作者：张毅
我国煤矿井下由大量6 kV或10 kV电压等级长度较短的电缆多级串联供电，电网成辐射状结构，且井下负荷多集中在综采工作面上，而综采工作面环境相当恶劣。短路失压、电压波动、保护装置干扰、互感器磁饱和故障等都有可能使得故障线路电流整定值超过上级速断保护装置电流整定值，使上级速断保护装置动作造成越级跳闸。越级跳闸问题不仅会造成大面积停电，还会进一步带来瓦斯集聚、设备损坏等严重后果，影响煤矿正常生产。随着智能变电站在煤炭系统中的试验推广，其所具有的网络化数据共享特征给解决越级问题提供了新方法。
1 煤矿智能变电站系统架构
随着信息技术、微机保护与测控技术等先进技术以及IEC61850标准等的实施，变电站数字化应运而生。如图1所示，煤矿数字变电站系统为三层两网结构。站控层是联系控制中心与过程间隔层和过程层的枢纽，可以实现整站设备的信息管理、监视、时钟同步等功能。间隔层可以传输站控层发出的指令，同时接收、处理过程层上传的数据，包含集成保护测量装置、电度测量装置等。过程层包含地面变电站和井下变电站，负责采集电压和电流信号、设备运行数据，并执行控制中心传来的各种命令。两网指的是过程层一间隔层间的SMV、GO()SE、IEEE1588工业以太网通信和间隔层一过程层间的MMS、GOOSE通信。数字光纤通信和全站数据网络共享是智能变电站的两大核心优势。
2 防越级跳闸实现流程
设计防越级系统首先需要明确防越级跳闸的实现流程，主要是如何实现保护装置的可靠动作。井下与地面各级线路开关的保护装置能够自主完成线路故障的判断，并接收防越级主机下发的立即跳闸允许信号或禁止信号，判断是否立即跳闸。保护装置的动作逻辑如图2所示。
3矿用智能保护装置的硬件设计
本文所设计的矿用智能保护装置集保护测控于一体，为了能够实现保护、测量、控制、通信、自检等功能，对矿用智能保护装置进行了硬件设计，其硬件框图如图3所示，主要包括数据采集控制模块、中央处理模块与通信模块3大部分。数据采集控制模块主要采集由传统CT、PT输出的电压、电流信号和开关量，并控制开关分合闸。通信模块采用光纤以太网与集控中心设备进行通信。中央处理模块包含主控芯片CPU、片外存储器、时钟、开关电源、调试接口等，通过对主控CPU下载程序，使中央处理模块完成数据的存储运算处理和对其他两个模块控制等重要工作。
(1)中央处理模块拟采用STM32F417作为主控CPU。STM32F417微处理器集成了FPU和单周期DSP指令，提升了芯片的计算能力。采用多重AHB总线矩阵和多通道DMA，支持数据传输并行处理，提高了数据传输速率。要想使STM32F417 CPU芯片顺利工作起来，在中央处理模块中还要设计晶振、复位、JTAG接口、片外存储、电源、日历时钟等电路。
(2)开关量输入输出控制模块。矿用智能保护装置需要采集智能断路器状态信号、瓦斯信号、风电信号等开关量状态，当煤矿电网发生满足延时时限要求的故障时，STM32F417便会根据保护装置的动作逻辑发出跳闸指令，通过I/O口驱动中间继电器KM，使断路器的失压线圈或励磁线圈回路断开，最终造成断路器失压跳闸或分励跳闸。传统互感器输出数据采集模块，对传统互感器输出的交流信号接人STM32F417中需要经过信号调理与A/D采样。选择相应的元件完成矿用智能保护装置交流信号的调理、采样功能。
(3)矿用智能保护装置的通信模块主要实现与集控中心设备如防越级主机的以太网通信功能。STM32F417将故障信息、开关状态信息按照IEC61850标准规定的报文格式进行组帧，通过对应接口把以太网数据传递给DP83640芯片，再通过光纤收发器，接至集控中心的交换机，把数据传递给集控中心设备包括防越级主机，并且通过此通道STM32F417亦能接收集控中心设备下发的各种数据及命令。
4矿用智能保护装置的软件设计
4.1 主程序设计
当矿用智能保护装置通电或收到复位信号后，STM32F417便进入主程序入口。首先进行软件系统初始化和系统自检，如果正常则进入系统主循环，如果自检有错误则报警。
主循环包含数据采样处理、故障处理和以太网通信。数据采样处理子程序按设定的时间间隔进行电压电流数据A/D采样，并对采样数据进行改进FFT变换等相应计算，得出电压电流中所含基波含量及功率因数等所需参数；然后进入故障处理子程序，对采样数据计算结果进行比较分析与故障处理；之后进入以太网通信子程序，由以太网对采样、分析后的数据进行传输，完成集控中心设备的通信工作。
4.2 数据采样处理子程序设计
采用定时器中断的方法进行每电压电流周期内数据的等间隔采样，每周期采样64个点。每次进行A/D采样后，STM32F417对AD7606芯片转换后的数据均进行读取，并利用DMA把数据直接存放人数据缓冲区中。对采样后的数据不断进行计算处理，采用改进的FFT算法计算出相电压基波有效值、相电流基波有效值和功率因数等参数。
4.3 故障处理子程序
对采样后的数据完成处理计算后，进入故障处理子程序。故障处理子程序又分成电流保护、电压保护、漏电保护和监视线保护4个程序模块，每个模块都具有故障类型判断、故障类型记录、发跳闸命令等功能。
4.4 以太网通信子程序
通过以太网通信子程序，装置能够接收到防越级主机下发的立即跳闸禁止／允许指令、远方遥控命令和保护定值等，同时能够上传故障信息、事件等。以太网通信子程序的编写同样能够利用Lwip（C语言代码）简便快捷地进行程序开发。
5 防越级主机软件设计
位于集控中心的防越级主机采用符合矿用设备的工控机即可，在防越级主机上主要进行防越级软件的开发，与矿用保护装置等结合来定位故障线路。
对防越级跳闸软件进行模块化设计，防越级软件主要包括数据收发转换、故障区段识别、网络拓扑分析和人机界面等部分，如图4所示。网络拓扑分析模块可以考虑与监控后台结合，因为监控后台需要展示系统一次接线图，并实时监控系统的运行状态。同样，人机界面模块亦可考虑与监控后台结合，当有故障发生时，防越级主机通过运行相应的故障诊断算法，确定发生故障的线路后，可在一次接线图上通过不同颜色标识出来。
本系统采用GOOSE的编码格式，防越级软件需要从接收到的GOOSE报文中解析出矿用智能保护装置是否上传了故障信息，并且立即跳闸禁止／允许指令也需要进行编码，然后通过GOOSE报文下发给各矿用智能保护装置。
防越级软件在完成上传故障信息后进入故障区段识别模块，利用故障区段识别矩阵算法得到故障区段定位结果，下发立即跳闸禁止／允许指令，并在人机界面上显示发生故障的线路区段。
6结语
基于智能变电站的防越级跳闸设计方案采用了目前的新技术，能有效解决越级难题，提高煤矿生产用电的安全可靠性，符合社会发展趋势。
7摘要：针对煤矿多发的越级跳闸难题，构筑了基于智能变电站的煤矿防越级跳闸系统。在确定智能变电站结构及防越级跳闸流程的基础上，对矿用智能保护装置硬件进行了整体框架设计，同时设计了矿用智能保护装置与防越级主机系统软件部分。该防越级跳闸系统能够有效解决越级跳闸难题。
