基于PLC的矿井电网相敏保护系统设计.pdf

2 0 1 4年第 1 期 煤矿机 电 l 7 基于 P L C的矿井 电网相敏保护系统设计 贺琳 ， 李建新 ， 于铄航 1 ． 天地 常州 自动化股份有限公司， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5； 2 ． 鄂尔多斯电业局，内蒙古 鄂尔多斯 0 1 7 0 0 0 摘 要 针对煤矿井下低压电网鼠笼型异步电动机启动 电流过大， 造成设备无法正常启动的问 题 ， 提 出一种 以P L C为控制单元的矿 井电网相敏保护系统的设计方案。该设计方案是基于乘积项 的数学模型， 并根据乘积项的实现方法对系统的硬软件进行分析设计， 其硬件电路直接测量系统的 功率因数， 测量快速准确， 在电动机启动瞬间发生短路时能够可靠动作。该设计方案通过 M u lt i s i ml O软件仿真， 验证 了保护设计的合理性与可靠性。 关键词 相敏保护；短路故障；功率因数 ； Mu l t i s i ml 0仿真；启动电流 中图分类号 T M5 8 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 4 O 1 0 0 1 7 0 4 De s i g n o f Ph a s e - Se n s i t iv e Pr o t e c t i o n S y s t e m o f Mi n i n g Po we r Ne t wo r k B a s e d o n PL C He L i n ，L J i a n x i n ，Y u S h u o h a n g 1 ． T i a n d i C h a n g z h o u A u t o m a t i o n C o ． ，L t d ． ， C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ， C h i n a ； 2 ． O r d o s E l e c t r i c P o w e r B u r e a u ， O r d o s 0 1 7 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n a l l u s i o n t o t h e p r o b l e m t h a t t h e e q u i p me n t a b n o r ma l l y w o r k i n g c a u s e d b y s e r i o u s s t a r t i n g c u r r e n t o f s qu i rre l - c a g e a s y n c h r o n o u s mo t o r i n t he l o w v o l t a g e mi n i n g p o we r n e t wo r k． Pr o p o s e s t h e d e s i g n s c h e me o f t h e p r o t e c t i o n s y s t e m a do p t i n g PLC a s c e n t r a l c o n t r o l u n i t ．Th i s d e s i g n s c h e me i s t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l b a s e d o n t h e p r o d u c t t e r m． And t he s o ftwa r e a n d h a r d wa r e s t r uc t u r e i s d e s i g n e d i n d e t a i l s a c c o r d i n g t o t h e r e a l i z a t i o n me t h o d o f t h e p r o d uc t i t e m． Th e p r o t e c t o r a d o p t e d ha r d wa r e c i r c u i t t o me a s u r e t he p o we r f a c t o r o f t h e s y s t e m q u i c k l y a n d a c c ur a t e l y ．I t c a n wo r k r e l i a b l y wh e n t h e s h o r t c i r c u i t o c c u rre d a t mo t o r s t a rt- u p mo me n t ． Th e r a t i o na l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e p r o t e c t i o n s y s t e m a r e v e r i f i e d b y Mu l t i s i ml 0． Ke y wo r d sp h a s e s e n s i t i v e p r o t e c t i o n；s h o r t c i r c u i t f a u l t ；p o we r f a c t o r ；Mu l t i s i ml 0 s i mu l a t i o n；s t a r t i n g c u r r e n t O 引言 快速 、 准确 ， 能起到很好的保护效果 。 煤矿井下低压 电网鼠笼型异步电动机在启动瞬 间， 其启动电流值很大， 一般可达额定电流的4～ 7 倍以上 ， 有时与线路三相短路故障时的电流接近 ， 故 鉴幅式电流保护的可靠性较差 ， 还容易发生误动作 。 对于井下供电系统， 在线路末端发生短路时， 实测功 率因数一般在 0 ． 8左右 ， 而电动机在启动瞬间， 功率 因数较低 ， 一般在 0 ． 3 5～ 0 ． 4 5 之间⋯。因此， 借助 于快速的功率因数检测方法， 便能可靠地区分短路 电流和启动电流 。为了提高 电流保护的可靠性 ， 提 出一种新型相敏保 护的设计方案 ， 即通过硬件 电路 检测系统 的电流与功率因数 的乘积项 ， 其测量结果 1 基于乘积项的数学模型 由电动机与拖动 可知 ， 在 电动 机启动 瞬间 ， 满足方程 1 ， R， 0 1 S 式 中 s 转差率 ； 尺 ， 转子折算到定子侧的绕组电阻。 由式 1 可知 ， 此时感应 电动机相 当于变压器 的短路运行 ， 定子电流和转子 电流都将很大。研究 发现， 鼠笼型电动机的启动电流虽大， 启动时功率因 数却很低 。因此 ， 可通过硬件快速检测功率 因数与 1 8 煤矿机电 2 0 1 4年第1 期 电流倍数的乘积项 ， 再通过软件保护算法求 出系统 的功率因数 ， 进而判断系统是处于短路状态还是启 动状态。该乘积项的设计思想可以借助于周期分量 的傅里叶级数 的方法来 实现， 周期 为 角频率 to - I T 的周期量 ， 可展开为直流分量 A 。 和一 系列正弦分量的累加和的形式 ， 即 t A 0 A 1 s i n t O t 0 1 2 s i n 2 tO t ⋯ 4 s i n k to t 0 ⋯ 2 1 r A 0 J t d t 3 现假设分段函数 S t 在一个周期 内满足 ， 则当 0 - - ．to t 时 ， 5 t ／ ro s i n c o t 一 ； 当 1 『 ≤to t 2 , r r 时， S t 一I o s i n t o t 一 。其中， 定义 S t 为实时 电流信号； ， 0 为系统二次侧实时电流幅值； 为系统 功率因数角。 在 S t 的傅 氏展开式 中， 其直流分量 满足 A o s ㈩ 4 式 4 中 A 值可实时反映电流与功率因数的 乘积项 ， 对式 4 变换后可得 oc o s 5 按式 5 便可直接求出系统的功率 因数 。 2系统硬件设计 2 ． 1 相敏保护硬件设计 2 ． 1 ． 1 基本组成 相敏保护的硬件框图如图 1所示 。主要由电流 采集模块 、 触发电路 、 信号处理模块组成。电流采集 模块采集 I A ， ／ ／ U变换后 ， 经过低通滤波器产生标准 正弦信号 ； 触发 电路模块采集系统 将其滞后移 相 3 0 。 ， 以获得与 A相 电压同相位 的电压信号 ， 经过移相过零 比较 电路得 到方波触发信号 ； 信号处 理模块是在方波信号触发下 ， 在 实时电流信 号的前 半周把实时电流信号正向放大， 在后半周把电流信 号反 向放大 ， 然后将放大后的电流信号在一个周期 内提取直流分量， 便得到系统实时电流与功率因数 的乘积项 ， 即式 5 所示。 2 ． 1 ． 2 工作原理 将乘积项信号经过或门采集至 P L C的模拟量 端 口， 然后通过软件实时计算系统的功率因数 ， 判断 是否发出动作指令。系统硬件检测取两路 电流的目 的， 是在系统发生两相短路时也能准确地检测系统 的功率因数 ， 以增加硬件检测的可靠性。 ⋯⋯⋯⋯⋯一一 某 藁 晷 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯] r⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯- j i IA 相电流H 单相电流互感器 叫电流电压变换H低通滤波 H 电流放大H提取直流分量卜 _ 线 电 压 触 发 胡 嘲 ● l苤 皇 匡 H 三 相 电 压 互 感 器AJB 皇{整 担 电 堕 H 鲞 筮 降 信 号 处 理 模 块 触发电路 一 『 lB 相电流H 单相电流互感器H 电流电压变换H 低通滤波} 1 电流放大H 提取直流分量} _一 L ⋯⋯⋯⋯⋯一皂 亟 墨 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 j__ - ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 j 图 1 相敏保护硬件框 图 2 ． 2 硬件模块分析 2 ． 2 ． 1 移相电路 系统采集 的电压均是线 电压 ， 比相应 的相电压 超前 3 0 。 ， 需移相电路对 电压相位进行调整 ， 如 图 2 所示。设输入电压为 ， 输 出电压为 ， 运放反 向输入端 电压为 ， 正 向输 入端 电压 为 U 则 满 足 UA B UN UN Ut A UA B ／ j to c 1 1 R 2 一 R 3 ’R 1 ／ ／ 1 ／ j to c 1 如C l UM ， UMUN 6 令 尺 R ， 则经化简得 _ UA 1 一2 a r c t a n ∞C 1 R 1 UA B 图 2 滞后移相 电路 7 2 0 1 4年第 1 期 煤矿机 电 1 9 通过调节 c 或者 。 的值 ， 可使 滞后 移相 3 0。 。 2 ． 2 ． 2 直流分量电路 采用二 阶低通滤波器提取直流分量 电路 ， 如图 3所示， 选取参数 C C ， 系统的截止频率为 R c 。选取合适的参数， 使端口的直流信号通过。 系统上电后检测到 P L C有输出时， 经过 5 0 m s的延 时后 ， 便能得 到稳定 的直 流分量 ， 送到 P L C模拟量 口进行采集计算 ， 可求 出系统的功率因数 。 3软件设计 图 3 提取直流分量 电路 相敏保护作为电流保护 的一部分 ， 主要实现检 测回路功率因数的功能。程序 中首先判断回路是或 否接通 ， 若未接通 ， 则进行漏 电检测。在接通的情况 下 ， 调用检测功率因数子程序 ， 依据式 5 实现功率 因数 的计算。与设定值 k 启动功率因数与短路功 率功率因数 的门槛值 比较 ， 若系统实时 电流 幅值 大于设定的短路电流幅值 ， 则认为是短路状态 ， 系统 立即动作 ； 若是启动电流 ， 则禁止动作 。在系统启动 后调用电流保护子程序 ， 主要是对 系统运行状 态进 行监控 ， 在断相 、 过载 、 短路等状态下均能及时动作。 程序如图 4所示。 4 仿真分析 在 Mu l t i s i ml O软件环境下对系统硬件进行仿真 分析 ， 假设 系统 额定 电压为 1 1 4 0 V， 电压 互感器 1 1 4 0 V 9 V， 一次侧实时电流 4 0 0 A， 电流互感器选 用4 0 0 0 ． 2 ； 取样 电阻 1 O Q。通过移相 电路改变 系 统的功率因数角， 分别模拟启动电流和短路电流的 情况。测试结果见表 1 。 由表 1 可知 ， 在系统电压和 电流幅值不变 的情 况下 ， 变压器二次侧 的电信号值为 9 V， 电流互感器 二次侧经取样后的电信号值为 2 V。系统 的功角以 1 O 。 为单位依次递增， 可见 P L C模拟端 口 0～1 0 V 范围 内采集到的电压线性减小 ， 与式 5 的分析结 果一致。根据功角和模拟端 口电压特性可以线性求 出系统的比例系数 ， 进而求出功率因数。 系统初始化 号处理 、按键扫描子 系统电压 、温度控制子 调用电流保护 子程序 图 4 系统的软件流程图 表 1 恒流 功角测试 若在启 动瞬间， 功角一般在 6 5 。一7 0 。 之 问， 模 拟量 电压值在 0 ． 6 0 6 V一 0 ． 7 7 3 V之间 ； 若是正常运 行和短路瞬间， 功角一般小 于 3 7 。 ， 模拟量电压值大 于 1 ． 4 9 V。因此 ， 根据系统 的实 际运行情况 ， 通过 设置 门槛值 可以有效 地区分 出启动 电流 和短路 电 流 ， 提高电流保护的可靠性。 5结语 基 于P L C的矿井 电网相敏保 护系统设计采 用 2 0 煤矿机电 2 0 1 4年第1 期 基于近似熵算法的单相接地故障定位研究 梁沛然， 郭俞潞 中国能源建设集团 山西省电力勘测设计院，山西 太原 0 3 0 0 0 1 摘要 采用 Ma t l a b搭建单相接地仿真模型， 设置多个检测点， 用近似熵算法求取各检测点的近 似熵。 由于故障点前后暂态零序电流波形的差异， 导致近似熵值 的不同， 据 此可以判定故障区段。 该方法具有不需要不同检测点精确 时间同步 ， 所需数据量小等优点。 关键词 单相接地故障；故障定位；近似熵；配电网 中图分类号 T M 7 4 4 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 1 4 O 1 0 0 2 0 0 3 S t u d y o f Si n g l e - P h a s e Gr o u n d i n g F a u lt L o c a t i o n B a s e d o n Ap p r o x i ma t e E n t r o p y Al g o r it h m Li an g Pe i r a n，Gu o Yu l u S h a n x i E l e c t r i c P o w e r E x p l o r a t i o n a n d D e s i g n I n s t i t u t e ，C h i n a E n e r g y C o n s t r u c t i o n G r o u p ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t A s i mu l a t i o n mo d e l o f s i n g l e p h a s e g r o u n d i n g i s b u i l t b y Ma t l a b，a n d s e t s s o me mo n i t o r i n g s i t e s a l o n g t h e l i n e s ，t h e n c a l c u l a t e s t h e i r a p p r o x i ma t e e n t r o p y A p E n v a l u e s ．O w i n g t o t h e d i s p a r a t e w a v e f o r m s o f t h e t r a n s i e n t z e r o o r d i n a l i n fl o w a n d o u t fl o w c u r r e n t ，w h i c h l e a d s t o t h e d i s p a r i t y o f Ap E n v a l u e s a t mo n i t o r i n g s i t e s i n f r o n t a n d b e h i n d o f t h e f a u l t p o i n t ，t he f a u l t s e c t i o n c o u l d b e a s c e r t a i ne d．T h e a l g o r i t h m r e q ui r e s s y n c h r o n i z a t i o n o f mo n i t o r i n g s i t e s a n d d e ma n d s s ma l l a mo u nt o f d a t a ． K e y wo r d s s i n g l e p h a s e g r o u n d i n g f a u l t ；f a u l t l o c a t i o n；a p p r o x i ma t e e n t r o p y ；d i s t r i b u t i o n n e t w o r k 0引言 我 国 1 0 k V配电网络大多采用 中性点不接地或 中性点经消弧线圈接地的小 电流接地系统 。小电流 接地系统分支多、 网络拓扑结构复杂 、 易受过渡电阻 等的影响 。而且 当发生接地故障时， 故障电流微 弱、 电弧不稳定和受随机因素影响， 接地故障的定位 比较困难。因此， 寻找一种可靠的定位技术对提高 供电可靠性、 提高经济效益和维护电网设备安全， 具 有重要的意义 。 本文通过 Ma t l a b在对 配电网单相接地 系统 进 行大量仿真的基础上 ， 研究采用近似熵算法进行单 相接地故障定位 ， 据此判定故障区段 ， 发现具有很高 的可靠性 。 了硬件电路计算乘积项的方法 ， 其测量结果准确 ， 能 很好地实现 电流保护的功能 ， 提高 了电流保护动作 的可靠性， 又解决了井下低压电网大功率电动机的 启动问题。 参考文献 [ 1 ] 宋建成， 王雁欣． 基于功率因数检测的矿井低压电网相敏保护 的研究 [ J ] ． 电网技术 ， 1 9 9 9， 2 3 2 4 0 - 4 1 ． [ 2 ] 王桂英． 电机与拖 动[ M] ． 沈 阳 东北大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 胡广书． 数字信号处理 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 4] 冯建 勤 ， 宋 寅卯 ． 基于 电流采样值的相敏过电流保护 [ J ] ． 电力 系统及其 自动化学报 ， 2 0 0 6， 1 8 3 7 9 8 0 ． [ 5 ] 李霞． 矿用低压隔爆型磁力启动器智能保护器的研制[ D ] ． 西 安 西安科技大学 ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 王启龙， 王艳．谈谈多回路组合开关的应用[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 4 ， 2 3 3 4 3 44 ． [ 7 ] 张继红．基于 P L C控制 的3 ． 3 k V移动变电站测控 系统 的研究 [ D] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 0 4 ． 作者简介 贺琳 1 9 8 3一 ， 男， 助理工程师。2 0 1 l毕业于西安科技 大学 硕 士学位 ， 现主要从 事煤矿 自动化等方面的科研工作。 收稿 E t 期 2 0 1 3 0 7一l 6 ； 责任编辑 姚克