基于CAN总线煤矿供电保护系统的研究

摘 要：针对煤矿井下供电出现的“越级跳闸”现象，采用CAN总线通信技术实时双向可通讯功能，实现煤矿井下高压供电网跳闸信息迅速传递，使上位机准确接收来自不同下位机所传递的有关数据，经过分析和判断后，发出不同形式的指令以控制各个下位机，由此选择相应动作，合理安排上下级保护装置选择性跳闸，从而解决井下高压供电系统越级跳闸问题。

关键词：CAN总线；越级跳；供电保护

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 06-0103-01

目前煤矿井下供电出现欠压、漏电、过流、短路等故障，“越级跳闸”现象频发，严重影响了井下煤矿供电的安全性，在一定程度上威胁了井下供电系统的安全性及可靠性。一旦发生越级跳闸事故，会导致大面积停电，进而使设备遭到损害、生产不能正常运行，更对人身安全构成威胁，对矿井的破坏等后果也十分严重。因此，综合考虑煤矿井下电力系统的特点并与已有的速断保护方案相结合，构建一个基于CAN总线的区域选择性连锁防越级跳闸系统显得十分必要。

CAN（Controller Area Network）总线，又称控制器局域网，是德因Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于各种电力施工领域，CAN总线与其它几种现场总线比较而言，是最容易实现、价格最为低廉的一种，但其性能并不比其他现场总线差。这也是目前CAN总线在众多领域被广泛采用的原因。

一、煤炭电力系统的特点

（一）现场总线系统在煤炭电力系统技术上具有以下特点。系统的开放性特点。开发是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系统，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。对煤炭井下现场环境的适应性。作为工厂网络底层的现场总线，是专为煤炭井下供电系统的现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安个防爆要求等。由于自身原因，煤矿作为重要的井下区域变电站，是井下各分采场的枢纽终端，对矿井的生产及其安全性起着不容忽视的作用。目静变电站内设备巡视和操作全部靠人工操作，在地面说进行调度工作的人员对变电站的运行信息完全采用值班员电话传递的方式，因此无法直观、快速的了解和控制变电站的运作情况，特别是当出现掉电事故时就显得更为重要。

（二）煤矿井下供电系统线路的保护原则。为了对煤矿企业供电系统的设计有条理的进行整合，对煤矿井下的高压电缆线路一般会使用继电保护装置，并将其设为无时限电流速断、过电流以及零序保护。当不需要考虑保护配合和过电流保护的时限小于0.5s-0.7s时，则不需要安装电流速断设施进行保护；变电所引出线可以采用瞬时电流速断保护的方法，当未能充分满足其选择性时，则可设置带时限的电流速断保护。对于不是并列运行的分段母线，可配置电流速断保护，但只能是当断路器合闸的时候投入，合闸后将会自动解除；另外还应为其设置过电流保护。若与其配置的是反时限过电流保护，则其瞬时动作部分应解除。

（三）系统的工作有效原理。在不确定是哪段母线上的出线发生短路故障时，则其出线的速断保护装置会向短路闭锁控制器发送标志着速断闭锁的信号；短路闭锁控制器接收分开关的速断闭锁信号，为了防止总开关越级跳闸，应及时闭锁本段母线的进线总开关中高压综合保护器，随即总开关高压综合保护器闭锁上级变电所对应回路的出线高压综合保护器，防止其越级跳闸井下供电系统及防越级跳闸系统。

智能微控器通过互感器检测回路检测到故障信号，由于井下的特殊原因令井下的电流短路，超过了故障点上方的整定值断路器，让上级的微控处理装置可以一同对故障信号进行检测，多个方位的故障信号可以通过CAN控制器按不同的优先级发送至上位机，再由上位机对数据报文进行比较，从而对地址信息惊醒故障源的检测与判定，完成以上工作后其最终对故障处的脱扣器发出指令，并快速且果断的保护断路器动作跳闸，同时对上级的微控器发出延时的指令。延时结束后，若故障仍没消除，上位机将会对故障处上一级的微控器发出启动速断保护指令，以此类推，直到故障消除。进而做全方位预防与防御，从根本上减少越级跳闸事故的发生，让煤矿生产在高度安全性的条件下得到了保障。

（四）系统特点。CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性与灵活性特点可概括为：（1）CAN为多主机方式工作，网络上任一个节点均可在任意时刻差动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。（2）CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输。（3）CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。

二、结论与展望

本文依据煤矿井下电力系统自身的主要特点，对井下供电系统产生越级跳闸的原因进行了全面的分析，同时指出了发生越级跳闸对供电系统存在的影响极其危害。与时下广泛应用的总线技术的迅猛发展相结合，在工业生产、自动控制领域被广泛的应用，以及在分析CAN总线的可靠性和独特的优势的前提下，设计出了基于CAN总线的井下防越级跳闸系统，科学的提出了基于CAN总线的井下防越级跳闸系统，并合理安排上下级保护装置选择性跳闸，从而解决井下高压供电系统越级跳闸问题。

参考文献：

[1]耿庆娥.矿用防越级跳闸保护装置的设计[J].工矿自动化，2012，8：131-134.

[2]史丽萍，温树峰，黄延庆.基于CAN网通信的选择性短路保护的研究[J].电力系统保护与控制，2011，4.