基于煤礦數字化集成保護的防越級系統研究

李德臣

北京昊華能源股份有限公司紅慶梁煤礦

引言

煤礦電網線路短，系統運行方式差異大，常常造成短路越級跳閘[1-2]。礦井工作環境的惡劣，礦井電網以中性點經消弧線圈接地運行方式為主，且下井線路經過多級變電所，導致礦井電網接地（漏電）保護無選擇性跳閘成為普遍現象。目前，廣泛使用的傳統型繼電保護裝置，不能解決煤礦越級跳閘問題，常導致大面積停電甚至造成局部瓦斯超限，影響安全的嚴重后果。隨著煤礦數字化自動化的發展，數字光纖通信網絡逐步應用在煤礦井下，本文提出了一種新的基于煤礦數字化集成保護的放越級系統，能夠解決煤礦電網存在的各種越級跳閘問題。

1 基于煤礦數字化集成保護的防越級系統

數字化變電站采用高速以太網通信傳輸個設備發送或接受的標準化數字化信息，實現各設備的信息共享和互操作[3-4]，并根據網絡數據，實現保護控制、測量監視、信息管理等自動化功能。

本系統中數字式變電站均基于IEC61850架構，能實現變電站內智能電子裝置IED間信息互享和互操作。煤礦數字變電站采用分層采集、集中控制的體系架構，基于IEC61850標準，采用以太網通信技術，將模擬量的采集計算、開關量邏輯判斷分層實現。各一次電氣設備的開關量、模擬量數據就地采集，按協議規定的報文格式打包，通過光纖網絡送往集成保護測控裝置；保護測控裝置安綜合全站信息實現測控保護、自動裝置功能，并進行功能模塊化設置，如設置線路三段式電流保護模塊、線路差動保護模塊、母線保護模塊等。各功能相對獨立、分時運行，在使用時僅需要進行軟件配置，既能保證保護的快速性、選擇性、可靠性、安全性，又能保證計量的高精度。

煤礦數字化變電站自動化系統由過程層、間隔層、站控層3個層次構成，架構如圖1所示。

圖1 煤礦數字化供電系統

間隔層設備主要為合并保護器，主要實現以下功能：接收來自電子互感器的電流、電壓數字量，合并后通過光纖通道上送至交換服務器，并實現電子互感器的激光功能；對于采用小信號輸出的電子互感器或傳統互感器，合并單元實現模擬量的數字化采集，通過光纖通道上送至交換服務器；接收交換服務器編碼下發的同步采樣信號，實現全站的模擬量同步采樣；實現開關量采集并上送至交換服務器；實現和數字電表的通訊，提供計量電流、電壓數據；可配備操作板，接收集成保護測控裝置通過交換服務器下發的跳閘命令實現保護出口。為進一步提高保護功能的可靠性，合并單元在和交換服務器的通訊中斷后，可以提供三段式過流保護功能。

間隔層的主要設備為集成保護測控裝置，其通過以太網與服務器接收全站模擬量采樣數據和開入量，并可根據要求靈活配置保護測控、自動裝置軟件模塊，單臺即能實現全站的所有保護測控、自動裝置功能。站控層設有GPS時鐘，當地監控主機，工程師主機等。

2 防越級跳閘原理

1）采用光纖差動保護解決饋線故障導致的“越級跳閘”

基于數字化變電站系統的點對點光纖通訊網絡，實現在保護主機內全站數據共享，將線路的主保護三段式式電流保護升級為線路差動保護，保護配置示意圖如圖2所示。由于采用光纖網絡通信，且保護功能軟件模塊化，因此可進行母線差動保護的擴展，彌補了傳統線路差動保護的不足。由于差動保護的動作區是由CT位置確定，與保護定值無關[5]。當采區變電站任一出線故障，光纖差動保護無差動電流時，光纖差動保護能可靠不誤動；均由饋出線高爆速斷保護動作切除故障，確保不出現“越級跳閘”。

2）定值和時限均可整定的失壓保護解決失壓保護導致的“越級跳閘”

設置低壓保護的定值和時限均可整定，重要的饋出線路設置較長的失壓保護延時，以躲開故障時引起的母線電壓降低，那些不重要的線路可設置較短的失壓保護延時，這樣可以保證重要饋線的供電，避免越級跳閘。

3）全站數據共享解決漏電保護無選擇性

采用光纖以太網通信，實現了全站數據信息共享，解決了傳統漏電保護系統中保護原理切換困難、漏電保護支路零序電流判據不充分、抗干擾能力差的問題。基于全站零序電壓，零序電流的綜合處理，徹底解決單支路漏電保護橫向選擇準確性和可靠性、選擇性問題。

3 系統特點

在一次間隔就地設置合并保護器，通過光纖網絡實現激光功能和與電子式互感器的通訊，并將合并后的數據按IEC61850規定的協議通過光纖口上送到交換服務器。同時在110kV及以下變電站把傳統式的電壓、電流互感器更換為電子式電壓、電流互感器，也可在傳統的斷路器、主變、電壓、電流互感器等間隔就地設置具有相關接口的合并保護器裝置，實施測控。同時保留針對10kV配電系統采用滿足IEC60444-7、IEC60444-8標準的低功率電子式互感器的接口。

每個合并保護器裝置配置兩個獨立的光纖網，通過光纖傳輸至交換服務器，交換服務器將匯總后的全站數據信息，送至集成保護測控裝置及電能計量裝置，從而實現全站保護、測量、控控及電能計量等功能。

本系統完全區別于現有的數字化變電站：全站的各種保護功能、自動控制功能集成在集成保護測控裝置上實現，將IEC61850標準的GOOSE網、SV網、GPS同步網三網合一，集成在同一對光纖通道（雙重化）上實現。本系統不僅集成了變電站所有的傳統保護、測控功能，而且可實現各種高端保護（如廣域保護、線路縱差保護、母線保護以及各種啟動條件等）完善原有的繼電保護方案，并且功能可自由配置，從而達到各種功能的無縫連接。同時，實現了變電站內各電氣設備間的信息共享和互操作，保護、測控、計量功能相對獨立，分時運行。既能保證保護功能的快速性、選擇性、可靠性，又保證了測量、計量的精度要求。

為了提高系統的可靠性，保護配置采用雙重化，有效降低了因保護裝置故障引起保護拒動的可能性。集成保護測控裝置綜合了供電系統所有間隔對象的故障數據，對故障進行快速定位，可靠切除故障。

數字化變電站系統采用光纖通訊網進行數據傳輸，徹底解決了二次接線復雜，易受干擾，電纜長的問題。

4 結語

針對煤礦電網存在的越級跳閘問題，本文提出了基于煤礦數字化集成保護的防越級系統，在煤礦數字化變電站中，通過采用光纖差動保護、定值和時限均可整定的失壓保護與全站信息共享技術解決了短路越級、漏電保護無選擇等越級跳閘問題。并在文章最后介紹了系統特點。

[1]彭國文，唐文海. 6kV煤礦配電系統保護防越級跳閘解決方案[J]. 煤礦機械，2011，11：211-213.

[2]孟惠霞，胡滿紅. 煤礦井下短路越級跳閘的故障分析[J]. 煤礦機械，2009，(02)：223-224.

[3]王海吉，王書強，劉海波，魏樹立，楊秀英. 基于IEC61850標準開發數字變電站可編程的IED[J].繼電器，2008，03：37-41.

[4]王燦，吳菲菲. IEC61850數字變電站綜合自動化系統[J]. 華中電力，2011，01：6-10.

[5]盧喜山，張祖濤，李衛濤. 煤礦供電系統基于縱聯差動保護原理的防越級跳閘技術研究[J].煤礦機械，2011，(04)：71-73.