摘要：在分析國內(nèi)漏電保護裝置現(xiàn)存問題的基礎(chǔ)上，提出了一種基于群體比幅比相和零序電流幅值法原理綜合利用，可以智能實現(xiàn)漏電保護的橫向、縱向選擇性的礦井低壓電網(wǎng)集中選擇性漏電保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)以32位DSP處理器為核心，重點討論該系統(tǒng)的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計。經(jīng)現(xiàn)場運行實現(xiàn)了漏電保護的快速性、選擇性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：群體比幅比相；零序電流；漏電保護；集中選擇性；低壓電網(wǎng)

1概述

煤礦井下空間狹窄、潮濕、依賴強迫通風(fēng)、空氣中含有瓦斯與煤塵等爆炸性混合物，環(huán)境條件和生產(chǎn)條件十分惡劣。供電使用的電纜懸掛敷設(shè)，電纜線路經(jīng)常發(fā)生單相漏電或單相接地故障，會引起井下電氣火災(zāi)、瓦斯煤塵爆炸、電雷管提前引爆以及人身觸電等重大事故。為確保人身安全，減少因漏電引起的瓦斯、煤塵爆炸的危險性，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，在煤礦井下低壓電網(wǎng)中必須裝設(shè)漏電或選擇性漏電保護裝置。

目前我國煤礦井下低壓選擇性漏電保護系統(tǒng)多由兩級漏電保護裝置組成，各分支線路的橫向選擇性漏電保護裝置大多采用零序電流保護或零序功率方向型保護原理，上一級漏電保護裝置多采用零序電壓保護原理或附加直流電源的保護原理，上、下級漏電保護裝置之間的縱向選擇性主要靠延時時間差的原則來解決。實踐中，此保護系統(tǒng)存在下列不足：首先由于上級選擇性漏電保護裝置動作存在延時，使靠近供電電源的選擇性漏電保護裝置的動作時間較長，在該保護范圍內(nèi)人身觸電的危險性就較大；其次由于各廠家在選擇性漏電保護實現(xiàn)上存在保護原理及判據(jù)不統(tǒng)一，容易導(dǎo)致因配合不當(dāng)造成拒動、誤動和越級跳閘現(xiàn)象；另外饋電開關(guān)本身實現(xiàn)的選擇性漏電保護除各自保護原理存在的缺陷外，電纜長度、分支多少、零序互感器等諸多因素限制了定值的合理整定。為了解決以上矛盾和問題，北京和利時自動化驅(qū)動技術(shù)有限公司綜合利用基于零序電流群體比幅比相的礦井低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護新方案和零序電流幅值法原理的基礎(chǔ)上研究開發(fā)了一種SmartNetKYLD-A智能低壓集中選擇性漏電保護測控裝置（以下簡稱KYLD-A）。

2適用范圍

KYLD-A是專門為煤礦環(huán)境設(shè)計的集母線單相漏電、饋出線各支路單相漏電、三相對稱分散性漏電監(jiān)選及數(shù)據(jù)通信功能于一體的礦用綜合保護裝置。KYLD-A采用了先進的32位數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，吸收并借鑒了地面電站綜合自動化裝置成熟的軟硬件技術(shù)，是實現(xiàn)煤礦井下電力自動化監(jiān)控最理想的終端設(shè)備。

KYLD-A主要用于380V、660V、1140V中性點不接地的煤礦低壓電網(wǎng)，適用于煤礦井下及選煤廠等有零序電抗器補償?shù)牡蛪弘娋W(wǎng)場所。KYLD-A能完成故障的定性和故障定位，在發(fā)生電網(wǎng)單相漏電時，能快速計算、分析、選擇出故障支路并迅速跳開故障支路，最大限度地保證設(shè)備和人員的安全。KYLD-A避免了礦用隔爆型真空饋電開關(guān)在發(fā)生漏電時的各兄弟支路的無序判別，有力地保障了供電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。

3裝置特點

先進的硬件平臺：采用32位150MHz主頻的數(shù)字信號處理器（DSP）和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)芯片，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，使KYLD-A具有高速度、高集成度和高系統(tǒng)性能；

優(yōu)異的軟件平臺：采用模塊化設(shè)計理念，可根據(jù)現(xiàn)場需求增減功能模塊，配置靈活，滿足用戶的不同需求；

高采樣精度：采用高速采樣、平滑濾波采樣的方式，每周波24點的采樣密度以及頻率跟蹤技術(shù)，使KYLD-A的采樣精度高、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和保護功能可靠；

優(yōu)異的抗干擾性能：硬件設(shè)計充分考慮保護裝置的抗干擾能力，所有接口均經(jīng)過隔離，可廣泛應(yīng)用于各種運行工況惡劣的場合；

選線準(zhǔn)確：KYLD-A實時采集系統(tǒng)故障信號，應(yīng)用多種選線方法進行綜合選線。各種選線方法將有效范圍技術(shù)及連續(xù)選線技術(shù)有機地集成為充分判據(jù)，并與多種數(shù)據(jù)處理算法和各種選線方法融為一體。根據(jù)各種復(fù)雜的接地故障類型和測量信號，從微弱的信號中準(zhǔn)確提取出有用信息，使得每種方法都針對各自信號的具體特點，不同方法之間增加互補性，大大的提高了綜合選線的準(zhǔn)確性。

友好的人機界面：采用240×128點陣的圖形液晶顯示器，配合菜單式人機交互界面，操作直觀簡便。運行時實時顯示各支路開關(guān)的狀態(tài)圖、顯示當(dāng)前時間、絕緣電阻、故障信息等，圖文并茂，顯示內(nèi)容極為豐富；

良好的“記憶”功能：KYLD-A不但能記憶保存每次調(diào)整的各項保護功能參數(shù)，而且還能記憶故障信息，可記錄最多100次的詳細故障（包括故障時間、故障類型、故障參數(shù)等），可以通過菜單調(diào)出來顯示。方便維護；

智能的網(wǎng)絡(luò)功能：RS-485數(shù)據(jù)通信接口與監(jiān)控系統(tǒng)連接，通過后臺也能進行定值調(diào)整、保護試驗、信息查詢等功能。標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU通訊協(xié)議，方便接入不同廠家的后臺系統(tǒng)。能遠程進行程序的下載及更新，不需要打開KYLD-A，方便維護和產(chǎn)品管理升級；

實用的輔助功能：通過實時顯示絕緣電阻值，方便用戶了解電纜絕緣下降程度，及時發(fā)現(xiàn)并排除漏電隱患，保證人員的安全；具有遠程分合閘功能，高級用戶可通過網(wǎng)絡(luò)進行配電裝置的分合閘以及網(wǎng)絡(luò)故障試驗，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對開關(guān)的控制；

4保護方案的工作原理

分支線路數(shù)量大于2條時，利用基于零序電流群體比幅比相保護原理；

此種方法為多重判據(jù)，多重判據(jù)即為用二種及以上原理為判據(jù)，增加可靠性和抗干擾性能力，減少受系統(tǒng)運行方式、長短線、接地電阻的影響。采用幅值法與相位法相結(jié)合，先用“最大值”原理從線路中選出三條及以上的零序電流I0最大的線路，然后用“功率方向原理從選出的線路中查找零序電流I0滯后零序電壓U0的線路，從而選出故障線路。該方案稱為3C方案，因排隊后去掉了幅值小的電流，在一定程度上避免了時針效應(yīng)，另外排隊也避免了設(shè)定值，具有設(shè)定值隨動的“水漲船高”的優(yōu)點。它既可以避免單一判據(jù)帶來的局限性，也可以相對縮短選線的時間，是較理想的方式。

分開關(guān)保護方案：先判斷該支路互感器電流幅值是否處于所有互感器電流幅值最大的前３個之列；若是，再判斷該支路互感器電流與幅值最大的前３個中另２個互感器電流之間實部之積與虛部之積的和是否均小于零；若是，則可以判斷單相漏電必定發(fā)生在該支路上，該支路分開關(guān)進行漏電保護動作。

總開關(guān)保護方案：首先選取所有互感器電流幅值最大的前３個，其次判斷這３個電流之中任意２個電流之間實部之積與虛部之積的和。①若其中一個支路互感器電流與另外２個電流之間實部之積與虛部之積的和均小于零，則可以判斷單相漏電必定發(fā)生在該條支路上，該支路分開關(guān)進行漏電保護動作。②若任意２個電流之間實部之積與虛部之積的和均大于零，則可以判斷單相漏電必定發(fā)生在干線上，總開關(guān)進行漏電保護動作。

分支線路數(shù)量為2條時，利用零序電流幅值法保護原理。

這是利用故障線路零序電流比非故障線路零序電流大的特點來選擇故障線路的方法。采集并比較接地母線上所有出線零序電流，幅值最大的選為故障線路，不需設(shè)定門檻值，因此，有較高的可靠性和檢測靈敏度。

5保護系統(tǒng)基本組成

KYLD-A分為兩個部分（見圖1）：集中選擇性漏電保護測控裝置本體（下位機）和液晶顯示器（人機交互系統(tǒng)），兩者通過一根4芯的電纜連接。由于整個漏電保護系統(tǒng)要監(jiān)控的支路較多，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量較大。為了提高數(shù)據(jù)處理能力，縮短保護的動作時間，選用32位DSP(數(shù)字信號處理器)作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心。

                                                                                 圖1：KYLD-A原理圖

(1)下位機系統(tǒng)。下位機系統(tǒng)主要由DSP運算處理板和繼電器輸出板組成。DSP運算處理板前端信號調(diào)理放大部分負責(zé)將采集的模擬信號（零序電流互感器和零序電壓濾序器輸出的電流信號和電壓信號）調(diào)理放大為適于DSP處理的模擬電壓信號。DSP運算處理板信號運算處理部分是整個系統(tǒng)的核心，是以TMS320F2812DSP芯片為核心的智能化處理單元，主要負責(zé)對調(diào)理放大部分傳來的模擬電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行運算處理，對當(dāng)前狀態(tài)進行判斷等操作，以控制繼電器板，并通過RS485接口將數(shù)據(jù)傳送給顯示面板，實現(xiàn)人機對話，方便查找和排除故障。由于支路數(shù)比較多，DI、DO數(shù)量豐富，CPLD的設(shè)計引入具有編程靈活、集成度高、設(shè)計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設(shè)計制造成本低的特點。絕緣電阻計算采用V/F電路，主芯片選用CMOS型低功耗單通道單終端同步電壓頻率轉(zhuǎn)換芯片AD7740，它是一種低成本的超小型同步電壓頻率轉(zhuǎn)換芯片（VFC），該芯片的工作電壓范圍是3.0～3.6或者4.75～5.25V；工作電流為0.9mA。工作范圍寬，對外部元件要求小，輸出頻率準(zhǔn)確，無須調(diào)整或校準(zhǔn)。板上有2個異步串行通信RS232／485口，1個用于和MMI通信，1個用于和后臺通信。下位機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繼電器輸出含12個繼電器，控制總開關(guān)及其支路接觸器和斷路器的吸合。

(2)人機交互系統(tǒng)。人機交互系統(tǒng)由CPU、一塊液晶顯示屏、按鍵、指示燈及RS-485通訊模塊組成。

CPU選用FLASH60K、RAM32K的抗干擾性能強的1個時鐘/機器周期的8051單片機STC11F60XE。

液晶選用240*128不帶字庫的點陣液晶，可顯示16*16點陣漢字為8行15列。

操作按鍵配置6鍵，分別為上、下、左、右、確認和返回鍵。

4個指示燈，分別為運行（綠）、通訊（黃）、動作（紅）告警（紅）。

運行：綠色，閃爍正常，其它非正常。

通訊：黃色，閃爍有通訊，其它無通訊。

動作：保護元件動作時亮，故障確認或恢復(fù)后滅。

告警：產(chǎn)生告警信號時亮，告警消失時滅。

6下位機軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

下位機軟件的設(shè)計主要就是DSP編程，主程序流程如圖2，主要分為初始化程序、中斷程序兩大部分。初始化程序是設(shè)定DSP芯片工作狀態(tài)的重要步驟，只有正確進行DSP芯片的初始化，才能保證芯片的正確運行。中斷程序分為AD采樣中斷程序、定時器中斷程序（流程如圖3）、串口1收發(fā)中斷程序和串口2收發(fā)中斷程序。其中定時器中斷程序包含數(shù)據(jù)計算及保護判別程序，當(dāng)發(fā)生故障時，觸發(fā)繼電器動作。在編程上采用匯編語言與C語言相結(jié)合的混合編程的方法，最大限度地利用DSP芯片的運算源。

                                                                                  圖2：主程序流程

                                                                       圖3：定時器中斷流程

7抗干擾措施

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)的多個領(lǐng)域，電子設(shè)備在煤礦井下必然導(dǎo)致在其周圍產(chǎn)生的電磁場電平不斷增加，造成井下電磁干擾問題，如果電磁干擾問題解決不好就會造成系統(tǒng)間互相干擾，影響設(shè)備正常工作，對煤礦的安全生產(chǎn)也構(gòu)成極大威脅。干擾源分為大功率設(shè)備、電力線路、電力電子系統(tǒng)、牽引網(wǎng)絡(luò)和電機車、靜電放電、高頻無線發(fā)射裝置等。針對上述干擾源，本系統(tǒng)采用了相應(yīng)的抗干擾措施：主要從電源系統(tǒng)抗干擾、空間電磁波輻射抗干擾和過程通道抗干擾三個方面來考慮。電源系統(tǒng)抗干擾采用由隔離變壓器、低通濾波器、分散獨立功能模塊供電組成的系統(tǒng)保護措施；在電源和信號輸入回路中，設(shè)計了低通濾波器以消除周期性干擾；空間電磁輻射抗干擾主要是地線設(shè)計和系統(tǒng)屏蔽設(shè)計，模擬地與數(shù)字地分開等措施以消除電磁干擾；過程通道抗干擾采用了光電藕合隔離措施。

在軟件設(shè)計中，采用了雙循環(huán)去極值數(shù)字濾波技術(shù)以消除系統(tǒng)中的隨機干擾。此外，還設(shè)計了軟硬件相結(jié)合的“看門狗”電路，以提高系統(tǒng)工作的可靠性。

8結(jié)語

SmartNetKYLD-A智能低壓集中選擇性漏電保護測控裝置，在某開關(guān)廠已通過1個總開關(guān)和6路分開關(guān)帶載和不帶載、延長線纜、增減電容等選線試驗，成功選線100%，而且能連續(xù)選線，受到用戶好評。先進性的保護算法，智能型的判別，集中選擇的理念，很好地實現(xiàn)了電網(wǎng)橫向選擇性漏電保護和縱向漏電保護。針對各種干擾源，采用了一系列抗干擾措施，顯著提高了系統(tǒng)工作的可靠性。該系統(tǒng)以DSP為中央處理單元，不僅增強了保護的靈活性和快速性，而且建立了良好的人機交互界面，提高了維護人員判斷故障和排除故障的效率。現(xiàn)場試運行的良好效果證明，該系統(tǒng)不僅可靠、快速實現(xiàn)了選擇性漏電保護，而且填補了煤礦井下變壓器中性點不接地供電系統(tǒng)選擇性漏電保護的技術(shù)空白，解決了煤礦井下作業(yè)的人身觸電安全問題，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻:

[1]高彥，王念彬，王彥文等.基于零序功率方向選擇性漏電保護系統(tǒng)的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005(11):43-45.

[2]王彥文，劉文軍，高彥，王念彬，邱遠軍等.基于零序電流群體比幅比相的選擇性漏電保護新方案[J].煤炭學(xué)報,2010(3):515-519.

[3]傅桂興，付英，張文生，韓傳亮，李領(lǐng)等.礦井低壓電網(wǎng)單相漏電選擇性保護方法與裝置的研究[J].電力設(shè)備,2007,11(8):18-21.

[4]龍飛,王彥文,劉國鋒,高彥,閆宇鵬等.井下中央變電所低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護系統(tǒng)研究[J].煤礦機電,2008(3):19-21.

[5]郭鳳儀,孫士宏,李春光,張國軍等.基于零序有功功率方向原理的選擇性漏電保護裝置研究[J].第18屆全國煤礦自動化與信息化學(xué)術(shù)會議論文集:211-216.

[6]牟龍華,孟慶海,胡天祿等.基于故障分量有功功率的選擇性漏電保護

[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002(7):380-383.