基于PLC 的煤矿馈电开关保护系统的设计研究

何露露

（潞安集团潞宁孟家窑煤业有限公司， 山西 宁武 036700）

引言

随着国家对煤矿资源的大量开采，井下用电需求量也逐渐增多，由此导致了井下的电网越来越复杂。而由于井下环境相对复杂，导致井下电网在运行中经常出现线路短路、断路、过压、欠压等故障现象，严重影响着井下的作业安全，这对井下电网的安全性、可靠性提出了更高要求[1]。煤矿低压馈电开关作为井下电网中的重要设备，保证其设备中的保护系统具有更高的控制性能，也成为井下电网运行安全的关键[2]。目前，国内虽有学者对馈电开关保护系统进行了设计研究，系统在运行时仍时常出现短路、漏电、过压等故障现象，不断对井下馈电开关保护系统进行优化升级具有重要的现实意义。因此，在满足依据《煤矿安全规程》要求基础上，提出了保护系统设计的基本要求，开展了馈电开关保护系统的方案设计要求，并将其与KBZ-400 型馈电开关进行了现场应用测试，验证了该系统的可行性及可靠性，这对提高馈电开关的保护功能及井下作业安全具有重要作用。

1 低压馈电开关保护系统的基本要求

矿用馈电开关仅作为电路中的总开关，可有效避免因井下煤尘、瓦斯浓度过大而引起的安全事故，而馈电开关中的保护系统则能对井下电网运行状态进行实时监控。为及时、准确地对井下电网运行状态进行监控，依据《煤矿安全规程》要求，在低压馈电开关保护系统设计过程中提出了如下几点要求：

1）功能全面。低压馈电保护系统应能对井下电网的电流、电压等信号进行实时采集及监测，并对电网中出现的过压、欠压、过流、短路、漏电、瓦斯浓度过高等故障现象做出相应的故障报警提示，各项检测功能及故障保护功能全面[3]。

2）执行速度快。所设计的保护系统需采用当前更加先进的控制系统进行设计，并保证其具有较快的信号传输速度，针对发生的故障问题，系统能及时、快速地将故障信息进行传输和显示，以便人员能快速做出故障保护操作，以此最大程度地降低井下电路的损坏程度。

3）故障判断准确。针对井下电网中出现的各类故障问题，保护系统应及时、准确对故障信息进行采集及判断，并及时分区域性切断故障电网，减小对整个电网的停电切断，降低企业的故障损失[4]。

2 保护系统的设计

2.1 保护系统总体方案的设计

低压馈电开关保护系统主要负责对井下低压供电中线路的过压、欠压、短路、过载、漏电等故障问题进行保护。由此，结合现有煤矿中低压馈电开关保护系统的结构组成，对其保护系统进行了升级设计研究。所设计的保护系统主要由硬件系统和软件系统组成，硬件系统主要由中央控制单元、信号采集单元、人机显示部分、CAN 通讯总线等组成[5]。其中，中央控制器主要通过PLC 进行控制，由CPU 控制单元进行接收信号的分析、判断及处理，PLC 控制器则选用了中达的DVP-SS 系列的PLC 控制器。信号采集单元主要负责对电路中各类信号进行采集、调理，包括电压采样单元、漏电采样单元、负序采样单元、有功功率采样单元、电流采样单元、开关输入单元等，并将采集到的各类信号通过CAN 传输总线传输至PLC 控制器中。人机显示界面主要负责将电路中电压、电流的运行状态通过显示界面进行实时显示，人员可实时有效地对电路进行实时监控，并作出相应的故障应急判断。低压馈电开关保护系统的总体结构框架图如下页图1 所示。

2.2 PLC 控制器的选型设计

根据保护系统的总体结构方案，选用了中达的DVP-SS 系列的PLC 控制器，该控制器的体积相对较小，包含了多种扩展模块和两个独立的通讯模块，可与其他相关通讯设备进行有效兼容，目前已广泛应用至煤矿、民用等领域[6]。由于该PLC 控制器可靠性高、价格低、体积小，满足了馈电开关内部体积不足的安装使用需求。该PLC 中包含1 个主控单元和1 个模拟量扩展模块。其中，主控单元集成了8 个输入和6 个输入接口，D/A、A/D 等模块齐全，可同时与10 个以上的外部模块进行接口通讯，同时，内部的RS-232 通信接口，可较为方便快捷地实现与其他控制系统的通讯连接。而模拟量扩展模块则包括了外部4 点模拟信号输入和4 个模拟信号输出，其输入电压范围为0～12 V DC，输入电流范围为0～25 mA。通过该PLC 控制器，可将接收的各类信号进行信号分析、判断、处理等操作，是整个保护系统的核心部分。

图1 保护系统总体结构框架图

2.3 不对称短路保护电路的设计

井下低压电路运行过程中，时常会出现不对称的电路短路、断路等故障现象，最终影响着电路中电流的大小。由此，在馈电开关保护系统中设计了一套不对称短路保护电路，该电路主要由各类电阻、电容及运算放大器等构成，形成一个三相相加法的电路。当电网发生不对称故障时，通过该短路保护电路，可实现对带有负序电流的故障进行不对称短路保护作用，整个不对称短路保护电路的电路图如图2 所示。

3 保护系统软件系统的设计

3.1 监控主程序的设计

在该保护系统中，监控主程序是整个软件系统中的核心，通过此程序，可对PLC 收集的瓦斯、电路、短路等信号进行合理调用，实现对这些信号的检测、运算及显示，以达到保护井下供电电路的目的。监控主程序性能的优劣，直接影响着馈电开关保护系统运行的可靠性及稳定性，监控主程序的控制流程图如图3 所示。在该控制过程中，首先通过馈电开关进行保护系统的初始化检测，当检测到电路绝缘有问题时，保护系统则执行漏电闭锁保护；同时，当检测到井下的瓦斯浓度过高及风电存在问题时，保护系统也将执行相应的瓦斯闭锁及风电闭锁等操作；最终通过该监控主程序，可有效将电网中的电流、电压、功率等参数进行实时监控及信息显示，当检测到相关故障信息后，能及时将相关故障信息在显示界面中进行显示，经过操作人员层层故障排除后，可较好实现对井下电路的更好保护。

图2 负序信号不对称保护电路图

图3 监控主程序流程图

3.2 保护系统显示界面的设计

结合市场常用软件，针对馈电开关保护系统的显示要求，选用了TPEdit-V1.08 软件，对保护系统的显示界面进行了设计。该显示界面是实现操作人员掌握馈电开关运行状态的重要通道，能将井下电路运行参数及故障情况进行实时显示，并以数字形式进行显示。同时，当井下电路出现故障问题时，人员也能通过此监控界面迅速做出故障判断、排查等操作，并发出相应的声光报警提示，有效避免了无计划的停电操作。数值显示属性设置界面则是该显示系统的组成部分，可通过该显示界面，对PLC 控制器中数值型态、数值长度、整数个数等属性进行设置，以此有效实现对保护系统中相关参数的显示，数值显示属性设置界面如下页图4 所示。

4 保护系统的应用效果

在完成低压馈电开关保护系统设计基础上，为进一步验证此系统的各项性能，将其进行了实际应用验证，主要是将保护系统与KBZ-400 型馈电开关进行了兼容应用，在为期半年的实际应用中，该保护系统各项性能运行正常，运行稳定、可靠，能及时对井下电网中的电压信号、电流、瓦斯浓度等参数进行准确检测，并针对电网中出现的过压、欠压、瓦斯浓度过高、短路等故障问题及时发出声光报警提示，最终通过数值形式将故障信息在显示界面中进行显示。该保护系统与原有馈电开关保护系统相比，信号检测速度更快、信号精度更高，有效提升了对井下电网的保护性能，使井下电网发生故障概率降低了将近30%，按一年计算，可为企业节约将近40 万元的维修费用支出，得到一致好评，由此，验证了该保护系统的可行性。

图4 数值显示属性设置界面

5 结论

将更加先进的控制技术广泛应用到低压馈电开关保护系统中已成为当前保证井下电路运行安全的重要发展方向。由此，在提出保护系统设计要求基础上，开展了馈电开关保护系统的总体方案设计及软件设计，并有针对性地将保护系统进行了实际应用验证。实践结果表明，该保护系统具有更高的稳定性及运行安全性，整体保护效果显著，能更好地对井下电网运行安全进行保护，并能使井下电网的故障发生率降低将近30%，这对提高井下电网运行安全、降低企业经济支出具有重要作用。