網(wǎng)線路相對較多，當(dāng)某電纜發(fā)生故障現(xiàn)象時，保護(hù)系統(tǒng)可對故障發(fā)生的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并做出相應(yīng)的故障解決措施。

3 饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及功能特點(diǎn)，在現(xiàn)有饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了總體方案優(yōu)化。該方案包括硬件系統(tǒng)中的各類傳感器、電源模塊、數(shù)據(jù)信號采集模塊、故障診斷模塊、通訊模塊及軟件控制程序等，其總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。該保護(hù)系統(tǒng)的工作原理為：前端的電壓、電流互感器首先對井下電網(wǎng)中的相關(guān)電信號進(jìn)行檢測，通過信號處理匯總，傳輸至控制內(nèi)核中進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和相關(guān)算法的運(yùn)算，將計(jì)算結(jié)果與設(shè)置的理論值進(jìn)行對比判斷后，最終執(zhí)行相關(guān)命令操作，主要包括兩路：當(dāng)發(fā)生故障時，一路通過對繼電器發(fā)出切斷開關(guān)電源的命令，實(shí)現(xiàn)對井下電網(wǎng)電路的切斷保護(hù)控制；另一路為當(dāng)發(fā)生故障時，保護(hù)系統(tǒng)及時發(fā)出對應(yīng)故障類型的報(bào)警提示，并在液晶顯示屏上進(jìn)行實(shí)時顯示，同時，將相關(guān)的故障信號進(jìn)行保存記錄。由此，完成整個井下電網(wǎng)的電路保護(hù)。

圖1 饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)總體方案框架

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保護(hù)系統(tǒng)的硬件部分主要包括各類電流、電壓傳感器、溫度傳感器、互感器、繼電器、處理器、A/D轉(zhuǎn)換器等，硬件系統(tǒng)的總體框架原理如圖2所示。其中，處理器采用了32位的ARM嵌入式處理器，同時，在其內(nèi)部增設(shè)了3個A/D數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，有效代替了外部單獨(dú)設(shè)置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。另外，由于系統(tǒng)中各電器元件所需電壓平臺各不相同，為滿足其使用需求，在電源模塊設(shè)計(jì)過程中，采用了多種規(guī)格的穩(wěn)壓芯片，配備性能較好的降噪部件，有效結(jié)合電感、電容等元?dú)饧?，對系統(tǒng)中的不同等級的電壓進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中，顯示器的電壓為5 V、控制芯片的電壓為3.6 V、繼電器的直流電壓為24 V。該保護(hù)系統(tǒng)中各硬件之間的通訊則采用了RS-45通訊接口，可直接通過兩根電線，快速完成各元器件之間的通訊連接。由此，完成了饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖2 饋電開關(guān)硬件系統(tǒng)總體框架

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的控制部分，其結(jié)構(gòu)組成主要包括內(nèi)核、驅(qū)動程序、中斷服務(wù)、BSP等；且整體具有較多的功能，主要功能包括采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算控制、程序輸入、硬件系統(tǒng)的控制、操作系統(tǒng)的執(zhí)行、邏輯判斷、通訊控制等，其軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。綜合考慮保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)情況，在操作系統(tǒng)上，選用了μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)該保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際功能需求，可在該操作系統(tǒng)中進(jìn)行對應(yīng)的功能篩選和匹配，并將保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)功能的不同進(jìn)行模塊劃分及相關(guān)程序的編寫。同時，該軟件系統(tǒng)中的BSP程序是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和硬件系統(tǒng)的橋梁程序，主要負(fù)責(zé)對操作系統(tǒng)中各類訪問程序的引導(dǎo)，系統(tǒng)可通過該程序?qū)崿F(xiàn)對硬件系統(tǒng)的直接訪問。因此，通過該軟件系統(tǒng)，最終可實(shí)現(xiàn)對井下電網(wǎng)的故障檢測和命令控制，由此，完成了該軟件系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)。

圖3 保護(hù)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)框架原理

4 饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用測試

為保證該系統(tǒng)能在井下供電系統(tǒng)中進(jìn)行安全、有效的應(yīng)用，需對其進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用測試。但出于安全、經(jīng)濟(jì)效益等方面考慮，無法直接在井下測試。因此，選用了合適的變壓器、互感器、繼電器等設(shè)備，搭建了饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)測試的試驗(yàn)平臺，通過該試驗(yàn)平臺，對保護(hù)系統(tǒng)的漏電、短路、欠壓等故障問題進(jìn)行測試。通過模擬測試可知，該系統(tǒng)能針對電網(wǎng)中漏電、短路、欠壓等故障現(xiàn)象發(fā)出相應(yīng)的故障提示，并發(fā)出對應(yīng)的切斷電源命令，快速切換開關(guān)，保證了整個電網(wǎng)在發(fā)生故障問題時能實(shí)現(xiàn)自動切斷保護(hù)的目的。整個測試過程中，該系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，控制精度相對較高，與傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)相比，保護(hù)功能更加齊全，整體保護(hù)性能更好。

5 結(jié) 語

提升井下電網(wǎng)饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)性能，已成為保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題。本文結(jié)合現(xiàn)有井下電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，對井下電網(wǎng)饋電開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了模擬測試，結(jié)果表明，該保護(hù)系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，整體響應(yīng)速度較快，控制精度較高，系統(tǒng)性能運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足當(dāng)下井下電網(wǎng)的安全保護(hù)需求。為進(jìn)一步開展保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化提供了參考。