一種基于煤礦智能變電站的防越級跳閘系統(tǒng)
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作者：張毅
我國煤礦井下由大量6 kV或10 kV電壓等級長度較短的電纜多級串聯(lián)供電，電網(wǎng)成輻射狀結(jié)構(gòu)，且井下負(fù)荷多集中在綜采工作面上，而綜采工作面環(huán)境相當(dāng)惡劣。短路失壓、電壓波動、保護(hù)裝置干擾、互感器磁飽和故障等都有可能使得故障線路電流整定值超過上級速斷保護(hù)裝置電流整定值，使上級速斷保護(hù)裝置動作造成越級跳閘。越級跳閘問題不僅會造成大面積停電，還會進(jìn)一步帶來瓦斯集聚、設(shè)備損壞等嚴(yán)重后果，影響煤礦正常生產(chǎn)。隨著智能變電站在煤炭系統(tǒng)中的試驗(yàn)推廣，其所具有的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)共享特征給解決越級問題提供了新方法。
1 煤礦智能變電站系統(tǒng)架構(gòu)
隨著信息技術(shù)、微機(jī)保護(hù)與測控技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)等的實(shí)施，變電站數(shù)字化應(yīng)運(yùn)而生。如圖1所示，煤礦數(shù)字變電站系統(tǒng)為三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。站控層是聯(lián)系控制中心與過程間隔層和過程層的樞紐，可以實(shí)現(xiàn)整站設(shè)備的信息管理、監(jiān)視、時(shí)鐘同步等功能。間隔層可以傳輸站控層發(fā)出的指令，同時(shí)接收、處理過程層上傳的數(shù)據(jù)，包含集成保護(hù)測量裝置、電度測量裝置等。過程層包含地面變電站和井下變電站，負(fù)責(zé)采集電壓和電流信號、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并執(zhí)行控制中心傳來的各種命令。兩網(wǎng)指的是過程層一間隔層間的SMV、GO()SE、IEEE1588工業(yè)以太網(wǎng)通信和間隔層一過程層間的MMS、GOOSE通信。數(shù)字光纖通信和全站數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享是智能變電站的兩大核心優(yōu)勢。
2 防越級跳閘實(shí)現(xiàn)流程
設(shè)計(jì)防越級系統(tǒng)首先需要明確防越級跳閘的實(shí)現(xiàn)流程，主要是如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的可靠動作。井下與地面各級線路開關(guān)的保護(hù)裝置能夠自主完成線路故障的判斷，并接收防越級主機(jī)下發(fā)的立即跳閘允許信號或禁止信號，判斷是否立即跳閘。保護(hù)裝置的動作邏輯如圖2所示。
3礦用智能保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的礦用智能保護(hù)裝置集保護(hù)測控于一體，為了能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)、測量、控制、通信、自檢等功能，對礦用智能保護(hù)裝置進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，其硬件框圖如圖3所示，主要包括數(shù)據(jù)采集控制模塊、中央處理模塊與通信模塊3大部分。數(shù)據(jù)采集控制模塊主要采集由傳統(tǒng)CT、PT輸出的電壓、電流信號和開關(guān)量，并控制開關(guān)分合閘。通信模塊采用光纖以太網(wǎng)與集控中心設(shè)備進(jìn)行通信。中央處理模塊包含主控芯片CPU、片外存儲器、時(shí)鐘、開關(guān)電源、調(diào)試接口等，通過對主控CPU下載程序，使中央處理模塊完成數(shù)據(jù)的存儲運(yùn)算處理和對其他兩個(gè)模塊控制等重要工作。
(1)中央處理模塊擬采用STM32F417作為主控CPU。STM32F417微處理器集成了FPU和單周期DSP指令，提升了芯片的計(jì)算能力。采用多重AHB總線矩陣和多通道DMA，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸并行處理，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。要想使STM32F417 CPU芯片順利工作起來，在中央處理模塊中還要設(shè)計(jì)晶振、復(fù)位、JTAG接口、片外存儲、電源、日歷時(shí)鐘等電路。
(2)開關(guān)量輸入輸出控制模塊。礦用智能保護(hù)裝置需要采集智能斷路器狀態(tài)信號、瓦斯信號、風(fēng)電信號等開關(guān)量狀態(tài)，當(dāng)煤礦電網(wǎng)發(fā)生滿足延時(shí)時(shí)限要求的故障時(shí)，STM32F417便會根據(jù)保護(hù)裝置的動作邏輯發(fā)出跳閘指令，通過I/O口驅(qū)動中間繼電器KM，使斷路器的失壓線圈或勵(lì)磁線圈回路斷開，最終造成斷路器失壓跳閘或分勵(lì)跳閘。傳統(tǒng)互感器輸出數(shù)據(jù)采集模塊，對傳統(tǒng)互感器輸出的交流信號接人STM32F417中需要經(jīng)過信號調(diào)理與A/D采樣。選擇相應(yīng)的元件完成礦用智能保護(hù)裝置交流信號的調(diào)理、采樣功能。
(3)礦用智能保護(hù)裝置的通信模塊主要實(shí)現(xiàn)與集控中心設(shè)備如防越級主機(jī)的以太網(wǎng)通信功能。STM32F417將故障信息、開關(guān)狀態(tài)信息按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的報(bào)文格式進(jìn)行組幀，通過對應(yīng)接口把以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞給DP83640芯片，再通過光纖收發(fā)器，接至集控中心的交換機(jī)，把數(shù)據(jù)傳遞給集控中心設(shè)備包括防越級主機(jī)，并且通過此通道STM32F417亦能接收集控中心設(shè)備下發(fā)的各種數(shù)據(jù)及命令。
4礦用智能保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)
4.1 主程序設(shè)計(jì)
當(dāng)?shù)V用智能保護(hù)裝置通電或收到復(fù)位信號后，STM32F417便進(jìn)入主程序入口。首先進(jìn)行軟件系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)自檢，如果正常則進(jìn)入系統(tǒng)主循環(huán)，如果自檢有錯(cuò)誤則報(bào)警。
主循環(huán)包含數(shù)據(jù)采樣處理、故障處理和以太網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)采樣處理子程序按設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行電壓電流數(shù)據(jù)A/D采樣，并對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)FFT變換等相應(yīng)計(jì)算，得出電壓電流中所含基波含量及功率因數(shù)等所需參數(shù)；然后進(jìn)入故障處理子程序，對采樣數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析與故障處理；之后進(jìn)入以太網(wǎng)通信子程序，由以太網(wǎng)對采樣、分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，完成集控中心設(shè)備的通信工作。
4.2 數(shù)據(jù)采樣處理子程序設(shè)計(jì)
采用定時(shí)器中斷的方法進(jìn)行每電壓電流周期內(nèi)數(shù)據(jù)的等間隔采樣，每周期采樣64個(gè)點(diǎn)。每次進(jìn)行A/D采樣后，STM32F417對AD7606芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)均進(jìn)行讀取，并利用DMA把數(shù)據(jù)直接存放人數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。對采樣后的數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行計(jì)算處理，采用改進(jìn)的FFT算法計(jì)算出相電壓基波有效值、相電流基波有效值和功率因數(shù)等參數(shù)。
4.3 故障處理子程序
對采樣后的數(shù)據(jù)完成處理計(jì)算后，進(jìn)入故障處理子程序。故障處理子程序又分成電流保護(hù)、電壓保護(hù)、漏電保護(hù)和監(jiān)視線保護(hù)4個(gè)程序模塊，每個(gè)模塊都具有故障類型判斷、故障類型記錄、發(fā)跳閘命令等功能。
4.4 以太網(wǎng)通信子程序
通過以太網(wǎng)通信子程序，裝置能夠接收到防越級主機(jī)下發(fā)的立即跳閘禁止／允許指令、遠(yuǎn)方遙控命令和保護(hù)定值等，同時(shí)能夠上傳故障信息、事件等。以太網(wǎng)通信子程序的編寫同樣能夠利用Lwip（C語言代碼）簡便快捷地進(jìn)行程序開發(fā)。
5 防越級主機(jī)軟件設(shè)計(jì)
位于集控中心的防越級主機(jī)采用符合礦用設(shè)備的工控機(jī)即可，在防越級主機(jī)上主要進(jìn)行防越級軟件的開發(fā)，與礦用保護(hù)裝置等結(jié)合來定位故障線路。
對防越級跳閘軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，防越級軟件主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換、故障區(qū)段識別、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊腿藱C(jī)界面等部分，如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治瞿K可以考慮與監(jiān)控后臺結(jié)合，因?yàn)楸O(jiān)控后臺需要展示系統(tǒng)一次接線圖，并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。同樣，人機(jī)界面模塊亦可考慮與監(jiān)控后臺結(jié)合，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，防越級主機(jī)通過運(yùn)行相應(yīng)的故障診斷算法，確定發(fā)生故障的線路后，可在一次接線圖上通過不同顏色標(biāo)識出來。
本系統(tǒng)采用GOOSE的編碼格式，防越級軟件需要從接收到的GOOSE報(bào)文中解析出礦用智能保護(hù)裝置是否上傳了故障信息，并且立即跳閘禁止／允許指令也需要進(jìn)行編碼，然后通過GOOSE報(bào)文下發(fā)給各礦用智能保護(hù)裝置。
防越級軟件在完成上傳故障信息后進(jìn)入故障區(qū)段識別模塊，利用故障區(qū)段識別矩陣算法得到故障區(qū)段定位結(jié)果，下發(fā)立即跳閘禁止／允許指令，并在人機(jī)界面上顯示發(fā)生故障的線路區(qū)段。
6結(jié)語
基于智能變電站的防越級跳閘設(shè)計(jì)方案采用了目前的新技術(shù)，能有效解決越級難題，提高煤礦生產(chǎn)用電的安全可靠性，符合社會發(fā)展趨勢。
7摘要：針對煤礦多發(fā)的越級跳閘難題，構(gòu)筑了基于智能變電站的煤礦防越級跳閘系統(tǒng)。在確定智能變電站結(jié)構(gòu)及防越級跳閘流程的基礎(chǔ)上，對礦用智能保護(hù)裝置硬件進(jìn)行了整體框架設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了礦用智能保護(hù)裝置與防越級主機(jī)系統(tǒng)軟件部分。該防越級跳閘系統(tǒng)能夠有效解決越級跳閘難題。
