韵 凯

（西山煤电集团公司 机电处，山西 太原030053）

截止2014年底，山西全省装机容量6306万千瓦。其中，风电、光伏等新能源发电机组装机容量498万千瓦，占全省装机容量的7.9%。省内电网形成了以500kV“两纵四横”为骨干网架，220kV分大同、忻朔、中部、南部四大供电区域，110kV和35kV及以下电压等级辐射供电的网络格局。外送通道方面，形成了以1000kV特高压为核心，6个通道、13回线路的外送格局，输电能力约2000万千瓦。自2014年以来，为完善配电网运行，使其符合现行的煤矿用电需求，对110kV及以下配电网投入建设投资超过30亿元。配电网运行质量直接关乎到煤矿用电，该煤矿配电网一改原有的“通电”目标，针对网架基础薄弱的问题进行了改造，继电保护装置对配电网的安全稳定运行意义犹为突出。为了确保配电网能够稳定运行，在煤矿电力系统规模化发展的同时，采用微机继电保护装置对电网的安全实施保护，为煤矿配电网安全运行提供保障。

1 煤矿应按照供电系统设计要求配置继电保护

近些年来，由于煤矿的配电网运行属于粗放型，导致网架基础薄弱。其中的重要问题是配电网设计在多年的煤矿企业发展中都没有改变，存在严重的过载问题，特别是低压问题严重。从煤矿配电网的架构来看，主要是由架空线路、电缆、配电变压器、无功补偿电容以及附属设备组成。由于配电布点不足，导致电能质量无法满足煤矿用电需求，说明煤矿配电网配置继电保护器已经不符合煤矿供电系统的设计要求。

在进行继电保护装置选择的时候，要根据变压器的容量选择，通常容量低于400kVA安的配电变压器，选择高压熔断器保护装置；容量介于400kVA至630kVA的配电变压器，安装过电流保护装置。但如果过流保护时限超出了规定范围，就要安装电流速断保护装置。又如在煤矿车间内所使用的浸没式配电变压器，还需要安装瓦斯保护〔2〕。

由于煤矿配电网的分段母线不是并列运行的，就需要安装电流速断保护装置。但受到电流速断保护装置设计的限制，要根据配电网需要重新设计，即只有在断路器合闸的瞬间动作，当合闸后，保护就会自动解除。为了确保电流稳定，还要在分段母线上安装过电流保护。配电网的负荷较低，分段母线上就不需要安装保护装置。

2 继电保护装置对煤矿配电网故障发挥的作用

据西山煤电的统计资料显示，2014年至2015年煤矿配电网发生故障的原因，超过一半以上都是由于短路所引起的，诸如绝缘损坏、配电网检修后，没有将接地线及时拆除就送电等等，甚至一次配电网短路故障导致整个电力系统运行事故，部分电气设备损坏，造成了严重的后果。由于当时采取了应急措施，仅仅使正常供电受到了影响而没有导致供电系统瓦解。

为了防止煤矿配电网持续发生故障而影响整个煤矿企业的运行，就需要安装合适的继电保护装置，不仅可以降低故障发生率，还能够确保供电系统正常运行。对于继电保护装置的要求，需要在故障发生时快速动作，且具有较高的灵敏度。在煤矿配电网中，继电保护装置所发挥的作用就是缩小故障影响范围，还要确保动作准确，所以，煤矿配电网所安装的继电保护装置要具有选择性和可靠性〔3〕。

3 煤矿微机继电保护装置的硬件设计

基于上述原因，根据煤矿配电网运行实际，设计了微机继电保护装置。继电保护装置的组成包括数据采集电路、CAN通信接口电路、外部数据扩展电路以及开关量电路等等。

3.1 数据采集电路的设计

继电保护装置根据线路设计，要设计一次测系统电压和电流互感器的界限。电路运行状态通过采集量就可以反映出来，与算法相结合，使继电保护装置的保护功能得以实现。数据采集电路见图1。

图1 数据采集电路

3.2 CAN通信接口电路的设计

CAN通信接口电路的接口芯片负责收发信息，采用高速CAN收发器，可以使CAN通信接口电路具有很强的抗电磁干扰性，而且数据信息传递的速率也会很高，可以达到每秒1Mbit。为了确保CAN通信接口电路的接口能够连接普通的总线接口，电路接口芯片设计有异步串行口，以保证CAN通信接口电路实现局域网通讯。CAN通信接口电路见图2。

图2 CAN通信接口电路

3.3 外部数据扩展电路的设计

外部数据扩展电路的主要作用是增强电路功能。外部存储器扩展RAM电路，芯片选用256KB×16位，当系统由内置18KB RAM扩展256KB SARAM，数据访问时间为10纳秒。SARAM的地址范围设定为0x80000－0B107FFF。

3.4 开关量电路的设计

开关量输入电路所包括的内容中，有外部端子开入量和总线开入量。为了提高配电网抗磁场干扰能力和运行的可靠性，当开入量即将进入到弱点系统，就要使用光电隔离芯片隔离，以避免受到外部干扰而引起误动。开关量输入电路见图3。

图3 开关量输入电路

开关量输出电路的设计为并行接口，包括跳闸出口、本地信号和中央信号等等。节点继电器则通过输出口进行控制。此外，还要采用光电器进行信号隔离，以避免受到电磁干扰〔4〕。开关量输出电路见图4。

图4 开关量输出电路

4 系统主程序设计

4.1 主程序

当继电保护复位后，将程序初始化。当系统处于运行状态时，对系统的各个器件自检。当检查过程出现故障，就会启动报警系统。当主程序进入到数据处理环节，就要对新生成的数据进行判断。当数据长度达到一个周波，就需要采用FFT算法将煤矿配电网各项参数计算出来，诸如配电网的幅值、相角以及有效值等等，与继电保护整定值比较，据此对配电网的运行状况做出判断。当判断有故障存在，且在规定时域内故障仍然没有消除时，就会发出报警〔5〕。

对配电网运行状况进行判断，如果配电网运行正常，可以继续采样，否则，系统就会跳闸，同时判断是否为误动作。在进行误动作判断的过程中，系统会继续采样。如果判断故障为真实，误动作保护就会发出控制信号，对采样数据进行分析，发出故障报告。

4.2 中断子程序

当系统的主程序初始化之后，开始启动数据采集系统。定时器负责采集周期内持续发出的采用脉冲，同时还向数字信号处理器发出中断的请求。数字信号处理器则开始执行中断服务程序。

4.3 故障处理程序

故障处理程序用于检查配电网运行过程中程序入口是否有错误的数据出现。如果计算数据出现错误，就会发出警报。之后，进入到手动合闸检查的环节。进行手动合闸的时候，先对存在相位差的电容和电流进行合闸，然后根据元件启动情况判断故障，故障原因报告发出后。在判断故障的过程中，如果故障量消失，则保护返回〔6〕。

5 结语

综上所述，煤矿供电系统是煤矿运行的主要动力来源。鉴于西山煤电配电网在近两年来的运行中故障频发，本文从配电网故障的角度进行分析，提出继电保护的选择性问题，并制定出微机继电保护设计方案，使继电保护装置能够确保煤矿配电网运行稳定。

〔1〕高加传.煤矿供电系统继电保护装置改进措施〔J〕.中国新技术新产品，2011（02）：203－204.

〔2〕尹海彪，桂 峰.基于CAN总线的微机继电保护系统〔J〕.通信电源技术，2012.29（03）：50－51.

〔3〕杨奇逊，黄少锋.微机型继电保护基础〔M〕.北京：中国电力出版社，2012：98－104.

〔4〕范 征，王大伟，李海洪.煤矿配电网微机继电保护装置设计与分析〔J〕.煤矿机电，2014（02）：13－19.

〔5〕王彦文，高 彦.煤矿供电技术〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，2013：106－109.

〔6〕李美英.6kV煤矿配电系统保护防越级跳闸的探讨〔J〕.山东煤炭科技，2012（02）：162－164.