基于礦鴻系統(tǒng)的饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

劉 偉

（國(guó)能神東煤炭烏蘭木倫煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200）

1 礦鴻系統(tǒng)

隨著國(guó)家智能化制造戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，煤礦領(lǐng)域智能化水平也不斷提升。但煤礦領(lǐng)域在智能化的道路上存在系統(tǒng)不兼容、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不一致等問(wèn)題，并且由于煤礦設(shè)備生產(chǎn)廠家不同難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的協(xié)同和高效作業(yè)，信息技術(shù)與設(shè)備操作技術(shù)融合問(wèn)題突出，煤礦系統(tǒng)安全性和調(diào)整能力亟待提升。為解決煤礦領(lǐng)域智能化水平低的問(wèn)題，建立適合煤礦領(lǐng)域的架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，華為提出了礦鴻操作系統(tǒng)。礦鴻操作系統(tǒng)將不同的煤礦設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，建立煤礦統(tǒng)一接口和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，解決了不同廠家設(shè)備的協(xié)同與互通的問(wèn)題，推進(jìn)能源經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的智能化水平，實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。

（1）高效互聯(lián)。利用礦鴻操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)傳感器、煤礦設(shè)備、手機(jī)、穿戴設(shè)備等的數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)傳輸和信息感知，提升了煤礦領(lǐng)域智能化水平和人員安全。

（2）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。利用礦鴻操作系統(tǒng)建立了數(shù)據(jù)共享平臺(tái)和傳輸協(xié)議，并制訂行業(yè)接口、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)接設(shè)備廠商，實(shí)現(xiàn)了不同廠商直接設(shè)備低成本互聯(lián)和信息交互。在以安全為前提的情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)的分析與處理。

（3）智能協(xié)作。利用礦鴻操作系統(tǒng)建立通信通道為煤礦領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)通道，利用傳感器、手機(jī)等設(shè)備感知外部信息和信息共享。并通過(guò)Neo4j 圖數(shù)據(jù)庫(kù)和通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)礦下設(shè)備新型可視化交互方式，在提升信息交互效率的同時(shí)也提升了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全性。

（4）隱私安全。利用礦鴻操作系統(tǒng)的安全特性，保障數(shù)據(jù)在全生命周期流程中的安全性，提升煤礦工控體系的安全性能。礦鴻系統(tǒng)主要系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦鴻系統(tǒng)主要架構(gòu)

2 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.1 低壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我國(guó)煤礦系統(tǒng)采用變電站+放射式的模式為礦井供電。礦井供電系統(tǒng)的構(gòu)造包含5個(gè)部分：變壓器、分支饋電開(kāi)關(guān)、總饋電開(kāi)關(guān)、磁力啟動(dòng)裝置、高壓配電設(shè)備。

低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置使用環(huán)境如圖2所示，井下各分機(jī)的集中運(yùn)作中心是上位機(jī)，其是控制、保護(hù)和管理整體的保護(hù)系統(tǒng)。低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的ARM 芯片可快速響應(yīng)故障信號(hào)完成通信數(shù)據(jù)的互換，適合高要求的實(shí)時(shí)性及處理任務(wù)。ARM STM32F103為32 位芯片包含光電隔離電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、RS-485通信電路、電網(wǎng)參數(shù)采集和處理器，其中的雙邊聯(lián)合跳閘保護(hù)、反向電流保護(hù)、速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、漏電保護(hù)、過(guò)欠壓保護(hù)是本裝置的主要組成部分。由于饋電系統(tǒng)的線路較多、復(fù)雜性較高，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)收集系統(tǒng)內(nèi)的電流數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)，低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置先將電流數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為A/D 信號(hào)，然后將信號(hào)處理后發(fā)出跳閘信號(hào)，進(jìn)而發(fā)出動(dòng)作信號(hào)使斷路器分閘并在人機(jī)交互界面平臺(tái)的LED 燈發(fā)出報(bào)警信號(hào)，運(yùn)行人員就使用按鍵把參數(shù)重新設(shè)置，使線路得到保護(hù)進(jìn)而其可靠性得到提升。

圖2 低壓饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置使用環(huán)境

電流速斷保護(hù)是饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置重要的保護(hù)措施，電流速斷保護(hù)的電流動(dòng)作值小于或等于饋線開(kāi)關(guān)的大電流跳閘動(dòng)作值。電流速斷保護(hù)裝置既能保護(hù)截面近端和中距離的金屬短路故障，又能保護(hù)被測(cè)電流。若測(cè)量到的電流大于設(shè)定值，則開(kāi)始計(jì)時(shí)。若時(shí)間超過(guò)設(shè)置的值，將出現(xiàn)一個(gè)告警指令。保護(hù)跳閘特性曲線如圖3所示。

圖3 保護(hù)跳閘特性曲線

雙邊聯(lián)合跳閘保護(hù)主要是通過(guò)同線路的供電斷路器聯(lián)鎖進(jìn)行，以保證故障線路的安全可靠。在饋線保護(hù)過(guò)程中，信號(hào)連接采用硬接線。硬接線可根據(jù)保護(hù)裝置的工作模式發(fā)出脈沖信號(hào)。信號(hào)通過(guò)安裝在各工位接口柜內(nèi)的連接跳線的發(fā)送端模塊及相應(yīng)的跳線模塊完成信號(hào)的發(fā)送和接收工作。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，相鄰的兩個(gè)牽引變電所可同時(shí)向牽引網(wǎng)內(nèi)同一供電區(qū)雙向供電。這樣，一旦發(fā)生回路或故障，離故障點(diǎn)較近的饋線開(kāi)關(guān)的大電流跳閘保護(hù)或DDL 保護(hù)首先起作用，并向站場(chǎng)的聯(lián)合跳閘裝置發(fā)送跳閘信號(hào)。同時(shí)，該聯(lián)合跳線電纜可用于向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合跳閘裝置發(fā)送饋線開(kāi)關(guān)跳閘信號(hào)。

若整流單元和開(kāi)關(guān)柜間的電源線發(fā)生故障，為防止外界干擾將故障電流回流到故障部位，需設(shè)置反向電流保護(hù)，反向電流保護(hù)的主要特點(diǎn)是需測(cè)量電流的大小和方向，并在完成采集工作后將信號(hào)發(fā)送到保護(hù)裝置。保護(hù)裝置可通過(guò)設(shè)定的反向電流值和時(shí)間來(lái)判斷是否存在反向電流保護(hù)，從而跳閘開(kāi)關(guān)?？蚣鼙Ｗo(hù)是一種饋線保護(hù)較特殊，一般包括幀電流保護(hù)和幀電壓保護(hù)。框電流保護(hù)主要通過(guò)防止接地與直流開(kāi)關(guān)絕緣框間的漏電流來(lái)達(dá)到保護(hù)的目的。在保護(hù)過(guò)程中，需用分路器和變送器來(lái)測(cè)量電流值。另外，還需將采集到的電流值發(fā)送給保護(hù)裝置。若采集到的電流值大于保護(hù)裝置設(shè)置的保護(hù)值，則可確定幀電流保護(hù)已發(fā)生。機(jī)架電壓保護(hù)的主要作用是防止設(shè)備外殼電位差大于安全允許電位差，為人身安全提供可靠的保護(hù)。機(jī)架電壓保護(hù)主要是測(cè)量直流開(kāi)關(guān)柜的負(fù)回母線與外殼間的電位差，并發(fā)送測(cè)量到的保護(hù)裝置的電位差。若測(cè)量的電位差大于保護(hù)裝置設(shè)定的保護(hù)設(shè)定值，則可確定幀電壓保護(hù)。框架保護(hù)運(yùn)行會(huì)引起設(shè)備的大規(guī)模停電。這種保護(hù)具有較高的偶然性和較高的靈敏度。

DDL 保護(hù)是饋電開(kāi)關(guān)的保護(hù)裝置的主要保護(hù)。該保護(hù)措施克服了獨(dú)立保護(hù)因干擾而誤操作的問(wèn)題，也可彌補(bǔ)保護(hù)動(dòng)作的不足。DDL 保護(hù)主要包括DDL+ΔI保護(hù)和DDL+ΔT保護(hù)。這兩種保護(hù)措施的激活需一個(gè)預(yù)定的電流上升速率。啟動(dòng)饋線保護(hù)后，兩種類型的保護(hù)將進(jìn)入各自的延遲階段，并相互獨(dú)立。當(dāng)任何保護(hù)首先達(dá)到保護(hù)動(dòng)作條件時(shí)，即可啟動(dòng)保護(hù)。在DDL+ΔI保護(hù)過(guò)程中，保護(hù)裝置測(cè)量并分析電流上升的變化。當(dāng)變化大于該參數(shù)設(shè)置的最大值時(shí)，事件T大于最大值，將出現(xiàn)跳閘信號(hào)。若當(dāng)前變化率小于保護(hù)出口激活前當(dāng)前上升速率的返回值，則整體保護(hù)復(fù)位。當(dāng)DDL+ΔT保護(hù)運(yùn)行時(shí)，ΔT的測(cè)量值大于最高參數(shù)值，跳閘信號(hào)被激活。當(dāng)DDL+ΔT保護(hù)動(dòng)作開(kāi)始時(shí)，若在保護(hù)出口動(dòng)作前檢測(cè)到電流變化率，且電流變化率小于ΔI，則整個(gè)保護(hù)將返回。

2.2 硬件框架

饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置主要通過(guò)控制斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)保護(hù)。饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置硬件主要由電源模塊、輔助模塊、永磁操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)和儲(chǔ)能電容充電模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊等構(gòu)成。饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置硬件框架如圖4所示。

20世紀(jì)末，隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展、計(jì)算機(jī)新技術(shù)（Web技術(shù)、Java技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等）的出現(xiàn)，圖書(shū)館集成管理系統(tǒng)的架構(gòu)發(fā)生了變化，開(kāi)始使用客戶端/服務(wù)器計(jì)算模型［7］，并模塊化地集成各類圖書(shū)館業(yè)務(wù)功能，允許用戶通過(guò)OPAC、基于Web的在線門(mén)戶網(wǎng)站等使用圖書(shū)館的服務(wù)［8］。 Aleph 500、Horizon、Voyager、Millennium、U-nicorn等知名圖書(shū)館集成管理系統(tǒng)的雛形在這一時(shí)期形成，并于隨后的十年間逐漸成熟。

圖4 饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置硬件框架

（1）電源模塊。該模塊為饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置提供運(yùn)行能量，通過(guò)銅柱對(duì)其固定，采用分離式設(shè)計(jì)減少電源模塊對(duì)主板電路的影響。

（2）輔助功能模塊。該模塊為饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置提供輔助功能，如溫度調(diào)整模塊、可視化模塊、存儲(chǔ)模塊等。

（3）儲(chǔ)能電容充電和永磁操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊主要功能是在系統(tǒng)遭受故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

（4）I/O 模塊。該模塊為饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置提供數(shù)據(jù)的輸入和輸出，主要由電流、電壓、有功、無(wú)功等構(gòu)成，并利用采集的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定。

（5）通信模塊。該模塊為饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置提供通信通道，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信功能。

（6）人機(jī)接口模塊。該模塊為饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置提供人機(jī)交互界面和操作按鈕。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的軟件單元設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮適用性、簡(jiǎn)單性、一致性、可擴(kuò)展性等原則，軟件主要包括數(shù)據(jù)處理模型、保護(hù)裝置主程序、人機(jī)交互界面、故障判定程序等。

2.3.1 主程序

保護(hù)裝置主程序是軟件的主要框架，其主要是為實(shí)現(xiàn)參數(shù)原始變量的賦值及元件的初始化，其實(shí)施流程如圖5所示。

圖5 程序執(zhí)行流程

2.3.2 故障保護(hù)功能程序設(shè)計(jì)

圖6和圖7分別為漏電故障的保護(hù)程序和系統(tǒng)電壓的參數(shù)故障保護(hù)程序。

圖6 漏電處理流程

圖7 參數(shù)故障處理流程

當(dāng)線路發(fā)生故障和跳閘后，可使用自動(dòng)重合閘功能來(lái)快速恢復(fù)線路的電力。需根據(jù)以下故障類型合理選擇線路重合閘保護(hù)。

（1）若是暫態(tài)故障，會(huì)自動(dòng)重疊，保證系統(tǒng)能恢復(fù)正常供電。

（2）若是永久性故障，將直接鎖定并關(guān)閉，直到人工修復(fù)為止。為防止故障線路被重新合閘，需在合閘前進(jìn)行線路測(cè)試，有效檢查線路是否故障。若線路測(cè)試通過(guò)，可重合閘，否則需鎖定開(kāi)關(guān)。

2.3.3 通信模塊設(shè)計(jì)

微控制器子系統(tǒng)須持續(xù)監(jiān)控每個(gè)傳感器的狀態(tài)，其須在檢測(cè)到故障時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，通信模塊須在故障后發(fā)送已檢測(cè)到的消息，且發(fā)出警報(bào)。另一方面，系統(tǒng)管理界面負(fù)責(zé)管理設(shè)備信息。作為國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)總線，控制器局域網(wǎng)絡(luò)是國(guó)際上最常用的通信總線之一，支持多節(jié)點(diǎn)通信，并將數(shù)據(jù)幀分為5類?？刂破骶钟蚓W(wǎng)絡(luò)具有較多的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)信息的可靠共享，與其他通信總線相比線束數(shù)量較少。

3 系統(tǒng)抗干擾措施

在礦井生產(chǎn)時(shí)震動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)及設(shè)備故障等干擾都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，為確保其具備較強(qiáng)的抗干擾性能，系統(tǒng)的抗干擾措施如下。

（1）分層布線隔離措施。將電源模塊、敏感電路、控制器等易受干擾的部分進(jìn)行分層隔離布置，減少敏感電磁對(duì)控制器的影響。

（2）冗余原則。在印刷電路的布線設(shè)計(jì)時(shí)要合理的布局走線，并確保各個(gè)元件所承受的力有一定的冗余數(shù)值。

（3）設(shè)計(jì)升級(jí)。減少芯片并聯(lián)的情況，利用芯片并聯(lián)的方式提升運(yùn)行穩(wěn)定性并減少脈沖電壓對(duì)芯片的影響。

（4）提升二極管的使用率。利用二極管的可靠性可避免因電壓升高造成的轉(zhuǎn)換器損傷。在發(fā)生故障時(shí)故障電流路徑應(yīng)用于其電路中，反向二極管將直接饋入故障直到輸入交流斷路器跳閘。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為保證礦井低壓供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在礦鴻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用ARM 芯片進(jìn)行饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。在研究過(guò)程中，根據(jù)礦井低壓供電系統(tǒng)的具體運(yùn)行方式，先后開(kāi)發(fā)了關(guān)于饋電開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置的軟硬件設(shè)計(jì)，采取科學(xué)合理的饋線保護(hù)措施，保證礦井低壓供電系統(tǒng)的安全可靠，從而提高礦井低壓供電系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和智能化水平。